Основы доменного производства чугуна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Значительные достижения металлургической науки в последние годы обусловлены использованием современных методов исследования и контроля, позволивших значительно углубить представления о металлургических процессах. Представить сущность процессов, протекающих при металлургическом переделе железных руд, невозможно без использования современных знаний в области физической химии, кристаллографии, физики твердого тела, теплофизики, газодинамики и других фундаментальных дисциплин.

История развития профиля доменной печи берет начало от домниц ХIV века, рабочее пространство которых представляло собой два усеченных конуса, сложенных широкими основаниями. Первые доменные печи ХV века мало отличались от домниц, за исключением несколько большей высоты - от 4,5 до 6,5 м при диаметре распара 2 - 3 м и горна 0,7 - 0,8 м. Температура в нижней части печи в то время уже составляла 1350-1450 ⁰С, а содержание FeO в шлаке 3 - 6%. В этих условиях выгорание углерода из железа под шлаком было сведено к минимуму - продуктом плавки сделался исключительно чугун. В дальнейшем были, изобретены эффективные способы передела чугуна в сталь и процесс получения стали из руды сделался двухступенчатым с чугуном в виде промежуточного продукта передела.

Доменная печь была изобретена не каким-либо лицом, она явилась плодом коллективного творчества многих поколений металлургов, осуществивших многовековой переход от примитивных сыродутных горнов к домницам и, наконец, к доменным печам.

Современная доменная печь (название от старославянского «дмение» - «дутьё») - это непрерывно работающий агрегат шахтного типа, течение процесса в котором основано на противотоке шихтовых материалов и горячих газов. Несмотря на кратковременность пребывания газов в печи, тепловой коэффициент их полезного действия, равный 85 - 87%, является одним из лучших для металлургических объектов.

Особенностью современного доменного производства в мировой практике является значительное увеличение единичной мощности агрегатов с одновременным совершенствованием конструкций и оборудования, как самих доменных печей, так и вспомогательных сооружений.

В настоящее время в СНГ работают печи полезным объемом до 5000 м³, намечается ввод печей объемом до 5500 м³ с избыточным давлением газа на колошнике до 245 кПа, температурой горячего дутья 1350-1400°С, обогащением его кислородом до 35% и использованием различных видов добавочного топлива. Увеличение абсолютного расхода шихтовых материалов и количества чугуна (достигающего в настоящее время 10000, а в будущем 13000-14000 т/сут) обусловило большие изменения в конструктивных решениях всего комплекса доменного производства .

1. Структурная схема производства чугуна в доменной печи и сущность доменного процесса

Исходными материалами доменной плавки являются железные и марганцевые руды, топливо и флюс. Продукты плавки - жидкие чугун и шлак, доменный газ. Схема производства чугуна в доменной печи представлена на рис. 1.

В доменной печи при нагревании в результате окислительно-восстановительных реакций образуется основной продукт плавки - железо, которое после восстановления науглероживается газом. По достижении температуры плавления (1130-1160°С) металл расплавляется, и, стекая в горн по кускам кокса, продолжает насыщаться углеродом, превращаясь в чугун.

Топливом для доменной плавки служит кокс, получаемый из каменного угля. Его роль состоит в обеспечении процесса теплом и восстановительной энергией. Кроме того, кокс разрыхляет столб шихтовых материалов и обеспечивает прохождение газового потока в шихте доменной печи.

Исходные материалы для получения кокса - определенные марки каменного угля - измельчают, по возможности удаляют пустую породу, усредняют угольную шихту и подвергают ее коксованию - нагреву без доступа воздуха в коксовых печах. Готовый кокс охлаждают (водяное или сухое «тушение»), дробят, сортируют для удаления мелких фракций сначала на коксохимическом заводе и затем перед загрузкой в доменную печь. Отсев кокса (< 25 мм) используют, в основном, как топливо для спекания железорудного сырья. Мелкие фракции кокса (> 15 мм) в небольших количествах могут загружаться в доменную печь.

Железные руды вносят в доменную печь, кроме железа, и другие элементы (марганец, кремний, серу, фосфор и др.) в виде оксидов, которые восстанавливаются в доменной печи. Для получения высоких технико-экономических показателей доменной плавки железные руды предварительно подвергают специальной подготовке: дроблению, сортировке, обжигу и обогащению. При этом в значительной мере удаляют пустую породу и по возможности вредные примеси. После усреднения мелкие железные руды и рудный концентрат окусковывают при помощи агломерации или окатывания. В процессе окускования производят офлюсование пустой породы до заданной основности добавлением в спекаемую шихту флюса. Сырой флюс загружают в доменную печь в незначительном количестве (не более 50 кг/т чугуна) для корректировки химического состава шлака.

Для получения чугуна заданного состава в спекаемую шихту добавляют при необходимости марганцевую руду.

Подготовленные шихтовые материалы загружают в доменную печь сверху при помощи засыпного аппарата или бесконусного загрузочного устройства (рис. 2).

В нижнюю часть доменной печи - горн - через воздушные фурмы воздуходувной машиной подается компримированный воздух. Для уменьшения расхода кокса и повышения производительности доменной печи воздух обогащают кислородом, нагревают до 1000-1200°С в воздухонагревателях, а в фурменную зону через воздушные фурмы специальной конструкции вдувают природный газ, мазут или пылеугольное топливо. В результате протекания сложных физико-химических процессов между исходными шихтовыми материалами и дутьем образуются чугун, шлак и газ .

Передельный и литейный чугун выпускают из печи 8-16 раз в сутки (в зависимости от объема печи и количества чугунных леток) и направляют в сталеплавильные цехи для передела в сталь или на разливочные машины для разливки в чушки и отправки потребителям. При необходимости в доменных печах выплавляют доменные ферросплавы - ферросилиций, ферромарганец и зеркальный чугун, используемые в сталеплавильном производстве для раскисления стали и присадки соответствующих элементов.

В результате плавления пустой породы железосодержащих компонентов, флюса и золы кокса в печи образуется шлак, который может выпускаться через летки для выпуска шлака (верхний шлак) и через чугунные летки (нижний шлак). На современных печах шлаковые летки используются редко, т.к. практически весь шлак удаляется из доменной печи через чугунные летки при выпуске чугуна.

Жидкий шлак транспортируют шлаковозами на установки грануляции (60-70% от его количества) и в шлаковые отвалы. Грануляция шлака может производиться в непосредственной близости от доменной печи (придоменная грануляция). На шлаковых отвалах шлак после его затвердевания перерабатывается в щебень, используемый в дорожном строительстве, для производства пемзы, шлаковаты, цемента, строительных панелей и блоков. Кроме этого, при разработке отвалов выделяют скрап (остатки чугуна) массой до 1-1,5 т, который затем используют в шихте доменной печи или в сталеплавильных агрегатах.

Доменный газ, образующийся в печи при взаимодействии шихты с кислородом дутья, углеродом кокса и компонентами углеводородсодержащих добавок, после очистки используют как энергетическое топливо: для нагрева насадки воздухонагревателей, стальных заготовок и слитков в нагревательных печах, отопления зажигательных горнов на аглофабриках, котлов паросиловых установок, а также обогрева коксовых батарей (если коксохимический завод расположен на одной промплощадке).

Рис. 2. Общий вид доменной печи

1-фундамент; 2-колонна; 3-летка для выпуска чугуна; 4-чугунные желоба; 5-фурменные устройства; 6-кольцевой воздухопровод; 7-мараторное кольцо кожуха; 8-футеровка; 9-стальной кожух; 10-колошник; 11-большой конус; 12-малый конус; 13-вращающийся механизм засыпного устройства; 14-приёмная воронка; 15,19 - газоотводы; 16-скип; 17-воронка; 18-наклонный мост для скипового подъёмника; 20-воронка (чаша); 21-летка для выпуска чугуна; 22-рабочая площадка

При очистке доменного газа из него отделяют колошниковую пыль и шламы, которые направляют на аглофабрику в качестве добавки в агломерационную шихту для производства агломерата.

Для выполнения регламентных работ по уборке жидких продуктов плавки (набивка чугунных и шлаковых желобов, изготовление футляров чугунных и шлаковых леток, забивка чугунных леток) на доменную печь в зависимости от ее объема и производительности поставляют заправочные огнеупорные материалы - леточные, желобные и футлярные массы. Для этой цели в структурной схеме (см. рис. 1) предусмотрено сооружение отделения по приготовлению заправочных материалов. Ранее в доменных цехах при подготовке желобов для выпуска чугуна и шлака применялся песок. В настоящее время использование вместо песка специальной огнеупорной массы заданного состава обеспечивает пропуск 100-150 тыс. т чугуна без замены футеровки желобов.

Современная доменная печь - это мощный и высокопроизводительный металлургический агрегат, расходующий ежесуточно 25-30 тыс. т шихтовых материалов и кокса (500-600 кг условного топлива на 1 т чугуна). Для обеспечения непрерывной подачи такого количества материалов и удаления продуктов плавки необходимо оборудовать доменную печь надежными конструкциями и механизмами, организовать качественный уход и надзор за ними.

Производство чугуна в доменной печи представляет собой совокупность механических, физических и химических процессов. В результате окислительно-восстановительных реакций из оксидов восстанавливаются железо, марганец, кремний, фосфор и другие элементы, а оксид углерода, водород, твердый углерод окисляются.

Важнейшим условием осуществления доменного процесса в рабочем пространстве печи является непрерывное противоточное движение и взаимодействие опускающихся шихтовых материалов, загружаемых в печь через колошник, и восходящего потока газов, образующегося в горне при горении углерода кокса и других углеводородсодержащих компонентов в нагретом до 1000-1200°С воздухе (дутье), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его периметру фурмы. К дутью могут добавляться технический кислород, водяной пар, а также топливные добавки - природный газ, мазут, пылеугольное топливо, горячие восстановительные газы.

Под действием тепла восходящего газового потока кокс поступает в горн печи нагретым до 1400-1500°С. В зонах горения у фурм углерод кокса взаимодействует с кислородом дутья по реакциям:

С_к + О₂ > СО₂ + 400,928 МДж, (1)

С_к + 0,5О₂ > СО + 117,565 МДж. (2)

Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода химически неустойчив и превращается в оксид углерода по реакции:

СО₂ + С > 2СО - 165,767 МДж. (3)

Таким образом, за пределами зон горения горновой газ состоит только из оксида углерода, азота и водорода, образовавшегося при разложении водяных паров или природного газа. Смесь этих газов, содержащая 32-36% СО; 57-64% N₂ и 1-10% Н₂ и нагретая до 1800-2100°С, поднимается вверх и передает тепло материалам, постепенно опускающимся в нижнюю часть печи вследствие выгорания кокса, перехода шихтовых материалов из твердого состояния в жидкое (образование чугуна и шлака) и периодического выпуска из доменной печи продуктов плавки. При этом газы, пройдя через столб шихтовых материалов, охлаждаются до 150-350°С, а оксид углерода, отнимая кислород у оксидов железа и других металлов, превращается частично в диоксид углерода, содержание которого в доменном газе на выходе из печи достигает 14-20%. Кроме оксида углерода восстановителями являются водород и твердый углерод.

В процессе нагревания опускающихся шихтовых материалов происходит удаление из них влаги и летучих веществ кокса и разложение карбонатов. Оксиды железа под действием восстановительных газов СО и Н₂, а при температуре свыше 1000°С и твердого углерода кокса, постепенно переходят от высших степеней окисления к низшим, а затем в металлическое железо по схеме Fe₂0₃ > Fe₃0₄ > FeO > Fe.

Свежевосстановленное железо заметно науглероживается еще в твердом состоянии. По мере науглероживания температура плавления его понижается. Науглероженное железо с некоторым количеством кремния, марганца и фосфора в виде капель стекает по кускам кокса («коксовой насадке») в горн. При этом происходит дальнейшее его науглероживание, которое заканчивается в нижней части горна печи (в жидкой ванне), где содержание углерода в металле (чугуне) может превышать 4%.

В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы железосодержащих компонентов шихты и флюса (SiO, Аl₂О₃, CaO, MgO). Понижению температуры плавления шлака способствуют не восстановленные оксиды железа и марганца (FeO и МnО). В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляются вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса и его зола. При этом сера, поглощенная металлом в ходе плавки, переходит в шлак, образуя сульфид кальция CaS по реакции FeS + СаО > CaS + FeO, в результате чего содержание серы в чугуне снижается до 0,03-0,05%. Железо в доменной печи восстанавливается практически полностью (99,5%) и переходит в чугун, а степень восстановления кремния и марганца и полнота удаления из чугуна серы в большой мере зависят от температурных условий, химического состава шлака и его количества. Фосфор в доменной печи восстанавливается на 100% и полностью переходит в чугун. Таким образом, материалы, загруженные в доменную печь, претерпевают ряд физико-химических превращений, в результате которых получаются конечные продукты плавки - жидкие чугун и шлак.

Внутреннее пространство доменной печи соответственно можно разделить на три условные зоны:

- зона твердых кусковых материалов, в которой происходят их нагрев и частичное восстановление железорудной части шихты;

- зона размягчения и плавления железорудных материалов («зона когезии»);

- зона дренажа жидких продуктов плавки, газификации и разрушения кокса, окончания процессов образования чугуна и шлака.

Рис. 3. Расположение зон, в которых происходят основные физико-химические превращения во внутреннем пространстве доменной печи

Четкой границы между названными зонами не существует, а их конфигурация и размеры на разных доменных печах могут существенно отличаться, что обусловлено целым рядом технологических факторов. Однако представление об основных процессах, происходящих в этих зонах, позволяет более эффективно организовать доменный процесс и сформулировать основные технологические требования к шихтовым материалам, порядку их загрузки в печь и многие другие. Так, например, с увеличением производительности и размеров доменных печей одним из наиболее важных параметров оказалась горячая прочность кокса, по кускам которого стекают в горн жидкие металл и шлак (см. рис. 3).

Все перечисленные процессы протекают в едином пространстве доменной печи, оказывая взаимное влияние. Изучение отдельных звеньев доменного процесса позволяет описать его более простыми методами.

Развитие теории доменного процесса тесно связано с практикой доменного производства. В настоящее время доменный процесс изучается различными приемами:

- теоретический анализ на основе законов теории металлургических процессов;

- лабораторные эксперименты и моделирование;

- непосредственное исследование закономерностей процесса на работающих доменных печах.

2. Профиль доменной печи и его развитие

Рабочим пространством доменной печи называется объем, ограниченный огнеупорной футеровкой, а очертание его вертикального осевого сечения - профилем доменной печи. Он имеет симметричную конфигурацию (рис. 4). Горизонтальные сечения профиля современной печи представляют собой окружности переменного диаметра.

Для создания наиболее благоприятных условий протекания всех процессов, имеющих место в доменной печи, размеры и конфигурация профиля должны обеспечивать:

- равномерное опускание (сход) загруженных в печь шихтовых материалов;

- заданное распределение материалов и газов по сечению и время их пребывания в печи;

- интенсивный тепло- и массообмен в противотоке шихтовых материалов и горнового газа;

- переход материалов из твердого состояния в жидкое без ухудшения условий опускания столба шихты и накопление продуктов плавки в нижней части печи;

- обеспечение проектной производительности доменной печи и минимального расхода топлива;

- получение чугуна и шлака заданного химического состава.

Рис. 4. Основные характеристики профиля современной доменной печи: Н-полная высота; Но-полезная высота; h-высота «мертвого» слоя (зумпфа); h₃-высота заплечиков; hp-высота распара; hш-высота шахты; hк-высота колошника; dr-диаметр горна; dк-диаметр колошника; D-диаметрраспара; Ь-угол наклона шахты; в-угол наклона заплечиков/

В соответствии с характером процессов, протекающих на различных горизонтах в доменной печи, ее профиль делится на пять частей, различающихся конфигурацией и размерами. Нижняя, цилиндрическая, называется горном. К горну примыкает расширяющаяся кверху коническая часть, называемая заплечиками. Наиболее широкая часть, имеющая форму цилиндра, называется распаром. Сверху к распару примыкает наибольшая по объему часть-шахта, имеющая форму сужающегося кверху усеченного конуса. Наиболее узкая верхняя цилиндрическая часть, соединяющаяся с шахтой, называется колошником. Сумма объемов перечисленных частей профиля составляет объем рабочего пространства доменной печи.

Основным параметром доменной печи является полезный объем - это объем рабочего пространства печи, ограниченный снизу горизонтальной плоскостью, проходящей через ось чугунной летки, а сверху горизонтальной плоскостью, проходящей через основание большого конуса засыпного аппарата в опущенном положении. Высоту этого объема называют полезной высотой доменной печи. Если печь оборудована бесконусным загрузочным устройством, то тогда речь ведут о расстоянии до кончика распределительного лотка в вертикальной (90°) позиции.

Предельная полезная высота ограничивается прочностью горючего (кокса). Поэтому рост полезного объема доменных печей за последние 50 лет прошлого столетия происходил главным образом за счет увеличения поперечных размеров профиля. Так, если полезная высота доменной печи объемом 5000м³ по сравнению с печью первого типового проекта увеличилась на 29%, то диаметр распара соответственно на 96%, а диаметр горна еще более - на 104%. Максимальная полезная высота современной работающей доменной печи достигает 34,8 м.

Полезная и полная высота печи являются важнейшими размерами профиля доменной печи. Не менее важны высота горна, заплечиков, распара, шахты и колошника; диаметры горна, распара и колошника; углы наклона стен шахты и заплечиков. Высотные и поперечные размеры профиля и углы наклона стен взаимосвязаны. Изменение одного из этих размеров вызывает изменение и других размеров.

Размеры профиля доменной печи имеют очень важное значение: 1) от них зависит полезный объем, а следовательно, и производительность печи; 2) от соотношения размеров зависит степень приближения профиля к оптимальному, т.е. обеспечивающему наиболее благоприятное протекание доменного процесса.

Рассмотрим назначение каждого из элементов профиля и условия, которыми определяются их размеры.

Колошник - цилиндрическая часть печи, форма и размеры которой обеспечивают:

- прием периодически загружаемых в печь порций материалов и формирование столба шихты;

- стабилизацию распределения шихтовых материалов при колебаниях уровня засыпи;

- сохранение (за счет специальной футеровки или защитных плит) на длительный период эксплуатации (более 5 лет) технологического зазора между нижней кромкой большого конуса и футеровкой, что обеспечивает стабильность характера распределения слоев кокса и железосодержащих материалов по сечению колошника.

В нормальном режиме эксплуатации печи колошник постоянно заполнен (примерно на 2/3 его высоты) шихтовыми материалами и, являясь наиболее узкой частью печи, выполняет в том числе роль «газового затвора», что способствует более полному использованию восстановительного и теплового потенциала потока газов, поднимающихся из нижней части печи через столб шихты.

Диаметр колошника влияет на распределение материалов, загружаемых в доменную печь и на характер их движения в ней. Этот размер должен быть увязан с диаметром распара определенным соотношением. При чрезмерном уменьшении диаметра колошника по отношению к диаметру распара в печи будет развит периферийный поток газа (преимущественное движение газов вдоль стен печи), который приведет к повышению расхода кокса и усилению износа огнеупорной кладки печи. Увеличение диаметра колошника по отношению к диаметру распара сверх допустимых значений вызовет тугой сход шихты вследствие малого наклона стен шахты.

Диаметр колошника самой большой работающей доменной печи достигает 11,2 м, а отношение его к диаметру распара составляет 0,69.

Цилиндрическая форма колошника позволяет стабилизировать влияние постоянно изменяющегося уровня засыпи на распределение материалов. Не менее важное значение имеет и высота колошника, которая определяется амплитудой колебаний уровня засыпи (вследствие опускания шихты и загрузки новых ее порций в печь). Для печей различного объема высота колошника изменяется в пределах 1,9-2,5 м.

В шахте совершаются процессы тепло- и массообмена в противотоке между кусковыми шихтовыми материалами и газовой фазой. Высота шахты находится в прямой зависимости от полезной высоты печи. Диаметр верхней части шахты определяется диаметром колошника, нижней - диаметром распара. Конфигурация шахты в виде расширяющегося к нижней части конуса обусловлена термическим расширением материалов в процессе нагрева и должна обеспечивать плавное опускание столба шихты под собственным весом (подъемная сила газового потока не должна превышать 50-60% веса столба шихты) и рациональное распределение газового потока. Расширение шахты книзу необходимо также для обеспечения газопроницаемости столба шихты, которая постепенно ухудшается вследствие термического расширения размягчающихся и измельчающихся при восстановлении железорудных материалов. Поэтому очень важное значение имеет угол наклона стен шахты, который определяется ее высотой и разностью диаметров распара и колошника. Угол наклона стен шахты изменяется от 85°25' у печей малого объема до 82°35' у печей большого объема. Для обеспечения полноты протекания восстановительных процессов в шахте ее высота должна быть «избыточной» на 5-7 м.

В распар поступают шихтовые материалы, прогретые до температур 1100-1400°С, при которых начинается их переход в вязкопластичное, а затем и в жидкое состояние. Размеры распара (высота и диаметр) должны соответствовать высоте зоны, где увеличение объема материалов вследствие их нагревания компенсируется уменьшением объема материалов, переходящих в жидкое состояние. Как было показано ранее (см. рис. 4), определение размеров этой зоны, ее конфигурации и положения по высоте печи затруднительно, поэтому высота распара и его положение определяются соотношением высотных и поперечных размеров печи с тем, чтобы получить соответствующие углы наклона стен шахты и заплечиков. Среди специалистов у нас в стране и за рубежом высказывалось мнение о том, что распар необходим чисто из конструкционных соображений, чтобы обеспечить плавный переход от шахты к заплечикам. В любом случае высота распара и его диаметр должны обеспечивать плавное (без кострения) движение шихты и рациональное распределение газового потока. Высота распара современных доменных печей изменяется от 1,7 до 2,3 м, а его положение по высоте печи определяется высотой заплечиков. Диаметр распара самой большой доменной печи достигает 16,1 м, а отношение его к диаметру горна и колошника равно соответственно 1,10 и 1,49.

Высота заплечиков, как и высота распара, определяется горизонтом, на котором начинается уменьшение объема материалов вследствие перехода части их в жидкое состояние. Чрезмерно высокие заплечики затрудняют сход материалов, так как в этом случае сужение рабочего пространства происходит выше горизонта, на котором начинается уменьшение объема материалов приих плавлении. При малой высоте заплечиков их стены получаются пологими, что также препятствует нормальному опусканию материалов. У современных печей высота заплечиков колеблется от 3 до 3,7 м.

Угол наклона стен заплечиков определяется высотой заплечиков и разностью диаметров распара и горна. Современные доменные печи имеют угол наклона стен заплечиков от 79 до 81°. При больших значениях угла их наклона отмечается чрезмерное развитие периферийного потока, что не только снижает степень использования восстановительного и теплового потенциалов газа, но и приводит к разгару огнеупорной футеровки над зонами горения.

Таким образом, конструктивные параметры заплечиков должны обеспечивать равномерный сход вязкопластичных и стекание расплавленных материалов в нижнюю часть печи без потери газопроницаемости столба шихты (состоящего на уровне заплечиков преимущественно из раскаленных кусков кокса).

Высота горна измеряется расстоянием от оси чугунной летки до нижней части кромки заплечиков и должна соответствовать количеству продуктов плавки, накапливающихся между выпусками чугуна и шлака в нижней его части - металлоприемнике. В металлоприемнике происходит усреднение химического состава жидких продуктов плавки, частичное удаление из чугуна серы и других вредных примесей, которые переходят в шлак. Здесь же расположены чугунные и шлаковые летки.

В верхней же части горна, равномерно по окружности располагаются воздушные фурмы, через которые в печь подают нагретое дутье. Эта часть горна называется фурменной зоной. В фурменной зоне непосредственно перед воздушными фурмами (фурменных очагах) происходит горение кокса и топливных добавок к дутью, имеют место процессы вторичного окисления Fe, Мn и других элементов, протекающие в окислительной зоне фурменного очага, размер которой составляет 0,9-1,2 м. При использовании топливных добавок к дутью - природного газа, пылеугольного топлива (ПУТ), мазута и обогащении дутья кислородом - размеры окислительной зоны уменьшаются. Считается, что в очагах горения у фурм вторичному окислению подвергается до 30-40% чугуна, а образовавшиеся оксиды, взаимодействуя с углеродом кокса, восстанавливаются повторно.

Уменьшение высоты горна приводит к учащению случаев прогара шлаковых и воздушных фурм, а чрезмерное увеличение - понижению температуры в нижней части горна и охлаждению продуктов плавки. Тем не менее, необходимо отметить тенденцию к увеличению высоты горна, связанную со стремлением к увеличению производительности доменной печи в единицу времени. Высота горна современных доменных печей изменяется от 3,2 до 5,7 м.

Диаметр горна определяется производительностью печи и размерами профиля, мощностью воздуходувных машин и качеством шихтовых материалов. Условиями увеличения диаметра горна являются улучшение газопроницаемости шихты и создание мощных воздуходувных машин, что в последние годы дало возможность довести диаметр горна до 15,1 м при соответствующем увеличении и других размеров профиля. Результаты работы больших доменных печей показывают, что достигнутый диаметр горна не является предельным.

Расстояние от оси чугунной летки до низа огнеупорной футеровки печи - лещади - называется мертвым слоем. Назначение его состоит в предохранении футеровки лещади от износа конвективными потоками чугуна, образующимися во время выпуска продуктов плавки, и в обеспечении нормального протекания процессов в горне. Высота мертвого слоя изменяется от 0,6 м на малых доменных печах до 1,75 м на больших.

Развитие профиля доменной печи началось с момента появления доменного производства и продолжается до настоящего времени. Профиль первых доменных печей представлял собой два усеченных конуса, сложенных большими основаниями. Позже установили, что при разгаре огнеупорной кладки производительность печи повышалась, а расход горючего уменьшался, поэтому начали увеличивать размеры рабочего пространства. В связи с тем, что увеличению высоты печи, диаметров горна и колошника препятствовали низкая прочность горючего, малая мощность воздуходувных средств и ручная загрузка шихты, объем печи увеличивали преимущественно за счет расширения распара. Из-за этого профиль печи постепенно приобретал уродливые формы с непропорционально широким распаром. Такие печи работали плохо вследствие частых подвисаний шихты.

С целью активизации работы горна при недостаточной мощности воздуходувных средств в XVIII столетии в государствах Европы строили доменные печи с эллиптической формой профиля в горизонтальном сечении. С появлением первых воздуходувных машин объем доменной печи заметно возрос, в основном, за счет увеличения высоты. Первый метод расчета профиля печи был разработан Дж. Гиббсом в 1839 г. на основе изучения очертаний пространства печей, формировавшихся в процессе их эксплуатации. Применение в последующие годы минерального горючего вместо малопрочного древесного угля и более мощных воздуходувных машин привело к дальнейшему увеличению объема доменных печей, который повысился на порядок, полезная высота печи при этом выросла втрое. Так, уже в 80-х годах XIX в. сооружались доменные печи объемом 700-800 м³. Однако профиль их все еще был нерациональным. Диаметр горна был увеличен почти до размеров диаметра распара, тогда как колошник оставляли узким из-за боязни ухудшить распределение материалов при загрузке в печь. Так появился бутылкообразный профиль доменной печи с узким колошником и преувеличенным диаметром горна. Опыт эксплуатации таких доменных печей показал несовершенство их профиля.

Под влиянием разработанных академиком М.А. Павловым основ профилирования доменных печей в 20-х годах прошлого века Гипромезом был разработан первый типовой проект доменных печей объемом 930-1033 м³, профиль которых отличался пропорциональными размерами отдельных элементов. Это обеспечило, наряду с другими мероприятиями, высокую производительность и низкий расход кокса. Позднее профессор А.Н. Рамм, используя статистические данные о работе доменных печей с лучшими технико-экономическими показателями, предложил свой метод расчета профиля.

Вслед за первым типовым проектом был создан второй типовой проект доменных печей полезным объемом 1300-1386 м³. За последние пятьдесят лет, благодаря достигнутым успехам в области подготовки сырья, создания совершенного оборудования и накопления опыта строительства, построены доменные печи объемом 1386, 1513, 1719, 2002, 2300, 2700, 3000, 3200 и 5000м³. Повышение полезного объема доменных печей, построенных за эти годы, сопровождается пропорциональным увеличением поперечных размеров профиля, а их отношение к высоте неуклонно растет. Это стало возможным вследствие повышения газопроницаемости шихты и применения мощных воздуходувных машин.

3. Продукты доменной плавки

В первую очередь продукт доменной плавки это чугун. Передельный чугун подразделяют на группы, классы, категории и степени в зависимости от содержания кремния, марганца, фосфора, серы и мышьяка (табл. 1).

Кроме приведенной стандартизации передельного чугуна, на каждом металлургическом предприятии существуют технические условия и кондиции на чугун, служащие основанием для взаиморасчетов между доменными и сталеплавильными цехами.

Литейный чугун после выпуска из доменной печи разливают в чушки и в твердом состоянии отправляют на машиностроительные заводы и другим потребителям, где для отливки деталей машин его вторично подвергают расплавлению в специальных печах-вагранках.

Литейный коксовый чугун выплавляют семи марок: ЛК1-ЛК7. Каждую марку подразделяют на три группы по содержанию марганца, пять классов по содержанию фосфора и на пять категорий по содержанию серы (табл. 2).

Таблица 1. Химический состав передельного коксового чугуна (стандарт 905-69)

Таблица 2. Химический состав литейного чугуна, % (стандарт 4832-70)

Производство различных видов чугунов сопровождается получением большого количества шлака, являющегося побочным продуктом доменной плавки. При выплавке передельного и литейного чугунов выход шлака составляет 0,4-0,8 т/т чугуна.

Доменные шлаки нашли широкое применение в промышленности строительных материалов. Путем различных способов переработки используют не только жидкий шлак из доменных печей, но и отвальный шлак, значительные количества которого скопились на шлаковых отвалах. Основная масса жидкого шлака подвергается грануляции - мокрой, полусухой и сухой. Гранулированный шлак в зависимости от химического состава используется для производства различных марок цемента, шлакоблоков и др. В последние годы доменный гранулированный шлак полусухой грануляции широко применяется при производстве панелей, используемых при строительстве жилых и промышленных зданий.

Жидкий шлак находит все большее применение для производства так называемого каменного литья - плотных литых изделий, получающихся при заполнении форм расплавленным шлаком и последующим медленным охлаждением. Кроме того, путем специальной обработки жидкого шлака получают теплоизоляционные материалы - шлаковую вату и различные пеноматериалы, характеризующиеся низкой удельной массой и высокой пористостью.

Шлак из шлаковых отвалов после соответствующей обработки (дробление, сортировка) используется для производства строительных материалов. В связи с развитием дорожного строительства из отвальных шлаков получают высококачественную щебенку, которая служит основанием для твердого покрытия шоссейных дорог. Рациональная переработка доменных шлаков значительно улучшает экономику производства чугуна.

Образующийся в доменной печи газ после очистки используется как топливо для металлургических агрегатов. При работе печи на атмосферном дутье выход колошникового газа составляет 3800-4000 м³ на 1 т кокса. Примерный состав колошникового газа при выплавке различных видов чугуна приведен в табл. 3.

Таблица 3. Химический состав колошникового газа при работе печи на атмосферном дутье

доменный чугун печь технологический

Полезными составляющими газа являются СО, СН₄ и Н₂. От их содержания в газе зависит теплота сгорания газа, изменяющаяся от 3560 до 4000 кДж/м³ (850-950 ккал/м³).

При работе доменной печи на комбинированном дутье с применением природного газа содержание водорода в колошниковом газе возрастает до 6-8, а иногда и до 12%, а содержание азота сокращается до 46-52%. Теплота сгорания колошникового газа при этом увеличивается до 4200-4410 кДж/м³ (1000-1050 ккал/м³).

Около 30-35% колошникового газа используется для обогрева насадок воздухонагревателей в доменном цехе, нагрева стальных слитков в нагревательных печах и колодцах прокатных цехов, отопления зажигательных горнов агломерационных фабрик, обогрева коксовых батарей, в коксохимическом цехе (если цех расположен на одной промплощадке с доменным цехом), отопления котлов заводской теплоэлектроцентрали и других нужд. Для бытовых целей доменный газ непригоден вследствие высокой токсичности из-за высокого содержания в нем оксида углерода СО.

Чтобы не нарушать баланса газа по заводу, обычно к остановке доменной печи на длительный ремонт приурочивают остановку на ремонт и других металлургических агрегатов, потребляющих доменный газ.

Отделяемая от газа колошниковая пыль содержит 40-55% железа в виде оксидов и 5-10% углерода. Ее направляют на агломерационную фабрику, где используют в качестве компонента агломерационной шихты при производстве агломерата. Колошниковую пыль также используют в качестве наполнителя для асфальтовых покрытий дорог и в качестве тяжелого наполнителя при бурении нефтяных скважин. Таким образом используют и шлам, получаемый при полутонкой и тонкой очистке доменного газа. Его убирают из шламоот-стойниковосветлительных бассейнов и после обезвоживания используют при производстве агломерата. Содержание железа и углерода в шламе достигает 50 и 8% соответственно.

Размещено на Allbest.ru