yandex.metrica
Доменное производство

Общие сведения о технологическом процессе производства чугуна в доменном цеху

Конечным продуктом доменного производства является чугун, для вы­плавки которого в настоящее время в основном применяются доменные печи. Исходным сырьем для получения чугуна является шихта, в состав которой входят: руда железная и марганцевая, металлические добавки (скрап и стружка), флюс и горючее. В настоящее время железная руда в натуральном виде в доменном производстве не используется.

В целях лучшей восстановимости железная руда, как правило, под­готавливается к доменной плавке и подается в доменную печь в виде офлюсованного агломерата или обожженных окатышей.

Флюсами называются материалы, вводимые в шихту для перевода пустой породы, золы кокса и серы в шлак определенного состава и теку­чести, что необходимо для получения чугуна заданной марки.

В зависимости от химического состава рудной части шихты (агломе­рата) и золы кокса применяют кислые или основные флюсы. В качестве основного флюса применяется известняк, а в качестве кислого — квар­циты, которые добавляются в железную руду в процессе ее агломерации и окатывания.

В качестве горючего в доменной плавке используется в основном каменноугольный кокс. В последнее время в целях снижения расхода кокса в качестве добавок применяются: природный газ, нефть и пыле­видное топливо. В результате применения природного газа производи­тельность доменных печей повышается примерно на 3%, а относитель­ный расход кокса уменьшается на 13—15%.

Сущность доменного процесса заключается в следующем. Шихтовые материалы загружаются в доменную печь порциями (подачами) в стро­го определенной последовательности. Подачу в доменную печь с большо­го конуса опускают в два приема, а именно: сначала все топливо подачи, затем рудную часть подачи и флюс. Следовательно, шихтовые материа­лы в доменной печи располагаются слоями: кокс, агломерат и известняк, опять кокс, агломерат и известняк и т. д. Печь заполняется все время шихтовыми материалами по мере схода шихты во время работы домен­ной печи. При хорошо идущей доменной плавке этот порядок подач ших­товых материалов регулярно поддерживается, в случае расстройства хо­да печи и снижения ее производительности, указанный порядок загрузки печи может быть изменен.

Железо, входящее в состав чугуна, получается из рудной части ших­ты, в которой оно находится в виде соединений с кислородом (окислы железа). Для восстановления железа необходимо отнять кислород руды, соединяя его с веществом, имеющим большое сродство к кислороду и об­разующим с ним более прочное соединение, чем соединение кислорода с железом.

Вещество, отнимающее кислород руды, называется восстановите­лем. В доменном процессе восстановителем и источником тепла являет­ся углерод топлива.

Чтобы происходило восстановление железа, необходимо нагреть рудную часть шихты и восстановитель. За счет сгорания кокса в домен­ной печи и развиваются необходимые для реакции восстановления тем­пературы. Для сжигания кокса в нижнюю зону доменной печи (заплечи­ки) через воздушные фурмы подается нагретый до температуры 1000— 1200°С воздух под давлением 28—42 Н/см2 (2,8—4,2 кгс/см2).

В результате интенсивного горения топлива в области воздушных фурм и расплавления шихтовых материалов в зонах распара, заплечи­ков и горна освобождаются некоторые объемы печи, в которые с верх­них горизонтов опускается шихта, при этом слои шихты разрыхляются, создавая хорошую газопроницаемость, необходимую для равномерного распределения газов, прогрева шихты и восстановления окислов железа. Образующиеся в процессе горения топлива в фурменной зоне газы под­нимаются снизу вверх, интенсивно нагревая при этом шихтовые мате­риалы.

В результате прохождения горячих газов через слои шихтовых ма­териалов происходят следующие процессы:

  • при температуре 100—150°С происходит испарение гигроскопиче­ской влаги;
  • при температуре 300—400°С — удаление химически связанной гидратной влаги;
  • при температуре 400°С начинается важнейший процесс — восста­новление железа н других элементов из их окислов (непрямое восстанов­ление) ;
  • при температуре 600—900°С — удаление летучих из топлива, разло­жение известняка СаСO3 и магнезита MgСO3.

Весь процесс восстановле­ния железа в доменной печи заключается в следующем. Окись железа,  соприкасаясь при высокой температуре с окисью углерода, отдает окиси углерода свой кислород, частично восстанавливаясь до магнитной окиси железа, превращая при этом окись углерода в углекислоту: 3Fe2O3 + СО = 2 Fe304 +CO2.

Магнитная окись, опускаясь вниз, встречает новые порции окиси угле­рода, которые продолжают отнимать кислород от руды, восстанавливая ее дальше до закиси железа по следующей реакции: Fe3О4 + СО = 3 FeO + СО2.

Опускаясь еще ниже, закись железа восстанавливается посредством СО по следующей реакции: FeO + СО = Fe + С02.

При этом получается вместо закиси железа и окиси углерода — железо и углекислота. Все указанные превращения происходят при температу­рах от 300 до 950°С.

Принято считать, что в ходе доменного процесса железо на 50% вос­станавливается окисью углерода и водородом (косвенное восстановле­ние) и на 50% твердым углеродом путем непосредственного контакта рудной части шихты с коксом (прямое восстановление). Прямое восста­новление железа происходит при температурах выше 950°Г. в нижней части шахты, распаре, заплечиках и горне, где некоторая невосстанов­ленная часть руды, соприкасаясь с раскаленным коксом, полностью вос­станавливается и насыщается углеродом. Такое растворение углерода в железе понижает температуру плавления расплава, который уже пла­вится при температурах 1150—1200°С.

В результате в горне доменной печи скапливается не чистое железо, а чугун с содержанием углерода до 3,5—4%.

В доменной шихте, кроме окислов железа, всегда имеются окислы кремния, марганца, фосфора, кальция, магния и другие, которые также восстанавливаются и частично переходят в шлак и чугун.

Шлакообразование необходимо для сплавления между собой имею­щих высокую температуру плавления следующих окислов пустой поро­ды: кремнезема Si02, глинозема Аl2Oз, извести СаО, магнезии MgO, зо­лы топлива и флюсов с образованием при этом легкоплавких соединений (шлаков), температура плавления которых значительно ниже темпера­туры каждого входящего в шихту окисла.

Восстановленный жидкий металл и шлак в процессе доменной плав­ки скапливаются в горне печи, где происходит отделение шлака от ме­талла, при этом частицы шлака как более легкие всплывают на поверх­ность расплавленного чугуна. Выпуск чугуна и шлака осуществляется по мере их накопления. Шлак в процессе доменного производства явля­ется побочным продуктом, который служит хорошим сырьем для произ­водства строительных материалов. Доменный шлак используется для производства следующих строительных материалов: различных видов высококачественных цементов, получаемых на ос­нове гранулированного шлака; щебенки как заполнителя для бетона, получаемой методом дробле­ния медленно остывшего шлака; брусчатки для мощения улиц, плит и блоков, отливаемых из огнен­но-жидкого шлака в металлические формы, прочность и плотность этих изделии приравнивается граниту; шлаковаты для термоизоляционных работ, получаемой методом распыления струи расплавленного шлака сжатым воздухом или паром; кирпича и шлакобетонных блоков, изготовляемых из гранулирован­ного шлака с добавкой извести или цемента с последующим затвердением на воздухе или в паропропарочных камерах.

Современный доменный цех представляет собой комплекс различ­ных весьма сложных сооружений и оборудования.

На рис 1. представлена схема расположения сооружений и обору­дования доменного цеха.

1

Рис 1.  Схема расположения сооружений н оборудования доменного цеха:

1 — вагоноопрокидыватель; 2 —рудный перегружатель; 3 —грейфер; 4 — рудный трансферкар; 5 — коксовый транспортер; 6 — силос; 7 —-коксовый трансферкар; 8 —бункерная эстакада; 9 — вагон-весы; 10 — грохот для отсева коксовой мелочи; 11— коксовые весы; 12 — скип; 13—на­клонный мост; 14 — машинное здание; 15 —доменная печь; 16 — колошниковый копер; 17 — мон­тажная балка; 18 — газоотводы; 19 — воздуходувная станция; 20 — воздуходувка; 21 — воздухо­провод холодного дутья; 22 — воздухонагреватель; 23 — труба; 24 — воздухопровод горячего дутья; 25 — фурменный прибор; 26 — чугунная летка н желоба; 27 — шлаковая летка; 28— ков­ши для шлака; 29 — ковши для чугуна; 30 — здание литейного двора; 31 — кран литейного дво­ра; 32 — пылеуловители; 33 — газопровод грязного газа; 34 — электрофильтры; 35 — газопровод чистого газа; 36 — лебедки для кантовки чугуновозных ковшей; 37 — разливочная машина; 38- платформы для уборки холодного чугуна; 39 — паровоз; 40 — железнодорожные пути для убор­ки холодного чугуна на скла

В настоящее время все доменные печи имеют стальной кожух, изнутри футерованный огнеупорным кирпичом. Футеровка со стороны кожуха охлаждается чугунными холодильниками – плитами залитыми в них стальными трубами, внутри которых циркулируется вода.

Основными характеристиками доменной печи являются ее профиль и размеры.

Очертание рабочего пространства доменной печи в вертикальном се­чении, проходящего через ось печи, называется профилем печи. Профиль доменной печи можно разделить по высоте на пять частей (рис. 2).

2

Рисунок 2. Доменная печь объемом 2700м3

  • а)  колошник — верхняя цилиндрическая часть печи, предназначена для загрузки шихтовых материалов. Огнеупорная кладка стенок колош­ника защищается от ударов загружаемой шихты стальными литыми сегментами, заполненными огнеупорным кирпичом;
  • б)  шахта — коническая часть печи, расположенная ниже колошни­ка, указанная форма способствует более свободному опусканию шихты н тем самым ее разрыхлению;
  • в) распар — самая широкая цилиндрическая часть печи, здесь начинается плавление шихты. Огнеупорная кладка распара опирается на колонны через мараторное кольцо кожуха печи;
  • г)  заплечики — коническая часть профиля печи ниже распара, су­жение профиля заплечиков книзу явилось следствием сокращения объема шихты;
  • д) горн — нижняя цилиндрическая часть печи, является копильником жидких продуктов доменной плавки — чугуна и шлака.

Нижняя часть печи (дно горна) называется лещадью. Кроме ука­занных характеристик, принято учитывать следующие параметры до­менных печей:

  • а) полезный объем печи — объем, который занимают все шихтовые материалы и продукты плавки. Вычисляют этот объем от нижнего поло­жения большого конуса в опущенном положении до оси чугунной летки;
  • б) полезная высота печи — расстояние от оси чугунной летки до нижнего положения большого конуса в опущенном положении;
  • г) полная высота доменной печи — расстояние от оси чугунной летки до верхнего края чаши большого конуса.

Рудный двор. На всех металлургических заводах, имеющих в своем составе доменные печи, имеются рудные дворы (см. рис. 1), предназначенные для создания определенных резервных запасов руд и усреднения их.

Создание рудных дворов особенно необходимо, если руда и флюсы завозятся издалека, учитывая могущие быть задержки в пути и особенно в зимнее время.

Рудные дворы размещаются вдоль фронта доменных печей. Емкость рудных дворов зависит от дальности и сезонности доставки шихтовых материалов, а также от назначения двора (хранение сырья или его усреднение).

Литейный двор. Для наблюдения за ходом доменной плавки и выполнения работ около фурменной зоны (замена фурменных и шлаковых приборов) вокруг горна доменной печи устраивают рабочую площадку, называемую поддоменником.

Кроме этого непосредственно к поддоменнику примыкает литейный двор, на котором осуществляются работы по выпуску чугуна и шлака из доменной печи. Литейный двор оснащается оборудованием, необходимым для выпуска чугуна и шлака, а также для хранения необходимых для указанных целей вспомогательных материалов и запасных частей.

Наклонный мост. Он предназначен для связи бункерной эстакады и скиповой ямы с засыпным устройством доменной печн. Обычно мосты колошниковых подъемников выполняют решетчатой конструкции, двухпутными, с двумя опорами, которые устанавливают внизу на фундамент скиповой ямы и наверху на специальный пилон, монтируемый на фундаменте доменной печи. По нижнему поясу моста прокладывают два пути в скиповую яму, где осуществляется загрузка скипов шихтой.

В верхней части моста находятся разгрузочные кривые рельсовых путей, с помощью которых осуществляется опрокидывание и разгрузка скипов в приемную воронку засыпного устройства. На мосту имеются площадки, на которых установлены направляющие канатные шкивы скиповых канатов, канатов для лебедок управления конусами и канатов
зондовых лебедок.

На доменных печах полезным объемом 3200 м3 скиповой подъемник шихтовых материалов выполнен из двух мостов, расположенных (непараллельно) расходящимися лучами вниз.

На доменной печи полезным объемом 5000 м3 подача шихтовых материалов осуществлена с бункерной эстакады непосредственно на колошник при помощи ленточных конвейеров с резиновой лентой.

Скиповая яма. Для подхода скипов главного скипового подъемника и подъемника коксовой мелочи под загрузку предназначена скиповая яма. В скиповой яме устанавливаются: воронка-весы для кокса, бункера для коксовой мелочи, желоба для спуска сырья в скипы, оборудование для подавления пыли, образующейся при спуске в скипы сырья, и насосы для откачки грунтовых вод, проникающих в яму.

Машинное здание. В машинном здании устанавливают оборудование колошниковой скиповой лебедки, лебедки управления конусами, зондовых лебедок и автоматических  станций густой смазки для механического оборудования колощника.

Воздухонагреватели. Они предназначены для нагрева подаваемого в доменную печь воздуха. В настоящее время применяются исключи­тельно регенеративные воздухонагреватели с возможностью нагрева в них воздуха до 1100—1200°С.

Бункерная эстакада. Она является промежуточным хранилищем шихтовых материалов для доменной плавки, обеспечивающем необходи­мый запас сырья для бесперебойной и ритмичной загрузки его в домен­ную печь, что является решающим условием для ровного и устойчивого хода печи.

В подбункериом помещении устанавливают оборудование для орга­низации механизированной подачи сырья к скиповому подъемнику. На большинстве доменных печей Советского Союза принята система транс­портировки шихты машинами периодического действия, при которой ру­да, агломерат и добавки транспортируются в бункера железнодорожны­ми вагонами или кранами-перегружателями с рудного двора в рудный трансферкар, который развозит материалы по бункерам. Кокс транспор­тируется в бункера также железнодорожными вагонами или же непо­средственно с коксохимического завода при помощи конвейера с резино­вой лентой в промежуточный бункер (силос) и далее трансферкаром в коксовые бункера.

Бункерная эстакада располагается между фронтом доменных печей и рудным двором. Бункерная эстакада в основном строится из железобе­тона. Стенки бункеров изготовляются из листовой стали и, как правило, защищаются от износа пакетами рельсов или листами из марганцови­стой стали. Стенки коксовых бункеров выкладываются шамотным кир­пичом. В целях техники безопасности и для того, чтобы в бункера не по­падали негабаритные куски шихтовых материалов, верхние проемы всех бункеров перекрываются решетками с размерами ячеек 200×200—250×250 мм.

Газоочистка. На заводах с полным металлургическим циклом, вклю­чая и коксохимическое производство, значение доменного газа как топ­лива чрезвычайно велико. На таких предприятиях тепло, получаемое из доменного газа, составляет 25—35% общего расхода энергетического топлива. Вследствие того что потребители доменного газа требуют, чтобы содержание пылн в нем не превосходило 20 мг/м3, а для обогрева коксо­вых печей 10 мг/м3, на каждой доменной течи сооружается газоочисти­тельная система, назначение которой состоит в очистке доменного газа.

Разливочная машина предназначена для механизированной разлив­ки чугуна из чугуновозных ковшей в специальные формы — мульды. Разлитый в мульды чугун охлаждается водой при помощи форсунок и в виде чушек отгружается на железнодорожные платформы иногородним потребителям или на заводские полувагоны для отправки на внутриза­водский склад чугуна.

Испарительное охлаждение. Интенсивная работа доменной печи приводит к быстрому износу ее огнеупорной футеровки, если не примять надлежащих мер в целях удлинения ее срока службы. Одной из таких мер является охлаждение футеровки. Все современные доменные печи оснащаются устройствами для интенсивного охлаждения футеровки — внутренними холодильниками, которые охлаждают футеровку на значи­тельную часть ее толщины. В настоящее время для охлаждения футе­ровки доменных печей применяют две системы охлаждения — водяное и испарительное. При водяном охлаждении через систему трубопроводов и охлаждающих устройств — холодильников, представляющих собой чу­гунные плиты с залитыми в них стальными трубами, пропускают техни­ческую воду или воду из оборотного цикла, охлажденную в брызгальных бассейнах или градирнях. Отбор тепла при водяном охлаждении от эле­ментов охлаждения достигается за счет перепада температуры в подво­димой и отводимой воде. При испарительном охлаждении отбор тепла происходит за счет скрытой теплоты парообразования воды, температу­ра которой 100°С и выше, в зависимости от того, какое давление поддер­живается в системе испарительного охлаждения.

При этой системе каждый килограмм охлаждающей воды отбирает не 83,7 Дж (20 ккал) тепла, как при водяном охлаждении, а около 2.5   кДж (600 ккал). Вследствие этого расход воды на охлаждение печи резко уменьшается, а также исключается полностью образование наки­пи в трубках холодильников и охлаждаемых элементах клапанов горя­чего дутья.

Для испарительного охлаждения применяется химически очищен­ная вода, получаемая от химической водоочистки ПВС. Испарительное охлаждение работает по замкнутому контуру, поэтому безвозвратные по­тери химически очищенной воды незначительны. Полученный в системе испарительного охлаждения пар поступает на ПВС для подогрева кон­денсата, подаваемого на котлы. При испарительном охлаждении расход технической воды сокращается до 70% от расхода воды при водяном ох­лаждении.