Глава 4 оборудование доменных цехов § 17. Общие сведения о технологическом процессе производства чугуна

Конечным продуктом доменного производства является чугун, для выплавки которого в настоящее время в основном применяются доменные печи. Исходным сырьем для получения чугуна является шихта, в состав которой входят: руда железная и марганцевая, металлические добавки (скрап и стружка), флюс и горючее. В настоящее время железная руда в натуральном виде в доменном производстве не используется.

В целях лучшей восстановимости железная руда, как правило, подготавливается к доменной плавке и подается в доменную печь в виде офлюсованного агломерата или обожженных окатышей.

Флюсами называются материалы, вводимые в шихту для перевода пустой породы, золы кокса и серы в шлак определенного состава и текучести, что необходимо для получения чугуна заданной марки.

В зависимости от химического состава рудной части шихты (агломерата) и золы кокса применяют кислые или основные флюсы. В качестве основного флюса применяется известняк, а в качестве кислого – кварциты, которые добавляются в железную руду в процессе ее агломерации или окатывания.

В качестве горючего в доменной плавке используется в основном каменноугольный кокс. В последнее время в целях снижения расхода кокса в качестве добавок применяются: природный газ, нефть и пылевидное топливо. В результате применения природного газа производительность доменных печей повышается примерно на 3%, а относительный расход кокса уменьшается на 13-15%.

Сущность доменного процесса заключается в следующем. Шихтовые материалы загружаются в доменную печь порциями (подачами) в строго определенной последовательности. Подачу в доменную печь с большого конуса опускают в два приема, а именно: сначала все топливо подачи, затем рудную часть подачи и флюс. Следовательно, шихтовые материалы в доменной печи располагаются слоями: кокс, агломерат и известняк, опять кокс, агломерат и известняк и т. д. Печь заполняется все время шихтовыми материалами по мере схода шихты во время работы доменной печи. При хорошо идущей доменной плавке этот порядок подач шихтовых материалов регулярно поддерживается, в случае расстройства хода печи и снижения ее производительности, указанный порядок загрузки печи может быть изменен.

Железо, входящее в состав чугуна, получается из рудной части шихты, в которой оно находится в виде соединений с кислородом (окислы железа). Для восстановления железа необходимо отнять кислород руды, соединяя его с веществом, имеющим большое сродство к кислороду и образующим с ним более прочное соединение, чем соединение кислорода с железом.

Вещество, отнимающее кислород руды, называется восстановителем. В доменном процессе восстановителем и источником тепла является углерод топлива.

Чтобы происходило восстановление железа, необходимо нагреть рудную часть шихты и восстановитель. За счет сгорания кокса в доменной печи и развиваются необходимые для реакции восстановления температуры. Для сжигания кокса в нижнюю зону доменной печи (заплечики) через воздушные фурмы подается нагретый до температуры 1000-1200 °С воздух под давлением 28-42 Н/м² (2,8-4,2 кгс/см²).

В результате интенсивного горения топлива в области воздушных фурм и расплавления шихтовых материалов в зонах распара, заплечиков и горна освобождаются некоторые объемы печи, в которые с верхних горизонтов опускается шихта, при этом слои шихты разрыхляются, создавая хорошую газопроницаемость, необходимую для равномерного распределения газов, прогрева шихты и восстановления окислов железа. Образующиеся в процессе горения топлива в фурменной зоне газы поднимаются снизу вверх, интенсивно нагревая при этом шихтовые материалы.

В результате прохождения горячих газов через слои шихтовых материалов происходят следующие процессы:

три температуре 100-150 °C происходит испарение гигроскопической влаги;

при температуре 300-400 °С – удаление химически связанной гидратной влаги;

при температуре 400 °С начинается важнейший процесс – восстановление железа и других элементов из их окислов (непрямое восстановление);

при температуре 600-900 °С – удаление летучих из топлива, разложение известняка СаСО₃ и магнезита MgCOa. Весь процесс восстановления железа в доменной печи заключается в следующем. Окись железа, соприкасаясь при высокой температуре с окисью углерода, отдает окиси углерода свой кислород, частично восстанавливаясь до магнитной окиси железа, превращая при этом окись углерода в углекислоту:

3 FeO + СО = 2 Fe₃O₄ + СО₂

Магнитная окись, опускаясь вниз, встречает новые порции окиси углерода, которые продолжают отнимать кислород от руды, восстанавливая ее дальше до закиси железа по следующей реакции:

FеА + СО = 3 FeO + СО_г.

Опускаясь еще ниже, закись железа восстанавливается посредством СО по следующей реакции:

При этом получается вместо закиси железа и окиси углерода – железо и углекислота. Все указанные превращения происходят при температурах от 300 до 950°С.

Принято считать, что в ходе доменного процесса железо на 50% восстанавливается окисью углерода и водородом (косвенное восстановление) и на 50% твердым углеродом путем непосредственного контакта рудной части шихты с коксом (прямое восстановление). Прямое восстановление железа происходит при температурах выше 9.WC в нижней части шахты, распаре, заплечиках и горне, где некоторая невосстановленная часть руды, соприкасаясь с раскаленным коксом, полностью восстанавливается и насыщается углеродом. Такое растворение углерода в железе понижает температуру плавления расплава, который уже плавится при температурах 1150-1200 °С.

В результате в горне доменной печи скапливается не чистое железо, а чугун с содержанием углерода до 3,5 - 4%.

В доменной шихте, кроме окислов железа, всегда имеются окислы кремния, марганца, фосфора, кальция, магния и другие, которые также восстанавливаются и частично переходят в шлак и чугун.

Шлакообразование необходимо для сплавления между собой имеющих высокую температуру плавления следующих окислов пустой породы: кремнезема SiO₂, глинозема А1₂0₃, извести СаО, магнезии MgO, золы топлива и флюсов с образованием при этом легкоплавких соединений (шлаков), температура плавления которых значительно ниже температуры каждого входящего в шихту окисла.

Восстановленный жидкий металл и шлак в процессе доменной плавки скапливаются в горне печи, где происходит отделение шлака от металла, при этом частицы шлака как более легкие всплывают на поверхность расплавленного чугуна. Выпуск чугуна и шлака осуществляется по мере их накопления. Шлак в процессе доменного производства является побочным продуктом, который служит хорошим сырьем для производства строительных материалов. Доменный шлак используется для производства следующих строительных материалов:

различных видов высококачественных цементов, получаемых на основе гранулированного шлака;

щебенки как заполнителя для бетона, получаемой методом дробления медленно остывшего шлака;

брусчатки для мощения улиц, плит и блоков, отливаемых из огненно жидкого шлака в металлические формы, прочность и плотность этих изделий приравнивается граниту;

шлаковаты для термоизоляционных работ, получаемой методом распыления струи расплавленного шлака сжатым воздухом или паром;

кирпича и шлакобетонных блоков, изготовляемых из гранулированного шлака с добавкой извести или цемента с последующим затвердением на воздухе или в паропропарочных камерах. Полное использование получаемых в доменном цехе шлаков позволяет получить значительное количество качественных и дешевых строительных материалов, реализация которых снижает себестоимость выплавляемого чугуна.

Современный доменный цех представляет собой комплекс различных весьма сложных сооружений и оборудования.

На рис. 33 представлена схема расположения сооружений и оборудования доменного цеха. В настоящее время все доменные печи имеют стальной кожух, изнутри футерованный огнеупорным кирпичом. Футеровка со стороны кожуха охлаждается чугунными холодильниками - плитами с залитыми в них стальными трубами, внутри которых циркулирует вода.

Рис. 33. Схема расположения сооружений и оборудования доменного цеха:

1 - вагоноопрокидыватель; 2 - рудный перегружатель; 3- грейфер; 4 -рудный трансферкар; 5 - коксовый транспортер; 6 -силос; 7 -коксовый трансферкар; 8- бункерная эстакада; 9- вагон-весы; 10 - грохот для отсева коксовой мелочи; 11 - колосовые весы; 12-скип; 13 - наклонный мост; 14 - машинное здание; 15- доменная печь; 16 - .колошниковый копер; 17 - монтажная балка; I8 - газоотводы; I9 - воздуходувная станция; 20 - воздуходувка; 21 - воздухопровод холодного дутья; 22 - воздухонагреватель; 23 - тpyбa; 24 - воздухопровод горячего дутья; 25- фурменный прибор; 26-чугунная легка и желоба; 27- шлаковая детка; 28-ковши для шлака; 29 - ковши для чугуна; 30- здание литейного двора; 31-кран литейного двора; 32 - пылеуловители; 33- газопровод грязного газа; 34 - электрофильтры; 35 - газопровод чистого газа; 36 - лебедки для кантовки чугуновозных ковшей; 37 - разливная машина; платформы для уборки холодного чугуна; 39 - паровоз: 40 - железнодорожные пути для уборки холодного чугуна на склад

Основными характеристиками доменной печи являются ее профиль и размеры.

Очертание рабочего пространства доменной печи в вертикальном сечении, проходящего через ось печи, называется профилем печи. Профиль доменной печи можно разделить по высоте на пять частей (рис. 34).

а) колошник - верхняя цилиндрическая часть печи, предназначена; для загрузки шихтовых материалов. Огнеупорная кладка стенок колошника защищается от ударов загружаемой шихты стальными литыми сегментами, заполненными огнеупорным кирпичом:

б) шахта - коническая часть печи, расположенная ниже колошника, указанная форма способствует более свободному опусканию шихты и тем самым ее разрыхлению;

в) распар – самая широкая цилиндрическая часть печи, здесь начинается плавление шихты. Огнеупорная кладка распара опирается на колонны через мораторное кольцо кожуха печи;

г) заплечики - коническая часть профиля печи ниже распара, сужение профиля заплечиков книзу явилось следствием сокращения объема шихты (сгорание кокса, расплавление части шихты и флюсов)

д) горн – нижняя цилиндрическая часть печи, является накопителем жидких продуктов доменой плавки – чугунка и шлака.

Нижняя часть печи (дно горна ) называется лещадью. Кроме указаних характеристик, принято учитывать следующие параметры доменных печей:

а) полезный объем печи – объем, который занимают все шихтовые материалы и продукты плавки. Вычисляют этот объем от нижнего положения большого конуса в опущенном положении до оси чугунной летки;

б) полезная высота печи – расстояние от оси чугунной летки до нижнего положения большого конуса в опущенном положении;

г) полная высота доменной печи - расстояние от оси чугунной летки до верхнего края чаши большого конуса.

Рудный двор. На всех металлургических заводах, имеющих в своем составе доменные печи, имеются рудные дворы (см. рис. 33), предназначенные для создания определенных резервных запасов руд и усреднения их.

Создание рудных дворов особенно необходимо, если руда и флюсы завозятся издалека, учитывая могущие быть задержки в пути и особенно в зимнее время.

Рудные дворы размещаются вдоль фронта доменных печей. Емкость рудных дворов зависит от дальности и сезонности доставки шихтовых материалов, а также от назначения двора (хранение сырья или его усреднение).

Как правило, металлургические заводы, имеющие связь с горно-обогатительными комбинатами или рудниками общей сетью железных дорог, должны иметь запас необходимого сырья на рудном дворе к началу зимнего сезона на 30-45 суток.

Непосредственная связь завода с горно-обогатительным комбинатом или рудником специальной железной дорогой позволяет снизить запасы сырья на рудном дворе до 10 суток.

Литейный двор. Для наблюдения за ходом доменной плавки и выполнения работ около фурменной зоны (замена фурменных и шлаковых приборов) вокруг горна доменной печи устраивают рабочую площадку, называемую поддоменником

Кроме этого непосредственно к поддоменнику примыкает литейный двор, на котором осуществляются работы по выпуску чугуна и шлака из доменной печи. Литейный двор оснащается оборудованием, необходимым для выпуска чугуна и шлака, а также для хранения необходимых для указанных целей вспомогательных материалов и запасных частей.

Наклонный мост. Он предназначен для связи бункерной эстакады и скиповой ямы с засыпным устройством доменной печи. Обычно мосты колошниковых подъемников выполняют решетчатой конструкции, двухпутными, с двумя опорами, которые устанавливают внизу на фундамент скиповой ямы и наверху на специальный пилон, монтируемый на фундаменте доменной печи. По нижнему поясу моста прокладывают два пути в скиповую яму, где осуществляется загрузка скипов шихтой.

В верхней части моста находятся разгрузочные кривые рельсовых путей, с помощью которых осуществляется опрокидывание и разгрузка скипов в приемную воронку засыпного устройства. На мосту имеются площадки, на которых установлены направляющие канатные шкивы скиповых канатов, канатов для лебедок управления конусами и канатов зондовых лебедок.

На доменных печах полезным объемом 3200 м³ скиповой подъемник шихтовых материалов выполнен из двух мостов, расположенных (непараллельно) расходящимися лучами вниз.

На доменной печи полезным объемом 5000 м³ подача шихтовых материалов осуществлена с бункерной эстакады непосредственно на колошник при помощи ленточных конвейеров с резиновой лентой.

Скиповая яма. Для подхода скипов главного скипового подъемника и подъемника коксовой мелочи под загрузку предназначена скиповая яма. В скиповой яме устанавливаются: воронка-весы для кокса, бункера для коксовой мелочи, желоба для спуска сырья в скипы, оборудование для подавления пыли, образующейся при спуске в скипы сырья, и насосы для откачки грунтовых вод, проникающих в яму.

Машинное здание. В машинном здании устанавливают оборудование колошниковой скиповой лебедки, лебедки управления конусами, зондовых лебедок и автоматических станций густой смазки для механического оборудования колошника. Здесь также монтируют панели электрического управления механизмами загрузки печи.

Воздухонагреватели. Они предназначены для нагрева подаваемого в доменную печь воздуха, В настоящее время применяются исключительно регенеративные воздухонагреватели с возможностью нагрева в них воздуха до 1100-1200°С.

Бункерная эстакада. Она является промежуточным хранилищем шихтовых материалов для доменной плавки, обеспечивающем необходимый запас сырья для бесперебойной и ритмичной загрузки его в доменную печь, что является решающим условием для ровного и устойчивого хода печи.

В подбункерном помещении устанавливают оборудование для организации механизированной подачи сырья к скиповому подъемнику. На большинстве доменных печей Советского Союза принята система транспортировки шихты машинами периодического действия, при которой руда, агломерат и добавки транспортируются в бункера железнодорожными вагонами или кранами-перегружателями с рудного двора в рудный трансферкар, который развозит материалы по бункерам. Кокс транспортируется в бункера также железнодорожными вагонами или же непосредственно с коксохимического завода при помощи конвейера с резиновой лентой в промежуточный бункер (силос) и далее трансферкаром в коксовые бункера.

Рис.34. Доменная печь объемом 2700м³

В помещении бункерной эстакады (рис. 35) по рельсовым путям перемещаются вагон-весы, которые набирают, взвешивают и транспортируют шихтовые материалы к скиповой яме и загружают их в скипы. Кокс транспортируется из коксовых бункеров через грохот и воронка-весы непосредственно в скип.

В последнее время при строительстве доменных печей полезным объемом свыше 2000 м³ принята в подбункерном помещении схема транспортировки шихтовых материалов машинами непрерывного действия, где вместо традиционных вагон-весов устанавливают конвейеры, при помощи которых сырье от бункеров транспортируется в воронка-весы и далее в скипы. Суммарная емкость бункеров руды, агломерата, флюсов и металлических добавок (скрапа) составляет не менее 2,5 м³, а для кокса 0,7 м³ на 1 м³ полезного объема доменной печи.

Бункерная эстакада располагается между фронтом доменных печей и рудным двором. Бункерная эстакада в основном строится из железобетона. Стенки бункеров изготовляются из листовой стали, как правило, защищаются от износа пакетами рельсов или листами из марганцовистой стали. Стенки коксовых бункеров выкладываются шамотным кирпичом. В целях техники безопасности и для того, чтобы в бункера не попадали негабаритные куски шихтовых материалов, верхние проемы всех бункеров перекрываются решетками с размерами ячеек 200X200-250Х Х250 мм.

Газоочистка. На заводах с полным металлургическим циклом, включая и коксохимическое производство, значение доменного газа как топлива чрезвычайно велико. На таких предприятиях тепло, получаемое из доменного газа, составляет 25-35% общего расхода энергетического топлива. Вследствие того что потребители доменного газа требуют, чтобы содержание пыли в нем не превосходило 20 мг/м³, а для обогрева, .коксовых печей 10 мг/м³, на каждой доменной печи сооружается газоочистительная система, назначение которой состоит в очистке доменного газа. В настоящее время на заводах Советского Союза очистка газа в большинстве случаев осуществляется в три ступени:

а) грубая очистка с помощью сухих пылеуловителей;

б) полутонкая очистка в скрубберах;

в) тонкая очистка в электрофильтрах.

Машина чугуноразливочная. На каждом металлургическом предприятии, имеющем в своем составе доменный цех, как правило, в зависимости от количества доменных печей строят несколько разливочных машин.

Разливочная машина предназначена для механизированной разливки чугуна из чугуновозных ковшей в специальные формы – мульды. Разлитый в мульды чугун охлаждается водой при помощи форсунок и в виде чушек отгружается на железнодорожные платформы иногородним потребителям или на заводские полувагоны для отправки на внутризаводский склад чугуна.

Испарительное охлаждение. Интенсивная работа доменной печи приводит к быстрому износу ее огнеупорной футеровки, если не принять надлежащих мер в целях удлинения ее срока службы. Одной из таких мер является охлаждение футеровки, Все современные доменные печи оснащаются устройствами для интенсивного охлаждения футеровки - внутренними холодильниками, которые охлаждают футеровку на значительную часть ее толщины. В настоящее время для охлаждения футеровки доменных печей применяют две системы охлаждения - водяное и испарительное. При водяном охлаждении через систему трубопроводов и охлаждающих устройств - холодильников, представляющих собой чугунные плиты с залитыми в них стальными трубами, пропускают техническую воду или воду из оборотного цикла, охлажденную в брызгальных бассейнах или градирнях. Отбор тепла-при водяном охлаждении от элементов охлаждения достигается за счёт перепада температуры в подводимой и отводимой воде, При испарительном охлаждении отбор тепла происходит за счет скрытой теплоты парообразования воды, температура которой 100°С и выше, в зависимости от того, какое давление поддерживается в системе испарительного охлаждения.

При этой системе каждый килограмм охлаждающей воды отбирает не 83,7 Дж (20 ккал) тепла, как при водяном охлаждении, а около 2,5 кДж (600 ккал). Вследствие этого расход воды на охлаждение печи резко уменьшается, а также исключается полностью образование накипи в трубках холодильников и охлаждаемых элементах клапанов горячего дутья.

Д

Pиc. 35. Разрез бункеров и скиповой ямы:

1 - шихтовый бункер; 2 - затвор шихтового бункера; 3 - вагон-весы; 4 - направляющая воронка для материалов, выгружаемых из вагон-весов; 5-бункер для кокса; 6 - дисковый грохот; 7 - воронка-весы для кокса; 8-скиповой подъемник коксовой мелочи; 9 - скиповой подъемник для загрузки материалов в доменную печь; 10 - насосная установка для откачки воды из скиповой ямы

ля испарительного охлаждения применяется химически очищенная вода, получаемая от химической водоочистки ПВС. Испарительное охлаждение работает по замкнутому контуру, поэтому безвозвратные потери химически очищенной воды незначительны. Полученный в системе испарительного охлаждения пар поступает на ПВС для подогрева конденсата, подаваемого на котлы. При испарительном охлаждении расход технической воды сокращается до 70% от расхода воды при водяном охлаждении.