2.4.3. Процесс доменной плавки

Сущность доменной плавки сводится к раздельной загрузке в верх­нюю часть печи, называемой колошником, агломерата, кокса и флю­сов, располагающихся в шахте печи слоями.

Основным топливом и реагентом в доменной печи служит кокс, а также частично его заменяют природным газом, мазутом или пылевидным углем.

При нагревании шихты за счет горения кокса, которое обеспечивает вдуваемый в горн горя­чий воздух, в печи идут сложные физико-химические процессы, и шихта постепенно опускается навстречу поднимающимся горячим газам. В результате взаимодействия компонентов шихты и газов в нижней части печи, называемой горном, образуются два несмеши­вающихся жидких слоя - чугун и шлак.

На рис. 2.16 показана схема доменной печи.

Печь опирается на фундамент 1, большая часть которого заглублена в землю. Снаружи печь заклю­чена в сплошной стальной кожух 9. Внутри кожуха находится футеровка 8, охлаждаемая холодильниками которые крепятся к внутренней поверхности кожуха. В нижней части печи (горне) расположены летки 3 для выпуска чугуна и летки 21 для выпуска шлака. Вокруг печи проложен кольце­вой футерованный воздухопровод 6, в который из воздухонагревателей подается горячее дутье (воздух); кольцевой воздухопровод служит для подвода дутья к многочисленным расположенным по окружности печи фурменным устройствам 5, через которые дутье поступает в верхнюю часть горна. Выше колошника 10 печи расположено колошниковое устройство. Оно включает газоотводы 15, 19, служащие для отвода из печи доменного газа; засыпной (загрузочный) аппарат и ряд других механизмов, связанных с загрузкой шихты и отводом газа. Показаны элементы засыпного аппарата: большой конус 11, закрывающий воронку (чашу) 20; малый конус 12, закры­вающий воронку 17, и механизм 13, обеспечивающий их вра­щение; приемная воронка 14, в которую шихтовые материалы высыпают из скипа 16 путем его опрокидывания, причем скип доставляют на колошник по рельсам наклонного моста 18.

Рис. 2.16. Общий вид доменной печи с двухконусным засыпным аппаратом: 1 - фундамент; 2 - колонна; 3 - летка для выпуска чугуна; 4 - чугунные желоба; 5 - фур­менные устройства; 6 - коль­цевой воздухопровод; 7 - мараторное кольцо кожуха; 8 - футеровка; 9 - стальной ко­жух; 10 - колошник; 11- большой конус; 12 - малый ко­нус; 13 - вращающий механизм засыпного устройства; 14 - приемная воронка; 15, 19 - газоотводы; 16 - скип; 17 - воронка; 18 - наклонный мост; 20 - воронка (чаша); 21 - летка для выпуска шлака; 22 – площадка

Тяжесть кожуха и футеровки верхней части печи пере­дается на фундамент через мараторное кольцо 7 кожуха и колонны 2. Выпускаемый из печи через летки 3 жидкий чугун поступает в располагаемые на рабочей площадке 22 чугунные желоба 4 и по ним в чугуновозные ковши; выпускаемый через летки 21 шлак по расположенным на площадке 22 шлаковым желобам стекает в шлаковозные ковши либо на установки припечной грануляции жидкого шлака.

В верхней части горна расположены фурменные отверстия (16 - 20 шт.), через которые в печь под давлением около 300 кПа (3 ат) подается обогащенный кислородом воздух при температуре 900 -1200 °С.

Жидкий чугун выпускают каждые 3 - 2 ч (а в крупных печах ежечастно) поочередно через две или три летки, которые для этого вскры­вают с помощью электробура. Выливающийся из печи чугун направляется по желобам литейного двора в чугуновозные ковши, расположенные на железнодорожных платформах. Шлак, выливающийся с чугуном, предварительно отделяют от чугуна в желобах с помощью перекры­вающих затворов и направляют в шлаковозы. Кроме того, часть шлака иногда выпускают из доменной печи до выпуска чугуна через шлаковую летку. После выпуска чугуна летку забивают пробкой из огнеупорной глины с помощью электромагнитной пушки.

Печь монтируют в прочном сварном стальном кожухе, интенсивно охлаждаемом водой. Внутри печь выкладывают высококачественным шамотным кирпичом, а отдельные части печи изготовляют из прес­сованных углеродистых блоков.

Условно процесс, протекающий в доменной печи, разде­ляют на следующие этапы:

- горение углерода топлива;

- разложение компонентов шихты;

- восстановление окислов;

- науглероживание же­леза;

- шлакообразование.

Горение углерода топлива происходит главным образом возле фурм, где основная масса кокса, нагреваясь, встречается с нагретым до температуры 900 -1200 °С кислородом воздуха, поступаю­щим через фурмы. Образовавшаяся при этом углекислота вместе с азотом воздуха, поднимаясь, встречается с раскаленным коксом и взаимодействует с ним по реакции:

СО₂ + С = 2СО.

Эта реакция обратима, причем ее равновесие сдвигается вправо при повышении температуры и влево при понижении.

Восстановление окислов может происходить окисью углерода, углеродом и водородом. Главная цель доменного процесса—вос­становление железа из его окислов. Восстановление окислов железа идет ступенчато по следующей схеме: Fе₂О₃ → Fе₃O₄→ FeO → Fe.

Науглероживание железа происходит за счет взаимодействия твердого губчатого железа с печными газами, содержащими значи­тельное количество СО:

Образование сплава железа с углеродом, имеющего температуру плавления ниже, чем чистое железо, приводит к формированию ка­пель жидкого чугуна, которые, стекая в нижнюю часть печи через слой раскаленного кокса, еще более насыщаются углеродом.

Шлакообразование активно развивается при прохождении шихты в области распара после окончания процессов восстановления окис­лов железа в доменной печи. Шлак состоит из окислов пустой породы и золы кокса, а также флюса, специально добавленного в печь, чтобы обеспечить достаточную жидкотекучесть шлака при температуре 1400 - 1450 °С. Основные составляющие доменного шлака - кремнезем (30 - 45 %), окись кальция (40 - 50 %), глинозем (10 - 25 %).

Шлаки, получаемые в доменной печи, в последние годы широко используют в промышленности, перерабатывают на цемент и другие строительные материалы (шла­ковую вату для теплоизоляции, шлаковые блоки и др.).

В верхней части печи из шихты отделяются газообразные про­дукты реакций и азот воздуха. Газы, выделяющиеся из доменной печи, называют обычно колошниковыми. Газ со­стоит из 26 -32 % окиси углерода, 9 -14 % двуокиси углерода и 54 -58 % азота.

Степень восстановления железа достигает 99- 99,8 % и лишь 0,2 – 1 % переходит в шлак.

При плавке в доменной печи происходит также восстановление (полное или частичное) других оксидов: марганца, кремния, фосфора и т.д. В передельном чугуне может быть 0,7 – 1,2 % Mn, 0,5 – 1,0 % Si, 0,15 – 0,3 % P и т.д.

Конечный шлак на 85 – 95 % состоит из SiO₂, Al₂O₃ и CaO, %: 38 – 42 SiO₂, 38 – 48 CaO, 6 – 20 Al₂O₃ , 2 - 12 MgO, 0,2 – 0,6 FeO, 0,1 – 2 MnO и 0,6 – 2,5 серы. Температура шлака несколько выше тепературы чугуна исоставляет 1400 – 1560⁰С.