Конструкция доменной печи

Плавка чугуна в доменной печи

Основные задачи плавки чугуна в доменной печи:

1) восстановление железа  из окислов руды, науглероживание  его и удаление в виде жидкого  чугуна определенного химического  состава;

2) оплавление пустой  породы руды, образование шлака,  растворение в нем золы кокса  и удаление его из печи.

  Сырые материалы  при загрузке в доменную печь  попадают в область низких  температур на колошнике 200 - 300' С, перемещаются сверху вниз  и встречают более высокие  температуры, которые достигают  1800 - 1900' С на уровне фурм и  снижаются в горне до 1450' С.

Кроме железа, в доменной печи восстанавливаются кремний, марганец, сера, фосфор и другие элементы. Восстановление кремния и марганца происходит при  высоких температурах (около 1450' С) твердым  углеродом и требует больших  затрат тепла и топлива: SiО2 + 2С = Si + 2СО - 152 568 кал (639,5 кДж);  МnО + С = Мn + СО - 65 584 кал (275,8 кДж).

  Сера как вредная  примесь чугуна должна быть, по  возможности, более полно удалена  из него. В доменную печь сера  попадает вместе с сырыми материалами;  содержится в коксе, руде и флюсах. Около 10 - 60% серы улетучивается с газами в верхних горизонтах печи. Для удаления серы обеспечивают избыток извести в шлаках и высокую температуру в горне. Сера удаляется по реакции FеS + СаО = СаS + FеО + 4380 кал (18,4 кДж).

  Образующийся сульфид  кальция нерастворим в чугуне, переходит в шлак и вместе  с ним удаляется из печи. Дополнительно  десульфурация чугуна происходит  после выпуска его из доменной  печи за счет взаимодействия  серы с марганцем, которого  для этого должно быть в чугуне достаточно много. FеS + Мn = Fе + МnS + 21 700 кал (90,9 кДж).

  Фосфор также является  вредной примесью чугуна, однако  его удаление из жидкого чугуна  в условиях доменной плавки  затруднительно. Фосфор, попавший в  доменную печь с сырыми материалами, растворяется в чугуне и остается в нем.

  Непосредственно  после восстановления в доменной  печи получается твердое пористое  губчатое железо с высокой  температурой плавления 1539' С.  При его взаимодействии с окисью  углерода образуется карбид железа (цементит) Fе₃С:  3Fе + 2СО = Fе3С + СО2 + 36 220 кал (150,4 кДж).

  Цементит растворяется  в железе, науглероживает его  до 4,3% и понижает температуру  плавления до 1140 - 1150' С. Науглероженное  низкоплавкое железо расплавляется,  каплями стекает в горн и  по пути растворяет кремний, марганец, серу, фосфор и другие элементы. Образующийся сплав сложного состава представляет собой чугун - главный продукт доменной плавки.

  Шлакообразование  должно происходить после завершения  процессов восстановления железа  из руды, так как иначе легкоплавкий холодный шлак стекает вниз печи, захолаживает ее, расстраивает нормальный ход плавки и приводит к изменению химического состава чугуна и шлака. Согласование процессов восстановления и шлакообразования достигается поддержанием определенного химического состава и температуры плавления шлаков, а также регулированием всего хода плавки.

  Образование шлака  начинается после опускания шихты  приблизительно до распара при  температуре 1200' С, когда пустая  порода сплавляется с флюсами  (известью). При стекании шлака вниз он обедняется окислами железа и марганца, обогащается известью и приобретает заданный состав.

Характеристики работы доменной печи

Производительность доменной печи характеризуется коэффициентом  использования полезного объема печи К (КИПО), равного отношению полезного объема (объема от чугунной летки до максимального уровня засыпки сырых материалов) V к суточной выплавке чугуна G:

Чем ниже значение КИПО, тем выше производительность доменной печи. Значения КИПО колеблются в широких пределах от 0,45 до 0,75 м³/т. Работа доменной печи оценивается также по затратам сырых материалов и в первую очередь по расходу кокса, стоимость которого составляет 40 - 50% стоимости чугуна.

  На 1 т мартеновского чугуна  затрачивается примерно 0,7 т кокса, 1,7 т агломерата, 0,35 т руды, 0,3 т известняка и 2200 м³ горячего воздуха. В результате плавки на 1 т чугуна получают примерно 0,5 - 0,7 т шлака и 2800 м³ доменного газа. Продолжительность непрерывной работы доменной печи (кампании) составляет от 5 - 8 до 10 - 12 лет и более.

Автоматизация процессов доменного производства

На современных доменных печах  основные производственные процессы - отбор, взвешивание, подача на колошник и загрузка шихты осуществляются автоматически. Доменные печи оборудованы весьма совершенной сложной автоматической аппаратурой, которая не только контролирует и регистрирует основные показатели работы, но и управляет работой печи: поддерживает определенный уровень сырых материалов, обеспечивает их распределение в печи, поддерживает постоянный уровень температуры и влажность дутья, давления, состав газов на колошнике и пр. В качестве датчика часто используются радиоактивные изотопы. Разрабатываются еще более совершенные системы комплексного автоматического управления процессами в доменной печи с использованием счетно-решающих командных устройств.

  Увеличение выплавки чугуна  осуществляется за счет ввода  в строй новых доменных печей  и повышения производительности  действующих печей. 

  Повышение производительности  печей достигается: использованием крупных, более совершенных доменных печей с широким применением автоматизации и механизации процессов; улучшением подготовки шихты (сортировка руд и тщательное их усреднение); применением вместо руд офлюсованного агломерата повышенной основности, а также повышенного давления на колошнике до 1,5 - 2,5 ати (0,15 - 0,25 МПа); применением дутья постоянной повышенной влажности (содержание влаги должно составлять около 25 г/м³), сопровождающегося ускорением восстановительных процессов и увеличением размеров окислительной зоны в области фурм; применением дутья, обогащенного кислородом (до 32% О2), природного газа и порошка извести.

В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов  пустой породы руды, флюсов и золы топлива. Шлаки содержат Al2O3, CaO, MgO, SiO2, MnO, FeO, CaS. Шлак образуется постепенно, его состав меняется по мере стекания в горн, где он скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Состав шлака зависит от состава применяемых шихтовых материалов и выплавляемого чугуна.

Чугун выпускают из печи каждые 3…4 часа через чугунную летку 16, а шлак – каждые 1…1,5 часа через шлаковую летку (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади). Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши. Чугун поступает в кислородно-конвертерные

или мартеновские цехи или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.