1.1.2.Схема доменного процесса

Современная доменная печь - мощный и высокопроизводительный агрегат, расходующий огромное количество шихты и дутья. Это огромное сооружение, высотой 100 м и объемом 5000 м³ и более, ежесуточно расходует до 25000 т шихты, 18000 т дутья, 180 т природного газа и выдает свыше 13000 т чугуна, 4500 т шлака, огромное количество колошникового газа. Для ее обслуживания только в сутки расходуется около 100 тыс. м³ воды.

Срок службы доменных печей (время между капитальными ремонтами 1 разряда) колеблется от 13 до 22 лет. Пуск современного доменного комплекса – печь «Северянка» объемом 5580 м³ АО «Северсталь» был осуществлен 12 апреля 1986 г. Новые комплексы и доменные печи в последующем в России не возводились. От общего полезного объема российских печей России 45 % составляют печи объемом менее 2000 м³. Большинство этих печей физически и морально устарели и подлежат выводу из эксплуатации. Объемы оставшихся доменных печей (48045 м³) обеспечивают выплавку 34 - 42 млн. т чугуна в год.

Доменная печь – печь шахтного типа. Она имеет вытянутое в высоту рабочее пространство и круглое поперечное сечение, конфигурация которого выработана многовековым опытом. По оснащенности автоматикой она принадлежит к “династии чемпионов”, так как является одним из самых механизированных и автоматизированных металлургических агрегатов. АСУ печи учитывает все входные данные: состав шихты, температуру и состав дутья, другие факторы, устанавливает оптимальные соотношение между ними для обеспечения максимальной производительности и высокого качества чугуна заданного состава.

Самая древняя печь – примитивный горн, вырытый в земле или выложенный из камня. Их чаще всего устраивали на холме с отверстием у его подножия. Естественная тяга создавала высокую температуру. Затем научились подавать дутье мехами. Позже вместо таких горнов стали строить шахтные печи. В России они назывались домницами.

Н а рис. 20 показаны схемы профиля печей, дающие представление об их изменении за последние столетия: от простейших типа домниц (а) с постепенным переходом (б, в, г) к современному (д). Процесс доменной плавки – непрерывный. Сверху в печь загружают сырые материалы (офлюсованный агломерат, кокс), а в нижнюю через фурмы подают нагретое дутье (воздух, обогащенный кислородом) и газообразное, жидкое или пылевидное топливо.

П олученные от сжигания топлива газы проходят через столб шихты, отдавая ей свою химическую и тепловую энергию. Опускающаяся рудная шихта нагревается, восстанавливается и расплавляется. Часть кокса расходуется в печи на восстановление железа и других элементов, а большое его количество сгорает в зоне фурм. Ровное, быстрое опускание шихты и хорошее взаимодействие с газами, т. е. лучшее использование тепловой и химической энергии газового потока, являются важнейшими факторами в доменном производстве. Схематически доменный процесс можно представить в следующем виде:

Устройство печи

Для обеспечения непрерывной подачи шихтовых материалов и выпуска чугуна и шлака необходимо иметь простые и очень надежные конструкции, позволяющие работать печи без простоев в течение длительного времени.

Рассмотрим подробнее устройство основных частей доменной печи, общий вид которой показан на рис. 21. Объем печи, ограниченный огнеупорной футеровкой, называется рабочим пространством.

Огнеупоры – керамические материалы, способные противостоять продолжительному воздействию высоких температур и агрессивных металлургических сред, сохраняя при этом основные физико-механические свойства в заданных пределах. В доменном производстве используются следующие основные виды огнеупоров.

Динас содержит более 93 % SiO₂. Изготавливается из кварцевых порошков с добавками извести, оксидов железа и марганца при обжиге. Хорошо противостоит воздействию кислых шлаков. Шамот содержит 54 - 70 % SiO₂ и 28 - 46 % Al₂O₃. Изготавливается из смеси огнеупорной глины и каолина. По сравнению с динасом обладает более высокой термостойкостью и хорошо противостоит воздействию кислых и основных шлаков. Углеродистые огнеупоры изготавливаются из кокса, термоантрацита, графита и смолы. Легковесные теплоизоляционные огнеупоры используются для снижения тепловых потерь. Кроме указанных изделий для изоляции вспомогательных устройств доменного цеха (воздухопроводов горячего дутья, фурменных рукавов и др.) используют асбестовый картон, нити, шнуры и другие неформованные материалы.

Ф ундамент печи. Вместе со всеми сооружениями, металлоконструкциями, футеровкой и находящимися в ней шихтовыми материалами, продуктами плавки печь может иметь массу до 30 000 тонн. Вся эта масса должна быть равномерно распределена на грунте. Нижнюю (подземную) часть фундамента (подошву) делают в виде восьмиугольной бетонной плиты толщиной до 4 м. Верхняя (наземная) часть – монолитный цилиндр из жаропрочного бетона с огнеупорностью не ниже 1400-1500^оС называется «пнем».

Внутреннее очертание рабочего пространства в вертикальном сечении называется профилем доменной печи. Профиль печи состоит из пяти основных частей (рис. 22). Колошник – верхняя цилиндрическая часть печи, которая в сочетании с засыпным аппаратом обеспечивает требуемое размещение шихтовых материалов, определяя характер распределения газового потока. Раньше колошей называли короб, из которого уголь загружали в печь. Верхняя часть печи представляет собой расширяющийся усеченный конус, чтобы шихта не зависала, и загруженные сырые материалы медленно и свободно опускались вниз.

Основной частью колошникового устройства является засыпной аппарат. Он предназначен для загрузки и равномерного распределения шихтовых материалов в печи. Конструкция двухконусного засыпного аппарата представлена на рис. 23.

Засыпной аппарат состоит из приемной воронки, куда ссыпаются поданные снизу материалы, воронки малого конуса запертой снизу большим конусом.

Загрузка материалов в печь осуществляется следующим образом. Из приемной воронки материалы падают и располагаются на малом конусе. При закрытом большом конусе производится опускание малого конуса, и материалы попадают на большой конус. Так повторяется несколько раз, пока на большом конусе не соберется вся подача, состоящая из нескольких порций кокса, агломерата, окатышей и т.д. Затем при закрытом малом конусе (чтобы запыленные газы не проникали в атмосферу) опускается большой конус, и все материалы попадают в печь.

Ш ахта – усеченный конус с большим основанием внизу. Такая форма шахты обеспечивает плавный сход материалов, увеличивающих свои размеры при нагревании. Здесь протекают основные процессы восстановления оксидов железа и других элементов.

Распар – самая широкая часть печи в форме цилиндра, необходимая для плавного перехода от нижнего широкого основания шахты к сужающимся заплечикам.

Заплечики представляют собой усеченный конус с большим основанием вверху. В них происходит резкое сокращение объема загруженных материалов из-за выгорания кокса и образования жидких продуктов плавки.

Горн – нижняя цилиндрическая часть печи, куда стекает расплавленный чугун и шлак. Горн делится на две зоны: фурменную и металлоприемник. Подина металлоприемника называется лещадью. В фурменной зоне по окружности расположены воздушные фурмы (16 - 42 шт.), через которые в печь подается горячее дутье. В нижней части горна есть отверстия – лётки для выпуска чугуна и шлака. При наличии одной чугунной и одной шлаковой леток чугун выпускается 6 - 15 раз в сутки, а шлак в 2 - 3 раза чаще. На современных мощных печах устанавливают по 4 чугунные лётки, т. е. чугун и шлак выпускают практически непрерывно. Температура выпускаемого чугуна составляет 1700 – 1800 ^оС, шлака – на 50 – 100 ^оС выше.

Каждая зона печи выложена особым огнеупорным кирпичом, выдерживающим огромную температуру и механическую нагрузку и охлаждаемая специальными холодильниками. Снаружи печь заключена в металлический кожух толщиной 20 - 50 мм.