7.3. Устройство доменной печи и получение чугуна

По своему устройству доменная печь относится к печам шахтно­го типа, высота которых значительно больше диаметра поперечного сечения. Снаружи доменная печь имеет металлический кожух, внутри выложена огнеупорным кирпичом.

Современная доменная печь состоит из колошника, шахты, рас­пара, заплечиков и горна (рис. 7.1). В верхней части печи на колошнике устанавливается засыпной аппарат 1, служащий для засыпки шихтовых материалов, и газоотводные трубы 2, по кото­рым отводится доменный газ.

Нижняя часть доменной печи — горн — имеет цилиндрическую форму. В верхней части горна по окружности расположены фур­мы 3, через которые в печь подаются подогретый до 1000...1200 °С воздух и природный газ. Нижняя часть горна, в которой собира­ются чугун и шлак, называется лещадью. Выше лещади (на высоте 1500 мм) находится летка 5 для выпуска чугуна, а на высоте 3000...3500 мм располагается шлаковая летка 4. Обе летки забива­ются огнеупорной массой, а перед выпуском чугуна пробиваются. В футеровку сильно нагревающихся частей печи вмонтировано охлаждающее устройство, по которому непрерывно циркулирует холодная вода. Производительность доменной печи определяется прежде всего ее полезным объемом V_п, т. е. объемом рабочего пространства от оси чугунной летки до уровня засыпки на дымнике, составляющим 2700...3000 м³. На Новолипецком металлургиче­ском заводе введена в эксплуатацию доменная печь с полезным объемом 3240 м³, производительностью 2,2 млн т чугуна в год. Печь имеет четыре летки для чугуна и одну для шлака. Все процессы механизированы и автоматизированы. Это позволяет осуществлять 16...20 выпусков чугуна в сутки, т. е. практически обеспечивается непрерывность процесса производства и выпуска чугуна. В 1975 г. вступила в эксплуатацию доменная печь на Криворожском метал­лургическом заводе с полезным объемом 5000 м³, производитель­ностью 4 млн т чугуна в год.

Шихтовые материалы хранятся на рудном дворе, откуда по мере надобности с помощью портального крана перегружаются в специальные бункеры. Каждый материал хранится в отдельном бункере, в нижней части которого имеется затвор для выпуска шихтовых материалов. Поступающие из бункеров шихтовые мате­риалы автоматически взвешиваются и соответствующими порци­ями подаются в скиповые вагонетки, которые по рельсам наклонно­го моста поднимаются к верхней части доменной печи, где автома­тически разгружаются. Приемное устройство засыпного аппарата является одновременно и загрузочным и запорным устройством, препятствующим выходу газов из печи. Подача шихтовых материа­лов может осуществляться и с помощью транспортера. Верхняя часть доменной печи двумя газоотводами соединяется с газоочис­тителями, с помощью которых производится улавливание пыли, выносимой из печи доменным газом.

Для обеспечения доменных печей сжатым воздухом устанавли­ваются турбовоздуходувки с подачей около 4500 м³/мин и давлени­ем на выходе 0,25...0,35 МПа. В целях интенсификации процесса плавки и экономии топлива подаваемый воздух предварительно подогревается до 1000...1200 °С за счет сжигания доменного и природного газов. Для подогрева воздуха у каждой доменной печи имеется 3 — 4 воздухонагревателя-каупера.

В процессе плавки используются также кислород и водяной пар. В связи с этим при доменных цехах есть кислородные и парокотельные установки.

Шихтовые материалы в определенной последовательности сло­ями загружают в доменную печь. Через фурменные отверстия в до­менную печь поступает горячий воздух. Сгорание кокса происходит с образованием диоксида углерода: С + О₂ = СО₂. При высокой температуре и наличии раскаленного кокса диоксид углерода пре­образуется в его оксид:

СО₂ + С = 2СО.

По мере выгорания кокса шихтовые материалы перемещаются вниз, а навстречу им снизу вверх движется мощный поток раска­ленных газов, в котором шихта высушивается и прогревается. При температурах 500... 900 °С происходит основной процесс плавки — восстановление железа из руды:

3Fe₂O₃ + СО = 2Fе₃О₄ + СО₂;

Fe₃O₄ + СО = 3FеО + СО₂;

FeO + СО = Fе + СО₂;

Рис. 7.1. Схема доменной печи

Восстановление оксидов железа оксидами углерода принято на­зывать косвенным восстановлением.

Параллельно идет процесс восстановления железа твердым углеродом раскаленного кокса: FeO + C = Fe + CO. Это процесс прямого восстановления.

Восстановленное таким образом железо находится в виде твер­дой губчатой массы и по мере насыщения его углеродом (3Fe + 2СО = Fе_зС + СО₂; 3Fе+С = Fе_зС) плавится и стекает в горн печи. Одновременно идет процесс восстановления оксидов марган­ца, кремния, фосфора:

MnO + C = Mn + CO;

SiO₂ + 2C = Si + 2CO;

P₂O₅(CaO)₄ + 7C + 2SiO₂ = 2P + 2(CaO)₂SiO₂ + 7CO.

Сера и фосфор являются вредными примесями, ухудшающими физико-механические свойства чугуна. Для удаления серы необхо­димы высокая температура и избыток свободной извести (СаО): FeS + CaO + C = Fe + CaS + CO. Это в свою очередь обусловли­вает увеличение расхода кокса и снижение производительности доменной печи. Поэтому применяется обессеривание чугуна вне домны.

Кроме того, в печи происходит плавление пустой породы, а в процессе взаимодействия извести и пустой породы образуется шлак, который стекает в горн печи и, как более легкая фракция, всплывает на поверхность чугуна.

Выпуск продуктов плавки производится раздельно через соот­ветствующие летки: чугуна — через каждые 1,5... 2 ч, шлака — 1 ч.

Чугун выпускается в чугуновозные ковши и транспортируется для разлива в чушки или для дальнейшей переработки в стале­плавильные цехи.

Доменная печь работает непрерывно в течение 10...12 лет, после чего подвергается капитальному ремонту.