Для чего нужна доменная печь? Конструкция доменной печи, принцип работы и устройство. Доменная печь Что плавят в доменных печах

Современная цивилизация неразрывно связана с развитием техники производства, невозможной без совершенствования орудий труда и материалов, используемых для их изготовления.

Среди всех материалов природного происхождения или созданных человеком, самое значимое место занимают черные металлы – сплав железа и углерода с присутствием других элементов.

Сплавы, в составе которых часть углерода составляет 2 – 5%, относятся к чугунам, при наличии углерода менее 2% сплав относится к сталям. Для плавки металлов используется специальная технология доменного производства.

Азбука производства

Доменная плавка – это процесс производства чугуна из железной руды, перерабатываемой в доменных печах или, как их еще называют, домнах.

Основными материалами, необходимыми в процессе такого производства, являются:

топливо, в виде получаемого из каменного угля кокса;
железная руда, являющаяся непосредственным сырьем для производства;
флюс – специальные добавки из известняка, песка, а также других материалов.

В доменные печи железная руда попадает в виде сплавленных между собой кусков мелкой породы – агломератов или окатышей, в виде рудных комков. Исходное сырье загружают в колошник доменной печи послойно, чередуя со слоями кокса и с послойным добавлением флюса.

Примите к сведению: флюс необходим для того, чтобы заставить всплыть пустую породу и различные примеси, которые называются шлаком.

Всплывший на поверхности раскаленного чугуна шлак, сливается до того, как металл застынет. Загружаемый для плавки чугуна материал из железной руды, кокса и флюса, называют шихтой.

Доменная печь, имеющая в профиль сходство с башней с широким основанием, внутри выкладывается огнеупорным материалом – шамотом.

Основными элементами конструкции являются:

заплечики;
распар;
колошник;
шахта
горн.

Распар - это самая широкая часть доменной печи. В нем плавится пустая порода руды и флюса, в результате чего из них получается шлак. Для предотвращения воздействия высоких температур на кладку и кожух печи, применяются холодильные установки с циркулирующей водой.

Доменная шахта строится в форме расширяющего внизу конуса – такое устройство домны позволяет шихте свободно опускаться во время процесса плавки. Образование чугуна, который в процессе плавки спускается в горн, происходит в распаре и заплечиках. Для удержания находящейся в распаре и шахте твердой шихты, заплечики имеют форму конуса, с расширением к верху.

Как работает

В домну шихта засыпается через колошник непрерывными порциями.

Для обеспечения непрерывности работы, возле домны устанавливается склад для окатышей (агломерата), флюса и кокса – бункер, предназначенный для составления шихты.

Поставки сырья в бункеры, как и подача шихты к засыпным устройствам на колошник, производится по непрерывной схеме с использованием транспортеров.

Опускаясь под своей массой, шихта попадает в среднюю часть печи, где под воздействием горячих газов, образующихся в результате сгорания кокса, железорудный материал нагревается, а оставшиеся газы выходят через колошник.

В горне, который находится внизу печи, располагаются аппараты для подачи под давлением горячих воздушных потоков – фурмы. В фурмах имеются окошки с термостойкими стеклами, позволяющие производить визуальный контроль процесса.

Обратите внимание: для защиты от воздействия высоких температур устройства охлаждаются водой по имеющимся внутри каналам.

Сгорающий в горне кокс дает необходимую для плавления руды температуру, превышающую +2000 гр.

В процессе горения происходит соединение кокса и кислорода с образованием углекислого газа.

Воздействие высокой температуры на углекислый газ превращает последний в отнимающий у руды оксид углерода и восстанавливает железо. Процесс образования чугуна происходит после прохождения железа сквозь слои раскаленного кокса. В результате такого процесса, железо насыщается углеродом.

После того как чугун в горне накопился, жидкий металл выпускается через находящиеся внизу отверстия – летки. В первую очередь через верхнюю летку выпускается шлак, а затем, через нижнюю летку – чугун. По специальным каналам чугун сливается в размещенные на железнодорожных платформах ковши и транспортируется на дальнейшую обработку.

Литейный чугун, который в дальнейшем будет использован для производства отливок, попадает в разливочный аппарат и, застывая, превращается в бруски – чушки.

Для производства стали используется чугун, который называется переделочным – он составляет до 80% производства.

Переделочный чугун транспортируется в сталелитейный цех с конверторами, мартеновскими или электрическими печами. В современных, огромного размера домнах для поддержания процессов горения используется не только потоки горячего воздуха, но и чистый кислород, применяемый вместе с природным газом.

Такая технология позволяет расходовать меньшее количество кокса, но является технологически более сложной. Поэтому для контроля процесса производства, выбора оптимальных режимов плавки используются компьютеры, способные вести одновременный анализ работы всех систем.

Смотрите познавательное видео, в котором описываются принцип работы и нюансы функционирования доменной печи:

Процесс получения чугуна из железных руд называют доменным.

Исходные материалы:

Железные руды (магнитный, красный, бурый и шпатовый железняк+комплексные железные руды для улучшения св-в чугуна)

Топливо - кокс – топливо+нагрев печного пространства до необходимой температуры; обеспечивает восстановление окислов железа. Возможна частичная замена кокса газом или мазутом

Флюсы - известняк CaCO 3 или доломитизированный известняк, содержащий CaCO 3 и MgCO 3 , так как в шлак должны входить основные оксиды (CaC, MgO ), которые необходимы для удаления серы из металла. В их состав входит минимальное количество вредных примесей.

Получение чугуна в доменной печи заключается в восстановлении железа из оксидов железной руды. Чтобы отделить примеси, содержащиеся в руде и коксе (продукте переработки каменного угля), их нужно расплавить, однако температура плавления у них намного выше, чем у чугуна.Ее понижают, вводя флюсы (плавни), чаще всего - известняк.

Загружаемая сверху в доменную печь шихта, содержащая железную руду, кокс и флюсы, постепенно перемещается вниз и попадает в зоны все более высокого нагрева. В нижней части домны (горне) температура возрастает до 1 600 °С. Сюда стекают жидкие чугун и шлак. Более легкий шлак скапливается над чугуном. Периодически шлак и чугун выпускают и направляют для дальнейшей переработки.

Вдуваемый в доменную печь воздух, нагретый до 700…800°С, обеспечивает горение кокса с образованием окиси углерода (СО), которая отнимает кислород у оксидов железа. При температуре около 1 000 “С имеет место науглероживание восстановленного железа и превращение его в чугун:

Пустая порода и флюсы также претерпевают определенные превращения и переходят в шлак. Азот воздуха, СО и С02 образуют доменный газ, удаляемый из домны через колошник по газопроводам.

В материалах шихты имеются вещества, дающие чугуну полезные (марганец, кремний) и вредные (сера, фосфор) примеси. Сера может быть удалена из чугуна при сильнооснбвном шлаке и высокой температуре процесса. Фосфор же удалить из чугуна нельзя. Чтобы чугун не содержал фосфора, шихта должна быть свободна от Р205.

39 Устройство и работа доменной печи схема

Доменная печь состоит: из колошника 1, куда при опускании колошникового затвора 2 поступают руда, плавень и топливо, шахты 3, в которой протекают реакции восстановления железа, «распара» 4, где заканчивается шлакообразование, и «заплечиков» 5, по которым загруженные материалы постепенно опускаются в горн 6, превращаясь в расплавленный чугун и расплавленный шлак. Горн выкладывают из высококачественного шамотного кирпича; снаружи он покрыт стальными листании и охлаждается водой. Доменная печь имеет стальной сварной кожух. Топливо сгорает у (воздушных фурм 7, к которым через кольцевую воздушную трубу 8 и отходящие от нее рукава подводится нагретый воздух. В нижней части горна имеется чугунная летка» 10 - отверстие для выпуска чугуна. Выше расположена «шлаковая летка» 11 для выпуска шлака. Горячие газы, образующиеся в печи, отводят через газопроод 12, очищают их и используют для подогрева воздуха, подаваемого в печь, и для других нужд завода (для нагревания мартеновских печей, в которых идет передел чугуна на сталь).

Руду, плавень (флюс) и кокс загружают в доменную печь сверху чередующимися слоями. По мере сгорания кокса и расплавления слоев, находящихся внизу, вся масса в печи постепенно опускается, сверху же загружают все новые порции материалов. Горение в доменной печи поддерживается воздухом, который вдувают под давлением около 1,5 ати, предварительно нагревая до 800-900°. Подогревают воздух в особых воздухонагревателях (устаревшее название «каупер»), представляющих собой круглую башню со стальным кожухом и внутренней кладкой из огнеупорного кирпича с вертикальными каналами.

Отходящие из доменной печи газы содержат значительное количество окиси углерода (СО). При горении она выделяет большое количество тепла. Газы очищают от пыли в специальном устройстве и направляют в воздухонагреватель, где СО сгорает, нагревая огнеупорную кладку. Затем в воздухонагреватель нагнетают воздух. Проходя через нагретые каналы огнеупорной кладки, воздух подогревается, газы же из доменной печи в это время направляются в другой воздухонагреватель. Материалы, загруженные в верхнюю часть доменной печи, высушиваются и постепенно прогреваются. В нижележащих зонах печи окись железа (Fe2O3 или Fe3O4), содержащаяся в руде, восстанавливается окисью углерода до закиси железа (FeO). Дальше закись железа восстанавливается до чистого железа: в средних и нижних зонах доменной печи появляются его первые губчатые комочки. Восстановленное железо, опускаясь в печи, постепенно насыщается углеродом. Получившийся карбид железа (Fe3C) растворяется в железе при высоких температурах и науглероживает его, понижая температуру плавления сплава. Поэтому в верхней части «заплечиков» при t = 1250-1300° появляются первые капли жидкого сплава, которые стекают вниз, еще больше насытившись углеродом и растворив часть кремния и марганца. Так образуется. чугун, содержащий до 3,5-4,0% углерода и стекающий в расплавленном состоянии на дно горна. Одновременно идет реакция между пустой породой и плавнями, в результате которой образуется жидкий шлак, также стекающий вниз. Шлак всплывает поверх чугуна, защищая его от окисления. Время от времени шлак сливают через шлаквую летку, чугун же периодически выпускают через нижнюю летку. Таким образом осуществляется непрерывный процесс выплавки чугуна. Для получения 1 т чугуна (передельного) примерно расходуется: железной руды 1,6 г, известняка 0,4 т, марганцевой руды 0,1 т,кокса 0,9 т.

Выплавка чугуна в промышленных масштабах невозможна без габаритных, сложных и мощных печей. Доменная печь – вертикальное сооружение шахтного типа, в котором железную руду переплавляют в полезный металл. Устройство доменной печи подразумевает непрерывную работу конструкции в течение 3-12 лет, вплоть до капитального ремонта.

Рисунок 1. Доменная печь

Устройство домны

Современная печь – это огромная конструкция весом до 35000 т и высотой до 40 м. Чтобы многолетняя выплавка без простоев была возможной, печь должна быть прочной и надёжной. Снаружи устройство покрыто стальным кожухом – основа облицована толстыми листами (до 4 см).

Изнутри расположена огнестойкая футеровка. Она нуждается в постоянном охлаждении, поэтому внизу монтируют металлоёмкости, в которых циркулирует вода. Поскольку жидкости нужно очень много, иногда применяют охлаждение испарением. Суть метода – в испарении кипящей воды, активно поглощающей при этом тепловую энергию.

Рисунок 2. Устройство доменной печи

Печь представляет собой сооружение, состоящее из множества элементов. Основные представлены:

колошником ();
распаром;
шахтой;
горном;
заплечиками.

Колошник

Это верхний элемент, который служит для загрузки сырья (шихты) и отвода отработанных газов. Главная часть колошника – засыпной агрегат. В большинстве случаев аппараты для засыпки шихты двуконусные. Между засыпками оба конуса прикрыты. После подачи сырья меньший элемент опускается, и железная руда попадает в больший. Как только набирается необходимая порция, малый конус закрывается, из большого руда попадает в печь. После этого герметизируется и крупное устройство.

Более продвинутые домны имеют улучшенную конструкцию колошника. Роль большого конуса играет вращающийся желоб с регулируемым углом наклона. Благодаря этому возможна засыпка сырья с любой стороны.

Колошник служит и газоотводом. В процессе выплавки образуется огромное количество газа. Вместе с ним удаляется и железосодержащая пыль, которую улавливают газоочистители.

Рисунок 3. Схема доменного производства

Шахта

Шахта занимает большую часть печного пространства. Конструкция, расширяющаяся книзу, представляет собой усечённый конус. Благодаря этому подача шихты происходит равномерно. Доменная печь – сооружение вертикальное и достаточно высокое. Это необходимо для обеспечения хим- и термообработки сырья нагретыми газами.

Распар

Элемент в форме цилиндра расположен в средней части рабочей доменной зоны. Для распара характерен наибольший диаметр. Назначение конструкции – увеличение печного пространства и ликвидация ненужного сырья. Здесь образуется пустая порода.

Заплечики

Укороченный конусообразный вариант распара – усечённый компонент обращён широкой частью вверх. С помощью заплечиков снижают объём выплавляемой шихты при производстве чугуна.

Горн

Основная часть, в которой и происходит выплавка металлов. Здесь горит кокс и образуется газ, накапливается шлак и чугун и происходит регулярный выпуск жидкого металла из конструкции. Состоит горн из фурменной зоны и металлоприёмника. Через фурмы, посредством воздухонагревателя и кольцевого воздуховода, в печь поступает горячий воздух. Он необходим для горения топлива. Дно металлоприёмника называется лещадь.

Внизу горна находятся шлаковые и чугунные летки – отверстия, через которые проходит расплавленный металл. После выпуска чугуна отверстие закрывают с помощью поршневого механизма огнеустойчивой массой.

Шлаковые отверстия находятся на 1,5-2 м выше чугунных леток. Их закрывают с помощью стальных штопоров с наконечниками. От чугуна шлак отделяется посредством агрегата, расположенного на печном желобе. Обе составляющие подаются в специальные ковши.

Всё это гигантское сооружение имеет огромную массу. Такой вес необходимо передавать грунту равномерно. Поэтому домну устанавливают на массивном бетонном фундаменте, толщина подошвы которого может достигать 4 м. Подошва служит опорой колоннам, на которые, в свою очередь, опираются металлоконструкции. Верхнюю фундаментную часть выполняют из жаростойкого бетона в формате монолитного цилиндра.

Давление огромной массы на грунт компенсируется устройством мощного фундамента

В таблице представлена взаимосвязь размеров некоторых современных печей.

Дополнительные печные элементы

Функционирование печи требует работы вспомогательных устройств. Среди них:

воздухонагреватели; крупные элементы башенного типа располагают рядом с печью; в них поступает колошниковый газ, который затем сгорает; благодаря этому образуется ещё более горячий газ, посредством сложной системы нагревающий воздух; последний – нагретый до температуры, как минимум, 1000 градусов – идёт в ход для выплавки чугуна;
воздуходувные машины; сжатый воздух необходим для топливного горения; в печь воздух поступает благодаря устройствам, образующим давление порядка 25 МПа;
устройства для подъёма и засыпки шихты;
газоочистители для очистки колошниковых газов;
прочие вспомогательные устройства – например, мостовые краны, которыми оборудованы литейные дворы.

Рисунок 4. Пример современной доменной печи

Современные печи оснащаются системами автоматики. Компьютеризация позволяет контролировать и регулировать основные параметры, связанные с функционированием домны. Под контролем уровень засыпки сырья, давление газа, температура дутья и т. п.

Современные домны даны на откуп автоматике. Компьютер контролирует основные производственные процессы

По какому принципу работает доменная печь?

Принцип работы доменной печи основан на сложных физико-химических процессах. Выделяют такие операции:

сгорание топлива;
восстановление железа;
разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид;
насыщение железа углеродом;
плавка металла;
плавление шлака и др.

Рисунок 5. Производство чугуна с химической точки зрения

В самом общем смысле доменная плавка – это производство чугуна из железорудного сырья. Главные материалы, с помощью которых возможна выплавка чугуна:

топливо – кокс;
железная руда – сырьё, из которого выплавляют чугун;
флюс – спецдобавки из песка, известняка и некоторых других материалов.

В печи шихта попадает в виде мелкопородных сплавленных кусков – окатышей или агломератов. В качестве рудного вещества могут выступать марганцевые руды или различные вариации железняка. Сырьё засыпают в колошник слоями, чередуя с пластами флюса и кокса.

Назначение флюса – отделение чугуна от примесей и пустой породы (шлака)

Шлак всплывает на поверхности раскалённого чугуна. Примеси сливают до того, как жидкий металл застынет.

Подача сырья, как и работа печи, должна быть непрерывной. Постоянство процесса обеспечивают специальные транспортёры. Попадая через описанные элементы в горн, шихта проходит через ряд технологических процессов.

Рисунок 6. Схема домны

Сгорающий кокс даёт требуемую температуру, которая не должна опускаться ниже 2000 градусов. Горение способствует соединению кислорода и каменного угля. Параллельно образуется углекислый газ. Под влиянием высокой температуры последний становится оксидом углерода. Благодаря этому восстанавливается железо.

Восстановление железа – один из важнейших производственных этапов. Без этого процесса невозможно обретение металлом необходимой прочности.

Чугун становится таковым после того, как железо пройдёт через расплавленный кокс. Чтобы результат стал возможным, железо должно насытиться углеродом. К чугунам относят сплавы, в составе которых на долю углерода приходится 2-5%.

После того, как готовый металл накопился в горне, его выпускают через летки. Через верхнее отверстие сначала выпускают шлак, а после – через нижнее – чугун. Последний сливается по каналам в ковши и отправляется на последующую обработку.

Заключение

Доменная печь – одна из самых важных составляющих чёрной металлургии. В современных реалиях домны обычно «встроены» в металлургические комбинаты. Средняя печь способна ежедневно выдавать около 12000 т чугуна, расходуя при этом приблизительно 20000 т исходного сырья.

Доменная печь после многочисленных преобразований и модернизаций на современном этапе представляет собой конструкцию для получения чугуна как основного ингредиента сталелитейной промышленности.

Устройство доменной печи позволяет вести непрерывную плавку до капитального ремонта, который проводится с периодичностью один раз в 3-12 лет. Остановка процесса приводит к образованию сплошной массы из-за спекания компонентов (закозления). Для ее извлечения необходима частичная разборка агрегата.

Рабочий объем современной доменной печи достигает 5500 м3 при высоте 40 м. Она способна выдать около 6000 т чугуна за одну плавку. А специальное оборудование, обслуживающее системы, расположенные вокруг, занимает несколько десятков гектар земли.

Доменная печь используется для производства литейного чугуна, который в дальнейшем проходит плавку для получения различных марок чугунов или отправляется на восстановление для получения конструкционных сталей.

Строение доменной печи напоминает шахту. Ее диаметр в три раза меньше высоты. Монтаж высотной конструкции осуществляется на бетонном фундаменте толщиной 4 м. Необходимость в таком массивном фундаменте возникает из-за массы домны, которая более 30 000 т.

На фундаментной плите закрепляются колонны и цельный (монолитный) цилиндр, которые изготавливаются и термостойкого бетона. Внутреннее пространство конструкции обложено огнеупорными материалами, а верхняя часть шамотом. В районе заплечников, где температура достигает 2000°С — графитированными материалами, а под ванной с чугуном — футеровка из глинозема. Также на фундаменте монтируется печной горн.

Нижняя часть доменной печи, где температура максимальна, оборудуется холодильниками с водяным охлаждением.Для удержания собранной огнеупорной конструкции, с внешней стороны доменная печь заключена в металлическую рубашку толщиной 40 мм.

Процесс восстановления железа происходит из руды в среде известнякового флюса при высокой температуре. Температура плавления достигается горением кокса. Для поддержания горения необходим воздух, поэтому в домне установлены 4 — 36 фурм или леток.

Большой внутренний объем нуждается в больших объемах воздуха, которые подают турбинные нагнетатели. Чтобы не снижать температурный, режим воздух перед подачей подогревается.

Схематически доменная печь выглядит следующим образом.

Состав конструкции производства литья:

шихта (руда и известняк);
коксовый уголь;
загрузочный подъемник;
колошник, предотвращающий попадание газов из домны в атмосферу;
слой загруженного кокса;
шихтовый слой;
воздушные нагнетатели;
отводимый шлак;
литьевой чугун;
емкость для приема шлака;
приемный ковш для расплава;
установка типа Циклон, очищающая от пыли доменный газ;
кауперы, регенераторы газов;
дымоотводящая труба;
воздухоподвод в кауперы;
угольный порошок;
печь для спекания кокса;
емкость для хранения кокса;
отведение колошникового газа высокой температуры.

Доменная печь обслуживается вспомогательными системами.

Колошник – это затвор домны. От его исправной работы зависит экологическая обстановка вокруг производства.

воронка приемная;
воронка маленького конуса, вращающаяся;
конус маленький;
межконусное пространство;
конус большой;
скип.

Принцип работы колошника следующий:

Большой конус опущен, а малый поднят. Окошки во вращающейся воронке перекрыты.
Скип осуществляет загрузку шихты.
Поворачиваясь, воронка открывает окна, и шихта осыпается на малый конус 3. затем возвращается на место.
Конус поднимается, тем самым препятствует выходу доменных газов.
Конус опускается для передачи шихты в межконусное пространство, затем поднимается на исходную позицию.
Конус опускается, а вместе с ним шихта загружается в доменную шахту.

Такая дозированная подача обеспечивает послойное распределение материалов.

Скип – черпак, при помощи которого осуществляется загрузка. Она выполняются по конвейерной технологии. Воздушные нагнетатели – летки и фурмы осуществляют подачу воздуха в доменную шахту под давлением 2-2,5 МПа.

Кауперы служат для нагревания подаваемого воздуха. В регенераторах он подогревается доменными газами, снижая тем самым энергетическую нагрузку на агрегат. Воздух нагревается до 1200°С и подается в шахту. При снижении температуры до 850°С подача прекращается, возобновляется цикл нагрева. Для бесперебойной подачи горячего воздуха устанавливается несколько регенераторов.

Принцип работы домны

Для получения чугуна необходимы следующие ингредиенты: шихта (руда, флюс, кокс), высокая температура, постоянная подача воздуха для обеспечения непрерывного горения.

Термохимические реакции

Восстановление железа из окислов путем ступенчатой химической реакции:

3Fe2O 3 +CO→2Fe 3 O 4 +CO 2 ,
Fe 3 O 4 +CO→3FeO+CO 2 ,
FeO+CO→Fe+CO 2 .

Общая формула:

Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO 2 .

Получение необходимого количества углекислого и угарного газа обеспечивает горение кокса:

С + О 2 → СО 2 ,
СО 2 + С → 2СО.

Для отделения железа от примесей используется известняковый флюс. Химические реакции, образующие шлак:

СаСО 3 → СаО + СО 2 ,
СаО + SiO 2 →CaSiO 3 .

Принцип работы доменной печи таков. После загрузки доменную печь начинают разжигать газом. По мере повышения температуры подключается каупер и начинается продувка воздухом. Кокс – топливо для доменной печи – начинает интенсивнее гореть, и температура в шахте значительно увеличивается. При разложении флюса образуется большое количество углекислого газа. Угарный газ в химических реакциях выступает восстановителем.

После сгорания кокса и разложения флюса столб шихты опускается, сверху добавляется очередная порция. Снизу в самой широкой части шахты происходит полное восстановление железа при температурах 1850°С — 2000°С. Затем оно стекает в горн. Здесь происходит обогащение железа углеродом.

Температура в доменной печи изменяется в сторону увеличения по мере опускания шихты. Процесс восстановления протекает при 280 °С, а плавка происходит после 1500 °С.

Разлив расплава происходит в два этапа. На первом через летки сливается шлак. На втором через чугунные летки сливается чугун. Больше 80% выплавляемого чугуна идет на производство стали. Из остального чугуна отливают в опоках болванки.

Работает доменная печь непрерывно. От загрузки шихты до получения сплава проходит 3-20 дней — все зависит от объема печи.

Обслуживание и ремонт доменной печи

Любому оборудованию, работающему в круглосуточном режиме, требуется постоянное обслуживание. Регламенты закладываются в технический паспорт оборудования. Несоблюдение графика технического обслуживания влечет за собой сокращение срока эксплуатации.

Работы по техническому обслуживанию доменных печей делятся на периодические и капитальные ремонты. Периодические работы проводятся без остановки рабочего процесса.

Капитальный же ремонт по объему выполняемых работ делится на три разряда. Во время первого разряда производится осмотр всего оборудования, при этом из шахты извлекаются расплавы. Во время второго разряда производится ремонт футеровки, замена вышедших из строя элементов оборудования. При третьем разряде производится полная замена агрегата. Обычно такой ремонт совмещают с модернизацией или реконструкцией домны.