1.1.1 Устройство доменной печи
Внутреннее очертание вертикального разреза доменной печи называют ее профилем (рисунок 6), в котором различают колошник 1, шахту 2, распар 3, заплечики 4 и горн 5. Для современных больших печей полезная высота равна 29-32 м. Средний объем печей 1000-3000 м3, самая большая печь объемом 5000 м3.
Доменная печь заключена в металлический кожух толщиной 20-25 мм в верхней части и 35-40 в нижней, состоящий из ряда цилиндрических и конических поясов. Кожух выполняют цельносварным. С внутренней стороны кожуха находится огнеупорная футеровка, охлаждаемая холодильниками. Материал на колошник подают при помощи транспортера. Основной частью колошникового устройства является засыпной аппарат состоящей из большого и малого конуса с приемной воронкой. Для равномерного распределения шихты малый конус вращается вокруг своей оси, которой опускается в межконусное пространство. Большой конус опускается в доменную печь. Наличие двух поочередно опускающихся конусов обеспечивает герметизацию колошника при загрузке шихты. В нижней части печи находятся фурменные устройства, через которые подается нагретое дутье и добавки газообразного, жидкого или пылевидного топлива. Жидкие продукты плавки непрерывно стекают вниз в горн печи, в которой расположены летки для выпуска чугуна и для выпуска шлака. Через эти летки периодически выпускают продукты плавки. Таким образом, процессы в печи и подача шихты происходят непрерывно, а выпуск чугуна и шлака – периодически.
1 - шихта; 2 - капли чугуна; 3 - шлак; 4 - фурмы для подачи воздуха в печь; 5 - шлаковая клетка; 6 - желоб для выпуска шлака; 7 - жидкий чугун; 8 - желоб для выпуска чугуна; 9 - чугунная летка; 10 - жидкий шлак
Рисунок 6 – Доменная печь
Засыпной аппарат – устройство для загрузки сыпучих материалов в шахтные печи – доменные, обжиговые и другие (рисунок 7).
Засыпные аппараты применяются главным образом в доменном производстве. Шихта в него подаётся скипами или транспортёрами. Из приёмной воронки шихта поступает сначала на малый, а затем на большой конусы. Большой конус опускается при закрытом малом, что предотвращает прорыв газов из печи в атмосферу. Для равномерной загрузки шихты по окружности колошника применяют вращающиеся распределители шихты.
1 - направляющая воронка; 2 - пустотелая штанга малого конуса; 3 - распределитель шихты; 4 - газовый затвор; 5 - большой конус; 6 - руда; 7 - кокс; 8 - чаша большого конуса; 9 - основное кольцо (колошниковый фланец); 10 - штанга большого конуса; 11 - малый конус; 12 - приёмная воронка; 13 - наклонный мост; 14 - скип
Рисунок 7 – Засыпной аппарат доменной печи
В современных доменных печах на 1 т выплавляемого чугуна образуется 1250-1800 м3 газа, отводимого из печи через колошник. Доменный или колошниковый газ используют как топливо воздухонагревателей доменных печей, коксовых печей, нагревательных колодцев и печей прокатных станов, котельных установок. На выходе из печи доменный газ содержит от 10 до 40 г/м3 пыли, а перед подачей в горелочные устройства для предотвращения выхода их из строя (засорение и др.) содержание пыли в нем должно быть не более 5 мг/м3, в связи, с чем требуется обязательная его очистка.
Фундамент доменной печи (рисунок 8) служит для равномерной передачи давления печи с загруженными в нее сырьевыми материалами на грунт. Фундамент делится на две: верхнюю наземную – часть 1, называемую пнем, и нижнюю подземную – часть 2, называемую подошвой. Глубина заложения подошвы фундамента зависит от свойства грунта и глубины его промерзания. Размеры подошвы определяются допустимым давлением на грунт. При слабом грунте фундамент приходится опирать на искусственные основания (сван, опускной колодец и др.), чтобы избежать чрезмерных осадок фундамента, нарушающих связь печи с соседними сооружениями и вызывающих в них опасные деформации. Особенно вредны неравномерные осадки, нарушающие работу засыпного аппарата.
Рисунок 8 – Схема фундамента доменной печи
Фундамент доменной печи подвергается интенсивному тепловому воздействию и поэтому должен обладать достаточной термической прочностью, не разрушаясь и не давая трещин при нагреве. Поэтому верхняя часть фундамента выполняется из жароупорного бетона, а нижняя – из обычного. Жароупорность придается бетону применением огнеупорного наполнителя – боя шамота. В качестве связующего применяется портландцемент с тонкомолотыми добавками (молотый шамот или огнеупорная глина). Форма фундамента должна способствовать лучшему сопротивлению температурным напряжениям и равномерному распределению давления на основание.
Нижняя часть колонн крепится к фундаменту печи индивидуально либо на одном мощном опорном металлическом кольце, уложенном в фундамент. Такое опорное кольцо обеспечивает жесткость системы в случае появления трещин в фундаменте. В обоих случаях для снижения давления на фундамент под кольцом устанавливаются башмаки, которые расширяют опорную площадь каждой колонны. На современных печах устанавливают четыре опорные колонны. Для придания большей устойчивости и лучшего доступа к горну колонны устанавливают с некоторым наклоном. Во избежание повреждения при прорывах из горна жидкого чугуна низ колонн по высоте, находящейся в угрожаемой зоне, обкладывают огнеупорным кирпичом.
Металлический кожух доменной печи создает герметичность, которая необходима при работе печи при повышенном давлении газа в рабочем пространстве. В нижней части (под лещадью) кожух печи иногда имеет дно, предназначенное для герметизации печи. Верхняя часть кожуха стягивается литым стальным фланцем, являющимся опорой для засыпного аппарата.
Огнеупорная кладка предназначена для уменьшения тепловых потерь и предохранения кожуха печи от тепловых и других вредных воздействий. Кладка печи претерпевает многообразные воздействия: температурные напряжения, давления газов, шихты и жидких продуктов плавки, химическое воздействие, абразивное воздействие опускающихся шихтовых материалов и восходящего потока газа, несущего большое количество пыли и т.д.
В различных частях печи воздействия на огнеупорную кладку различны, поэтому материал футеровки и конструкцию отдельных частей печи необходимо выбирать с учетом этих воздействий. Футеровка служит для выполнения рабочего пространства при строительстве и ремонтах доменных печей, сохранения его в процессе работы, восприятия давления материалов и газов, уменьшения потерь тепла и тепловых нагрузок на холодильники и кожух. Футеровка работает в тяжелых условиях: высокие температуры, давление газа и материалов, воздействие расплавов чугуна и шлака, различных элементов и соединений.
Основные требования к футеровке следующие: достаточная огнеупорность (способность противостоять высоким температурам не расплавляясь); высокая механическая прочность в нагретом состоянии; незначительная усадка при длительном воздействии высоких температур; низкие пористость и газопроницаемость; точность формы и геометрических размеров; высокая шлакоустойчивость.
Лещадь, являющаяся дном рабочего пространства доменной печи, состоит из довольно емкого массива футеровки и системы охлаждения, заключенных в сплошной металлический кожух.
Заплечики – элемент профиля печи, обеспечивающий желаемый характер схода материалов в горн, главный образом в фурменные очаги, определенное напряженное состояние в столбе шихты, особенно в нижней его части.
В заплечиках, расположенных над горном и расширяющихся к верху, идут конечные стадии процессов плавления, восстановления. Для успешного протекания их объем заплечиков должен обеспечить достаточное время пребывания материалов в этой зоне при соответствующей организации противотока.
Для обеспечения бесперебойной подачи сырьевых материалов в доменные печи необходимо создавать на рудном дворе. Кроме размещения запаса рудный двор используется для усреднения материалов.
Каждую доменную печь горячим дутьем обеспечивают 3- 4 воздухонагревателя. Воздухонагреватели доменной печи представляют собой отапливаемые регенеративные аппараты, назначение которых – обеспечить нагрев дутья до заданной температуры и поддерживать его на заданном уровне.
Внедрение нагрева дутья было важным этапом в развитии доменного производства, обеспечившим существенное снижение расхода топлива и повышение производительности печей. Дутье, нагретое до 150 °С, впервые было применено в 1829 г., что привело к значительному снижению расхода кокса, а главное, к существенному улучшению процессов в печи (более высокий нагрев продуктов плавки, лучшее отделение шлака от чугуна, повышение степени восстановления кремния и марганца). В 1860 г. Е. А. Каупером был впервые применён для нагрева регенеративный аппарат. Разработанная им конструкция воздухонагревателя с внутренней боковой камерой горения (рисунок 9) практически не изменилась до нашего времени и получила повсеместное распространение.
1 - газопровод; 2 - газовый дроссель; 3 - вентилятор; 4 - горелка; 5 - отсекающий дроссель; 6 - штуцер горелки; 7 - люк; 8 - камера горения; 9 - трубопровод горячего дутья; 10 - отделительный клапан горячего дутья; 11 - штуцер горячего дутья; 12 - внутренняя стена камеры горения; 13 - разделительная стена камеры горения; 14 - купол; 15 - подкупольное пространство; 16 - люк; 17 - термопара; 18 - кожух; 19 - радиальная стена; 20 - насадка с зонами из разного огнеупора; 21 - поднасадочная решётка и колонны; 22 - поднасадочное пространство; 23 - дымовой патрубок; 24 - дымовой клапан; 25 - термопара; 26 - боров; 27 - трубопровод холодного дутья; 28 - шибер холодного дутья
Рисунок 9 – Воздухонагреватель с внутренней камерой горения
Высокая эффективность нагрева дутья обеспечила быстрое и широкое его распространение. Вскоре дутье стали нагревать до 350-400, а затем до 500-700 °С. Еще в 40 – х годах 20 века на многих заводах не удавалось поднять температуру дутья выше указанных пределов не потому, что не позволяли технические средства для такого нагрева, а вследствие того, что это вызывало нарушение процесса доменной плавки. Анализ этого явления позволил определить важнейшие факторы, обеспечивающие условия для повышения нагрева дутья, к числу которых относятся:
замена неподготовленных и особенно пылеватых руд окускованными, т.е. агломератом и окатышами;
применение повышенного давления газов в печи;
вдувание в горн газообразных и жидких углеводородов;
кондиционирование дутья по влаге.
Футеровка воздухонагревателей доменной печи испытывает:
термические нагрузки, различные по величине и характеру в зависимости от места нахождения в воздухонагревателе. Наибольшими они бывают в кладке стен и, особенно в камере горения, где наблюдаемые перепады температур максимальные;
механические нагрузки под влиянием собственного веса огнеупоров. При их нагреве образуются также различные сжимающие напряжения в кладке, например в камере горения до 7,8 МП а, в насадке 83-117 кПа;
воздействие пыли, которое в процессе нагрева незначительно, но резко возрастает при взятии аппарата «на тягу». Пыль и щелочные пары, диффундирующие внутрь кирпичей, способствуют фазовым превращениям, а именно образованию анортита и ганита, а в реакционной зоне – стекловидной фазы, содержащей корунд.
Существенное значение имеют приборы, служащие для непрерывного контроля состава доменного газа. Разработаны и проходят проверку различные схемы автоматического управления доменным процессом, включающие математическую обработку счетно-решающими машинами показаний приборов и автоматизацию отдельных узлов контроля регулирования: распределение потока газа по радиусу колошника, сход шихтовых материалов, тепловое состояние отдельных зон печи, распределение потока газа по окружности печи.
Для каждой доменной печи сооружают индивидуальную систему газоочистки; газ к газоочистным устройствам, располагаемым на нулевой отметке, подают от колошника по наклонному газопроводу (на печи объемом 5000 м3 их два). Система газоочистки обычно включает несколько последовательно установленных газоочистных аппаратов. На современных отечественных печах, работающих с повышенным давлением газов, применяют две различающиеся схемы газоочистки – с дроссельным устройством, предназначенным для понижения давления газов, и с газовой утилизационной бескомпрессорной турбиной.
Большая часть печей оборудована системой очистки газов с дроссельным устройством, показанной на рисунке 10. От колошниковой части печи газы по наклонному газопроводу поступают, а сухой радиальный пылеуловитель диаметром до 16 м, имеющий сужение вверху и внизу.
Газ в него поступает сверху и изменяет направление движения на 180°, а крупные частицы пыли осаждаются в нижнем конусе пылеуловителя, откуда пыль периодически выпускают в железнодорожные вагоны.
Далее газ попадает в безнасадочный скруббер, где частицы пыли захватываются подаваемой через форсунки водой и осаждаются в нижней части скруббера в виде шлама; газ здесь охлаждается до 35-40 °С. Затем газ проходит через нерегулируемые трубы Вентури, где частицы пыли поглощаются каплями воды, которые улавливаются в далее расположенном каплеуловителе.
1 - колошниковой части печи; 2 - радиальный пылеуловитель; 3 - безнасадочный скруббер; 4 - трубы Вентури; 5 - газопровод; 6 - дроссельное устройство; 7 - водоотделитель; 8 – листовая задвижка; 9 - коллектор
Рисунок 10 – Схема системы отвода и очистки доменного газа
Окончательная очистка газа происходит в дроссельном устройстве. Последнее предназначено для снижения давления газа и одновременно обеспечивает его очистку, работая как газоочистной аппарат по тому же принципу, что и трубы Вентури. Далее газ проходит через водоотделитель и через листовую задвижку поступает в коллектор (цеховую сеть). По газопроводу газ отводят на колошник для уравновешивания давления в межконусном пространстве.