Доменная печь, или, как её часто называют, домна, предназначена для выплавки железа из железной руды. Происходит это в результате химических реакций, протекающих при высокой температуре. На заключительной стадии процесса выплавленное железо насыщается углеродом и превращается в чугун (см. Железо, сталь, чугун).

Доменная печь.

В домне расплавляют, как правило, не железную руду, а агломерат (спекшуюся в куски мелкую руду) или окатыши (комки сферической формы, получаемые из мелкой руды или тонкоизмельченного концентрата). Их загружают в печь послойно, перемежая коксом. Так же послойно в домну добавляют флюсы - известь, песок и некоторые другие вещества. Для чего они нужны?

Вместе с агломератом и окатышами в домну Попадает порода, не содержащая железа. Металлурги называют её пустой породой. Её надо удалить, чтобы она не попала в чугун при его затвердевании. Флюсы заставляют пустую породу и некоторые другие ненужные вещества (все это называют шлаком) всплывать на поверхность жидкого металла, откуда шлак уже нетрудно слить в специальный ковш. Итак, агломерат (или окатыши), кокс, флюсы входят в смесь материалов, которая загружается в домну и называется шихтой.

Домна напоминает большую круглую башню и состоит из трех основных частей: верхняя часть - колошник, средняя - шахта и нижняя - горн. Внутри доменная печь выложена (футерована) огнеупорной кладкой. Чтобы предотвратить разгар кладки и защитить кожух печи от высоких температур, используют холодильники, в которых циркулирует вода.

Через колошник порциями, по нескольку тонн в каждой, в домну загружается шихта. Загрузка идет непрерывно. Для этого возле доменной печи устраивают бункер - склад, куда доставляют агломерат (или окатыши), кокс и флюсы. В бункере из них при помощи автоматизированных вагонов-весов составляют шихту. В бункеры больших современных домен сырье подается непрерывно - транспортерами. Также транспортерами в современных домнах подается шихта из бункера на колошник. В старых домнах для этого применяются вагончики-скипы, которые курсируют по наклонным рельсам.

Под действием собственного веса шихта опускается, проходя через всю домну. В средней части печи - шахте - её омывают идущие снизу вверх газы - продукты горения кокса. Они нагревают шихту, а затем уходят из домны через колошник. Но самое главное происходит в нижней части домны - горне.

Здесь в кожухе домны имеются фурмы - специальные устройства для подачи в печь сжатого горячего воздуха. В фурмах устроены окошки, защищенные стеклами, через которые доменщики могут заглянуть внутрь печи и увидеть, как идет процесс. Чтобы фурмы не сгорели, их охлаждают водой, протекающей по каналам внутри фурм.

Горячий воздух нужен для того, чтобы еще сильнее подогреть шихту перед расплавлением. Это позволяет снизить расход дорогостоящего кокса и повышает производительность домны. Кроме того, для еще большего снижения расхода кокса в домну вводят в качестве источника тепла природный газ или мазут. Воздух перед подачей в фурмы нагревают в высоких башнях, заполненных внутри кирпичом, - воздухонагревателях.

В горне домны сгорает кокс (а также природный газ или мазут), развивая очень высокую температуру - свыше 2000 °C, под действием которой руда полностью расплавляется. Сгорая, кокс соединяется с кислородом воздуха, и образуется углекислый газ. Под влиянием высокой температуры углекислый газ превращается в оксид углерода, который отнимает у железной руды кислород, восстанавливая железо. Стекая вниз через слой раскаленного кокса, железо насыщается углеродом и превращается в чугун. Жидкий чугун скапливается на дне горна, а на его поверхности собирается слой более легкого шлака.

Когда в горне накопится достаточное количество чугуна, его выпускают через отверстия в нижней части горна - летки. Сначала выпускают шлак через верхнюю летку, потом чугун через нижнюю. Далее чугун попадает в канавы, откуда его сливают в большие чугуновозные ковши, стоящие на железнодорожных платформах, и отправляют на дальнейшую обработку.

Если чугун предназначен для изготовления отливок - литейный чугун, - он попадает в разливочную машину, где застывает в виде брусков - чушек. Если же чугун предназначен для передела в сталь (передельный чугун), его транспортируют в сталеплавильный цех. Там он попадает в мартеновские печи, конвертеры или электропечи (см. Электрометаллургия). Из всего количества выпускаемого чугуна примерно 80% приходится на долю передельного.

Первая домна Магнитогорского металлургического комбината, вступившая в строй в 1932 г., имела объем 900 м 3 . В 1986 г. на Череповецком металлургическом заводе начала работать домна «Северянка» объемом 5500 м 3 , одна из самых больших в мире.

Раньше доменные печи выпускали чугун каждые 3–4 ч. С увеличением их объема выпуск чугуна ускорился - каждые 2 ч. Большие домны - объемом 3000 м 3 и более - выпускают чугун практически непрерывно.

В современных гигантских домнах для поддержания горения применяют не только нагретый воздух, но и природный газ вместе с чистым кислородом. Это повышает производительность агрегата, снижает расход кокса, но в то же время затрудняет управление технологическим процессом. Поэтому сейчас в доменных цехах все чаще появляются электронные вычислительные машины. Они анализируют показания многочисленных приборов, контролируют ход процесса, выбирают наилучшие режимы плавки.

Короткий путь http://bibt.ru

§ 5. УСТРОЙСТВО ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

В доменной печи получают различные сорта чугуна из железных руд. Доменные печи, работающие на коксе, называются коксовыми, а работающие на древесном угле — древесноугольными.

Доменная печь — домна (рис. 13) является шахтной печью непрерывного действия. Она имеет форму двух усеченных конусов, сложенных широкими основаниями, между которыми находится цилиндрическая часть, называемая распаром.

Верхняя (узкая) часть печи называется колошником. Колошник имеет засыпной аппарат для загрузки шихты (руды, топлива, флюсов) и газоотводные трубы, по которым из доменной печи отводятся газы, называемые доменными или колошниковыми. Часть печи между колошником и распаром называется шахтой. Часть печи, обращенная усеченным конусом вверх и поддерживающая шихту в распаре вместе с шихтой и колошником, носит название заплечиков. В этой части печи происходит довольно резкое сокращение объема загружаемых материалов в результате выгорания кокса и образования жидких продуктов плавки.

Нижняя часть печи, имеющая форму цилиндра, в которой скапливаются продукты плавки — жидкий чугун и шлак, — называется горном. В горне имеются радиально расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга отверстия (10—16, в зависимости от размера домны). В эти отверстия вставлены из красной меди, бронзы или алюминия трубы с двойными стенками. Эти отверстия носят название фурмы. Через фурмы вдувается вентилятором или воздуходувными машинами нагретый в воздухонагревателях (кауперах) горячий воздух. Фурмы охлаждаются водой, циркулирующей в пространстве между стенками труб.

Рис. 13. Доменная печь с полезным объемом 1300 м 3

Внизу горна расположены отверстия для выпуска чугуна — чугунная летка, и для выпуска шлака — шлаковая летка. 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 настоящее время черная металлургия оснащается в основном крупными высокопроизводительными доменными печами. Современные доменные печи снабжаются устройствами автоматического контроля. Эти устройства контролируют, регулируют и регистрируют основные параметры доменного процесса.

Сейчас полностью автоматизированы такие основные участки работы доменной печи, как подача руды, контроль уровня засыпки шихты, регулирование температуры дутья, влажности воздуха, давления газа, нагрев воздухонагревателей. Ряд приборов показывает содержание углекислоты в колошниковом газе, его температуру и т. д.

В нашей стране строится самая мощная в мире доменная печь объемом более 2000 м 3 и годовой производительностью более 1 млн. т. В этой печи предусмотрена комплексная автоматизация выгрузки. Обычные вагон-весы заменены системой пластинчатых транспортеров. Регулирование количества и запаса шихты, а также режимов загрузки осуществляется программным устройством. Вместо вскрытия чугунной летки электросверлом будет применяться дистанционное управление этим процессом. Разливка чугуна и шлака также механизируется.

Доменный цех представляет собой сложный комплекс тесно связанных технологических и энергетических агрегатов, включающий собственно доменную печь, литейный двор и поддоменник, воздухонагреватели, пылеуловители, колошниковый подъемник, скиповую яму и подъемник коксовой мелочи, бункерную эстакаду, разливочную машину и др. (рис. 5).
Современная доменная печь - это массивное сооружение высотою более 35 м и весом в несколько тысяч тонн. Печь опирается на железобетонный фундамент обычно многогранной формы; нижняя часть (подошва) фундамента заглублена на 6-7 м в грунт. Для таких фундаментов заказывают изготовление анкерных болтов http://metall-78.ru/katalog/ankernye-bolty/ . Надземная часть фундамента (пень), выложенная из огнеупорного бетона, служит основанием лещади (рис 6) Нижняя часть лещади печей объемом 1719 м3 выложена из углеродистых блоков, верхняя - из высокоглиноземистого кирпича. Низ лещади охлаждается воздушными холодильниками. В печах меньшего объема лещадь выложена из шамотного кирпича или углеродистых блоков. Высота кладки лещади 3450-5175 мм.

Ход доменного процесса во многом зависит от профиля печи, т. е. от внутреннего очертания рабочего пространства печи.
Современный профиль доменной печи (рис. 7) обеспечивает плавное и устойчивое опускание загружаемых шихтовых материалов, рациональное распределение газового потока, движущегося навстречу материалам, успешное протекание восстановительных процессов и процессов образования чугуна и шлака, однако все же не является оптимальным. До сих пор еще не выработаны наиболее рациональная высота печи, высота заплечиков, углы наклона шахты и заплечиков. Некоторыми доменщиками оспаривается необходимость заплечиков и цилиндрической части колошника. Отдельные элементы профиля выполняют определенную роль в общем процессе доменной плавки, и от их размеров зависит полнота развития тех или иных процессов.

Верхняя цилиндрическая часть печи - колошник - служит для загрузки шихтовых материалов и для отвода газов. Размеры колошника оказывают существенное влияние на распределение материалов и газового потока. Колошник для предохранения от разрушения загружаемыми материалами футерован несколькими рядами стальных защитных плит, имеющих форму сегментов.
К колошнику примыкает наибольшая по высоте коническая часть - шахта. Конусность шахты благоприятствует опусканию материалов, их разрыхлению и созданию оптимального потока газов. Высота шахты имеет значение для развития восстановительных процессов и шлакообразования. Шахта сопрягается с нижней конической частью - заплечиками - через цилиндрическую часть - распар, который создает более плавный переход, уменьшая возможность задержки шихтовых материалов и образования «мертвого пространства».
Заплечики имеют тонкостенную (345-575 мм) шамотную футеровку и охлаждаются плитовыми ребристыми холодильниками. Толстостенные распар и шахта выполнены также из шамотного кирпича. Для охлаждения в кладку распара и шахты (на 2/3 высоты) заложены коробчатые холодильники. Существуют конструкции доменных печей с тонкостенной шахтой и распаром и охлаждением периферийными плитовыми холодильниками.
Конусная форма заплечиков обусловлена резким уменьшением объема проплавляемых материалов в этой части печи за счет образования жидкого чугуна и шлака и горения кокса в нижней части печи - в горне. Наряду с горением кокса, в горне происходит формирование состава чугуна и шлака, которые накапливаются по ходу процесса в нижней его части.
Горн состоит из металлоприемника, в котором скапливаются чугун и шлак, и верхнего горна, где расположены фурмы, и выложен из шамотного кирпича или углеродистых блоков. Периферия горна и лещади охлаждается плитовыми холодильниками и опоясана сварным стальным кожухом. В нижней части горна на высоте 600-1000 мм от лещади (см. рис. 6) расположена чугунная летка - канал для периодического выпуска чугуна. В промежутках между выпусками чугуна леточное отверстие забивают огнеупорной массой. В больших печах для выпуска шлака устроены две шлаковых летки. Они расположены на разных уровнях выше чугунной летки (на 1,2-1,6 м) под некоторым углом к ней и друг к другу.
Шлаковая летка состоит из полой водоохлаждаемой медной фурмы, которая входит в конический медный холодильник, а он вставлен в чугунный холодильник со змеевиком. Отверстие в шлаковой летке закрыто специальным стопором со стальной пробкой (см. рис. 6).
В верхней части горна по окружности расположены фурмы (до 20 штук), служащие для подачи нагретого воздуха в печь. Горячее дутье от воздухонагревателя через футерованный воздухопровод поступает в кольцевую трубу, опоясывающую доменную печь. Из кольцевой трубы воздух поступает в футерованный рукав и металлическое сопло и через медную водоохлаждаемую фурму (диаметром 175-300 мм) подается в печь. Фурма вставлена в конический холодильник, который входит в амбразуру, плотно прилегающую к кожуху печи (см. рис. 6). Кладка шахты заключена в цельносварной стальной кожух. Внизу, на уровне перехода шахты к распару, он заканчивается опорным кольцом, которое поддерживается колоннами со специальными опорами, передающими нагрузку на несущую плиту фундамента.
Для отвода газов в куполе печи имеются четыре боковых восходящих газоотвода. Вертикальные участки газоотводов соединены попарно в два газоотвода, переходящие в один нисходящий газоотвод, который входит сверху по оси в первичный пылеуловитель. Газоотводы футерованы шамотным кирпичом.
В верхней части доменной печи расположены засыпной аппарат с вращающимся распределителем, копер и колошниковая площадка.
Засыпной аппарат состоит из большого конуса с воронкой, перекрывающего колошник печи, и малого конуса с вращающейся приемной воронкой. Такая конструкция устраняет потери газов в атмосферу и обеспечивает достаточно равномерное распределение материалов по сечению печи.
Конусы подвешены к вертикальным тягам, укрепленным к коротким плечам балансиров. Малый конус укреплен к полой тяге, внутри которой проходит штанга большого конуса. Балансиры соединены с тросом лебедки для маневрирования конусами и служат для подъема и опускания конусов.
Поднятая на колошник шихта из скипа загружается сначала в приемную воронку малого конуса, при опускании его - в воронку большого конуса и далее в печь. Поворотом воронки с шихтой на последовательно увеличивающийся определенный угол при помощи привода с системой передач достигается достаточно равномерное распределение материалов.
Вращающийся распределитель имеет 6, 8, 12 и 24 станции.
После поворота на определенный угол (15-60°) малый конус автоматически опускается, а затем поднимается. Большой конус опускается после того, как набрано необходимое количество скипов (руды, известняка и кокса).
В России и США применяют бесстанционные вращающиеся распределители. Такой распределитель начинает вращаться при подходе скипа к воронке, причем скорость его вращения достигает 30 об/мин к моменту выгрузки скипа. Этим обеспечивается весьма хорошая равномерность распределения шихтовых материалов.
Между внутренними размерами отдельных частей печи практика выработала определенные соотношения:

Эти соотношения научно обоснованы выдающимся советским металлургом акад M.А. Павловым. Им же в 1910 г. разработан метод расчета профиля доменной печи.
Кроме полной высоты, различают также полезную высоту доменной печи, т.е. расстояние от оси чугунной летки до уровня засыпи. Полезная высота определяется механической прочностью кокса; у больших печей она равна 27-29 м. Большое значение для производительности печи имеет полезный объем, т е. объем печи, заполненный шихтовыми материалами и продуктами плавки. В настоящее время наиболее мощные печи имеют полезный объем до 1500-2000 м3, проектируются печи объемом 2700 м3.

25.11.2019

В каждой отрасли, где происходит производство жидкой или вязкой продукции: в фармацевтическом деле, в косметической отрасли, в пищевом и химическом секторах – везде...

25.11.2019

На сегодняшний день обогрев зеркал является новой опцией, позволяющей сохранить чистую поверхность зеркала от горячего пара после приёма водных процедур. Благодаря...

25.11.2019

Штрих код является графическим символом, изображающим чередование полосок чёрного и белого цвета либо других геометрических фигур. Его наносят в составе маркировки...

25.11.2019

О том, как грамотно выбирать топку для камина, задумываются многие хозяева загородных жилых имений, которые хотят создать в своём доме максимально уютную обстановку,...

25.11.2019

И в любительском, и в профессиональном строительстве весьма востребованными являются профильные трубы. С их помощью сооружают способные выдерживать большие нагрузки...

24.11.2019

Спецобувь - часть экипировки рабочего, предназначенная для защиты ног от холода, высоких температур, химикатов, механических повреждений, электричества и т. д....

24.11.2019

Все мы привыкли, выходя из дома, обязательно смотреть в зеркало, чтобы проверить свой внешний вид и лишний раз улыбнуться своему отражению....

Устройство доменной печи

Внутреннее очертание вертикального разреза доменной печи называют ее профилем (рисунок 6), в котором различают колошник 1, шахту 2, распар 3, заплечики 4 и горн 5. Для современных больших печей полезная высота равна 29-32 м. Средний объем печей 1000-3000 м 3 , самая большая печь объемом 5000 м 3 .

Рисунок 6 - Доменная печь: 1 - шихта; 2 - капли чугуна; 3 - шлак; 4 - фурмы для подачи воздуха в печь; 5 - шлаковая клетка; 6 - желоб для выпуска шлака; 7 - жидкий чугун; 8 - желоб для выпуска чугуна; 9 - чугунная летка; 10 - жидкий шлак

Доменная печь заключена в металлический кожух толщиной 20-25 мм в верхней части и 35-40 в нижней, состоящий из ряда цилиндрических и конических поясов. Кожух выполняют цельносварным. С внутренней стороны кожуха находится огнеупорная футеровка, охлаждаемая холодильниками. Материал на колошник подают при помощи транспортера. Основной частью колошникового устройства является засыпной аппарат состоящей из большого и малого конуса с приемной воронкой. Для равномерного распределения шихты малый конус вращается вокруг своей оси, которой опускается в межконусное пространство. Большой конус опускается в доменную печь. Наличие двух поочередно опускающихся конусов обеспечивает герметизацию колошника при загрузке шихты. В нижней части печи находятся фурменные устройства, через которые подается нагретое дутье и добавки газообразного, жидкого или пылевидного топлива. Жидкие продукты плавки непрерывно стекают вниз в горн печи, в которой расположены летки для выпуска чугуна и для выпуска шлака. Через эти летки периодически выпускают продукты плавки. Таким образом, процессы в печи и подача шихты происходят непрерывно, а выпуск чугуна и шлака - периодически.

Засыпной аппарат - устройство для загрузки сыпучих материалов в шахтные печи - доменные, обжиговые и другие (рисунок 7).

Засыпные аппараты применяются главным образом в доменном производстве. Шихта в него подаётся скипами или транспортёрами. 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. Для равномерной загрузки шихты по окружности колошника применяют вращающиеся распределители шихты.

В современных доменных печах на 1 т выплавляемого чугуна образуется 1250-1800 м 3 газа, отводимого из печи через колошник. Доменный или колошниковый газ используют как топливо воздухонагревателей доменных печей, коксовых печей, нагревательных колодцев и печей прокатных станов, котельных установок. На выходе из печи доменный газ содержит от 10 до 40 г/м 3 пыли, а перед подачей в горелочные устройства для предотвращения выхода их из строя (засорение и др.) содержание пыли в нем должно быть не более 5 мг/м 3 , в связи, с чем требуется обязательная его очистка.

Рисунок 7 - 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 большого конуса; 9 - основное кольцо (колошниковый фланец); 10 - штанга большого конуса; 11 - малый конус; 12 - приёмная воронка; 13 - наклонный мост; 14 - скип

Фундамент доменной печи (рисунок 8) служит для равномерной передачи давления печи с загруженными в нее сырьевыми материалами на грунт. Фундамент делится на две: верхнюю наземную - часть 1, называемую пнем, и нижнюю подземную - часть 2, называемую подошвой. Глубина заложения подошвы фундамента зависит от свойства грунта и глубины его промерзания. Размеры подошвы определяются допустимым давлением на грунт. При слабом грунте фундамент приходится опирать на искусственные основания (сван, опускной колодец и др.), чтобы избежать чрезмерных осадок фундамента, нарушающих связь печи с соседними сооружениями и вызывающих в них опасные деформации. Особенно вредны неравномерные осадки, нарушающие работу засыпного аппарата.

Рисунок 8 - Схема фундамента доменной печи

Фундамент доменной печи подвергается интенсивному тепловому воздействию и поэтому должен обладать достаточной термической прочностью, не разрушаясь и не давая трещин при нагреве. Поэтому верхняя часть фундамента выполняется из жароупорного бетона, а нижняя - из обычного. Жароупорность придается бетону применением огнеупорного наполнителя - боя шамота. В качестве связующего применяется портландцемент с тонкомолотыми добавками (молотый шамот или огнеупорная глина). Форма фундамента должна способствовать лучшему сопротивлению температурным напряжениям и равномерному распределению давления на основание.

Нижняя часть колонн крепится к фундаменту печи индивидуально либо на одном мощном опорном металлическом кольце, уложенном в фундамент. Такое опорное кольцо обеспечивает жесткость системы в случае появления трещин в фундаменте. В обоих случаях для снижения давления на фундамент под кольцом устанавливаются башмаки, которые расширяют опорную площадь каждой колонны. На современных печах устанавливают четыре опорные колонны. Для придания большей устойчивости и лучшего доступа к горну колонны устанавливают с некоторым наклоном. Во избежание повреждения при прорывах из горна жидкого чугуна низ колонн по высоте, находящейся в угрожаемой зоне, обкладывают огнеупорным кирпичом.

Металлический кожух доменной печи создает герметичность, которая необходима при работе печи при повышенном давлении газа в рабочем пространстве. В нижней части (под лещадью) кожух печи иногда имеет дно, предназначенное для герметизации печи. Верхняя часть кожуха стягивается литым стальным фланцем, являющимся опорой для засыпного аппарата.

Огнеупорная кладка предназначена для уменьшения тепловых потерь и предохранения кожуха печи от тепловых и других вредных воздействий. Кладка печи претерпевает многообразные воздействия: температурные напряжения, давления газов, шихты и жидких продуктов плавки, химическое воздействие, абразивное воздействие опускающихся шихтовых материалов и восходящего потока газа, несущего большое количество пыли и т.д.

В различных частях печи воздействия на огнеупорную кладку различны, поэтому материал футеровки и конструкцию отдельных частей печи необходимо выбирать с учетом этих воздействий. Футеровка служит для выполнения рабочего пространства при строительстве и ремонтах доменных печей, сохранения его в процессе работы, восприятия давления материалов и газов, уменьшения потерь тепла и тепловых нагрузок на холодильники и кожух. Футеровка работает в тяжелых условиях: высокие температуры, давление газа и материалов, воздействие расплавов чугуна и шлака, различных элементов и соединений.

Основные требования к футеровке следующие: достаточная огнеупорность (способность противостоять высоким температурам не расплавляясь); высокая механическая прочность в нагретом состоянии; незначительная усадка при длительном воздействии высоких температур; низкие пористость и газопроницаемость; точность формы и геометрических размеров; высокая шлакоустойчивость.

Лещадь, являющаяся дном рабочего пространства доменной печи, состоит из довольно емкого массива футеровки и системы охлаждения, заключенных в сплошной металлический кожух.

Заплечики - элемент профиля печи, обеспечивающий желаемый характер схода материалов в горн, главный образом в фурменные очаги, определенное напряженное состояние в столбе шихты, особенно в нижней его части.

В заплечиках, расположенных над горном и расширяющихся к верху, идут конечные стадии процессов плавления, восстановления. Для успешного протекания их объем заплечиков должен обеспечить достаточное время пребывания материалов в этой зоне при соответствующей организации противотока.

Для обеспечения бесперебойной подачи сырьевых материалов в доменные печи необходимо создавать на рудном дворе. Кроме размещения запаса рудный двор используется для усреднения материалов.

Каждую доменную печь горячим дутьем обеспечивают 3- 4 воздухонагревателя. Воздухонагреватели доменной печи представляют собой отапливаемые регенеративные аппараты, назначение которых - обеспечить нагрев дутья до заданной температуры и поддерживать его на заданном уровне.

Внедрение нагрева дутья было важным этапом в развитии доменного производства, обеспечившим существенное снижение расхода топлива и повышение производительности печей. Дутье, нагретое до 150 °С, впервые было применено в 1829 г., что привело к значительному снижению расхода кокса, а главное, к существенному улучшению процессов в печи (более высокий нагрев продуктов плавки, лучшее отделение шлака от чугуна, повышение степени восстановления кремния и марганца). В 1860 г. Е. А. Каупером был впервые применён для нагрева регенеративный аппарат. Разработанная им конструкция воздухонагревателя с внутренней боковой камерой горения (рисунок 9) практически не изменилась до нашего времени и получила повсеместное распространение.

Рисунок 9 - Воздухонагреватель с внутренней камерой горения: 1 - газопровод; 2 - газовый дроссель; 3 - вентилятор; 4 - горелка; 5 - отсекающий дроссель; 6 - штуцер горелки; 7 - люк; 8 - камера горения; 9 - трубопровод горячего дутья; 10 - отделительный клапан горячего дутья; 11 - штуцер горячего дутья; 12 - внутренняя стена камеры горения; 13 - разделительная стена камеры горения; 14 - купол; 15 - подкупольное пространство; 16 - люк; 17 - термопара; 18 - кожух; 19 - радиальная стена; 20 - насадка с зонами из разного огнеупора; 21 - поднасадочная решётка и колонны; 22 - поднасадочное пространство; 23 - дымовой патрубок; 24- дымовой клапан; 25 - термопара; 26 - боров; 27 - трубопровод холодного дутья; 28 - шибер холодного дутья

Высокая эффективность нагрева дутья обеспечила быстрое и широкое его распространение. Вскоре дутье стали нагревать до 350-400, а затем до 500-700 °С. Еще в 40 - х годах 20 века на многих заводах не удавалось поднять температуру дутья выше указанных пределов не потому, что не позволяли технические средства для такого нагрева, а вследствие того, что это вызывало нарушение процесса доменной плавки. Анализ этого явления позволил определить важнейшие факторы, обеспечивающие условия для повышения нагрева дутья, к числу которых относятся:

Замена неподготовленных и особенно пылеватых руд окускованными, т.е. агломератом и окатышами;

Применение повышенного давления газов в печи;

Вдувание в горн газообразных и жидких углеводородов;

Кондиционирование дутья по влаге.

Футеровка воздухонагревателей доменной печи испытывает:

Термические нагрузки, различные по величине и характеру в зависимости от места нахождения в воздухонагревателе. Наибольшими они бывают в кладке стен и, особенно в камере горения, где наблюдаемые перепады температур максимальные;

Механические нагрузки под влиянием собственного веса огнеупоров. При их нагреве образуются также различные сжимающие напряжения в кладке, например в камере горения до 7,8 МП а, в насадке 83-117 кПа;

Воздействие пыли, которое в процессе нагрева незначительно, но резко возрастает при взятии аппарата «на тягу». Пыль и щелочные пары, диффундирующие внутрь кирпичей, способствуют фазовым превращениям, а именно образованию анортита и ганита, а в реакционной зоне - стекловидной фазы, содержащей корунд.

Существенное значение имеют приборы, служащие для непрерывного контроля состава доменного газа. Разработаны и проходят проверку различные схемы автоматического управления доменным процессом, включающие математическую обработку счетно-решающими машинами показаний приборов и автоматизацию отдельных узлов контроля регулирования: распределение потока газа по радиусу колошника, сход шихтовых материалов, тепловое состояние отдельных зон печи, распределение потока газа по окружности печи.

Для каждой доменной печи сооружают индивидуальную систему газоочистки; газ к газоочистным устройствам, располагаемым на нулевой отметке, подают от колошника по наклонному газопроводу (на печи объемом 5000 м 3 их два). Система газоочистки обычно включает несколько последовательно установленных газоочистных аппаратов. На современных отечественных печах, работающих с повышенным давлением газов, применяют две различающиеся схемы газоочистки - с дроссельным устройством, предназначенным для понижения давления газов, и с газовой утилизационной бескомпрессорной турбиной.

Большая часть печей оборудована системой очистки газов с дроссельным устройством, показанной на рисунке 10. От колошниковой части печи газы по наклонному газопроводу поступают, а сухой радиальный пылеуловитель диаметром до 16 м, имеющий сужение вверху и внизу.

Рисунок 10 - Схема системы отвода и очистки доменного газа: 1 - колошниковой части печи; 2 - радиальный пылеуловитель; 3 - безнасадочный скруббер; 4 - трубы Вентури; 5 - газопровод; 6 - дроссельное устройство; 7 - водоотделитель; 8 - листовая задвижка; 9 - коллектор

Газ в него поступает сверху и изменяет направление движения на 180°, а крупные частицы пыли осаждаются в нижнем конусе пылеуловителя, откуда пыль периодически выпускают в железнодорожные вагоны.

Далее газ попадает в безнасадочный скруббер, где частицы пыли захватываются подаваемой через форсунки водой и осаждаются в нижней части скруббера в виде шлама; газ здесь охлаждается до 35-40 °С. Затем газ проходит через нерегулируемые трубы Вентури, где частицы пыли поглощаются каплями воды, которые улавливаются в далее расположенном каплеуловителе.

Окончательная очистка газа происходит в дроссельном устройстве. Последнее предназначено для снижения давления газа и одновременно обеспечивает его очистку, работая как газоочистной аппарат по тому же принципу, что и трубы Вентури. Далее газ проходит через водоотделитель и через листовую задвижку поступает в коллектор (цеховую сеть). По газопроводу газ отводят на колошник для уравновешивания давления в межконусном пространстве.

Чугун выплавляют в доменных печах, представляющих собой шахтную печь. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, газообразными (СO, Н2) и твердым (С) восстановителями, образующимися при сгорании топлива в печи.

Процесс доменной плавки является непрерывным. Сверху в печь загружают исходные материалы (агломерат, окатыши, кокс), а в нижнюю часть подают нагретый воздух и газообразное, жидкое или пылевидное топливо. Газы, полученные от сжигания топлива, проходят через столб шихты и отдают ей свою тепловую энергию. Опускающаяся шихта нагревается, восстанавливается, а затем плавится. Большая часть кокса сгорает в нижней половине печи, являясь источником тепла, а часть кокса расходуется на восстановление и науглероживание железа.

Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество материалов. Современная доменная печь расходует около 20000 тонн шихты в сутки и выдает ежесуточно около 12000 тонн чугуна.

Для обеспечения непрерывной подачи и выпуска такого большого количества материалов необходимо, чтобы конструкция печи была проста и надежна в работе в течение длительного времени. Доменная печь снаружи заключена в металлический кожух, сваренный из стальных листов толщиной 25 – 40 мм. С внутренней стороны кожуха находится огнеупорная футеровка, охлаждаемая в нижней части печи с помощью закладываемых специальных холодильников – металлических коробок, внутри которых циркулирует вода. В связи с тем, что для охлаждения печи требуется большое количество воды, на некоторых печах применяют испарительное охлаждение, сущность которого состоит в том, что в холодильники подают воды в несколько раз меньше, чем при обычном способе. Вода нагревается до кипения и интенсивно испаряется, поглощая при этом большое количество тепла.

Внутреннее очертание вертикального разреза доменной печи называют профилем печи. Рабочее пространство печи включает:

• колошник;
• шахту;
• распар;
• заплечики;
• горн.

Колошник

Это верхняя часть доменной печи, через которую осуществляется загрузка шихтовых материалов и отвод доменного или колошникового газа. Основной частью колошникового устройства является засыпной аппарат. На большинстве доменных печей установлены двухконусные загрузочные устройства. В обычном положении оба конуса закрыты и надежно изолируют внутреннее пространство печи от атмосферы. После загрузки шихты в приемную воронку малый конус опускается и шихта падает на большой конус. Малый конус закрывается. После того, как на большом конусе будет набрано заданное количество шихты, большой конус опускается при закрытом малом конусе и шихта высыпается в печь. После этого большой конус закрывается. Таким образом, рабочее пространство доменной печи постоянно герметизировано.

Шихтовые материалы обычно подаются на колошник печи с одной стороны. В результате, в воронке малого конуса образуется откос. Длительная Работа доменной печи с перекосом уровня шихты недопустима. Для устранения этого явления приемная воронка и малый конус сделаны вращающимися. После загрузки шихты воронка вместе с конусом поворачивается на угол кратный 60, благодаря чему после разгрузки нескольких подач неравномерность полностью устраняется. 0

На современных печах могут устанавливаться более сложные по конструкции засыпные аппараты. Вместо большого конуса устанавливается вращающийся желоб, угол наклона которого может регулироваться. Такая конструкция позволяет изменять место подачи материалов по диаметру колошника.

В процессе доменной плавки образуется большое количество газа, который отводится из колошниковой части печи. Такой газ называют колошниковым. Газ содержит горючие составляющие СO и Н2 и, поэтому, используется как газообразное топливо в металлургическом производстве. Кроме того, проходя через столб шихты, газ захватывает мелкие частицы железосодержащих материалов, образуя так называемую колошниковую пыль. Пыль улавливается в специальных газоочистителях и используется как добавка к шихте при агломерации или получении окатышей.

Шахта

На долю шахты приходится большая часть общей высоты и объема печи. Профиль шахты, представляющий собой усеченный конус, расширяющийся к низу, обеспечивает равномерное опускание и разрыхление шихтовых материалов. Значительная высота шахты позволяет осуществлять тепловую и химическую обработку материалов поднимающимися горячими газами.

Распар

Это средняя цилиндрическая часть рабочего пространства печи, имеющая самый большой диаметр. Распар создает некоторое дополнительное увеличение объема печи и устраняет возможные задержки шихтовых материалов.

Заплечики

Это часть профиля печи, расположенная ниже распара и представляющая собой усеченный конус, обращенный широким основанием к распару. Обратная конусность заплечиков соответствует уменьшению объема проплавляемых материалов при образовании чугуна и шлака.

Горн

Это нижняя цилиндрическая часть печи, где осуществляются высокотемпературные процессы доменной плавки. В горне происходит горение кокса и образование доменного газа, взаимодействие между жидкими фазами, накопление жидких продуктов плавки (чугуна и шлака) и периодический их выпуск из печи. Горн состоит из верхней или фурменной части и нижней или металлоприемника. Подину металлоприемника называют лещадью .

В нижней части горна расположены чугунные и шлаковые летки, представляющие собой отверстия для выпуска чугуна и шлака. После выпуска чугуна летку закрывают специальной огнеупорной массой при помощи так называемой пушки, которая представляет собой цилиндр с поршнем. Перед открытием чугунной летки пушку заполняют леточной огнеупорной массой. После окончания выпуска чугуна пушку подводят к летке, и с помощью поршневого механизма леточная масса выдавливается из пушки и заполняет леточный канал. Для вскрытия чугунной летки служит специальная бурильная машина, которая рассверливает в леточной массе отверстие, по которому выпускают чугун.

Шлаковые летки располагаются на высоте 1500 – 2000 мм от уровня чугунной летки и закрываются с помощью шлакового стопора, представляющего собой стальной шток с наконечником. Выходящие из доменной печи чугун и шлак направляются по желобам в чугуновозные и шлаковозные ковши. В настоящее время шлак в основном выпускается вместе с чугуном и отделяется от чугуна специальным устройством на желобе печи.

Шлак, вытекающий из доменной печи через чугунную летку, отделяется от чугуна на желобе печи с помощью разделительной плиты и перевала, выпол-няющих роль гидравлического затвора. Чугун, имеющий высокую плотность, проходит в зазор под разделительной плитой, а более легкий шлак отводится в боковой желоб.

При необходимости поставки чугуна другим предприятиям его разливают в слитки (чушки) массой 30 – 40 кг на специальной разливочной машине.

В верхней части горна на расстоянии 2700 – 3500 мм от оси чугунной летки по окружности горна с равными промежутками устанавливаются воздушные фурмы, через которые подают в печь нагретое до 1100 – 1300 °С дутье, а также природный газ и другие топливные добавки (мазут, пылеугольное топливо). Каждая доменная печь обеспечивается дутьем от своей воздуходувки. Нагрев дутья осуществляется в воздухонагревателях регенеративного типа, когда под действием тепла сжигаемого газа вначале нагревается насадка воздухонагревателя из огнеупорного кирпича, а затем через нее пропускается воздух, забирающий тепло от насадки. В период нагрева насадки в камеру горения подается газ и воздух для его горения. Продукты сгорания, проходя через насадку, нагревают ее и уходят в дымоход. В период нагрева дутья холодный воздух поступает в нагретую насадку, нагревается, а затем подается в доменную печь. Как только насадка остыла настолько, что воздух не может быть нагрет до заданной температуры, его переводят на следующий воздухонагреватель, а остывший ставят на нагрев. Насадка воздухонагревателя охлаждается быстрее, чем нагревается. Поэтому блок воздухонагревателей доменной печи состоит из 3 – 4 аппаратов, из которых один нагревает воздух, а остальные разогреваются. Профиль доменной печи характеризуется диаметрами, высотами и углами наклона отдельных элементов. Размеры некоторых печей приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Размеры печей

Размеры, мм	Полезный объем печи, м3
	2000	3000	5000
Диаметр:
горна	9750	11700	14900
распара	10900	12900	16300
колошника	7300	8200	11200
Высота:
полная	32350	34650	36900
полезная	29200	32200	32200
горна	3600	3900	4500
шахты	18200	20100	19500

Размеры каждой части печи должны быть увязаны между собой и находиться в определенных соотношениях с размерами других частей печи. Профиль печи должен быть рациональным, при котором обеспечиваются важнейшие условия доменного процесса:

• плавное и устойчивое опускание шихтовых материалов;
• выгодное распределение встречного газового потока;
• благоприятное развитие процессов восстановления и образование чугуна и шлака.

Основными величинами, характеризующими размеры рабочего пространства, являются полезный объем печи и полезная высота. Они включают высоту и объем, заполненные материалами и продуктами плавки. При определении этих параметров за верхний уровень берется отметка нижней кромки большого конуса засыпного устройства в опущенном положении, а нижнем уровнем является уровень оси чугунной летки.