Производство чугуна в доменной печи

Цель работы: Изучить конструкцию доменной печи, устройство доменного цеха и состав оборудования.

Доменная печь является непрерывно работающим плавильным агрегатом шахтного типа. Сверху в неё загружают шихтовые материалы, а снизу, через фурмы, подают воздух для сжигания топлива. Продукты доменной плавки - жидкий чугун и шлак - выпускают снизу. Профиль доменного плавильного пространства доменной печи (рис. 4.1) выбран таким образом, чтобы в нем происходило равномерное опускание загруженных материалов и равномерное распределение по горизонтальному сечению печи поднимающихся снизу газов.

Верхняя часть печи называется колошником. Через колошник печи, имеющий форму цилиндра, производится загрузка шихты и отвод газов. Ниже колошника расположена шахта, расширение которой книзу позволяет материалам свободно опускаться вниз. Заплечики, наоборот, имеют сужающуюся книзу форму, обусловленную тем, что в них происходит уменьшение объёма материалов, в связи с образованием жидких продуктов плавки и выгоранием кокса. Между шахтой и заплечиками находится наиболее широкая цилиндрическая часть – распар. Нижняя часть представляет собой цилиндрический горн, в котором накапливаются жидкие продукты плавки – чугун и шлак. В нижней части горна расположены отверстия - лётки для выпуска чугуна, в верхней части находятся фурмы, через которые в печь подаётся воздух.

Доменная печь снаружи заключена в металлический кожух толщиной 20-25 мм в верхней части и 35—40 мм в нижней. Кожух выполняется цельносваренным. С внутренней стороны кожуха находится огнеупорная футеровка, охлаждаемая холодильником.

Материал на колошник подают либо при помощи двух скипов, движущихся снизу вверх по наклонному мосту, либо при помощи транспортера.

Основной частью колошникового устройства является засыпной аппарат, который предназначен для загрузки и равномерного распределения шихтовых материалов в печи.

Конструкция двухконусного засыпного аппарата представлена на рис. 4,а. Он состоит из приёмной воронки, малого конуса, вращающегося распределителя шихты, большого конуса и газового затвора. Материал из скипа высыпается в приемную воронку на поверхность малого конуса. При опускании малого конуса шихта просыпается вниз на поверхность большого конуса.

Чтобы обеспечить равномерную загрузку материалов по всей окружности печи, перед очередным опусканием малого конуса, он вместе с приёмной воронкой и порцией шихты поворачивается на 60°. Перед открыванием большого конуса производят обычно 5—6 опусканий малого конуса. Когда уровень шихты в доменной печи опустится до определенного уровня, большой конус и материалы высыпаются в печь. Конструкция засыпного аппарата с двумя конусами устраняет выделение газа в атмосферу и обеспечивает равномерную загрузку печи.

Слабым местом аппарата являются стыки конусов с соответствующими воронками. Здесь в связи с повышенным давлением в печи просачивается доменный газ и содержащаяся в нем пыль вызывает абразивный износ металла. Поэтому стойкость конусов низкая, малый конус заменяют почти через каждые полгода, а большой через 1,5—2,5 г.

Среди ряда бесконусных загрузочных устройств хорошо зарекомендовала себя конструкция фирмы "Поль Вюрт" (Люксембург). Схема подобного устройства показана на рис. 4.2, б.

Засыпной аппарат состоит из приёмного бункера, в который шихта ссыпается с транспортерной ленты. Далее шихта поступает в один из двух промежуточных бункеров с герметическими затворами и во вращающийся распределитель шихты, который равномерно рассыпает материалы по поверхности конуса. После набора подачи конус открывается, и материал ссыпается в печь.

Рис. 4.2. Засыпной аппарат двухконусный (а) и бесконусный фирмы "Поль—Вюрт" (б):

а: 1 — большой конус; 2 — воронка (чаша); 3 — штанга; 4 — малый конус; 5 — полая трубчатая штанга; 6 — приемная воронка; 7— скип; 8— рельсы наклонного моста; 9 — наклонный мост; 10 — воронка;

б: 1 — конвейер шихтоподачи; 2 — приемная воронка; 3 — затвор; 4 — верхний газоотсекающий клапан; 5 — бункер; 6 — затвор бункера; 7 — нижний газо-отсекающий клапан; 8 — трубка; 9 — отсечная задвижка; 10 — механизм вращения лотка; 11 — вращающийся лоток

В доменной печи загружаемые шихтовые материалы, в результате протекания механических, физических и физико-химических процессов, постепенно превращаются в чугун, шлак и доменный газ. Задача доменного процесса заключается в восстановлении оксидов железа, что обеспечивается непрерывным встречным движением шихты (вниз) и газов (вверх) и взаимодействием опускающихся шихтовых материалов и восходящего потока газов, образующихся при горении кокса в горне.

Длительность пребывания каждой опускающейся порции материалов в доменной печи составляет 4—6 ч. Образующиеся при сгорании кокса газы движутся вверх с большой скоростью навстречу твердым материалам по всему сечению печи, причем длительность пребывания образующегося газа в доменной печи составляет 1—3 с. За это время газ нагревает шихтовые материалы и восстанавливает оксиды металлов.

В процессе нагревания опускающихся материалов из них удаляется влага, происходит разложение карбонатов, а оксиды железа под действием твердого углерода кокса и восстановительных газов и превращаются в железо. Восстановление оксидов в печи протекает ступенчато: от высших к низшим. При температуре более 570°С восстановление проходит следующие стадии: ; при температуре менее 570°С: .

Металлическое железо еще в твердом состоянии начинает науглероживаться, в результате чего снижается его температура плавления. Восстановление железа заканчивается при температуре 1000—1100°С и из оксидов начинают восстанавливаться кремний, марганец и фосфор, которые вместе с науглероженным железом образуют стекающие в горн капли чугуна.

В нижней половине шахты из составных частей пустой породы руды и флюсов начинается образование состоящего из оксидов ( ) жидкого шлака, понижению температуры которого способствуют оксиды железа и марганца ( ). В стекающем вниз шлаке постепенно расплавляется вся пустая порода и флюс, а также зола сгоревшего кокса. В зоне заплечиков и горна из оксидов, растворенных в шлаке, при его взаимодействии с раскаленным коксом, происходит усиленное восстановление кремния, марганца, фосфора. Здесь же поглощенная металлом в процессе плавления сера переходит в шлак. Железо и фосфор полностью восстанавливаются из шлака и переходят в чугун, а степень восстановления марганца, кремния и полнота удаления серы из чугуна во многом зависит от температуры, количества и состава шлака.

Жидкий чугун и шлак, имеющие разную плотность, разделяются в горне на два слоя.

Для ускорения протекающих в доменной печи процессов, с целью повышения её производительности, применяются следующие методы:

1) улучшение подготовки и качества сырых материалов, а также замена обычного агломерата офлюсованным, что позволяет исключить из состава шихты известняк и снизить расход кокса;

2) повышение температуры воздушного дутья до 1100—1300°С;

3) вдувание природного газа одновременно с обогащением дутья кислородом;

4) повышение давления газов под колошником доменной печи.

Основной продукт доменной плавки – чугун – сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, серой и фосфором. В состав легированных чугунов входят, кроме того, хром, никель, титан и ванадий, количество которых зависит от состава шихтовых материалов и назначения чугуна. Доменные чугуны по своему назначению подразделяются на несколько видов:

- Передельный чугун в жидком или твердом виде используется в мартеновских печах, конвертерах и электропечах для производства стали. Средний состав передельного чугуна: 4,0—4,5% ; 0,5—1,5% ; 0,2—1,3% ; 0,15—0,3% ; 0,02-0,06% .

- Литейный чугун используется для получения чугунных отливок деталей машин. В отличие от передельного, литейный чугун, содержащий повышенное содержание кремния, обладает более высокой жидкотекучестью и хорошо заполняет литейные формы.

Доменный шлак состоит из оксидов различных элементов, используюется в качестве сырья при производстве различных строительных материалов: цемента, бетона, шлаковой пемзы, стеновых материалов, шлакового щебня.

Доменный газ является топливом, которое после очитки от пыли используется для обогрева насадок воздухонагревателей, в прокатных и термических цехах, на теплоэлектроцентрали.

Отделяемая при очистке газа колошниковая пыль содержит в виде оксидов 40—45% и используется в качестве компонента шихты при производстве агломерата.

Современный доменный цех, включающий до 5—8 печей, состоит из нескольких участков и отделений, предназначенных для подготовки и подачи шихты и дутья, уборки продуктов плавки и очистки отходящих газов.

Рудный двор в доменных цехах предназначен для приёмки шихтовых материалов, хранения требуемого их запаса, усреднения и подачи на бункерную эстакаду. Он представляет собой площадку, где материалы хранятся в штабелях. Разгрузка материалов осуществляется вагоноопрокидывателями. Обслуживаются рудные дворы грейферными кранами – перегружателями, которые передвигаются над штабелями.

Бункерная эстакада предназначена для хранения у печи требуемого оперативного запаса материалов, их приемки, а также механизации набора и подачи к колошниковому подъёмнику. Бункера представляют собой бетонированные конусообразные емкости, оборудованные барабанными затворами для выдачи материалов. Подача материалов на эстакаду осуществляется конвейерным или рельсовым транспортом.

Подача шихты на колошник доменной печи осуществляется двумя способами: скиповым и конвейерным.

Основными элементами скипового подъёмника являются: наклонный мост, два перемещающихся по мосту скипа и скиповая лебедка. Подача материалов от бункеров к скиповому подъёмнику осуществляется либо вагон-весами (старые цеха), либо конвейерами. Взвешивание материалов в последнем случае производится в весовых воронках непосредственно около печи. Скиповые подъёмники не обеспечивают требуемый темп загрузки печей большой производительности. Поэтому в настоящее время наиболее часто применяют конвейерную систему подачи. Конвейер размещен в закрытой галерее. Работает он непрерывно, а загружаемые материалы размещаются на нем порциями с определенными интервалами.

Подача и нагрев дутья. Объём воздушного дутья, необходимого для нормальной работы доменной печи, достигает 2,5 на 1 её полезного объёма, что для печи объёмом 5000 составляет 10—12 . Подача таких количеств воздуха под давлением 3,5-4,0 осуществляется со станции.

В оздухонагреватель (рис. 4.3) представляет собой аппарат с наружным диаметром 9—11 и высотой до 55 . Внутренняя поверхность его в герметичном корпусе из листовой стали, футерована огнеупорным кирпичом и разделена на две части: камеру сгорания и камеру с огнеупорной насадкой. Сначала в камеру сгорания 1 через горелку 5 поступает смесь газа и воздуха, где от соприкосновения с раскаленными стенками камер она воспламеняется и сгорает. Продукты сгорания, повернув под куполом вниз и проходя через огнеупорную насадку 3, нагревают её и уходят по каналам в дымовую трубу. После нагрева насадок до нужной температуры прекращают подачу топлива и через клапан подают в обратном направлении поток холодного воздуха, который при проходе через нагретую насадку нагревается и по кольцевому воздухопроводу и далее через фурмы направляется в доменную печь. Для непрерывной подачи дутья на печи должно быть не менее трех воздухонагревателей.

Очистка доменного газа. Вместе с газом из колошника доменной печи выносится много пыли, поэтому, прежде, чем использовать газ как топливо, его нужно очистить от пыли.

Наиболее часто применяемая схема комплекса газоочистных сооружений доменной печи следующая: газ из доменной печи по вертикальному газоотводу и наклонному газопроводу направляется в пылеуловитель для грубой очистки и далее поступает в скруббер высокого давления, а из него - в трубы-распылители. После полутонкой очистки газ попадает в электрофильтры, где производится его тонкая очистка. Отсюда чистый газ направляется в газовую сеть завода.

Уборка жидких продуктов плавки. Для выпуска из доменной печи жидких продуктов плавки предназначены чугунные и шлаковые лётки. Для вскрытия лёток применяют электрическую бурильную машину, которая просверливает чугунную корку на внутренней поверхности лётки. Чугун через лётку поступает в стационарный желоб и затем через поворотный или качающийся желоб попадает в чугуновозные ковши. После выпуска чугунную лётку забивают огнеупорной массой с помощью электропушки.

Чугун из доменного цеха перевозится либо в открытых чугуновозных ковшах, либо в ковшах миксерного типа. Шлак по желобу сливают в стальные или чугунные шлаковые чаши. Подвергают грануляции и используют для производства строительных материалов.

Большую часть жидкого чугуна направляют в мартеновские или конвертерные цеха для передела в сталь, а остальное - на другие заводы в виде чушек, которые получают на разливочной машине. Разливочная машина представляет из себя двухленточный наклонный конвейер из чугунных форм - мульд, прикрепленных к опирающимся на ролики шарнирно-пластинчатым бесконечным цепям. Для ускорения кристаллизации чугуна мульды сверху орошаются водой. На разгрузочном конце машины чугунная чушка вываливается из мульды и попадает по желобу в вагон.

Контрольные вопросы

1.  Из каких основных частей состоит доменная печь?

2.  Каково устройство засыпного аппарата доменной печи?

3.  В какой последовательности происходит восстановление оксидов железа?

4. Какие основные продукты доменной плавки и их применение?

5.  Каков химический состав передельного чугуна?

6.  Каково назначение рудного двора и бункерной эстакады доменного цеха?

7.  Как осуществляется подача шихты на колошник?

8. Каково устройство воздухонагревателя и как он работает?

9. Какова схема газоочистки доменной печи?

10. Как осуществляется выпуск продуктов плавки?

Лабораторная работа №5