2.2 Доменное производство (производство чугуна)

Основной технологический агрегат доменного цеха - доменная печь. Ее составные части: металлический корпус (броня), футеровка; засыпной аппарат; колошник; шахта; распар; заплечики; горн; лещадь; фурмы; чугунная летка; шлаковая летка; газоотводы.

Доменная печь (рис. 2.5) имеет стальной кожух, выложенный внутри огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6 шах­ту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту (офлюсованный агломерат или окатыши и кокс). Шихту взвешивают, подают в скипы 9 подъемника, которые передвига­ются по мосту 12 к засыпному аппарату 8 и, опрокидываясь, высы­пают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 засыпного аппарата шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 — в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу. Для равномерного распределения шихты в доменной печи малый конус и приемная воронка после очередной загрузки поворачиваются на угол, кратный 60°.

При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опуска­ются, а через загрузочное устройство в печь подаются новые порции шихты в таком количестве, чтобы весь полезный объем печи был за­полнен.

В верхней части горна находятся фурменные устройства 14 и фурмы 2, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива и газ – для экономии кокса.

Шихта подается загрузочное устройство (засыпной аппарат) порциями таким образом, чтобы был заполнен полезный объем доменной печи. Полезный объем - это внутренний объем, начинающийся от кромки большого конуса в нижнем крайнем положении до лещади. Современные доменные печи строят полезным объемом от 2000 до 5000 м³.

Вблизи фурм углерод кокса сгорает, выделяется теплота и образуется газовый поток из смеси газов СО, СО₂, N₂ ,Н₂ , СН₄ и др. Чуть выше фурм температура внутри печи превышает 2000⁰ C.

Шихта из верхней части шахты опускается вниз и в зоне, где температура достигает приблизительно 570⁰С, происходит восстановление оксидов железа.

Восстановление железа в доменной печи

В процессе сгорания топлива одновременно происходит и образование окиси углерода СО и водород Н₂ . Схематично химические процессы можно представить следующим образом:

1) С + О₂ = СО₂ + Q – экзотермический процесс (с выделением тепла).

2) С + СО₂ = 2СО – Q – эндотермический (с поглощением тепла).

3) С + Н₂О = Н₂ + СО - эндотермический.

Газы СО и Н₂ являются восстановителями железа из его окиси. Железо (Fe ) может образовывать с кислородом несколько соединений - Fe₂O₃, Fe₃O₄, FеO. В концентрате (железной руде) железо содержится в виде высшего оксида Fe₂O₃. Схема процесса восстановления железа:

Fe₂O₃ →Fe₃O₄ → FеO→ Fe .

Эти реакции происходят в верхних горизонтах печи с выделением тепла и являются косвенными. Восстановление происходит от высшего оксида к низшему в несколько стадий по мере продвижения шихты вниз. В нижней части доменной печи протекает реакция прямого восстановления железа твердым углеродом С. Реакция происходит с поглощением тепла. Одновременно, восстановленное железо, при температуре 1000-1100⁰C взаимодействует с углеродом СО, углеродом кокса и сажистым углеродом, интенсивно его растворяя. Науглераживаясь, железо образует сплав Fе - С.

Т.к. температура плавления сплава Fe - C ниже, чем чистых компонентов, то на уровне распара и заплечиков сплав становится жидким. Одновременно, расплав насыщается марганцем Мn, кремнием Si (силициум), фосфором Р, которые восстанавливаются из окислов пустой породы руды, а также серой S, содержащейся в коксе.

Частично кремний Si, фосфор P и сера S удаляются в шлак, сера S - в доменный газ. Таким образом в нижней части горна образуется чугун - раствор в железе Fе углерода С (до 4% и более) , марганца Mn, кремния Si, фосфора P, серы S.

Шлак – это сплав окиси алюминия Аl₂О₃ , окиси кальция СаО, окиси магния МgO, сернистого кальция CaS, пустой породы, флюсов, золы топлива. Шлак всплывает в верхней часть горна.

Показатели работы доменной печи.

Для сравнительной оценки работы доменной печи общеприняты ряд стандартных показателей:

1. Натуральное производство чугуна за какой-то период времени (т/сут, т/год и т.д.)

2. Расход кокса на 1 тонну чугуна ( в современных печах составляет около 0,5т/т).

3. КИПО (коэффициент использования полезного объема доменной печи). КИПО = V_полез./G, где G - среднесуточная производительность доменной печи ( КИПО приблизительно равно 0,4 - 0,6, но чем меньше, тем лучше ).

Все шихтовые ма­териалы подают к за­грузочному устройству доменной печи (рис. 2.6) либо из скипо­вой ямы эстакады ски­повым подъемником 1а с двумя скипами, пере­мещающимися по на­клонному мосту (в крайних положениях один скип находится внизу под загрузкой — в скиповой яме, а дру­гой — вверху — на ко­лошнике, из которого шихта разгружается в загрузочное устройство печи), либо из отделе­ния приемных бункеров наклонным ленточным конвейером 16. Пре­имущественное распро­странение до настояще­го времени имеют скиповые подъемники.

Для загрузки шихты в доменную печь применяют различные типы загрузочных устройств. На рис. 2.6 показаны две принципиально раз­ные схемы этих устройств.

Двухконусное загрузочное устройство 2а, имеющее приемную во­ронку 1a, вращающийся распределитель шихты IIа с малым конусом и засыпной аппарат IIIа с большим конусом, является наиболее рас­пространенным.

В последние годы начали применять загрузочные устройства других типов, например типа 2б, в котором применены вращающаяся распреде­лительная воронка Iб, воронки IIб с газоуплотнительными клапанами III6 и направляющая воронка IV.

Через фурменные приборы 5 в горн доменной печи подают горячее дутье, обогащенное кислородом, природный газ, мазут или другие виды топлива.

Чугун из доменной печи выпускают через чугунные летки 6 по стационарным желобам 7 и подвижным желобам для одноносковой раз­ливки 8 в ковши чугуновозов 9, которые доставляют жидкий чугун в миксеры сталеплавильных цехов 10а или на разливочные машины 10б (иногда к агрегатам грануляции).

Шлак из печи выпускают через шлаковые летки 11 (или чугунные) по стационарным желобам 12 и подвижным желобам для одноносковой разливки 13 в чаши шлаковозов 15, которые отвозят жидкий шлак к грануляционным агрегатам 14 либо в отвал.

Доменный газ по газоотводам 3 отводят из печи к газоочистным со­оружениям и далее к потребителям.

Разрез доменного цеха с печью объёмом 2700 м³ представлен на рис.2.7.

Литература: [1],[10],[2],[3],[4],[14]

Контрольные вопросы

1. Исходные материалы и продукция агломерационного производства?

2. Для чего служит усреднение материалов?

3. Какие компоненты подвергаются дроблению?

4. Как подготавливаются шихты перед подачей на агломашину?

5. Как проходит процесс агломерации на агломашине?

6. Для чего служат вагоноопрокидыватели?

7. Типы дробилок?

8. Основные механизмы агломашины?

9. Исходные материалы доменного производства?

10. Конечные продукты доменного производства?

11. Составные части доменной печи?

12. Какие два основных процесса происходят в доменной печи?

13. Косвенные и прямые восстановители Fе?

14. Чугун - это сплав чего?

15. Технологический процесс выплавки чугуна?