5.1.3. II стадия - доменное производство

Основным агрегатом для извлечения железа из железных руд является доменная печь. По принципу работы она относится к шахтным печам. Горизонтальное сечение печи - окружность. В вертикальном сечении печь состоит из пяти элементов (рис. 5.2).

Верхняя ее часть называется колошником (К). Основной частью печи по объему является шахта (Ш), представляющая усеченный конус. Самая широкая часть - распар (Р) переходит в заплечики - 3 (в форме обратного усеченного конуса). Самой нижней частью печи является горн (Г).

В верхней части горна имеется большое число (30-40) равномерно распределенных по окружности фурменных отверстий (Ф), через которые из кольцевого воздухопровода 5 в печь подают нагретый воздух. В нижней части горна имеется 2-4 отверстия, предназначенных для выпуска чугуна 7 и шлака 6 - чугунных и шлаковых леток (JI) в чугуновозный ковш 8 и шлаковозный - 9.

Внутренняя часть печи выложена огнеупорным кирпичом 3, сохранность которого в течение нескольких лет эксплуатации обеспечивается системой охлаждения 4.

Загрузка доменной печи шихтовыми материалами производится скипами 1 сверху с помощью засыпного аппарата 2, который при этом герметично закрывает печь и изолирует ее внутреннее пространство от атмосферы.

Рис. 5.2. Доменная печь

Шихта доменной печи состоит из трех основных частей, взятых в заранее рассчитанном строго определенном соотношении:

1 - железорудный материал - агломерат или окатыши;

2 - кокс - главный источник тепловой энергии, он выполняет также роль реагента-восстановителя;

3 - флюс - материал, снижающий температуры плавления пустой породы рудного материала и золы кокса. Чаще всего в качестве флюса используют известняк, содержащий 96-98% СаСО₃. В этом случае СаО флюса увеличивает также переход серы из металла в шлак, улучшая качество металла.

Общая схема доменного процесса (рис. 5.3). Существо доменного процесса заключается в том. что в верхней половине печи при умеренных температурах - 400-1100°С восстанавливаются оксиды железа из твердых кусков рудного материала. В расположенной ниже зоне с температурами 1100-1300°С - в так называемой зоне шлакообразования - происходит расплавление образующегося из восстановленного железа чугуна и пустой породы рудного материала. Жидкие чугун и шлак стекают вниз и скапливаются в горне, разделяясь по плотности на две несмешивающиеся жидкие фазы.

Доменный процесс относится к типу противоточных: сверху вниз под действием силы тяжести непрерывно опускаются заполняющие всю печь шихтовые материалы, а снизу вверх поднимается горячий газ, который нагревает шихту и одновременно участвует в восстановительных процессах. Горновой газ образуется в результате горения кокса перед фурмами, куда под давлением подается подогретый до 1000-1200°С воздух. Поскольку горение кокса в до-менной печи происходит при большом избытке углерода - при недостатке кислорода, то конечным продуктом сгорания углерода является не СО₂, а СО.

Рис. 5.3. Распределение по высоте печи основных химических процессов:

1 - зона твердофазного восстановления железа; 2 - зона шлакообразования;

3 - зона кокса и жидких продуктов плавки; 4 - зоны горения кокса

Образующиеся продукты горения содержат около 35% СО и имеют температуру 2100-2300°С. В результате горения кокса (его газификации) в горне непрерывно образуется свободное пространство, куда и опускается столб шихтовых материалов. Периодически, через несколько минут в доменную печь загружают очередную порцию шихтовых материалов.

Получение малоуглеродистого сплава в доменной печи невозможно, так как на всем пути движения восстановленного железа до горна имеется непрерывный контакт его с углеродом кокса и СО доменного газа, в результате чего происходит неизбежное науглероживание железа с образованием чугуна, содержащего примерно 91-94% Fe; 3,5-4,5% С и 2-5% других примесей.

Одна из характерных особенностей доменного процесса заключается в том, что формирование химического состава чугуна происходит по мере движения вниз твердой шихты и расплавленных масс металла и шлака. Чугун, попавший в горн, сколько бы он там ни находился, не изменяет своего химического состава.

Со временем количество чугуна и шлака в горне увеличивается. Когда верхний уровень шлака приближается к горизонту фурм, требуется произвести выпуск чугуна и шлака из печи. С этой целью открывают чугунную и шлаковую летки. После выпуска накопившихся продуктов плавки летки вновь закрывают. Следующий выпуск производят в зависимости от производительности доменной печи - через 1-2 ч. Таким образом, периодичность выпусков связана не с необходимостью получения заданного химического состава чугуна, а определяется существующей технологией обслуживания горна. Не исключено, что в случае разработки стойкой чугунной летки, не разрушающейся в течение длительного времени, чугун из доменной печи будут выпускать непрерывно.

По описанной схеме, когда процесс плавки не прерывается ни на мгновение, доменная печь работает в течение нескольких лет.

С овременные доменные печи являются высокопроизводительными металлургическими агрегатами с высокой степенью механизации и автоматизации технологического процесса. Доменная печь объемом 5000м3, профиль которой представлен на рис. 5.4 имеет суточную производительность около 12000 т чугуна (более 4 млн. т в год).