Конструкция доменной печи

По степени убывания кислорода оксиды железа располагаются в ряд: Fе2О3, Fе3O4 и FеО, содержащие соответственно 30,06; 27,64 и 22,28 % кислорода. Из трех оксидов железа, взятых в свободном состоянии, наиболее прочным в условиях рабочего пространства доменной печи, а точнее при температуре выше 570 °С является FеО. Восстановление железа из его оксидов протекает ступенчато путем последовательного удаления кислорода и в зависимости от температуры может быть изображено двумя схемами: - при температуре выше 570 °С Fе2О3 > Fе3О4> FеО> Fе; - при температуре ниже 570 °С Fе2О3 >Fе3O4 > Fе. Ниже 570 °С прочность FеО становится меньше прочности Fe3O4 и FеО превращается в Fе3О4 и Fе. В доменной печи восстановление железа из его оксидов протекает в основном по первой схеме, так как уже через несколько минут после загрузки материалов на колошник они нагреваются до температуры выше 570 °С. Большая часть кислорода, связанного в оксиды железа, отбирается оксидом углерода, поэтому основным восстановителем в доменной печи является оксид углерода. Восстановление оксидов железа оксидом углерода при температуре выше 570 °С идет по реакциям:

3Fе2О3 + СО > 2Fе3О4 + СО2 + 37,137 МДж; (2.1)

Fе2О3 + mСО >3FеО + (m - 1)СО + CО2 -20,892 МДж; (2.2)

FеО + nСО >Fе + (n - 1)СО + СО2 + 13,607 МДж (2.3).

3. Слив шлака и чугуна из доменной печи

Восстановленное в доменной печи из руды железо поглощает углерод и другие элементы, образуя чугун. Процесс науглероживания железа начинается с момента его появления в виде твердой губки в зоне умеренных температур. Механизм науглероживания железа сводится к следующему. Свежевосстановленное железо служит катализатором реакций разложения оксида углерода на сажистый углерод и диоксид углерода. Эта реакция протекает на поверхности губки. Обладая повышенной химической активностью, сажистый углерод взаимодействует с атомами железа и образует карбиды железа. Науглероживание губчатого железа заметно протекает уже при 400-500 °С. По мере науглероживания железа температура его плавления понижается. Если чистое железо плавится при 1539 °С, то сплав железа с углеродом, содержащий 4,3 % углерода, плавится при 1135 °С. Однако науглероживание железа в твердом состоянии является лишь начальной стадией этого процесса, способствующей понижению температуры плавления металла. Более интенсивно науглероживание протекает после перехода металла в жидкое состояние. Капли металла, стекая в горн печи, контактируют на поверхности кусков раскаленного кокса с углеродом, в результате чего содержание углерода в сплаве резко возрастает. На горизонте фурм за пределами зон горения содержание углерода в чугуне достигает 3,8-4,0 %.

Окончательное науглероживание металла происходит в горне печи. Переход в чугун других элементов (марганца, кремния, фосфора и серы) осуществляется по мере их восстановления на различных горизонтах рабочего пространства печи. Марганец при выплавке передельного чугуна заметно переходит в металл уже в распаре, однако наиболее интенсивное насыщение чугуна марганцем происходит в заплечиках и горне при восстановлении марганца. Основная масса кремния переходит в чугун в нижней части заплечиков и в горне. Содержание фосфора в пробах металла из распара почти такое же, как и в конечном чугуне, а иногда и выше. Это объясняется тем, что в металл из распара попадает не только фосфор, который восстановился здесь и выше, но и фосфор, возгоняющийся из нижних горизонтов печи. Фосфор начинает переходить в металл уже в нижней части шахты. Окончательное содержание углерода в чугуне не поддается регулированию и зависит от элементов в сплаве. Марганец и хром, являясь карбидообразующими элементами, способствуют увеличению углерода в чугуне. Кремний и фосфор, образуя более прочные с железом соединения, разрушают карбиды железа и понижают содержание углерода в чугуне. Если в передельном маломарганцовистом чугуне содержится 4-4,6 % углерода, то в зеркальном чугуне, содержащем 10-25 % марганца, углерода содержится 5-5,5 %, а в 75 %-ном ферромарганце содержание углерода достигает 7-7,5 %. Наоборот, в литейном чугуне, содержащем 2,5 % кремния, содержание углерода не превышает 3,5 %, а в ферросилиции содержание углерода понижается до 2 % и ниже. Содержание марганца и кремния сильно влияет на структуру чугуна, что имеет очень важное значение при производстве литейного чугуна, используемого в машиностроении. Известно, что углерод в чугуне может находиться в химически связанном состоянии в виде карбида и в свободном состоянии в виде графита. В литейном чугуне благодаря повышенному содержанию кремния значительная часть углерода находится в виде графита, что способствует повышению прочности отливок. В изломе такой чугун имеет серый цвет. Увеличение содержания карбидов железа в чугуне повышает его хрупкость. В изломе такой чугун имеет белый цвет. Качество чугуна для отливок также зависит и от условий выплавки чугуна в доменной печи.

В доменной печи шлак образуется под действием высоких температур в результате плавления пустой породы железосодержащих материалов и флюса, к которым в горне присоединяется зола сгоревшего кокса. Шлакообразующими оксидами являются SiO2, СаО, МgО, А12О3, FеО, МnО, а также сульфиды металлов, преобладающим из которых является СаS. Образованию шлака предшествуют процессы размягчения и спекания пустой породы и флюса, сопровождающиеся образованием твердых растворов и различных химических соединений. Эти процессы представляют собой промежуточное звено при переходе вещества из твердого состояния в жидкое. Чем больше температурный интервал, в котором протекает превращение шлакообразующих компонентов из твердого состояния в жидкое, тем большую часть по высоте печи занимает вязкая масса, заполняющая пустоты между кусками кокса и препятствующая движению и распределению газов.

В связи с этим температурный интервал размягчения шлакообразующих компонентов должен быть по возможности меньшим. В процессе шлакообразования различают первичный, промежуточный и конечный шлаки. Первичный шлак появляется в начальной стадии шлакообразования в результате плавления легкоплавких соединений. Первичный шлак, перемещаясь в зоны с более высокими температурами, нагревается, а химический состав его непрерывно изменяется вследствие восстановления железа и марганца из соответствующих оксидов и растворения в шлаке новых количеств СаО и МgО, увеличивающих количество шлака. Конечный шлак образуется в горне после растворения в шлаке золы сгоревшего кокса и остатков извести и окончательного распределения серы между чугуном и шлаком. С применением офлюсованного агломерата условия шлакообразования изменяются. Присутствие извести в агломерате обеспечивает хороший контакт шлакообразующих оксидов, поэтому их размягчение при нагреве и образование первичного шлака протекает в сравнительно небольшой зоне по высоте печи, от чего значительно повышается газопроницаемость этой зоны. Восстановление железа из офлюсованного агломерата протекает интенсивнее и равномернее по сечению, вследствие чего в первичном шлакообразовании участвует меньшее количество FеO, а зона начала образования шлака смещается в область более высоких температур.

Конечными продуктами доменной плавки (Рисунок 9) являются чугун, шлак, колошниковый газ и колошниковая пыль. Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой. В чугуне также содержится незначительные количества водорода, азота и кислорода. В легированном чугуне могут быть хром, никель, ванадий, вольфрам и титан, количество которых зависит от состава проплавляемых руд. В зависимости от назначения выплавляемые в доменных печах чугуны разделяют на три основных вида: передельный, идущий на передел в сталь; литейный, предназначенный для получения отливок из чугуна в машиностроении; доменные ферросплавы, используемые для раскисления стали в сталеплавильном производстве. Передельный чугун подразделяют на три вида:

· передельный коксовый (марок М1, М2, МЗ, Б1, Б2);

· передельный коксовый фосфористый (МФК МФ2, МФЗ);

· передельный коксовый высококачественный (ПВК1, ПВК2, ПВКЗ).

Литейный чугун после выпуска из доменной печи разливают в чушки и в холодном виде направляют на машиностроительные заводы, где для отливки деталей машин его вторично подвергают расплавлению в специальных печах-вагранках. Литейный коксовый чугун выплавляют семи марок: ЛК1-ЛК7. Каждую марку подразделяют на три группы по содержанию марганца, на пять классов по содержанию фосфора и на пять категорий по содержанию серы.

Образовавшийся шлак отправляют на грануляцию либо сливают в отвал, после чего подвергают дроблению. Измельчённый на грануляторе или дробилке шлак является ценным строительным материалом. Щлаковый щебень применяют как дорожное покрытие, добавляют в бетон в качестве наполнителя. Шлаковая мучка используется для производства шлакоблоков и укладки тротуарной плитки.

Рисунок 9. Доменная плавка

4. Ремонт и обслуживание доменной печи

Доменная печь является одним из крупнейших металлургических агрегатов непрерывного действия. Ее кампания то есть, время от задувки после строительства или капитального ремонта I разряда до очередного капитального ремонта I разряда, достигает 12 лет. В течении столь длительного периода сама доменная печь и её оборудование изнашиваются. Происходит значительное разрушение кладки по всей высоте печи, выходят из строя холодильники, охлаждающие кладку, изнашивание распределительной и ссыпной аппаратуры, разрушается футеровка газоотводов.

Наряду с износом доменной печи выходит из строя оборудование, обслуживающее доменную печь. Разрушается кладка камеры горения и купола воздухонагревателей, оплавляется насадка верхних рядов и засоряются ячейки насадки, что ведет к уменьшению поверхности нагрева воздухонагревателей и следовательно к снижению температуры горячего дутья. Значительно изнашиваются и многие узлы механического оборудования.

Любому оборудованию, работающему в круглосуточном режиме, требуется постоянное обслуживание. Регламенты закладываются в технический паспорт оборудования. Несоблюдение графика технического обслуживания влечет за собой сокращение срока эксплуатации.

Износ оборудования также предопределяет необходимость остановки доменной печи на ремонт. Цель любого ремонта - приведение доменной печи и ее оборудования в рабочее состояние, обеспечивающее высокопроизводительную, экономичную и безопасную работу печи и ее агрегатов.

В практике работы доменных печей встречаются особые обстоятельства, требующие от обслуживающего персонала экстренных в связи с прекращением:

1. подачи дутья;

2. подачи воды для охладительных систем;

3. подачи электроэнергии;

4. подачи острого пара и сжатого воздуха;

5. подачи одновременно всех видов энергии.

Персонал, обслуживающий печи в экстремальных условиях, обязан:

1. При прекращении дутья быстро предупредить проникновение газа из горна в воздухопроводы, не допустить падения давления газа на колошнике ниже атмосферного, предупредить, по возможности, заливку фурм шлаком (открывая чугунную или шлаковую летку или, в крайнем случае, гляделки на фурменных коленах и спуская шлак на поддоменник). При общем падении давления дутья необходимо сохранять минимальное давление его на одной из печей (даже за счет прогара фурм) для того, чтобы газовый цех мог успеть сделать все необходимые указания по заводу для предупреждения затяжки воздуха в газопроводы. Сделать все обычные операции по остановке печи и открыть разгрузочный клапан (снорт).

2. При прекращении подачи воды для охладительных систем немедленно снизить расход дутья в зависимости от степени падения давления воды и величины его колебания. Принять меры к отработке шлака или открытию выпуска чугуна. При полном прекращении поступления воды остановка печи должна быть сделана, не дожидаясь выпуска, с принятием мер по предотвращению аварийной ситуации.

3. При отсутствии электроэнергии для питания силовых установок цеха, которое возможно на различных участках, установить степень влияния этого участка на работу печи и в зависимости от этого принять решение о возможности дальнейшей ее работы.

4. При отсутствии подачи пара и сжатого воздуха продолжать работу обычным путем, но немедленно принять меры к восстановлению нормального снабжения, так как продолжительная работа засыпного аппарата без ввода пара в межконусное пространство небезопасна. Отсутствие сжатого воздуха может быть компенсировано ручным управлением там, где это возможно.

5. При одновременном отсутствии всех видов энергии.

Остановка печей является особо ответственной операцией, так как в этом случае очень легко потерять положительное давление в газопроводах. Печи остановить, т. е. проделать все обычные операции по остановке независимо от того, что остановка фактически уже произошла. Операцию со снятием печи на тягу при этом исключить. Снорты открыть, все атмосферные клапаны, свечи на пылеуловителях и газопроводы тщательно закрыть. Быстро снять воздухонагреватели с газового режима. Сопла на фурменных устройствах снять, а фурмы закрыть леточной массой. При длительных стоянках в таких условиях, особенно на печах с большими конусами засыпных аппаратов, оставшихся открытыми в связи с отсутствием электроэнергии, зажечь на колошнике газ. При соответствующей конструкции колошникового устройства закрытие большого конуса возможно при помощи домкратов (гидравлических). Основное внимание персонала должно быть направлено на контроль за уровнем давления на колошниках доменных печей. Персонал газового цеха должен заполнить газовые магистрали коксовым или природным газом, для чего должны быть предусмотрены специальные перепуски между их газопроводами. Обратный пуск печей после таких остановок производится только после тщательного выявления и устранения всех повреждений по особо разрабатываемой для этого программе.

При ремонте печи недостаточно простой замены деталей или узлов. Во время капитального ремонта иногда осуществляют полную реконструкцию доменной печи с увеличением ее полезного объема.

В зависимости от степени износа доменной печи и отдельных узлов ремонты подразделяются на несколько разрядов

Работы по техническому обслуживанию доменных печей делятся на периодические и капитальные ремонты. Периодические работы проводятся без остановки рабочего процесса.

Капитальный же ремонт по объему выполняемых работ делится на три разряда. К первому разряду относят капитальные ремонты, при проведении которых полностью заменяют огнеупорную кладку горна и лещади. При этом также меняют и другие изношенные узлы печи. При реконструкции печи имеет место и капитальный ремонт фундамента доменной печи.

Ко второму разряду относят капитальные ремонты, при проведении которых огнеупорная кладка и конструкция горна и лещади сохраняется; главная цель таких ремонтов - полная или частичная замена кладки шахты и ремонт кожуха.

К третьему разряду относят капитальные ремонты, при которых всю огнеупорную кладку печи сохраняют; главная цель таких ремонтов - смена засыпного аппарата (иногда также и защита сегментов колошника).

К планово-предупредительным ремонтам относят ремонт некоторых узлов доменной печи, смену малого конуса, что связанно с остановкой печи.

Длительность самой кампании доменной печи в настоящее время значительно возрастает вследствие применения новых, более стойких огнеупорных материалов - высокоглиноземного кирпича, углеродистых блоков, а также обеспечения более ровного хода печи, улучшения подготовки сырых материалов, своевременных профилактических осмотров оборудования, проведения промежуточных осмотров оборудования, проведения промежуточных ремонтов (1 и 3 разряда), во время которых обновляют некоторые узлы оборудования. [9]

Капитальные ремонты 2-го разряда проводят через 2-3 года, причем улучшение технологии ведения доменных печей позволяет удлинить межремонтные сроки.

Необходимость в проведении капитальных ремонтов 3-го разряда была вызвана быстрым выходом из строя засыпных аппаратов, условия эксплуатации которых стали более тяжелыми в связи с переходом на работу с повышенным давлением газа под колошником. В последнее время из-за проведения ряда мероприятий - увеличения износоустойчивости контактных поверхностей большого конуса и чаши. Но в ряде случаев отпадает необходимость в специальных ремонтах для смены засыпного аппарата, и смену аппарата стремятся приурочить к капитальному ремонту 2-го разряда.

Увеличение межремонтных сроков и сокращение продолжительности ремонтов являются важными факторами повышения выплавки чугуна за компанию доменной печи.

Планово - предупредительные ремонты проводят 1-2 раза в год.

Подготовка начинается с обследования, печи в период ее работы. Обслуживающий персонал цеха в течении всего периода эксплуатации ведет систематическое наблюдение за состоянием печи. Результаты осмотров и наблюдений - обнаруженные повреждения, износ, ненормальности в работе, аварии и проведенные ремонты - заносят в паспортную книгу и журналы учета службы оборудования и системы охлаждения.

Комиссия составляет акт о техническом состоянии печи и фундамента, характере, объеме, продолжительности и времени предстоящего ремонта.

На основании утвержденных директором завода актов составляется проект годового графика капитальных ремонтов доменных печей. Затем график согласовывают с ремонтно-строительными организациями, после чего его утверждает Главное управление ремонтных служб и предприятий Министерства черной металлургии.

На основании акта о техническом состоянии печи составляют ведомость дефектов в которой учитывают замечания персонала о работе как отдельных узлов печи так и всей печи. При этом большое внимание уделяется внедрению новой техники, обеспечивающей удлинение межремонтных сроков и бесперебойную работу доменной печи, замене менее стойких конструкций и материалов более стойкими замене морально устаревших узлов деталей механизмов и оборудования более совершенным.

Ведомости дефектов по отдельным узлам и механизмам обсуждают и корректируют инженерно-технические работники доменного цеха. В общей ведомости дефектов подробно указывают характер повреждений и объемов необходимого ремонта по каждому элементу конструкции с указанием вновь изготовляемых деталей или ремонтируемых деталей, подлежащих демонтажу, монтажу и ревизии. Ведомость дефектов должна быть составлена до начала периода подготовки. Период подготовки к ремонту занимает от 3 до 12 месяцев.

На основании ведомости дефектов доменный цех составляет техническое задание проектной организации. Последние приступают к разработке рабочего проекта ремонта и сметы. Для своевременного предоставления заявок и заказов на огнеупорные материалы, металл, металлоконструкции, проектный отдел завода составляет график выпуска рабочих чертежей. Первоочередным заданием графиков является выпуск чертежей конструкций и оборудования, изготовление которых требует длительного времени.

Заказанные на стороне металлоконструкции и оборудование должны быть доставлены на завод за 1,5 - 2 месяца до остановки печи.

Общий объем огнеупорных работ достигает 2500-3000 м3 . своевременный завоз, складирование и подача такого количества огнеупоров во многом определяют выполнение графика ремонта доменной печи.

Заявки на огнеупоры, мертели и углеродистые блоки оформляют не позднее чем за 1 год до остановки доменной печи. В заказе заводам-изготовителям должно быть указанно количество кирпича по маркам для кладки каждого узла в отдельности, а для кладки лещади - количество кирпича для каждого ряда. Проект считается выпущенным после того, как он согласован с начальником доменного цеха и утвержден главным инженером завода. Сметы расходов на ремонтные работы составляют на основе проектной документации и обязательно согласовывают с исполнителями. Проект и смета капитального ремонта должны быть утверждены директором завода не позднее чем за 4-6 месяцев до остановки печи.

Разработанную проектным отделом техническую документацию по капитальному ремонту передают за 4-6 месяцев исполнителям для разработки проекта производства работ ППР и подготовки к предстоящим работам. На основании полученной от завода технической документации стройуправление согласовывает с заводом исходные данные для составления проекта производства работ. Затем работники стройуправления и завода составляют график выполнения подготовительных работ, который согласовывают со всем руководством доменного цеха, руководителями работ, после чего график утверждает директор завода. Наконец разрабатывают проект и график производства работ. Разработка и согласование проекта производства работ и график ремонта должны быть закончены за 2 месяца до начала ремонта.

Заключение

Являясь многоцелевым агрегатом, доменная печь будет выполнять, кроме металлургической, функции энергетическую и санитарно-экологическую применительно к региональным и другим потребностям. Это объективно выдвигает доменную печь на роль ведущего металлургического агрегата XXI века. Идея использования металлургии для утилизации отходов, включая особо токсичные, принадлежит самим металлургам. Сжигание горючих компонентов отходов в металлургических агрегатах более 10 лет используется в наиболее промышленно развитых странах мира, известных строгим отношением к защите окружающей среды. Отечественный опыт подтверждает возможность и эффективность использования высокотемпературных металлургических агрегатов для утилизации и обезвреживания целого ряда отходов, что позволяет металлургическим предприятиям помочь в решении острых экологических проблем в регионах, на территории которых они размещаются.При производстве чугуна необходимо учитывать основные экономические показатели: коэффициент использования полезного объема печи; удельный расход кокса; среднесуточную производительность печи.

Чем меньше коэффициент производительности печи, тем выше производительность. Эти показатели являются обобщенными и зависят от доли агломерата и окатышей в шихте, качества кокса, расхода природного газа, температуры дутья, содержания в нем кислорода и других факторов.

Передельный чугун наиболее важный материал применяемый преимущественно в металлургическом комплексе. Производство чугуна не теряет своих темпов на протяжении нескольких десятков лет. Производство передельного чугуна рентабельно, поскольку этот материал пользуется большим спросом в промышленности.

Список использованной литературы

1. Андронов В.Н. Экстракция черных металлов из природного и тех-ногенного сырья. Доменный процесс. - Донецк: Норд-Пресс, 2009.-377 с.ISBN 978-966-380-329-6.

2. Бабич, В.К. Основы металлургического производства (черная металлургия) / В.К. Бабич, Н.Д. Лукашкин, А.С. Морозов и др. - М.: Металлургия, 1988. -272с.

3. Баринов Е. М. Краткий справочник доменщика. Изд-во "Металлургия", 1965.

4. Возникновение доменной печи, http://www.bestreferat.ru/referat-181592.html

5. Воскобойников В.Г. и др. Общая металлургия, ИКЦ «Академкнига» , 2005, 768 с

6. Глухов В.С. Технология металлов и материалов; Учебное посо-бие/Р.А. Галустов, Ю.А. Лобейко. - Ставрополь: Изд-во СтГАУ "Агрус", 2005. - 128 с.

7. Глухов В.С. Технология металлов и материалов: Словарь- спра-вочник/В.Д. Симоненко, Н.С. Штейнгардт, Р.А. Галустов, Ю.А. Лобейко. - Ставрополь: Изд-во СтГАУ "Агрус", 2004. - 128 с.

8. Готлиб А.Д., Доменный процесс, 2 издание, 1966. В.Г. Воскобойников, А.Г Михалевич.

9. Готлиб А.Д., Доменный процесс, 2 издание, 1966. В.Г. Воскобойников, А.Г Михалевич.

10. Красавцев Н. И. Металлургия чугуна, Металлургиздат, 1952.

11. Кузьмин Б.А. и др. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. Учебник для техникумов.

12. Линчевский Б.В., Соболевский А.Л. Металлургия черных металлов, «Металлургия», 1986, 360 с.

13. «Металлургия чугуна». Учебник для вузов/ под ред. Юсфина Ю.С. М.: Академкнига, 2004, 774 с.

14. Общая металлургия. Издательство Металлургия, 2001

15. Плискановский С. Т. Оборудование и эксплуатация доменных печей / С. Т. Плискановский, В. В. Полтавец. Днепропетровск : Пороги, 2004. 495 с.

16. Производство чугуна на доменной печи № 6 (ВТИ 102-Д1302004). Н. Тагил : ОАО «НТМК», 2004. 66 с.

17. Технологические инструкции ООО «Тулачермет-Сталь».

18. Подготовка железной руды к плавке в доменной печи. http://iron- lab.ru/podgotovka-zheleznoj-rudy-k-plavke-v-domennoj-pec

19. Подготовка флюсов к доменной плавке. http://www.markmet.ru/knigapometallurgii/podgotovka-flyusov-k-domennoi-plavke.

Приложение А

Рисунок 10. - Устройство доменной печи

Приложение Б

Рисунок 11. Технологический процесс выплавки чугуна

Приложение В

Рисунок 13 - Загрузочное устройство доменной печи: 1 - роликовые подшипники распределителя шихты; 2 - жесткое крепление роликовых подшипников; 3 - уплотнение распределителя; 4 и 5 - кольца уплотнения; 6 - воронка; 7 - малый конус; 8 - фланец распределителя; 9 - кожух газового затвора; 10 - опорное кольцо; 11 - редуктор распределителя; 12 - большой конус; 13 - чаша большого конуса; 14 - зондовое устройство для замера уровня шихты

Приложение Г

Рисунок 14 - Футеровка доменной печи

Размещено на Allbest.ru