Введение

В промышленности доменная печь используется для выплавки чугуна и ферросплавов. Чугун представляет собой сплав железа с углеродом. Его используют при производстве стали и в машиностроении, а так же для изготовления изделий. В зависимости от вида чугуна из него изготавливают втулки, станины станков, тормозные колодки, трубы, радиаторы отопления, кухонные мойки и раковины, а так же памятники.

При производстве чугуна большую роль играют желоба доменной печи. Именно по ним происходит вывод жидкого чугуна и шлака из домны. Желоб доменной печи футеруют огнеупорными материалами различного типа.

Согласно результатам отечественных и зарубежных исследований наиболее стойкими являются футеровки желобов, выполненных из наливных низкоцементных тиксотропных масс корундо-карбид-кремниевого состава [1]. Огнеупорные бетоны системы имеют высокую прочность на сжатие и шлакоустойчивость.

Целью выпускной квалификационной работы является исследование свойств огнеупорного бетона на основе и высокоглиноземистого цемента с добавлением алюмомагниевой шпинели, предназначенного для футеровки желоба доменной печи.

1 Аналитический обзор

1.1 Доменная печь и желоб доменной печи

1.1.1 Предназначение доменной печи

Доменная печь, домна - это вертикально расположенная металлургическая плавильная печь шахтного типа, применяемая для выплавки ферросплавов и чугуна из железорудного сырья. Доменную печь изнутри выкладывают несколькими слоями шамотных огнеупорных кирпичей, а с наружной стороны покрывают обшивкой из листовой стали. Современные доменные печи со всеми материалами и сооружениями имеют массу более 30 тысяч тонн.

Главной технологической задачей доменной печи является выплавка чугуна заданного состава и характеристик. В таких печах технологический процесс выплавки чугуна непрерывный. На верхний ярус домны с помощью специальных подъемников доставляется шихта с подготовленной железной рудой. Затем с помощью колошника, весь доставленный материал слоями загружается внутрь печи. Подача топлива и горячей воздушной смеси, смешанной с природным газом и обогащенной кислородом, осуществляется через фурмы, которые расположены в верхней половине горна. Доменные печи имеют большой объем, так как с его увеличением повышается экономичность работы печи. Среди наиболее крупных доменных печей полезный объем может превышать 5000 м³ , а производительность может достигать 11000 т/сут. Максимальная среднесуточная производительность достигнута в России и составляет в среднем за месяц 2177 т/сут. при объеме печи 1370 [2].

1.1.2 Конструкция доменной печи

Профиль печи. Профиль современной доменной печи представлен на рисунке 1. Профиль внутреннего, плавильного пространства доменной печи выбран таким образом, чтобы в нем происходило равномерное опускание загруженных материалов и распределение выделяющихся газов по сечению печи [3].

1 - колошник; 2 - шахта; 3 - распар; 4 - заплечики; 5 - горн; 6 - лещадь; 7 – фундамент

Рисунок 1 - Профиль доменной печи

Верхняя часть печи называется колошником. Колошник имеет форму цилиндра, с помощью него производится отвод газов и загрузка шихты. Ниже колошника располагается шахта, она представляет собой усеченный конус, который расширяется книзу. Расширение устраняет уплотнение шихты, так же такая форма позволяет материалам свободно опускаться. Ниже находится распар - это короткий цилиндр. Он необходим для придания плавного перехода от широкого нижнего основания шахты к сужающимся заплечикам. Заплечики - это усеченный конус с широкой частью сверху и узкой снизу. Они приобрели такую форму потому, что в них загруженный материал резко сокращается в объеме из-за образования жидких продуктов плавки и выгорания кокса. Отсутствие распара приводило бы к образованию тупого угла, из-за которого появилась бы мертвая зона, в которой бы задерживался опускающийся материал. Нижняя часть домны называется горном. В нем накапливаются расплавленные продукты - шлак и чугун. В верхней части горна расположены фурмы, с помощью которых в печь подается воздух, а в его нижней части находятся летки - отверстия для выпуска чугуна и шлака [4].

Рассмотрим устройство основных частей доменной печи более подробно, общий вид которой представлен на рисунке 2.

1 - летка для выпуска чугуна; 2 - фурменное устройство для подачи комбинированного дутья; 3 - цилиндрическая часть колошника с защитными плитами; 4 - большой конус колошника; 5 - малый конус колошника; 6 - устройство для вращения приемной воронки; 7 - приемная воронка; 8 - скип; 9 - наклонный мост; 10 - межконусное пространство; 11 - летка для выпуска шлака; 12 – площадка

Рисунок 2 - Общий вид доменной печи

Фундамент печи. Современная печь вместе со всеми металлоконструкциями, футеровкой, сооружениями и находящимися в ней материалами может иметь массу до 30 тыс. т. Такая гигантская масса должна равномерно передаваться грунту. Фундамент печи имеет многогранную, но обычно восьмиугольную форму. Он состоит из двух частей. Нижняя часть, называемая подошвой, углублена в грунт на (6-7) метров и представляет собой монолитную железобетонную плиту. Верхняя часть фундамента называется пнем. Он выступает над уровнем земли примерно на 5 метров, и имеет меньшие поперечные размеры, изготовлен он из жароупорного бетона [3].

Горн доменной печи. Горн - это нижняя цилиндрическая часть печи, где осуществляются высокотемпературные процессы доменной плавки. В нем происходят следующие процессы: горение кокса, взаимодействие между жидкими фазами, образование доменного газа, накопление жидких продуктов плавки (шлака и чугуна), а так же их периодический выпуск из печи. Горн разделяют на три части (рисунок 3). Нижняя его часть - это лещадь, на которой располагается шлак и жидкий чугун. Изнутри лещадь выкладывается крупноразмерным высокоглиноземистым кирпичом, содержащим более 45% , а снаружи углеродистыми блоками [3].

Вторая нижняя часть горна - металлоприемник. Он располагается от лещади до леток и служит копильником для расплавленного шлака и чугуна. Металлоприемник выкладывается из углеродистых блоков на углеродистой пасте. Шлаковые и чугунные летки, а так же фурменные проемы выкладываются шамотным кирпичом. В нижней части горна на расстоянии (600 - 1700) мм от лещади располагаются летки - это отверстия для выпуска шлака и чугуна.

1 - бетонная подошва печи; 2 - пень печи; 3 - углеродистые блоки лещади горна; 4 - высокоглиноземистый кирпич; 5 - чугунные плитовые холодильники

Рисунок 3 - Схема горна доменной печи

Фурмы доменной печи. В верхней части горна на расстоянии (2700 - 3500) мм от оси чугунной летки расположены по окружности печи фурмы для подачи в печь природного газа, горячего воздуха, жидкого или пылевидного топлива. Число фурм зависит от габаритов печи и составляет от 18 до 42 [3]. Воздух к печи подается в кольцевой воздухопровод, окружающий доменную печь, внутренний диаметр которого не превышает 1650 мм. С помощью фурменных приборов от воздухопровода дутье поступает в печь.

Заплечики печи. Кладку заплечиков выполняют в один кирпич, толщина которого составляет 345 мм. Охлаждение кладки осуществляется плитовыми ребристыми холодильниками. Стоит отметить, что интенсивному износу подвергается огнеупорная кладка заплечиков и быстро выгорает. На оголенных местах на поверхности холодильников образуется защитный слой из шихтовых материалов и шлака, защищающий холодильники от жидких продуктов плавки и действия высокой температуры.

Распар печи. Стенки распара выкладываются из шамотного кирпича и имеют толщину до 690 мм. Охлаждение происходит с помощью мараторных холодильников [3].

Шахта печи. Шахту выкладывают шамотным кирпичом. Почти по всей высоте шахты на две трети от распара устанавливают холодильники в шахматном порядке. Кладка шахты сильно изнашивается под влиянием потока раскаленных газов, несущего мелкие твердые частицы материалов [3]. В нижней части шахты и в распаре шамотный кирпич может разрушаться вследствие его взаимодействия со шлаком. В верхних и средних горизонтах шахты может происходить разрушение кладки из-за отложения сажистого углерода по реакции [3].

Разрушению кладки способствует также отложение в швах кладки оксида цинка, образующегося вследствие окисления цинка, испаряющегося при плавке. Средняя продолжительность кампании шахты (4-5) лет. Снаружи кладка шихты заключена в прочный кожух. С помощью системы брызгал кожух поливают водой, которая стекает вниз в короба, приваренные внизу шахты [3].