Доменное производство

Доменная печь представляет собой вертикальную печь шахтного типа.

Схема работы доменного цеха современного металлургического завода приведена на рис. 4. 1.

Сырые материалы в саморазгружающихся вагонах прибывают на рудный двор, расположенный параллельно линии печей. Мостовой кран перегружает материалы в приемные бункеры доменных печей, откуда они с помощью вагон-весов 1 поступают через бункер 2 в загрузочные вагонетки-скипы 3. Агломерат, руду, флюс и кокс, поступающие в печь в определенном соотношении, называют шихтой. Скиповой подъемник представляет собой наклонный рельсовый мост, по которому движутся две вагонетки. Скип поднимается стальным канатом до верхней точки рельсового моста и опрокидывается. Через загрузочное устройство 4 шихта попадает в доменную печь. Печь состоит из колошника 5, шахты 6, распара 7, заплечиков 8 и горна 9.

Рис. 4.1 Схема работы доменного цеха

Доменные печи, как и все шахтные печи, работают по принципу противотока. Сверху сходят шихтовые материалы, а снизу им навстречу движутся газы, образующиеся в процессе горения топлива.

Колошник имеет цилиндрическую форму. Он служит для загрузки сырых материалов и отвода газов. Колошник футерован шамотным кирпичом и изнутри защищен стальными плитами. Засыпной аппарат, расположенный над колошником, подает сы­рые материалы в определенной последовательности.

Расширяющаяся книзу коническая шахта облегчает опускание материалов и равномерное распределение газов по сечению печи.

Ниже шахты следует самая широкая цилиндрическая часть доменной печи — распар. Здесь происходит плавление пустой породы и флюсов с образованием шлака, которое заканчивается в заплечиках, имеющих форму сужающегося книзу усеченного конуса. Нижнее основание заплечиков имеет меньший диаметр из-за сокращения объема материалов вследствие их плавления.

Расположенный ниже заплечиков горн имеет цилиндрическую форму. Кладка горна и заплечиков охлаждается плитовыми холодильниками с водяным охлаждением. В верхней части горна расположены водоохлаждаемые медные фурмы, через которые в доменную печь поступает нагретый воздух. Здесь происходит горение кокса, а в нижней части горна на лещади 10 скапливаются жидкие чугун и шлак, которые периодически выпускаются через специальные отверстия — летки. Чугунная летка расположена на 0,5 м, а шлаковая летка — на 1,5 м выше лещади. Постоянно остающийся на лещади полуметровый слой жидкого чугуна предохраняет ее от разрушения. Чугунная летка между выпусками чугуна забивается огнеупорной массой. Шлаковая летка представляет собой водоохлаждаемую фурму.

Доменная печь оснащена несколькими воздухонагревателями — кауперами. Их число обычно не менее трех (чаще — четыре), из которых один нагревается отходящими газами, другой нагревает холодный воздух, а третий находится в резерве. На рис. II. 1 представлено два воздухонагревателя. Воздуходувная машина подает холодный воздух в воздухонагреватель 11, где он проходит через разогретую насадку, нагревается до 1200—1300 °С и поступает через фурмы в доменную печь. Насадка воздухонагревателя 12 нагревается за счет тепла от горения доменного и природного газа, поступающих к его горелкам после газоочистки 13. Продукты горения удаляются через дымовую трубу 14. Когда насадка воздухонагревателя 11 остынет, а воздухонагревателя 12 -разогреется, происходит их автоматическое переключение. Подогрев дутья позволяет существенно интенсифицировать доменный процесс.

Доменный процесс заключается в восстановлении окислов железа, содержащихся в руде, и в ошлаковании пустой породы. Твердые окислы железа могут восстанавливаться окисью углерода (косвенное восстановление (4.1)) или твердым углеродом (прямое восстановление(4.2)). При этом из-за различной прочности связей атомов кислорода высший окисел железа превращается в металлическое железо в следующем порядке: Fe₂0₃ → Fe₃0₄ →FeO →Fe.

Восстановление окислов железа происходит по двум группам реакций:

3 Fe₂0₃ + СО→ 2 Fe₃0₄ + СО₂

Fe₃0₄ + СО → 3 FeO + С0₂ (4.1)

FeO + СО → Fe + С0₂

3 Fe₂0₃+ С → 2 Fe₃0₄ + CO

Fe₃0₄ + С→ 3 FeO + СО (4.2)

FeO + С → Fe + СО

Науглероживание железа и образование чугуна происходит при более высокой температуре t>1200°: Карбид железа Fe₃C, растворяясь в металлической массе, понижает точку плавления науглероженного железа, которое переходит в жидкое состояние.

3Fe + 2CO = Fe₃C + C0₂; (4.3)

3Fe + C = Fe₃C.

В условиях доменного процесса восстановленное железо растворяет до 3,5—4%, а в некоторых случаях до 6% углерода и, следовательно, превращается в чугун, который плавится и стекает на дно горна.

Также происходит восстановление окислов Mn, Si, P и десульфурация (удаление серы) при наличии шлаков, содержащих в свободном виде СаО. Сера находится в металле в виде FeS и MnS. Реакция поглощения шлаком серы идет по уравнениям (4.4). Сернистый кальций CaS растворим в шлаке и совершенно нерастворим в чугуне, в то время как соединение FeS хорошо растворимо в чугуне.

FeS + CaO = CaS + FeO. . (4.4)

FeS + CaO + C = CaS + Fe + CO.

Пустая порода с флюсом плавится после расплавления железа в верхней части заплечиков при t=1200°. Расплавленная масса пустой породы и флюсов образует шлак, который, стекая вниз, растворяет золу и, соприкасаясь с чугуном, поглощает из него серу.

Шлак и чугун выпускаются по мере накопления: шлак через 40—50 мин, а чугун через 4—6 ч. Жидкий чугун, предназначенный для передела в сталь, сливается в особые ковши, называемые миксерами