Доменное производство

Доменная печь

Доменная печь – шахтная печь для выплавки чугуна из железной руды.

Производительность печи зависит от ее размеров. Наиболее мощные доменные печи имеют объем 2000-5000 м3. Их высота составляет 32-37 метров, диаметр – 11-16 метров.

схема доменной печи

Схема доменной печи приведена на рис. 3.1. Печь состоит из следующих элементов по высоте: колошник, шахта, распар, заплечики, горн и лещадь. На колошнике формируется уровень засыпки материалов и распределение материалов по сечению шахты. Шахта предназначена для подогрева шихты до температуры плавления. Кроме того, в шахте происходят и процессы восстановления железа. Распар – самая широкая часть печи, в которой происходят основные процессы плавления. Ниже распара – заплечики, служащие для перегрева и передачи расплава и шлака из распара в горн. Горн опирается на лещадь – кладку из огнеупорного кирпича. Горн нужен для сбора продуктов плавки – чугуна и шлака. На границе заплечиков и горна расположены фурмы, через которые подается горячее дутье, а иногда и топливо (природный газ). Дутье представляет из себя воздух, обычно обогащенный кислородом.

Принцип работы доменной печи следующий. По скиповому подъёмнику шихта подаётся в приёмную воронку верха печи. В состав шихты входят офлюсованный агломерат, кокс, руда, известняк, возможна загрузка окатышей. С помощью поочерёдной работы малого и большого конусов колошника шихта засыпается в шахту.

В процессе работы печи шихта постепенно опускается вниз и нагревается за счёт теплоты движущихся вверх газов, образовавшихся в горне при горении кокса. Горновой газ имеет температуру 1900-2100 °С, состоит из СО, H2 и N2 и при движении в слое шихты не только нагревает её, но и восстанавливает оксиды железа (FeO, Fe2O3 и Fe3O4) до Fe. Высокая температура горнового газа обязана, в частности, высокой температуре подогрева воздуха (1000-1200 °С) в доменных воздухонагревателях. Уходящий из печи газ имеет температуру 250-300 °С и называется колошниковым. После очистки колошникового газа от пыли он будет называться доменным.

Доменный газ является низкокалорийным топливом с низшей теплотой сгорания от 3,5 до 5,5 МДж/м3. Состав доменного газа сильно зависит от обогащения дутья кислородом и от подачи природного газа: 24-32 % СО, 10-18 % СО2 , 43-59 % N2 , 0,2-0,6 % СН4 , 1,0-13,0 % Н2 . В основном газ используется для нагрева насадки доменных воздухонагревателей, а также в смеси с коксовым или природным газом – для отопления нагревательных, термических и некоторых других печей.

В нижней части доменной печи восстановленное железо плавится и стекает в виде чугуна в горн, где постепенно накапливается. Расплавленные окислы железа, марганца, кремния и др. образуют вместе с известью жидкотекучий шлак. Шлак располагается (плавает) над чугуном в силу того, что плотность шлака меньше плотности чугуна. Из горна чугун и шлак периодически выпускают через чугунную и шлаковую лётки, соответственно. Если шлака образуется сравнительно немного, то чугун и шлак выпускают вместе через одну чугунную лётку с отделением друг от друга на разливочной площадке. Температура выпуска жидкого чугуна составляет 1420-1520 °С.

Для нормальной и высокопроизводительной работы доменной печи необходимы мощные воздухонагреватели. Доменные воздухонагреватели представляют из себя теплообменники регенеративного типа. Часто доменные воздухонагреватели называют кауперами в честь их английского создателя – Е.А. Cowper. Представление о внешнем виде каупера можно получить из рис. 3.1. Каупер представляет собой вертикальный цилиндрический кожух, сваренный или склёпанный из листовой стали, с заключённой в нём насадкой, обычно, из огнеупорного кирпича. В нижней части камеры горения каупера расположены горелка и воздухопровод горячего дутья. Поднасадочное пространство каупера соединено клапанами с воздухопроводом холодного дутья и с отводом к дымовому борову.

Современная доменная печь имеет 4 каупера, которые работают попеременно: насадка двух из них нагревается горячими дымовыми газами, а через один пропускается нагреваемый воздух (дутьё). Четвёртый каупер обычно находится в резерве. Период дутья длится от 50 до 90 минут. После этого охлажденный каупер переключают на нагрев, а дутьё подаётся через следующий самый разогретый каупер. На рис. 3.1 показан случай, когда через правый от доменной печи каупер проходит воздух, а левый стоит на разогреве (нагреве). В период нагрева работает горелка и открыт клапан на пути прохода дымовых газов к дымовому борову, но закрыты клапаны на воздухопроводах холодного и горячего дутья.

В результате продукты горения, образовавшиеся при сжигании топлива поднимаются вверх, последовательно проходят камеру горения, подкупольное пространство, а затем опускаются вниз, проходят через насадку, нагревая ее, и только после этого с температурой 250-400 °С уходят через дымовой клапан на дымовую трубу. В период дутья – наоборот: закрыт дымовой клапан и отключена горелка, но открыты клапаны на воздухопроводах холодного и горячего дутья. При этом холодное дутье под давлением 3,5-4 ат поступает в поднасадочное пространство, проходит разогретую насадку, где нагревается, и, опускаясь в камере горения, доходит до воздухопровода горячего дутья. Через этот воздухопровод дутье направляется в печь.

В зависимости от конкретных условий может применяться увлажнение дутья относительно природной влажности, обогащение дутья кислородом или азотом. В частности, обогащение дутья азотом позволяет экономить кокс и регулировать интенсивность доменной плавки. Обогащение дутья кислородом (до 35-40 %) совместно с использованием природного газа также позволяет снизить расход кокса. Повышение влажности дутья (до 3-5 %) позволяет повысить температуру нагрева дутья в каупере за счет интенсификации лучистого теплообмена в насадке и ведет к сокращению расхода кокса.

Примерная высота каупера до 30-35 метров, диаметр – до 9 метров. Верхнюю часть насадки выкладывают высокоглиноземистым или динасовым кирпичом, нижнюю – шамотным кирпичом. Толщина насадочного кирпича 40 мм. Из него выкладываются ячейки 45×45, 130×45 и 110×110 мм. Кроме кирпичных насадок применяются насадки из шестигранных блоков с круглыми ячейками и с горизонтальными проходами, а также насадки из высокоглиноземистых шариков. Поверхность нагрева кирпичной насадки около 22-25 м2 на 1 м3 ее объема. Приближенно можно считать, что объем насадки одного каупера в 1-2 раза меньше объема доменной печи. Так, если объем печи 2700 м 3 , то один каупер может иметь объем около 2700/1,5 = 1800 м3 .

Наиболее распространены кауперы с встроенной камерой горения, как показано на рис. 3.1. Главные недостатки этих кауперов: перегрев свода и деформация камеры горения в сторону насадки в ходе длительной работы. Существуют кауперы с выносной камерой горения, а также кауперы, в которых горелки расположены под куполом. Кауперы с выносной камерой горения удобны в эксплуатации и обладают высокой стойкостью, но дороже других кауперов. Кауперы с подкупольными горелками недорогие, но неудобны в работе, т.к. горелки и клапаны расположены на значительной высоте.

За период дутья температура нагрева воздуха постепенно снижается с 1350-1400 °С до 1050-1200 °С. Для стационарно работающей доменной печи такие перепады температуры вдуваемого дутья нежелательны. Поэтому температуру регулируют добавкой холодного воздуха из воздухопровода холодного дутья. По мере снижения температуры дутья снижается и доля холодного воздуха в смеси с целью стабилизации температуры дутья на уровне 1000-1200 °С.

Ориентировочный материальный баланс получения чугуна в доменной печи (кг/кг)

Ориентировочный материальный баланс выплавки чугуна приведен в табл. 3.1, а соответствующий ему тепловой баланс рабочего пространства доменной печи – в табл. 3.2.

Ориентировочный тепловой баланс доменной печи (на 1 кг чугуна)

При составлении балансов приняты следующие составы материалов. Окатыши: Fe2O3 — 81 %; FeO — 4; SiO2 — 7; CaO — 5; Al2O3 — 1; MgO — 1; MnО — 0,3; P2O5 ~0,09; S ~0,03 %. Агломерат: Fe2O3 — 63 %; FeO — 16; SiO2 — 7; CaO — 10; Al2O3 — 2; MgO — 1; MnО — 1; P2O5 ~0,25; S ~0,01 %. Чугун: Fe — 94,2 %; С — 4,5; Si — 0,6; Mn — 0,7; S ~0,03 %. Шлак: FeO — 1 %; SiO2 — 36; CaO — 43; Al2O3 — 10; MgO — 7; MnО — 2; S — 1 %. Колошниковый газ (доменный): СО2 — 18,0 % (объёмн.); СО — 25,2; Н2 — 12,5; СН4 — 0,3; N2 — 44 %.

Проанализируем расход топлива в доменной печи при использовании офлюсованного агломерата.

Расход топлива в доменной печи складывается из расхода кокса и природного газа (510-560 кг у.т./т чугуна) плюс расход газа для отопления доменного воздухонагревателя (90-100 кг у.т./т чугуна) и минус выход доменного газа (170-210 кг у.т./т чугуна). Итого общий расход: 535 + 95 — 190 = 440 кг у.т./т чугуна.

Если учесть, что на производство кокса (примерно 430-490 кг кокса на 1 т чугуна) и агломерата (примерно 1200-1800 кг агломерата на 1 т чугуна) уже было затрачено топливо, то общий расход первичного топлива на производство 1 тонны чугуна составит 440 + 40 + 170 = 650 кг у.т./т, где 40 и 170 кг у.т./т – расходы топлива на производство кокса и агломерата, пересчитанные на 1 т чугуна.

Производительность печи характеризуется специфическим показателем, который называется КИПО (коэффициент использования полезного объёма). КИПО равен отношению полезного объёма печи к суточной выплавке чугуна и поэтому является размерным. Для современных печей КИПО колеблется от 0,43 до 0,75 м3 ⋅сут./т. Чем ниже этот коэффициент, тем лучше работает печь. По своему названию КИПО логичнее было бы рассматривать как отношение производительности к единице объема. В этой связи удобнее пользоваться таким показателем, как удельная производительность доменной печи, равным Пу = 1 / КИПО и изменяющийся в пределах от 1,3 до 2,3 т/(м3⋅сут).

С целью экономии топлива на доменной печи можно рекомендовать следующее:

  • перевод печи на работу с повышенным (до 1,5-2 ати) давлением газов на колошнике. При этом объём газов уменьшается, что позволяет увеличить расход дутья или уменьшить вынос колошниковой пыли;
  • повышение температуры подогрева воздуха в доменных воздухонагревателях с целью экономии кокса;
  • использование физической теплоты огненно-жидких шлаков. Эта проблема ещё не решена из-за периодичности выпуска шлаков из печи. Перспективным является предложение о воздушной грануляции шлака и получении дополнительного пара для местных котельных;
  • вдувание горячих восстановительных газов подобно тому, как это делается на печи металлизации. Это поможет сэкономить до 20 % кокса;
  • вдувание в горн пылеугольного топлива с целью экономии примерно 0,8 кг кокса на 1 кг пылеугольного топлива;
  • использование теплоты отходящих газов доменных воздухонагревателей для подогрева доменного газа и воздуха перед подачей в горелку.

Все рубрики