Удаление влаги и летучих веществ

Содержание физически адсорбированной или гигроскопической влаги в агломератах и окатышах зависит от климата, времени года и составляет от 0,2—0,5 до 1—2 %, в коксе (мокрого тушения) 1—4 %, в марганцевой руде иногда 5 % и более. Температура на колошнике доменной печи, куда попадают компоненты шихты, 200—400 °С, то есть значительно выше температуры кипения воды. Поэтому испарение гигроскопической влаги и удаление пара начинаются на верхних горизонтах печи сразу после нагрева кусков шихты до температуры колошника. Гидратная вода может попадать в доменную печь с бурожелезняковыми рудами или рудами, содержащими гидратную воду в пустой породе. Поскольку практически 100 % сырья для доменной плавки проходит термическую обработку, гидратной влагой можно пренебречь.

Доля карбонатов, поступающих в доменную шихту с железными (FeCO₃) и марганцевыми (MnCO₃) рудами, невелика. Большое значение имеют флюсующие добавки к шихте — известняк или доломит (CaCO₃, CaCO₃•MgCO₃). В доменной печи разложение карбонатов протекает по реакциям:

· CaCO₃ = CaO + CO₂ − 178,5 МДж;

· MgCO₃ = MgO + CO₂ − 109,87 МДж;

· MnCO₃ = MnO + CO₂ − 96,35 МДж;

· FeCO₃ = FeO + CO₂ − 87,91 МДж.

Восстановительные процессы

Основными восстановителями в доменном процессе являются углерод, монооксид углерода и водород. Элементы, попадающие с шихтой в доменную печь, в зависимости от их превращений в условиях доменной плавки можно разделить на практически полностью восстанавливающиеся (Fe, Ni, Со, Pb, Си, Р, Zn); частично восстанавливающиеся (Si, Mn, Cr, V, Ti); не претерпевающие восстановления (Ca, Mg, Al, Ba)[17][18].

Восстановление оксидов железа газами в доменной печи протекает по реакциям:

· 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ + 37,25 МДж;

· Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂ − 20,96 МДж;

· FeO + CO = Fe + CO₂ + 13,65 МДж;

· 3Fe₂O₃+ H₂ = 2Fe₃O₄ + H₂O − 4,20 МДж;

· Fe₃O₄ + H₂ = 3FeO + H₂O − 62,41 МДж;

· FeO + H₂ = FeO + H₂O − 27,80 МДж.

Формирование чугуна

Металлическое железо появляется в нижней части шахты печи и распаре. По мере опускания материалов в доменной печи и их дальнейшего нагрева железо растворяет в себе углерод в увеличивающемся количестве. При этом температура плавления его снижается, металл плавится и в виде капель стекает в горн. Окончательный состав чугунаформируется в горне печи.

Можно выделить 4 стадии науглероживаиия железа в современной доменной печи.

Первая стадия — происходит выпадение сажистого углерода на поверхности свежевосстановленного железа по реакциям (t = 400—1000 °С):

· CO + H₂ = C_саж + H₂O;

· 2CO = C_саж + CO₂.

Все факторы, способствующие протеканию этих реакций, вызывают увеличение содержания углерода в чугуне (рост давления в печи, высокая восстановимость шихт, рост основности, повышение содержания водорода в газовой фазе и др.). Вторая стадия связана с первой и характеризуется диффузией сажистого углерода в массу металлического железа (950—1150 °С):

· 3Fe + 2СО = Fe₃C + СO₂.

Третья стадия — плавление металла с содержанием примерно 2 % С при температуре выше 1150 °С и стекание капель по коксовой насадке с растворением углерода кокса в металле:

· 3Fe + C_к = Fe₃C.

Четвертая стадия — это процесс, протекающий в горне. Здесь, с одной стороны, продолжается растворение углерода кокса в жидком металле, а с другой — идет окисление углерода чугуна в фурменных очагах (связано с размером печи).

Формирование шлака

Состав образующегося в доменной печи шлака зависит от множества факторов (минералогический и гранулометрический состав шихты, температурный режим плавки). Значительно отличается процесс шлакообразования при работе печи с добавлением известняка и при работе на офлюсованном агломерате. Нормальной для доменного шлака считается основность равная 1,0.

Первичный доменный шлак может содержать фаялит, волластонит, геленит. В нижней половине шахты или в распаре происходит размягчение и плавление первичного шлака. Положение зоны первичного шлакообразования в печи зависит от состава шлака и распределения температуры по высоте печи. Наиболее сложной в практике эксплуатации печи является проплавка трудновосстановимой руды с легкоплавкой пустой породой, когда значительное количество оксидов железа присоединяется к первичному шлаку уже в середине шахты. Восстановление железа из шлака затруднено. Значительная часть железа восстанавливается в этом случае прямым путем, что приводит к перерасходу кокса. Преждевременное плавление первичного шлака ухудшает газопроницаемость столба шихты в печи, так как большая часть печи оказывается заполненной полурасплавленными (тестообразными) массами, представляющими значительное сопротивление проходу газов.

При плавке титаномагнетитового сырья (например, агломерат и окатыши Качканарского ГОКа[25]) в шлак переходят значительные количества соединений титана. При этом в горне доменной печи в массе жидкого титансодержашего шлака находятся мельчайшие твердые частицы не успевшего восстановиться ильменита и карбида титана. Присутствие твердых частиц резко увеличивает вязкость шлака, что затрудняет выпуск из печи[26].

Доменный шлак часто используется в качестве основного сырья для извлечения ценных компонентов.

 

Планировка доменного цеха

     

 Доменные цехи представляют собой сложнейшие производства с потреблением огромного количества материалов и выдачей очень большого объема продуктов. При проектировании при­ходится обращать самое серьезное внимание на организацию ра­циональных грузопотоков с минимальной протяженностью и эко­номичное размещение основных сооружений цеха.Применяются варианты с блочным и островным расположением печей. В варианте с блочным расположением две соседние печи имеют общий литейный двор. Воздухонагреватели расположены в противоположной стороне от каждой печи и могут иметь общую трубу при одном резервном воздухонагревателе на блок. Желез­нодорожные пути расположены с обеих сторон линии печей. Литей­ные дворы являются индивидуальными для каждой печи. Ось каждого «острова» из печи, литейного двора и воздухонагревате­лей находится под углом к общей оси цеха. Ходовые пути, так же как и при блочном расположении, проходят с обеих сторон от печей вдоль всего цеха и имеют ту же специализацию. Со стороны рудного двора и скипового подъемника или транспортерной подачи на колошник расположены пути для уборки шлака и коксовой мелочи, со стороны газоочистки — пути для уборки чугуна и пыли. Постановочные пути для приема чугуна и шлака идут параллельно литейным дворам и являются тупиковыми. Возможность железно­дорожного сообщения шлаковозной и чугуновозной сторон между печами обеспечивает гораздо большую маневренность транспорта, что особенно важно для обеспечения уборки шлака, часто лимити­рующей организацию грузопотоков.

Для доменных цехов характерны большой объем и сложная система грузопотоков. Основными линиями грузопотоков являются: грузопотоки шихтовых материалов к бункерной эстакаде с агломерационных фабрик, фабрик окомкования, коксохимического цеха и ряда других источников снабжения за пределами завода; грузопотоки материалов от бункерной эстакады к колошниковому загрузочному устройству; грузопотоки уборки продуктов плавки — чугуна, шлака, колошниковой пыли; уборки коксовой мелочи; грузопотоки материалов, используемых при ремонтах объектов цеха; трубопроводная подача к печам кислорода и природного газа и отвод колошникового газа. Устройство доменного цеха, характер размещения в нем основных объектовво многом определяются выбранной системой грузопотоков и транспорта, и изменение этих систем существенно сказывается на планировке цеха.

При разработке технологической части проекта доменного цеха решаются следующие основные задачи:

- выбор числа, полезного объема и устройства доменных печей и параметров технологического процесса;

- определение расхода основных материалов и расчет на основании этого пропускной способности транспортных систем;

- обоснование и выбор конструкции и параметров работы воздухонагревателей, воздуходувок, газоочисток и других обслуживающих печь агрегатов;

- выбор схем доставки в цех шихтовых материалов, систем подачи материалов к колошниковому подъему и типа колошникового подъема, схем уборки продуктов плавки и соответствующего оборудования;

- выбор планировки литейного двора и вспомогательных отделений цеха — депо ремонта ковшей, разливочных машин, глиномялки и др.;

- разработка наиболее рациональных грузопотоков и транспортных систем;

- оптимальная компоновка объектов цеха и транспортных путей в соответствии с требованиями технологического процесса и с целью уменьшения занимаемой цехом площади, при этом должна быть обеспечена возможность ремонта агрегатов без нарушения бесперебойной работы соседних и возможность расширения цеха.

В последующем планировка доменных цехов и организация в них грузопотоков совершенствовались и претерпели, особенно в последние годы, заметные изменения. К числу решений, наиболее существенно повлиявших на планировку, число и тип входящих в состав цеха объектов и транспортных систем, можно отнести:

- увеличение рабочего объема печей (до 5500 м³) и соответственно их производительности;

- применение предварительно подготовленного сырья, что существенно изменило, в частности, схему подачи материалов к бункерной эстакаде;

- применение конвейерной системы подачи материалов на колошник;

- увеличение числа чугунных леток, отказ от выпуска шлака через шлаковые летки на больших печах;

- устройство круглых литейных дворов, что обеспечило высокш уровень механизации работ на них;

- применение бесковшовой уборки шлака (приречной грануляции).

Существующие доменные цехи характеризуются многообразием отдельных проектных решений. Помимо различий в устройстве производительности и числе доменных печей, цехи различаютсз устройством литейного двора и организацией выпуска чугуна в чугуновозные ковши и шлака в шлаковозные; системами подач материалов на колошник (скипами или конвейером); системами подачи материалов к колошниковому подъему (вагон-весами, конвейерами, через центральные бункера); устройством и расположе нием бункерных эстакад; системой шлакоуборки и др. В целом можно выделить три разновидности планировки доменных цехов: с блочным расположением печей с островным расположением печей и скиповом подъемом материалов на колошник; с островным расположением печей и конвейер ной подачей материалов на колошник.

 

 

Конструкция доменной печи

     Доменная печь — вертикальная печь шахтного типа. Внутри печь выложена огнеупорным кирпичом, сверху покрыта стальным кожу ­хом. Высота современных доменсоставляет 80 м и более. До­менная печь состоит из пяти основных частей: колошника, шахты, распара, заплечиков и горна.

 

 

 

Колошник доменной печи представляет собой комплекс металлоконструкций различного назначения. Газоотводы для равномерного отвода газа устанавливают в кратном количестве не менее четырех (на доменных печах 5000—5500 м3 сделано восемь газоотводов). Газоотводы соединяют попарно, выводят вверх на отметки, превышающие расположение остальных элементов доменной печи. Образующиеся вертикальные газоотводы называют свечами. В зависимости от принятой схемы колошникового устройства число свечей колеблется от двух до четырех. Свечи перекрывают так называемыми атмосферными клапанами, отрегулированными на определенное заданное давление газа в печи, при повышении которого они самопроизвольно открываются.

Рисунок 1. Атмосферный клапан на колошнике доменной печи

 Атмосферный клапан колошника (см. рис.) состоит из клапана 7, седла 2, корпуса 3. Сопрягающиеся поверхности клапана и седла упрочняют твердыми сплавами и пришлифовывают. Верх корпуса выполняют вместе со стойками, несущими на себе ось 4, опирающуюся на подшипники качения. Двуплечий рычаг 5, опускающий и поднимающий клапан, закреплен на оси и соединен шарнирно с клапаном. К длинному плечу рычага присоединяют канат, идущий к лебедке атмосферного клапана, при помощи которого проводят маневрирование при текущих остановках и ремонтах. К другому плечу подвешен контргруз, рассчитанный на определенную величину давления в печи, при повышении которого клапан должен открываться и выпускать газ в атмосферу. Маневрирование клапанами при текущих остановках и ремонтах проводят при помощи специального привода. Высота свечей рассчитана на частичное оседание и возвращение в печь выносимой с газом колошниковой пыли. С этой целью им придается достаточно широкое сечение — до 0,4—0,5 площади сечения колошника в месте примыкания к куполу печи и до 0,25—0,30 в вышележащих сечениях. На верхней так называемой балансирной площадке колошникового копра для смены атмосферных клапанов и других деталей, а также для подъема различных грузов при ремонтах установлены консольно-поворотные краны грузоподъемностью до 6,5 т с вылетом стрелы 6750 мм и поворотом ее на 180°.

Копер колошникового устройства доменной печи - мощная конструкция, опираемая на колошниковую площадку, служит для крепления всех деталей колошникового устройства, в том числе и верха скипового моста или галереи наклонного транспортерного подъемника, кроме свечей и газоотводов. На копре колошника крепятся площадки для балансиров конусов засыпного аппарата, шкивов скипового подъема и обслуживания атмосферных клапанов, различных люков и заглушек на вертикальных газоотводах. К нему же присоединяются приемная направляющая воронка засыпного аппарата и консольная балка с грузоподъемной тележкой для обслуживания ремонтных работ на колошнике.

                                     Засыпной аппарат устройство для загрузки сыпучих материалов в шахтные печи (доменные, обжиговые и др.). Шихта в засыпном аппарате подаётся скипами илитранспортёрами. 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. Дляравномерной загрузки шихты по окружности колошника применяют вращающиеся распределители шихты.Двухконусная система загрузки позволяет предотвратить уход газа из доменной печи в атмосферу, так как при открытии одного из конусов другой находится в закрытом состоянии.Засыпной аппарат доменной печи работает в тяжелых условиях, подвергаясь ударам кусков шихты, истиранию потоками материалов и запыленных газов, а также воздействию высокой температуры. По­этому конструкция деталей засыпного аппарата должна быть прочной, высокоизносоустойчивой, надежной в работе и обеспечивать скорост­ное выполнение ремонта. Приемная воронка засыпного аппарата  предназначена для направления шихтовых материалов, выгружаемых из скипов в во­ронку малого конуса. У современных печей расстояние между осями путей, по которым движутся скипы, значительно (2500—3100 мм)шихта же из опрокидывающихся скипов должна попадать к оси мало­го конуса. Поэтому верхняя часть 1 приемной воронки выполняется расширенной, нижняя же заканчивается круглым выходным отверсти­ем 2, расположенным над воронкой малого конуса. Для нормального ссыпания материалов угол образующей нижней части воронки составляет 45—50°. Приемная воронка изготавливается сварной из листовой стали. Для удобства монтажа она выполнена из двух половин с вертикальным разъемом. Внутренняя поверхность для предохранения от из­носа футерована сменными плитами из марганцовистой стали. Односторонняя выгрузка материалов из скипов приводит к обра­зованию в воронке малого конуса одностороннего откоса, дающего неравномерную по толщине слоя укладку материалов. Кроме этого, при высыпании материалы сортируются по крупности: мелочь со­средоточивается на стороне высыпания, а крупные куски — на про ­тивоположной стороне. Такая не­равномерность укладки материалов должна сохраняться при высыпа­нии на большой конус и с большого конуса в печь, что несовместимо с равномерным распределением газо ­вого потока. Поэтому необходимо устанавли­вать над чашей большого конуса распределитель шихты, служащий для такого распределения материалов, при котором по окружности печи создавалось бы равномерное сопротивление проходу газов. Основным элементом распределителя является вращающаяся во­ронка, состоящая из двух частей: нижней литой из марганцовис­той стали и верхней разъемной сварной из листа толщиной 20—30 мм, облицованной литыми чугунными плитами. Емкость воронки превы­шает емкость скипа на 15—30%. Нижняя и верхняя части воронки опи­раются фланцами на цельнолитой корпус 5, на фланцах которого за­креплены конусные беговые дорожки 6. Верхняя беговая дорожка лежит на трех конических опорных роликах 7, поддерживающих воронку снизу. Сверху воронка поддерживается тремя контропорными и сбоку тремя упорными роликами. Все ролики свободно вращаются на осях, закрепленных в стойках 4,установленных на опорном коль ­це. Кольцо является опорной частью распределителя и крепится к верхнему фланцу газового затвора.  Конусы засыпного аппарата поднимаются и опускаются с помощью рычагов, носящих название балансиров. Балансиры представляют со­бой двуплечие рычаги, которые могут поворачиваться вокруг гори­зонтальной оси. К одному концу рычага присоединена штанга конуса, другой конец рычага через канатную передачу связан с приводом, уста­новленным в машинном здании. Сочетание кругового движения балан­сира с прямолинейным движением конуса разрешается с помощью системы рычагов. Такая система обеспечивает принудительное откры­вание конусов, т. е. конусы открываются приводом, а закрываются под действием контргрузов.

 

 

Засыпной аппарат доменной печи: 1 — направляющая воронка; 2 — пустотелая штанга малого конуса; 3— распределитель шихты; 4 — газовый затвор; 5 — большой конус; 6 — руда; 7 — кокс; 8 — чаша большогоконуса; 9 — основное кольцо (колошниковый фланец); 10 — штанга большого конуса; 11 — малый конус; 12 — приёмная воронка; 13 — наклонный мост; 14 — скип.

 Самой большой по высоте расширяющейся конической частью печи является шахта, в которой происходят процессы нагрева материалов и восстановления железа из оксидов.

Шахта доменной печи при современной интенсивности плавки является наименее стойкой частью строения печи. В зависимости от толщины футеровки шахты разделяют на три типа: толстостенные, средне- и тонкостенные. Определение рационального типа шахты связано с разными представлениями о средствах, обеспечивающих строительную прочность конструкции и оптимальное очертание рабочего профиля печи. Первое решение этой задачи — толсто- и среднестенная кладка, усиленная металлическим кожухом, и второе — металлический кожух, плитовые холодильники и гарнисаж при тонкостенной кладке, имеющей второстепенное значение.

Распар - элемент профиля доменной печи в форме цилиндра, расположен в средней части рабочей зон, в котором происходят процессы размягчения и плавления восстановленного железа. Для распара характерен наибольший диаметр. Назначение конструкции – увеличение печного пространства и ликвидация ненужного сырья. Здесь образуется пустая порода.

Заплечики- область печи, в которой расплавленная минеральная шихта омывает кладку вместе с газами, поступающими от фурменных очагов горения, где образуется восстановительный газ — монооксид углерода. Условия службы заплечиков тяжелы по термическому и химическому воздействию на них жидких и газообразных продуктов плавки в совокупности с силами трения о поверхность раскаленного кокса. В то же время температурный режим и жидкие фазы в заплечиках создают благоприятные условия для образования гарнисажа на футеровке, играющего защитную роль, поэтому при конструировании заплечиков преследуют цель либо максимального сохранения футеровки, либо создания заменяющего ее прочного гарнисажа. В доменной практике известны три основные конструкции заплечиков: тонкостенные — со сплошным металлическим кожухом и поверхностным охлаждением поливкой водой; толстостенные — с горизонтальной системой охлаждения в металлическом кожухе; тонкостенные заплечики — с вертикальной системой охлаждения в сплошном металлическом кожухе. Конструкцию с поверхностным охлаждением применяют главным образом в зарубежной практике; в Германии — при шамотной и углеродистой кладке. Для этого устраивают двойные кожухи, коробчатые холодильники, наружные карманы и другие приспособления.

Рисунок 1. Горн и заплечики доменной печи типовых проектов

 Толстостенные заплечики (кладка 690—805 мм) применяли в типовом проекте доменной печи (Гипромез), а также на печах Кузнецкого и Магнитогорского металлургических комбинатов и некоторых других предприятий (рис. 1). Они были заимствованы из практики США, использующей их в ряде случаев и до настоящего времени. Работа доменных печей с повышенным давлением газа на колошнике создала объективные предпосылки для перехода на тонкостенную конструкцию заплечиков с вертикальными холодильниками, применявшуюся до этого на печах Украины, как имеющую большую герметичность и строительную прочность (рис. 2). Это обусловило ее преимущество, несмотря на меньшую охлаждающую способность по сравнению с системой горизонтального охлаждения.;

 

 

Цилиндрическая часть печи — горн, служит для накопления жидких продуктов доменного процесса — чугуна и шлака.

Внизу горна расположены— чугунная и шлаковая летки. Нижняя часть, или дно, горна называется лещадью. Лещадь опирается на железобетонный фундамент печи. Стенки доменной печи выложены огнеупорным шамотным кирпичом. Огнеупорная кладка печи заключена в стальной кожух, который изготовляют из склепанных или сваренных между собой листов. Для повышения стойкости огнеупорной кладки производится охлаждение ее с помощью металлических холодильников, в которых циркулирует вода. В верхней части горна располагаются фурмы — отверстия для подачи нагретого до высокой температуры дутья — сжатого воздуха, обогащенного кислородом и углеводородным топливом. На уровне фурм развивается температура около 2000 °C. По мере удаления вверх температура снижается, и у колошников доходит до 270 °C.

 

Рисунок фурмы