Доменная печь кратко. Доменная печь: как появилась, схема, конструкция и компоненты, как работает

Доменная печь является одним из основных плавильных агрегатов в черной металлургии. Ее главная технологическая задача — выплавка чугуна заданных характеристик и состава. Своим внешним видом доменная печь напоминает башню высотой с тридцатиэтажный дом. С наружной стороны она имеет обшивку из листовой стали, а изнутри ее выкладывают несколькими слоями огнеупорных кирпичей (шамотов). На верхний ярус домны специальными подъемниками доставляется шихта: кокс, который представляет собой спекшийся, чрезвычайно твердый пористой структуры углеродистый продукт высокотемпературной переработки каменного угля, известняковый материал, улучшающий условия плавки. Туда же поднимают подготовленную железную руду. Затем через устройство, которое называется колошником, весь доставленный материал слоями загружается внутрь печи. Снизу через специальные форсунки (фурмы) осуществляется подача топлива и горячей воздушной смеси, обогащенной кислородом и смешанной с природным газом.

Принцип работы

Доменная печь, принцип работы которой основан на высокотемпературном сгорании кокса в атмосфере максимальной насыщенности кислородом, является плавильным агрегатом вертикально-шахтного типа. Для успешности протекания доменного процесса и для того, чтобы шихта хорошо пропускала газовую и воздушную смесь, требуется предварительная подготовка руды. Она заключается в спекании рудного материала в большие коржи или круглые окатыши. Под воздействием собственной массы шихта опускается, проходя практически через всю доменную печь и по пути омываясь газами, выделяющимися при сгорании коксового материала. Основная часть плавильного процесса протекает в горне. Шихта дополнительно нагревается горячим воздухом, что позволяет значительно минимизировать затраты кокса, а также повысить производительность печи.

Из истории доменной печи

Второе тысячелетие до нашей эры можно считать началом зарождения черной металлургии. Сначала для получения железа использовались костры, позже им на смену пришли плавильные ямы, названные сыродутными горнами. В них помещали руду и древесный уголь. Необходимая для поддержания процесса горения воздушная смесь подавалась естественной тягой, которую позже с развитием технологий сменили мехи. Конечно же, такой способ не мог дать качественного металла. Железо имело вид тестообразной массы с обильными вкраплениями шлаков и остатков не полностью сгоревшего древесного угля. Низкое содержание углерода делало металл мягким, изделия из него легко гнулись, быстро тупились и практически не поддавались закалке. С течением столетий процесс выплавки все больше совершенствовался. Так горны начали превращаться в небольшие печи, позволявшие получать более качественный металл. Первая доменная печь появилась в Европе на рубеже XIV — XV вв. Такие агрегаты начали строить в провинции Намюр (Бельгия) и в Англии. В качестве топлива продолжали использовать древесный уголь, что по мере наращивания объемов металлургического производства приводило к вырубке все больших площадей леса. В 1735-м году английским изобретателем Абрахамом Дерби был успешно применен в доменном процессе каменноугольный кокс, не содержавший примесей других типов топлива. Это помогло не только сэкономить значительные лесные ресурсы, но и существенно повысило эффективность и производительность плавильного производства. Современные доменные печи являются сложными и высокотехнологичными сооружениями, которые способны выплавлять в сутки до 5000 — 5500 тонн высококачественного чугуна. Все процессы по подготовке и загрузке шихтового материала в них полностью механизированы.

Устройство доменной печи вертикально-шахтного типа планируется с учетом того, что при увеличении полезного внутреннего объема сооружения повышается также его экономичность. Сейчас все крупные предприятия стараются иметь агрегаты с тоннажем не менее 2000 — 3500 м 3 . Например, на металлургическом комбинате «Криворожсталь» с 1974-го года работает гигант объемом 5000 м 3 . Воздух на таких крупных агрегатах вдувается через 14 — 36 форсунок-фурм. Для нагревания воздушной смеси используются специальные мощные электрические устройства. Каждая крупногабаритная доменная печь промышленного масштаба обслуживается тремя-четырьмя автоматически переключающимися воздухонагревателями. Также работу агрегата обеспечивают многочисленные вспомогательные устройства, к числу которых относятся специальные шихтовые дворы, оснащенные разгрузочно-погрузочными приспособлениями; эстакады бункерного типа с вагон-весами, предназначенными для автоматического взвешивания загружаемых материалов; подъемные механизмы, которые доставляют самоопрокидывающиеся тележки-скипы к загрузочному блоку сооружения. Для нормального функционирования всей системы также предназначаются специальные нагревательные устройства, необходимые при осуществлении процесса высокотемпературного дутья, литейные дворы, чугуновозы, шлаковозы и разливочные машины. По большому счету, современная доменная печь представляет собой своеобразное автоматизированное мини-предприятие, обслуживаемое множеством специалистов самого разного профиля. Такие огромные и сложнейшие производственные структуры являются агрегатами непрерывного действия и работают несколько лет безостановочно до тех пор, пока не произойдет износ внутренней огнеупорной кладки.

13. Доменная печь, ее устройство и работа.

Доменная печь является шахт­ной печью, которую выкладывают в стальном корпусе шамотным кирпичом. У доменной печи выделяют (рис. 7, а) колошник, шахту, распар, заплечики и горн. Черезколошниковый затвор в доменную печь загружают шихту.Шахта имеет форму усеченного кону­са, расширяющегося книзу, что способствует свободному опу­сканию шихты по мере плав­ления. На уровнераспара изаплечиков образуется губча­тое железо, которое затем на­углероживается, плавится и стекает в горн. Заплечики от распара суживаются к горну, поэтому твердая шихта удер­живается в распаре и шахте.

В горне на лещади 6 нака­пливается жидкий чугун. Его плотность 6,9 г/см 3 , а плот­ность шлака около 2,5 г/см 3 , поэтому над чугуном находит­ся слой шлака. Накопившийся шлак периодически выпускают черезлетку 5,Рис. 7

а чугун — через летку 1. Окислительное дутье для горения топлива подается через фурмы4 под давлением до 500 кПа; оно предварительно нагревается в регене­ративных печах — воздухонагревателях. Эти же фурмы используют для подачи в печь природного газа и других топливных добавок (мазута, пылевидного топлива). На колошнике находитсязасыпной аппарат 3 игазоотвод 2 для доменного (колошникового) газа. Глав­ной характеристикой печи является ее полезный объем — внутрен­ний объем, исчисленный по полезной высоте печи.

Доменный процесс. В печи непрерывно движутся: сверху вниз — поток шихты, снизу вверх — поток газов, образующихся при горе­нии топлива и реакциях с составляющими шихты. Сущность домен­ной плавки состоит в восстановлении железа из оксидов в руде, науглероживании железа и ошлаковании пустой породы и золы топлива.

Восстановление оксидов и образование чугуна начинается с вос­становления оксидов железа монооксидом углерода в средней части шахты. При опускании шихты к распару эти реакции развиваются и протекают быстрее:

3Fе 2 О 3 + СО = 2Fе 3 О 4 + СО 2 +dН;

Fе 3 О 4 + СО = ЗFеО + СО 2 -dН;

FеО + СО =Fе + СO 2 +dН.

Науглероживание железа начинается в шахте вслед за его вос­становлением с образованием карбида железа по реакции:

3Fе + 2СО =Fе 3 С + СО 2 .

14. Получение стали в кислородных конвертерах.

В производстве стали широко используют кислородно-конвертерные процесс ы. Стационарный конвертер (рис. 8) имеет два бандажа 4, каждый из которых опирается на два ролика 1. Горловина конвертера имеет симметричную форму. Внутри стального кожуха конвертеры вы­кладываются смолодоломитовым кирпичом. Летка 3 предназначена для слива готовой стали.

Вместимость кислородных конвертеров от 50 до 400 т. Сущность кислородно-конвертерного процесса заклю­чается в том, что загруженную в конвертер шихту про­дувают сверху струей кислорода под давлением до 1,5 МПа. Большое давление кислорода обеспечивает хо­рошее перемешивание металла. В начале продувки окис­ляются кремний, марганец и другие элементы, которые переходят в шлак. После первого периода продувки к
исло­родом (длится 16 мин), фурму подни­мают, наклоняют конвер­тер, сливают шлак и берут пробу металла. В конвер­тер добавляют известь, ставят его вновь в верти­кальное положение, вво­дят фурму и начинают второй период продувы кислородом. Во второй пе­риод продувки продолжа­ются реакции окисления примесей, выгорает угле­род, идут реакции шлако­образования и другие физико-химические процессы. В конце второго периода продувки в конвертер вводят часть раскислителей. После удаленияРис. 8

фурмы конвертер наклоняют, берут контрольную пробу стали и выпускают сталь в разливоч­ный ковш, где завершается процесс ее раскисления фер­ромарганцем, ферросилицием или комплексными раскислителями.

Общая продолжитель­ность составляет 40. 60 мин, а продолжительность продувки кислородом — 18. 30 мин. Преимущества: хорошее качество, высокая производительность и меньшая себестоимость. Недостат­ок: боль­шой угар металла (6. 9%).

Несмотря на большое количество синтетических и полимерных материалов, получивших большое распространение в современной промышленности и в быту, использование сплавов железа не уступает пальму первенства. Самые ответственные детали, механизмы, инструменты и прочие узлы изготовлены из различных марок и видов металла, обладающих необходимыми свойствами для решения поставленных задач. Активные поиски полноценной замены металлическим сплавам пока не имеют успеха, поскольку разница в свойствах материалов слишком велика. Развитие металлургии не останавливается, появляются новые технологии и методики изготовления высокопрочных и твёрдых материалов. При этом не забыты и старые, традиционные методы выплавки металлов, отработанные веками и детально изученные многими поколениями металлургов. Рассмотрим устройство доменной печи — одной из наиболее старых конструкций для производства литейного чугуна, которая активно применяется и по сей день.

История

Необходимость совершенствования технологии выплавки железа возникла давно. Легкоплавкие руды, расположенные практически на поверхности земли, не отличались большими объёмами и быстро были израсходованы. Существующая методика выплавки была несостоятельна и не позволяла работать с тугоплавкими рудами. Появилась необходимость в усовершенствовании существующего оборудования и технологии. В первую очередь требовалось увеличить размеры печей и значительно усилить режим наддува.

Первые упоминания о конструкциях, аналогичных доменным печам, обнаружены в Китае. Они относятся к IV веку. В Европе появление доменных печей относят к XV веку, до этого использовались так называемые сыродутные печи. Непосредственным предшественником домны являлся каталонский горн, который использовал технологические приёмы, близкие к методике доменного производства. Его отличительными чертами были:

• Непрерывный процесс подачи шихты;
• Использование мощных установок подачи воздуха с гидравлическим приводом.

Доменная печь XIV века

Объём каталонского горна составлял всего 1 м³, что не позволяло получать больших объёмов продукции. В XIII веке в европейском княжестве Штирия был создан штукофен, увеличенный и усовершенствованный вариант каталонского горна. Он имел около 3,5 м в высоту и два технологических отверстия — нижнее для подачи воздуха, верхнее для извлечения крицы (сыродутного железа). Штукофен выдавал три вида железных полуфабрикатов:

• Сталь;
• Ковкое железо;
• Чугун.

Разница между ними заключалась в содержании углерода — больше всего его было в чугуне (больше 1,7%), в стали его было меньше 1,7%, а в ковком железе содержание составляло 0,04%. Высокий уровень содержания углерода оценивался негативно, так как чугун нельзя ковать, сваривать, из него сложно изготавливать оружие.

Это важно! Первоначально чугун был отнесён к отходам производства, так как не поддавался ковке. Отношение к нему изменилось только после начала вторичной переплавки, которое стали делать из-за нехватки легкоплавких руд. Передельное железо, полученное из чугуна, имело более высокое качество, что послужило стимулом к расширению переделочного процесса.

Дальнейшее наращивание мощностей и совершенствование технологии послужили толчком к возникновению блауфена, имевшего высоту уже около 5–6 м, способного к выплавке чугуна и железа одновременно. Он уже практически являлся доменной печью, хоть и несколько уменьшенной, упрощённой конструкции. Утвердился двухступенчатый процесс, когда первой стадией было получение чугуна, а второй — выплавка из него железа при усиленном наддуве.

Появление первых доменных печей в Европе относится к концу XV века. Почти сразу подобные конструкции появились в Англии, а в США первые домны созданы гораздо позже — в 1619 году. Первую домну в России на своей мануфактуре в Туле построил А. А. Виниус. Процесс состоял из следующих этапов:

Железо извлекали со дна горна и проковывали, удаляя жидкий шлак, уплотняя чушки. При таком способе выход готового железа составлял около 92 % от изначального веса чугуна, а его качество значительно превышало показатели кричного продукта.

Серьёзной проблемой стал топливный кризис. Для плавления руды использовался древесный уголь, что привело к истреблению лесов. Проблема выросла до таких размеров, что в Англию ввозили металл из Европы, а позже — и из России в течение 2 веков. Оказалось, что лес растёт медленнее, чем горит. Попытки использования каменного угля показали, что в нём содержится большое количество серы, существенно снижающей качество металла. Было произведено множество опытов, не увенчавшихся успехом.

Это интересно! Решение было найдено только в 1735 году английским металлургом А. Дерби II, который нашёл способ превращения угля в кокс. С этого времени топливная проблема была преодолена, и процесс получил новый толчок к развитию.

Следующим революционным открытием стал нагрев воздуха, используемого для наддува. Он позволил заметно снизить расход каменного угля до 36 %. Появились специальные требования к сортности, качеству металла по содержанию марганца, кремния, фосфора. Технология и конструкция печей совершенствовались, дополнялись, понемногу приходя к современному виду.

Устройство и принцип работы

Доменная печь представляет собой вертикальную конструкцию шахтного типа, напоминающую конус, расширяющийся книзу. Высота печи может достигать 70 м, рабочий объём — 2700 м³. Суточная производительность домны таких размеров достигает 5000 т чугуна. Основной особенностью работы доменных печей является непрерывность процесса. Работа ведётся круглосуточно и не прекращается до момента капитального ремонта или демонтажа печи, что может занимать период от 3 до 15 лет. Если работу остановить и оставить печь без топлива, произойдёт так называемое «закозление», застывание материалов, находящихся внутри. Запустить вновь печь, остановленную нештатным способом, невозможно. Такая специфика заставляет специалистов постоянно заботиться о соблюдении режима работы установки, но и позволяет получить максимальную производительность.

Материалы, необходимые для реализации доменного процесса:

• Каменноугольный кокс (топливо);
• Железная руда (агломерат, окатыши);
• Флюс (песок, известняк и другие необходимые материалы, организующие подъём шлаков вверх).

Месторождений железной руды, качество которой позволяет без предварительной обработки использовать её в процессе плавки, в мире осталось очень мало. Поэтому в большинстве случаев используется специально подготовленное сырьё — агломерат или окатыши, представляющие собой комки обогащённого рудного материала. Они имеют форму округлых гранул (окатыши) или частиц неправильной формы (агломерат) размером 2–5 см.

Схема устройства доменной печи

Конструкция печи представляет собой массивную вертикальную башню, изнутри выложенную шамотным (огнеупорным) кирпичом. Она установлена на прочном фундаменте, поднятом над нулевым уровнем на определённую высоту. Верхняя, жароустойчивая часть основания называется пнём. Верхушка фундамента имеет горизонтальную площадку — лещадь, которая принимает на себя все динамические и температурные нагрузки, в связи с чем имеет водяное охлаждение. Печь снаружи защищена прочным металлическим кожухом, толщина которого составляет 4–6 см.

Внутренняя часть печи представляет собой конусообразную башню, состоящую из нескольких участков:

• Шахта (или тахта). Конусообразная часть башни, понемногу расширяющаяся книзу.
• Распар. Самая широкая (средняя) часть башни, в которой происходит начало процессов шлакообразования и плавления сырья. Температура в этом участке составляет от 1400°.
• Заплечики. Относительно короткий участок в виде конуса, сужающегося в нижней части. В нём происходит окончательное плавление металла. Температура в этом участке составляет 1600–1900°.
• Горн. Нижняя часть башни, где расположены отверстия для подачи воздуха (фурмы). Там же располагаются чугунная и шлаковая летки (отверстия для выпуска чугуна и шлака). Днище горна — это верхняя часть фундамента (лещадь).

С помощью засыпного аппарата в колошник подаются шихта и флюс. По мере расплава и вывода чугуна и шлака материалы опускаются вниз, а их место занимают новые порции. Газы, образующиеся во время протекания химических процессов, выводятся посредством трубопроводов, размещённых в колошниковой части башни. Они имеют высокую температуру и используются для нагрева свежего потока, поступающего в домну для наддува. Нагрев производится в кауперах — установках, осуществляющих забор свежего воздуха, нагрев в теплообменных устройствах и подачу горячего воздуха в печь.

Схемы доменной печи

Устройство доменных печей и производственный процесс выплавки практически одинаковы во всех странах и принципиальных различий не имеют. Но имеются разные схемы несущих конструкций, обладающие собственными особенностями и спецификой.

Особенности схем разных конструкций печей

1. Шотландская схема (а). Колошник установлен на специальные несущие конструкции, называемые основными колоннами. Как правило, их количество соответствует числу фурм. Это делается для удобства работы и обслуживания воздухоподающих отверстий. Если использовать другие варианты размещения, то фурмы придётся располагать неравномерно, что скажется на режиме наддува и общем качестве металла. Недостатком этой схемы является возможность передачи вибрации с погрузочных устройств на конструкцию печи. Кроме того, существуют трудности в проведении срочных ремонтных работ или реконструкций. При этом такая печь обходится дешевле и обладает меньшей массой, что сокращает время постройки.
2. Немецкая (б). Колошник установлен на собственные опоры (колонны). Это улучшает качество обслуживания горна, но создаёт возможность образования чрезмерных напряжений в зоне заплечиков из-за нагрузок от веса башни. Усиление конструкции образует проблемы с доступом к заплечикам, что сказывается на режиме и качестве работ.
3. Комбинированная (в). В этом варианте схемы напряжения на заплечиках снижены, но это сделано за счёт более сложного обслуживания участка горна. При этом данная схема обеспечивает высокую прочность кожуха, который продолжает эффективно функционировать даже при наличии заметных трещин. Такая особенность схемы по достоинству оценена специалистами, работающими на сырьё с большим процентным содержанием цинка. Он образует излишнее давление на стенки башни, увеличивая частоту капитальных ремонтов.
4. Японская (г). Несущими конструкциями являются 6 колонн, снабжённых кронштейнами. Несмотря на повышенную несущую способность, отмечаются заметные недостатки — дисбаланс нагрузок увеличивает вес опор, диаметр воздуховода увеличен по сравнению с другими вариантами схем, что способствует возрастанию нагрузок на фурменное оборудование. Дополнительным недостатком считается сложность организации напольного транспорта в зоне горна.
5. Американская (д). Схема отличается наличием 4 несущих колонн. Преимуществами являются пониженная вибрация, возникающая при работе загрузочных механизмов, а также значительно улучшен доступ к участку леток и фурм.

Указанные схемы разрабатывались и совершенствовались в разных условиях, что и стало причиной появления некоторых различий в конструкции. Тем не менее, все они вполне успешно эксплуатируются и дают продукцию высокого качества.

Доменная печь своими руками

Самостоятельное изготовление доменной печи на первый взгляд кажется нелепой затеей. Вряд ли кому-то придёт в голову организовать на своём участке миниатюрный металлургический цех. Причин этому несколько:

1. Отсутствие сырья. В мире осталось всего 2 месторождения с богатой рудой — в Бразилии и в Австралии. Купить окатыши или агломерат практически невозможно — их нет в свободной продаже, все поставки идут через сырьевые биржи и исчисляются тысячами тонн.
2. Получить разрешение на строительство миниатюрного металлургического производства невозможно. Чёрная металлургия — источник значительных экологических проблем, поэтому ни один чиновник не рискнёт дать разрешение на подобную затею.
3. Соседи завалят жалобами все инстанции, поскольку постоянный дым и чад сделают их жизнь невыносимой.

Указаны только самые основные причины, в действительности их гораздо больше. Использование доменной печи для производства металла в условиях частного дома исключено.

Однако если учесть специфику работы домны, в частности — непрерывный режим горения, то можно использовать её для обогрева помещений. Это эффективное решение для подачи тепла как в жилые, так и в служебные помещения — гараж, теплицы, вспомогательные постройки и т. д. В отличие от обычной твёрдотопливной печи, где надо часто загружать топливо, а КПД довольно низок, домна обеспечивает ровное тление материала в течение 15–20 часов. Это получается благодаря ограниченному поступлению воздуха, не позволяющего топливу активно гореть и растягивающему процесс на длительный срок.

Доменную печь можно сделать самостоятельно

Печь обычно делают из металлической бочки. Аккуратно вырезают днище (оно ещё понадобится), устанавливают бочку на заранее изготовленный фундамент. Вырезанный круг усиливают отрезками швеллера для придания большего веса — он будет придавливать топливо, способствуя компактному размещению и эффективному тлению. Вырезают отверстие под дымоход, обычно хватает трубы диаметром 10 см. Затем надо из листа металла вырезать крышку для бочки, так как днище уже использовано как гнёт для топлива. Вырезается круг соответствующего размера, тщательно приваривается к бочке. В нём также делается отверстие для трубы. В нижней части бочки вырезается отверстие для дверцы, через которое будет производиться закладка топлива. Под ней можно сделать дополнительную дверцу для удаления золы.

Дымоход приваривается сверху, длина его прямой части (до первого колена) должна превышать диаметр бочки (в идеале — гораздо больше). При работе печь сильно нагревается, поэтому многие обкладывают её кирпичом или создают теплоотражающий экран. Оптимальный режим работы находят опытным путём. Необходимо соблюдать меры пожарной безопасности, в идеале для такой печи надо выделить отдельное помещение без горючих предметов.

Видео: рождение стали

Доменная печь — одна из самых старых и проверенных конструкций. Её эффективность проверена временем, технологические приёмы и методики тщательно изучены и отработаны. Возможности домны таковы, что эксплуатация подобных устройств будет длиться ещё очень долго, конструкции и технологии будут совершенствоваться.

Выплавка чугуна в промышленных масштабах невозможна без габаритных, сложных и мощных печей. Доменная печь – вертикальное сооружение шахтного типа, в котором железную руду переплавляют в полезный металл. Устройство доменной печи подразумевает непрерывную работу конструкции в течение 3-12 лет, вплоть до капитального ремонта.

Рисунок 1. Доменная печь

Устройство домны

Современная печь – это огромная конструкция весом до 35000 т и высотой до 40 м. Чтобы многолетняя выплавка без простоев была возможной, печь должна быть прочной и надёжной. Снаружи устройство покрыто стальным кожухом – основа облицована толстыми листами (до 4 см).

Изнутри расположена огнестойкая футеровка. Она нуждается в постоянном охлаждении, поэтому внизу монтируют металлоёмкости, в которых циркулирует вода. Поскольку жидкости нужно очень много, иногда применяют охлаждение испарением. Суть метода – в испарении кипящей воды, активно поглощающей при этом тепловую энергию.

Рисунок 2. Устройство доменной печи

Печь представляет собой сооружение, состоящее из множества элементов. Основные представлены:

• колошником ();
• распаром;
• шахтой;
• горном;
• заплечиками.

Колошник

Это верхний элемент, который служит для загрузки сырья (шихты) и отвода отработанных газов. Главная часть колошника – засыпной агрегат. В большинстве случаев аппараты для засыпки шихты двуконусные. Между засыпками оба конуса прикрыты. После подачи сырья меньший элемент опускается, и железная руда попадает в больший. Как только набирается необходимая порция, малый конус закрывается, из большого руда попадает в печь. После этого герметизируется и крупное устройство.

Более продвинутые домны имеют улучшенную конструкцию колошника. Роль большого конуса играет вращающийся желоб с регулируемым углом наклона. Благодаря этому возможна засыпка сырья с любой стороны.

Колошник служит и газоотводом. В процессе выплавки образуется огромное количество газа. Вместе с ним удаляется и железосодержащая пыль, которую улавливают газоочистители.

Рисунок 3. Схема доменного производства

Шахта

Шахта занимает большую часть печного пространства. Конструкция, расширяющаяся книзу, представляет собой усечённый конус. Благодаря этому подача шихты происходит равномерно. Доменная печь – сооружение вертикальное и достаточно высокое. Это необходимо для обеспечения хим- и термообработки сырья нагретыми газами.

Распар

Элемент в форме цилиндра расположен в средней части рабочей доменной зоны. Для распара характерен наибольший диаметр. Назначение конструкции – увеличение печного пространства и ликвидация ненужного сырья. Здесь образуется пустая порода.

Заплечики

Укороченный конусообразный вариант распара – усечённый компонент обращён широкой частью вверх. С помощью заплечиков снижают объём выплавляемой шихты при производстве чугуна.

Основная часть, в которой и происходит выплавка металлов. Здесь горит кокс и образуется газ, накапливается шлак и чугун и происходит регулярный выпуск жидкого металла из конструкции. Состоит горн из фурменной зоны и металлоприёмника. Через фурмы, посредством воздухонагревателя и кольцевого воздуховода, в печь поступает горячий воздух. Он необходим для горения топлива. Дно металлоприёмника называется лещадь.

Внизу горна находятся шлаковые и чугунные летки – отверстия, через которые проходит расплавленный металл. После выпуска чугуна отверстие закрывают с помощью поршневого механизма огнеустойчивой массой.

Шлаковые отверстия находятся на 1,5-2 м выше чугунных леток. Их закрывают с помощью стальных штопоров с наконечниками. От чугуна шлак отделяется посредством агрегата, расположенного на печном желобе. Обе составляющие подаются в специальные ковши.

Всё это гигантское сооружение имеет огромную массу. Такой вес необходимо передавать грунту равномерно. Поэтому домну устанавливают на массивном бетонном фундаменте, толщина подошвы которого может достигать 4 м. Подошва служит опорой колоннам, на которые, в свою очередь, опираются металлоконструкции. Верхнюю фундаментную часть выполняют из жаростойкого бетона в формате монолитного цилиндра.

Давление огромной массы на грунт компенсируется устройством мощного фундамента

В таблице представлена взаимосвязь размеров некоторых современных печей.

Дополнительные печные элементы

Функционирование печи требует работы вспомогательных устройств. Среди них:

• воздухонагреватели; крупные элементы башенного типа располагают рядом с печью; в них поступает колошниковый газ, который затем сгорает; благодаря этому образуется ещё более горячий газ, посредством сложной системы нагревающий воздух; последний – нагретый до температуры, как минимум, 1000 градусов – идёт в ход для выплавки чугуна;
• воздуходувные машины; сжатый воздух необходим для топливного горения; в печь воздух поступает благодаря устройствам, образующим давление порядка 25 МПа;
• устройства для подъёма и засыпки шихты;
• газоочистители для очистки колошниковых газов;
• прочие вспомогательные устройства – например, мостовые краны, которыми оборудованы литейные дворы.

Современные печи оснащаются системами автоматики. Компьютеризация позволяет контролировать и регулировать основные параметры, связанные с функционированием домны. Под контролем уровень засыпки сырья, давление газа, температура дутья и т. п.

Современные домны даны на откуп автоматике. Компьютер контролирует основные производственные процессы

По какому принципу работает доменная печь?

Принцип работы доменной печи основан на сложных физико-химических процессах. Выделяют такие операции:

• сгорание топлива;
• восстановление железа;
• разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид;
• насыщение железа углеродом;
• плавка металла;
• плавление шлака и др.

В самом общем смысле доменная плавка – это производство чугуна из железорудного сырья. Главные материалы, с помощью которых возможна выплавка чугуна:

• топливо – кокс;
• железная руда – сырьё, из которого выплавляют чугун;
• флюс – спецдобавки из песка, известняка и некоторых других материалов.

В печи шихта попадает в виде мелкопородных сплавленных кусков – окатышей или агломератов. В качестве рудного вещества могут выступать марганцевые руды или различные вариации железняка. Сырьё засыпают в колошник слоями, чередуя с пластами флюса и кокса.

Назначение флюса – отделение чугуна от примесей и пустой породы (шлака)

Шлак всплывает на поверхности раскалённого чугуна. Примеси сливают до того, как жидкий металл застынет.

Подача сырья, как и работа печи, должна быть непрерывной. Постоянство процесса обеспечивают специальные транспортёры. Попадая через описанные элементы в горн, шихта проходит через ряд технологических процессов.

Рисунок 6. Схема домны

Сгорающий кокс даёт требуемую температуру, которая не должна опускаться ниже 2000 градусов. Горение способствует соединению кислорода и каменного угля. Параллельно образуется углекислый газ. Под влиянием высокой температуры последний становится оксидом углерода. Благодаря этому восстанавливается железо.

Восстановление железа – один из важнейших производственных этапов. Без этого процесса невозможно обретение металлом необходимой прочности.

Чугун становится таковым после того, как железо пройдёт через расплавленный кокс. Чтобы результат стал возможным, железо должно насытиться углеродом. К чугунам относят сплавы, в составе которых на долю углерода приходится 2-5%.

После того, как готовый металл накопился в горне, его выпускают через летки. Через верхнее отверстие сначала выпускают шлак, а после – через нижнее – чугун. Последний сливается по каналам в ковши и отправляется на последующую обработку.

Заключение

Доменная печь – одна из самых важных составляющих чёрной металлургии. В современных реалиях домны обычно «встроены» в металлургические комбинаты. Средняя печь способна ежедневно выдавать около 12000 т чугуна, расходуя при этом приблизительно 20000 т исходного сырья.

Тема 1. Общая схема доменного процесса 1

1.1. Цели и задачи доменного процесса 1

1.2. Устройство доменной печи 2

1.3. Общая схема работы доменной печи 5

1.3.1. Шихтовые материалы 5

1.3.1.1. Железорудные материалы 6

1.3.1.3. Твердое топливо 8

1.3.2. Комбинированное дутье 9

1.3.3. Продукты доменной плавки 10

1.3.3.3. Колошниковый газ 11

1.4. Показатели работы доменной печи 13

1.5. Доменные чугуны 14

1.5.1. Классификация чугунов по назначению. 14

1.5.2. Химический состав передельных, литейных и специальных чугунов. 15

1.5.2.1. Передельные чугуны 15

1.5.2.2. Литейные чугуны 17

1.5.2.3. Специальные чугуны. 19

Общая схема доменного процесса

Цели и задачи доменного процесса

Для того, чтобы иметь полное представление о доменном процессе и в целом о доменном производстве, необходимо первоначально познакомиться с общей схемой. Это позволит затем рассматривать отдельные элементы, имея представление об их месте в общем комплексе разнообразных процессов, протекающих в доменной печи, и общей технологической схеме производства чугуна.

Целью доменного производства является получение высококачественного чугуна (заданного состава с низким содержанием примесей) с наименьшими топливно-энергетическими затратами и максимальной (заданной) производительностью. Требование минимальных топливно-энергетических запасов станет более очевидно при рассмотрении общей схемы доменного производства, объемов производства, расходов сырья на производство 1 тонны продукции и цен на сырье.

Основной продукт доменной плавки – чугун. Следует отметить, что существуют также технологии доменной плавки, основным продуктом которых является шлак. Например, продукт бокситной плавки – шлак, используется для получения высококачественного бетона.

Устройство доменной печи

Основным агрегатом для извлечения железа из железных руд является доменная печь.

По принципу работы доменная печь относится к плавильным печам шахтного типа, печам, рабочее пространство которых вытянуто по вертикали, а горизонтальное сечение – окружность. Течение процессов в шахтных печах основано на противотоке материалов и горячих газов.

Очертание рабочего пространства печи в вертикальном осевом сечении называется профилем. Профиль печи в зависимости от их геометрического очертания и технологического назначения делится на пять частей (рис. 1.1 -1).

Верхняя часть печи, имеющая цилиндрическую форму, называется колошником (К). Колошник доменной печи оборудован колошниковым устройством. Колошниковое устройство представляет собой комплекс металлоконструкций, различного назначения и включает в себя устройства для подачи и загрузки материалов в печь, газоотводы для равномерного отвода газов из печи (не менее 4), устройства для производства ремонтных и монтажных работ. Засыпной аппарат загрузочного устройства доменной печи служит для загрузки и распределения материалов в доменной печи. При этом он герметично закрывает печь и изолирует ее внутренне пространство от атмосферы.

Рис. 1.1‑1. Доменная печь

сновной частью печи по объему является шахта (Ш), представляющая собой усеченный конус. Наиболее широкая часть печи, имеющая форму цилиндра, распар (Р) переходит в заплечики (З) в форме обратного усеченного конуса.

Нижняя часть печи, имеющая форму цилиндра, называется горном (Г). Горн в свою очередь подразделяется на верхний и нижний горн или фурменную зону и металлоприемник, соответственно. В верхней части горна имеется большое число (30…40) равномерно распределенных по окружности фурменных отверстий (Ф), через которые из кольцевого воздухопровода 5 в печь через специальные приборы – фурмы подают дутье. Подину металлоприемника называют лещадью. Часть металлоприемника ниже чугунной летки носит название зумпфа или “мертвого” слоя. Эта зона, заполненная жидким металлом, защищает лещадь от высокотемпературных процессов, протекающих в горне. Нижний горн оборудован чугунными и шлаковыми летками – устройствами для выпуска чугуна и шлака. Летки для выпуска чугуна делают в стенке горна над зумпфом в виде прямоугольных каналов размеров 250…300 х 450…500 мм, в которых высверливают отверстия в углеродистой футеровке металлоприемника диаметром 50…60 мм. Отверстие для отработки верхнего шлака – шлаковую летку, делают в горне на отметке, определяемой при расчете профиля печи. Диаметр шлаковой летки обычно составляет 50…65 мм в зависимости от диаметра горна печи.

Такая конфигурация рабочего пространства сложилась в процессе совершенствования технологического агрегата, и создает наиболее благо­приятные условия для протекания аэродинамических и физико-химических процессов.

Доменная печь снаружи заключена в металлический кожух, состоящий из ряда цилиндрических и конических поясов. Металлоконструкции печи опираются на фундамент, который служит для равномерной передачи дав­ления печи с загруженными в нее сырыми материалами на грунт.

Внутренняя часть печи выложена огнеупорным кирпичом, сохранность которого в течение нескольких лет эксплуатации обеспечивается системой охлаждения. Огнеупорная кладка служит для уменьшения тепловых потерь и предохранения кожуха печи от различных воздействий: температурные напряжения, давление газов, шихты и жидких продук­тов плавки, химическое воздействие, абразивное воздействие опускаю­щихся шихтовых материалов и восходящего потока газа, несущего большое количество пыли, и т. п.

Размеры составных частей доменной печи определяют ее рабочее пространство, так называемый ее полезный объем. Полезный объем равен объему печи от оси чугунной летки до засыпного устройства в его крайнем опущенном положении. Расстояние от этого уровня до оси чугунной летки, называется полезной высотой печи. Эти параметры профиля печи: полезный объем печи и полезная высота печи, а также соотношения диаметров колошника, распара и горна определяют конфигурацию профиля печи и являются ее характеристикой.

Размеры средней доменной печи объемом 2002 м 3 .

Доменная печь установлена на фундаменте (железобетонный армированный массив, рассчитанный на огромные нагрузки, жароупорный бетон) высотой до 10 м. Учитывая размеры колошникового устройства — до 15…18 м, можно представить, что доменная печь является очень серьезным сооружением высотой порядка 60 м.

Самая большая доменная печь – ДП № 5 ЧерМК. Ее объем – 5580м 3 , полезная высота – 33,5 м, диаметр распара – 16 м.

Современная доменная печь – это сложнейший технологический комплекс, включающий в себя непосредственно доменную печь, а также основное и вспомогательное оборудование, назначение которого определяется технологическими задачами доменного производства.

Что представляет собой современная доменная печь. Для чего нужна доменная печь? Конструкция доменной печи, принцип работы и устройство

© При использовании материалов сайта (цитат, изображений) указание источника обязательно.

Наше время как только не называли: веком атома, космоса, пластиков, электроники, композитов и т.д., и т.п. На самом деле наш век пока все-таки железный – его сплавы все еще составляют ядро техники; остальное хоть и очень мощная, но периферия. Путь железа в конструкции, изделия и сооружения начинается выплавкой чугуна из руды в доменной печи.

Примечание: богатых железных руд, непосредственно после добычи пригодных на выплавку, в мире почти не осталось. Теперешние доменные печи работают на обогащенном агломерате и окатышах. Далее в тексте под рудой подразумевается именно такое сырье для черной металлургии.

Современная доменная печь (домна) – грандиозное сооружение высотой до 40 м, весом до 35 000 тонн и рабочим объемом до 5500 куб. м, выдающее за одну плавку до 6000 тонн чугуна. Обеспечивает работу домны сонм систем и агрегатов, занимающих площадь в десятки и сотни га. Все это хозяйство выглядит внушительно и в останове при потушенной домне в пасмурный день, а в работе просто феерически. Выпуск чугуна из домны также зрелище захватывающее, хотя в современных доменных печах он уже не походит на картину из дантова ада.

Основной принцип

Принцип работы домны заключается в непрерывности металлургического процесса на весь срок эксплуатации печи до очередного капремонта, который производится раз в 3-12 лет; общий срок службы домны может превышать 100 лет. Доменная печь шахтная: сверху в нее периодически погружают порциями (колошами) шихту из руды с известняковым флюсом и кокс, а снизу также периодически выпускают расплавленный чугун и сливают расплав шлака, т.е. столб исходных материалов в шахте домны постепенно оседает, превращаясь в чугун и шлак, а сверху его наращивают. Однако путь черной металлургии к этой вроде бы несложной схеме был долог и труден.

История

Железный век сменил бронзовый главным образом вследствие доступности сырья. Сырое железо много уступало бронзе во всем прочем, включая трудоемкость и себестоимость; последние, впрочем, во времена рабства мало кого волновали. Но болотную руду, представляющую собой почти чистую гидроокись железа, или богатую горную железную руду, в древности можно было найти повсюду, в отличие от месторождений меди и – особенно – олова, необходимых для получения бронзы.

Первое железо из минерального сырья было получено, судя по данным археологии, случайно, когда в медеплавильную печь загрузили не ту руду. При раскопках древнейших плавилен возле печей иногда находят явно выброшенные куски железной крицы (см. ниже). Дефицит сырья заставил приглядеться к ним получше, ну, а соображали древние в общем не хуже нас.

Вначале железо из руды получали т. наз. сыродутным способом в печи-домнице (не домне!). Восстановление Fe из окислов при этом происходило за счет углерода топлива (древесного угля). Температура в домнице не достигала точки плавления железа в 1535 градусов Цельсия, и в результате процесса восстановления в домнице утверждалась масса губчатого железа, перенасыщенного углеродом – крица. Чтобы извлечь крицу, домницу приходилось ломать, а затем уплотнять крицу и буквально выколачивать из нее избыточный углерод, долго, сильно и упорно проковывая тяжелым молотом. С тогдашней точки зрения, плюсами сыродутного процесса была возможность получать крицу в очень маленькой печи и высокое качество кричного железа: оно прочнее литого и плохо поддается ржавлению. Как получают железо сыродутным способом, см. видео ниже.

Видео: выплавление железа сыродутным способом

Китай первым, намного раньше остальных стран, перешел от рабства к феодализму. Рабский труд в производстве там перестал применяться и товарно-денежные отношения начали развиваться, еще когда на Западе прочно стоял Древний Рим. Сыродутный процесс сразу стал нерентабельным, но вернуться к бронзе уже нельзя было, ее просто не хватило бы. Роль флюса в облегчении выплавки из руды металла была известна еще в бронзовом веке, для плавки железа требовалось только усилить наддув, и китайцы путем проб и ошибок к IV в. н. э. научились строить доменные печи с наддувом мехами, приводимыми в движение водяным колесом, слева на рис.

К идентичной конструкции во второй половине XV в. пришли немцы, справа на рис. Вполне самостоятельно: историки прослеживают непрерывный ряд усовершенствований от домницы через штукофены и блауофены к домне. Главное, что внесли в черную металлургию немецкие металлурги – пережигание высококачественного каменного угля в кокс, что намного удешевило стоимость топлива для домны.

Страшным врагом первоначального доменного процесса было т. наз. закозление, когда вследствие нарушения режима дутья или недостатка углерода в шихте в печь «садился козел», т.е. шихта спекалась в сплошную массу. Чтобы извлечь козла, домну приходилось ломать. Показателен такой исторический пример.

Уральские заводчики Демидовы, как известно, славились своей жестокостью и бесчеловечным обращением с рабочими, тем более что тех много было «беспачпортных», беглых крепостных и дезертиров. «Работных» однажды совсем допекло, и они предъявили приказчику свои требования, надо сказать, довольно скромные. Тот их по демидовскому обычаю буквально послал по-русски. Тогда рабочие пригрозили: «А ну давай самого сюда, не то козла в печку посадим!» Приказчик вытянулся, побледнел, на лошадь и – галопом прочь. Не прошло часа (во времена гужевого транспорта – моментально), прискакал на взмыленном коне взмыленный «сам», и с ходу: «Братцы, да вы чего? Да я ж что, чего вам?» Рабочие повторили требования. Хозяин, образно выражаясь, присел, сказал «Ку!» и тут же велел приказчику выполнить все досконально.

До XIX в. домны были фактически сыродутными: в них вдувался неподогретый и не обогащенный кислородом атмосферный воздух. В 1829 г. англичанин Дж. Б. Нилсон попробовал подогреть вдуваемый воздух всего до 150 градусов (предварительно запатентовав свою воздухогрейку в 1828 г.) Расход дорогого кокса сразу упал на 36%. В 1857 г. тоже англичанин Э. А. Каупер (Cowper) придумал регенеративные воздухонагреватели, названные впоследствии в его честь кауперами. В кауперах воздух за счет дожигания отходящих доменных газов нагревался до 1100-1200 градусов. Расход кокса снизился еще в 1,3-1,4 раза и, что тоже очень важно, домна с кауперами оказалась не подверженной закозлению: при появлении его признаков, что случалось крайне редко при очень грубых нарушениях техпроцесса, всегда оставалось время раздуть печь. Кроме того, в кауперах за счет частичного распада паров воды забираемый воздух обогащался кислородом до 23-24% против 21% в атмосфере. В введением в схему домны кауперов процессы в доменной печи с точки зрения термохимии достигли совершенства.

Доменный газ сразу стал ценным вторичным сырьем; об экологии тогда не думали. Чтобы его не транжирить, вскоре домну дополнили колошниковым аппаратом (см. далее), позволявшим загружать шихту и кокс, не выпуская доменный газ в атмосферу. На этом эволюция доменной печи в принципе закончилась; дальнейшее ее развитие шло по пути важных, но частных усовершенствований, улучшения технико-экономических, а затем и экологических показателей.

Доменный процесс

Общая схема доменной печи с обслуживающими системами дана на рис. Литейный двор – принадлежность небольших доменных печей, дающих в основном литейный чугун. Большие домны дают свыше 80% переделочного чугуна, который чугуновоз с разливочной площадки тут же увозит в конверторные, мартеновские или электроплавильные цеха для передела в сталь. Из литейного чугуна отливают в земляные формы-опоки, как правило, болванки – чушки – которые отправляются производителям металлоизделий, где переплавляются для отливки в изделия и детали в печах-вагранках. Чугун и шлак традиционно выпускаются через отдельные отверстия – летки, но домны новой постройки все чаще снабжаются общим летком, разделенным на чугунный и шлаковый жароупорной плитой.

Примечание: болванки сырого железа без избытка углерода, полученного из чугуна и предназначенного для передела в высококачественную конструкционную или спецсталь (второй-четвертый переделы) называются слябами. В металлургии профессиональная терминология разработана не менее детально и точно, чем в морском деле.

В настоящее время запасов угля и коксовых печей при домнах, похоже, вовсе не осталось. Современная доменная печь работает на привозном коксе. Коксовый газ – смертельно ядовитый убийца экологии, но он же ценнейшее химическое сырье, которое нужно использовать немедленно, еще горячим. Поэтому коксохимическое производство давно уже выделилось в отдельную отрасль, а кокс металлургам поставляют транспортом. Что, кстати, гарантирует стабильность его качества.

Как работает домна

Непременное условие успешной работы доменной печи – избыток углерода в ней в течение всего доменного процесса. Термохимическую (выделена красным) и технико-экономическую схему доменного процесса см. на рис; выплавка чугуна в доменной печи происходит след. образом. Новую домну или реконструированную после капремонта 3-го разряда (см. ниже) заполняют материалами и разжигают газом; также разогревают один из кауперов (см. далее). Затем начинают дуть воздух. Сразу же усиливается горение кокса, повышающее температуру в домне, начинается разложение флюса с выделением углекислого газа. Его избыток в атмосфере печи при достатке вдуваемого воздуха не дает коксу догореть полностью, и в больших количествах образуется монооксид углерода – угарный газ. Он в данном случае не яд, а энергичный восстановитель, жадно отнимающий кислород у окислов железа, составляющих руду. Восстановление железа газообразным моноокислом, вместо менее активного твердого свободного углерода – принципиальное отличие домны от домницы.

По мере сгорания кокса и распада флюса столб материалов в домне оседает. В общем доменная печь представляет собой два составленных основаниями усеченных конуса, см. далее. Верхний, высокий, это шахта домны, в ней железо из разнообразных окислов и гидроокиси восстанавливается до моноксида железа FeO. Самая широкая часть доменной печи (место сопряжения оснований конусов) называется распаром (распар, распара – неправильно). В распаре оседание загрузки замедляется, и железо восстанавливается из FeO до чистого Fe, которое выделяется каплями и стекает в горн домны. Руда как бы парится, потея расплавленным железом, отчего и название.

Примечание: время прохождения очередного колоша шихты в домне от верха шахты до расплава в горне составляет от 3-х до 20 и более суток в зависимости от размера доменной печи.

Температура в доменной печи в пределах столба загрузки растет от 200-250 градусов под колошником до 1850-2000 градусов в распаре. Восстановленное железо, стекая вниз, контактирует со свободным углеродом и при таких температурах сильно им насыщается. Содержание углерода в чугуне превышает 1,7%, но выколотить его, как из крицы, из чугуна невозможно. Поэтому полученный из домны чугун тут же, чтобы не тратить средства и ресурсы на его переплавку, увозят жидким для первого передела в обычную конструкционную сталь или слябы, а доменная печь, как правило (большие и сверхбольшие домны – исключительно), работает в составе металлургического комбината.

Конструкция домны

Конструкция доменной печи как сооружения дана на рис:

Вся домна собирается в стальном футляре с толщиной стенок от 40 мм. В жароупорный пень домны (цоколь, оголовок, навершие подземного фундамента) замуровывается лещадь (под) цилиндрического горна. Футеровка горна достигает толщины 1,3-1,8 м и неоднородна: осевая зона лещади футеруется высокоглиноземистым кирпичом, плохо проводящим тепло, а бока – графитированными материалами, обладающими довольно высокой теплопроводностью. Так нужно, поскольку термохимия расплава в горне еще не «успокоилась» и там выделяется некоторый избыток тепла против потерь на остывание. Если его не отвести вбок, на жароустойчивый пень, строение доменной печи потребует очередного ремонта более высокого разряда (см. ниже).

Расширяющаяся вверх часть домны – заплечики – футеруется уже графитированными блоками толщиной ок. 800 мм; такой же толщины шамотная футеровка шахты. Шамот, как и футеровка горна с заплечиками, не смачивается расплавленным шлаком, но ближе к последнему по химическому составу. Т.е., домна в работе минимально обрастает нагаром и лучше держит внутренний профиль, что упрощает и удешевляет очередной ремонт.

Горн и заплечики работают в самых тяжелых условиях, лишние весовые нагрузки для них опасны, поэтому шахта домны опирается своими плечами (кольцеобразным выносом) на прочное стальное кольцо – маратор – покоящееся на стальных колоннах, замурованных в пень. Таким образом, весовые нагрузки горна с заплечиками и шахты передаются на основание домны раздельно. Горячий воздух из кауперов задувается в домну из кольцевого трубчатого коллектора с теплоизоляцией через специальные устройства – фурмы, см. далее. Фурм в домне бывает от 4-х до 36 (в доменных печах-гигантах на 8000-10 000 тонн шихты и 5-6 тыс. тонн чугуна в сутки).

Разряды ремонта

Текущее состояние доменной печи определяется по химическому составу чугуна и шлака. Если содержание примесей подходит к пределу, назначается ремонт домны 1-го разряда. Из горна выпускают расплавы, глушат кауперы (см. далее) и оставляют домну на малом дыхании, с температурой внутри горна 600-800 градусов. Ремонт 1-го разряда включает в себя визуальный осмотр, ревизию механического состояния, измерение показателей профиля печи и взятие проб футеровки для химического анализа. Когда-то домну на малом дыхании осматривали люди в специальных защитных костюмах с автономными дыхательными приборами, ныне это делается дистанционно. После ремонта 1-го разряда домну можно вновь запускать без розжига.

Результатом ремонта 1-го разряда чаще всего (если только не проморгали плохую руду, флюс и/или бракованный кокс) назначается ремонт 2-го разряда, в ходе которого подправляется футеровка. Ее частичная или полная перекладка, рихтовка или замена колошникового аппарата осуществляются в порядке ремонта 3-го разряда. Он, как правило, приурочивается к технической реконструкции предприятия, т.к. требует полного останова, остывания печи, а затем ее перезагрузки, розжига и перезапуска.

Системы и оборудование

Устройство доменной печи современного образца включает в себя десятки вспомогательных систем, управляемых мощными компьютерами. Металлурги наших дней по-прежнему носят каски с темными очками, но сидят в кабинах с кондиционером за пультом с дисплеями. Тем не менее, принципы работы основных систем и устройств, обеспечивающих работу доменной печи, остались прежними.

Кауперы

Воздухонагреватель Каупера (см. рис.) – устройство циклического действия. Вначале насадка-регенератор из теплоемкого жароустойчивого материала нагревается догорающими доменными газами. Когда температура насадки достигнет ок. 1200 градусов, каупер переключается на дутье: наружный воздух через него прогоняется в домну противотоком. Насадка остыла до 800-900 градусов – каупер переключают снова но прогрев.

Поскольку дуть в домну нужно непрерывно, кауперов при ней должно быть не менее 2-х, но строят их не менее 3-х, с запасом на аварию и ремонт. Для больших, сверхбольших и гигантских доменных печей строят батареи кауперов из 4-6 секций.

Колошниковый аппарат

Это самая ответственная часть домны, особенно в свете теперешних требований экологии. Устройство колошникового аппарата домны показано на рис. справа; он представляет собой 3 согласованно действующих газовых затвора. Цикл его работы такой:

1. исходное состояние – верхний конус поднят, преграждает выход в атмосферу. Окна в днище вращающейся воронки приходятся на горизонтальную перегородку и перекрыты. Нижний конус опущен, дает выход доменным газам к дымососу и далее в циклон;
2. скип (см. далее) опрокидывается и вываливает колошник материалов в приемную воронку;
3. вращающаяся воронка с окнами в днище поворачивается и пропускает загрузку на малый конус;
4. вращающаяся воронка возвращается в исходное состояние (окна закрыты перегородкой);
5. большой конус поднимается, отсекая доменные газы;
6. малый конус опускается, пропуская загрузку в межконусное пространство;
7. малый конус поднимается, дополнительно перекрывая выход в атмосферу;
8. большой конус опускается в исходное состояние, выпуская загрузку в шахту домны.

Таким образом, материалы в шахте печи ложатся слоями, выпуклыми книзу и вогнутыми сверху. Это совершенно необходимо для нормальной работы домны, поэтому нижний (большой) затвор всегда обратно-конический. Верхние могут быть иной конструкции.

Скип, с англ. – ковш, черпак, разинутая пасть. Колоша (с фр.) – горсть, ковш, черпак. Кстати, отсюда же и калоши. Доменные печи снабжаются преимущественно скиповыми подъемниками материалов. Скип домны (справа на рис.) зачерпывает из скиповой ямы калошу материала, поднимается специальным механизмом по наклонной эстакаде (слева на рис.), опрокидывается в колошниковый аппарат и возвращается обратно.

Фурмы и летки

Устройство фурмы доменной печи показано слева на рис., чугунной летки в центре, а шлаковой справа:

Сопло фурмы направлено в самое сердце доменного процесса; через него удобно зрительно контролировать его ход, для чего на воздуховоде фурмы устраивается гляделка с жаростойким стеклом. Давление воздуха на срезе сопла фурмы – 2-2,5 ати (2,1-2,625 МПа сверх атмосферного).Летки после выпуска расплава запечатываются комом жароустойчивой глины. Раньше по ним для этого стреляли пластичным глиняным ядром из специальной пушки. Ныне летки запечатываются дистанционно управляемой электрической пушкой (название – дань традиции), приближающейся к летку вплотную. Это намного уменьшило аварийность, травмоопасность и экологичность доменного процесса.

А своими руками?

Черная металлургия – высокорентабельный бизнес. Знаете ли вы, что «подъем» на ней в несколько раз выше, чем от добычи золота? Думаете, нефти и газа осталось мало? Нет, их при теперешних темпах потребления и полном пренебрежении экологией хватит еще на 120-150 лет. А вот железной руды осталось всего лет на 30. Так нельзя ли наладить металлургическое производство у себя на дворе?

Товарное с целью извлечения прибыли – никоим образом. Первое, о разрешениях забудьте и думать. Черная металлургия едва ли не главная угроза окружающей среде. ИП и физлица на нее нигде, никак и ни за какие взятки не лицензируются, а наказания за нарушения суровые.

Второе – сырье. Месторождений богатой руды, которую сразу можно грузить в домну, в мире осталось аж 2: в Австралии и Бразилии. Промышленные запасы болотной руды исчерпаны еще в древности, и для их восстановления нужны многие тысячи лет. Агломерата и окатышей в широкой продаже нет и не будет.

В общем, частная черная металлургия для рынка это сейчас абсолютно нереально. Попробуйте лучше печатать на 3D принтере. Перспективное дело, со временем 3D печать если не заменит металлургию полностью, то уж точно вытеснит ее в небольшие ниши, где без металла никак не обойтись. Для экологии это будет равнозначно сокращению потребления углеводородного топлива не менее чем в 7-9 раз.

Несмотря на большое количество синтетических и полимерных материалов, получивших большое распространение в современной промышленности и в быту, использование сплавов железа не уступает пальму первенства. Самые ответственные детали, механизмы, инструменты и прочие узлы изготовлены из различных марок и видов металла, обладающих необходимыми свойствами для решения поставленных задач. Активные поиски полноценной замены металлическим сплавам пока не имеют успеха, поскольку разница в свойствах материалов слишком велика. Развитие металлургии не останавливается, появляются новые технологии и методики изготовления высокопрочных и твёрдых материалов. При этом не забыты и старые, традиционные методы выплавки металлов, отработанные веками и детально изученные многими поколениями металлургов. Рассмотрим устройство доменной печи — одной из наиболее старых конструкций для производства литейного чугуна, которая активно применяется и по сей день.

История

Необходимость совершенствования технологии выплавки железа возникла давно. Легкоплавкие руды, расположенные практически на поверхности земли, не отличались большими объёмами и быстро были израсходованы. Существующая методика выплавки была несостоятельна и не позволяла работать с тугоплавкими рудами. Появилась необходимость в усовершенствовании существующего оборудования и технологии. В первую очередь требовалось увеличить размеры печей и значительно усилить режим наддува.

Первые упоминания о конструкциях, аналогичных доменным печам, обнаружены в Китае. Они относятся к IV веку. В Европе появление доменных печей относят к XV веку, до этого использовались так называемые сыродутные печи. Непосредственным предшественником домны являлся каталонский горн, который использовал технологические приёмы, близкие к методике доменного производства. Его отличительными чертами были:

• Непрерывный процесс подачи шихты;
• Использование мощных установок подачи воздуха с гидравлическим приводом.

Доменная печь XIV века

Объём каталонского горна составлял всего 1 м³, что не позволяло получать больших объёмов продукции. В XIII веке в европейском княжестве Штирия был создан штукофен, увеличенный и усовершенствованный вариант каталонского горна. Он имел около 3,5 м в высоту и два технологических отверстия — нижнее для подачи воздуха, верхнее для извлечения крицы (сыродутного железа). Штукофен выдавал три вида железных полуфабрикатов:

• Сталь;
• Ковкое железо;
• Чугун.

Разница между ними заключалась в содержании углерода — больше всего его было в чугуне (больше 1,7%), в стали его было меньше 1,7%, а в ковком железе содержание составляло 0,04%. Высокий уровень содержания углерода оценивался негативно, так как чугун нельзя ковать, сваривать, из него сложно изготавливать оружие.

Это важно! Первоначально чугун был отнесён к отходам производства, так как не поддавался ковке. Отношение к нему изменилось только после начала вторичной переплавки, которое стали делать из-за нехватки легкоплавких руд. Передельное железо, полученное из чугуна, имело более высокое качество, что послужило стимулом к расширению переделочного процесса.

Дальнейшее наращивание мощностей и совершенствование технологии послужили толчком к возникновению блауфена, имевшего высоту уже около 5–6 м, способного к выплавке чугуна и железа одновременно. Он уже практически являлся доменной печью, хоть и несколько уменьшенной, упрощённой конструкции. Утвердился двухступенчатый процесс, когда первой стадией было получение чугуна, а второй — выплавка из него железа при усиленном наддуве.

Появление первых доменных печей в Европе относится к концу XV века. Почти сразу подобные конструкции появились в Англии, а в США первые домны созданы гораздо позже — в 1619 году. Первую домну в России на своей мануфактуре в Туле построил А. А. Виниус. Процесс состоял из следующих этапов:

Железо извлекали со дна горна и проковывали, удаляя жидкий шлак, уплотняя чушки. При таком способе выход готового железа составлял около 92 % от изначального веса чугуна, а его качество значительно превышало показатели кричного продукта.

Серьёзной проблемой стал топливный кризис. Для плавления руды использовался древесный уголь, что привело к истреблению лесов. Проблема выросла до таких размеров, что в Англию ввозили металл из Европы, а позже — и из России в течение 2 веков. Оказалось, что лес растёт медленнее, чем горит. Попытки использования каменного угля показали, что в нём содержится большое количество серы, существенно снижающей качество металла. Было произведено множество опытов, не увенчавшихся успехом.

Это интересно! Решение было найдено только в 1735 году английским металлургом А. Дерби II, который нашёл способ превращения угля в кокс. С этого времени топливная проблема была преодолена, и процесс получил новый толчок к развитию.

Следующим революционным открытием стал нагрев воздуха, используемого для наддува. Он позволил заметно снизить расход каменного угля до 36 %. Появились специальные требования к сортности, качеству металла по содержанию марганца, кремния, фосфора. Технология и конструкция печей совершенствовались, дополнялись, понемногу приходя к современному виду.

Устройство и принцип работы

Доменная печь представляет собой вертикальную конструкцию шахтного типа, напоминающую конус, расширяющийся книзу. Высота печи может достигать 70 м, рабочий объём — 2700 м³. Суточная производительность домны таких размеров достигает 5000 т чугуна. Основной особенностью работы доменных печей является непрерывность процесса. Работа ведётся круглосуточно и не прекращается до момента капитального ремонта или демонтажа печи, что может занимать период от 3 до 15 лет. Если работу остановить и оставить печь без топлива, произойдёт так называемое «закозление», застывание материалов, находящихся внутри. Запустить вновь печь, остановленную нештатным способом, невозможно. Такая специфика заставляет специалистов постоянно заботиться о соблюдении режима работы установки, но и позволяет получить максимальную производительность.

Материалы, необходимые для реализации доменного процесса:

• Каменноугольный кокс (топливо);
• Железная руда (агломерат, окатыши);
• Флюс (песок, известняк и другие необходимые материалы, организующие подъём шлаков вверх).

Месторождений железной руды, качество которой позволяет без предварительной обработки использовать её в процессе плавки, в мире осталось очень мало. Поэтому в большинстве случаев используется специально подготовленное сырьё — агломерат или окатыши, представляющие собой комки обогащённого рудного материала. Они имеют форму округлых гранул (окатыши) или частиц неправильной формы (агломерат) размером 2–5 см.

Схема устройства доменной печи

Конструкция печи представляет собой массивную вертикальную башню, изнутри выложенную шамотным (огнеупорным) кирпичом. Она установлена на прочном фундаменте, поднятом над нулевым уровнем на определённую высоту. Верхняя, жароустойчивая часть основания называется пнём. Верхушка фундамента имеет горизонтальную площадку — лещадь, которая принимает на себя все динамические и температурные нагрузки, в связи с чем имеет водяное охлаждение. Печь снаружи защищена прочным металлическим кожухом, толщина которого составляет 4–6 см.

Внутренняя часть печи представляет собой конусообразную башню, состоящую из нескольких участков:

• Шахта (или тахта). Конусообразная часть башни, понемногу расширяющаяся книзу.
• Распар. Самая широкая (средняя) часть башни, в которой происходит начало процессов шлакообразования и плавления сырья. Температура в этом участке составляет от 1400°.
• Заплечики. Относительно короткий участок в виде конуса, сужающегося в нижней части. В нём происходит окончательное плавление металла. Температура в этом участке составляет 1600–1900°.
• Горн. Нижняя часть башни, где расположены отверстия для подачи воздуха (фурмы). Там же располагаются чугунная и шлаковая летки (отверстия для выпуска чугуна и шлака). Днище горна — это верхняя часть фундамента (лещадь).

С помощью засыпного аппарата в колошник подаются шихта и флюс. По мере расплава и вывода чугуна и шлака материалы опускаются вниз, а их место занимают новые порции. Газы, образующиеся во время протекания химических процессов, выводятся посредством трубопроводов, размещённых в колошниковой части башни. Они имеют высокую температуру и используются для нагрева свежего потока, поступающего в домну для наддува. Нагрев производится в кауперах — установках, осуществляющих забор свежего воздуха, нагрев в теплообменных устройствах и подачу горячего воздуха в печь.

Схемы доменной печи

Устройство доменных печей и производственный процесс выплавки практически одинаковы во всех странах и принципиальных различий не имеют. Но имеются разные схемы несущих конструкций, обладающие собственными особенностями и спецификой.

Особенности схем разных конструкций печей

1. Шотландская схема (а). Колошник установлен на специальные несущие конструкции, называемые основными колоннами. Как правило, их количество соответствует числу фурм. Это делается для удобства работы и обслуживания воздухоподающих отверстий. Если использовать другие варианты размещения, то фурмы придётся располагать неравномерно, что скажется на режиме наддува и общем качестве металла. Недостатком этой схемы является возможность передачи вибрации с погрузочных устройств на конструкцию печи. Кроме того, существуют трудности в проведении срочных ремонтных работ или реконструкций. При этом такая печь обходится дешевле и обладает меньшей массой, что сокращает время постройки.
2. Немецкая (б). Колошник установлен на собственные опоры (колонны). Это улучшает качество обслуживания горна, но создаёт возможность образования чрезмерных напряжений в зоне заплечиков из-за нагрузок от веса башни. Усиление конструкции образует проблемы с доступом к заплечикам, что сказывается на режиме и качестве работ.
3. Комбинированная (в). В этом варианте схемы напряжения на заплечиках снижены, но это сделано за счёт более сложного обслуживания участка горна. При этом данная схема обеспечивает высокую прочность кожуха, который продолжает эффективно функционировать даже при наличии заметных трещин. Такая особенность схемы по достоинству оценена специалистами, работающими на сырьё с большим процентным содержанием цинка. Он образует излишнее давление на стенки башни, увеличивая частоту капитальных ремонтов.
4. Японская (г). Несущими конструкциями являются 6 колонн, снабжённых кронштейнами. Несмотря на повышенную несущую способность, отмечаются заметные недостатки — дисбаланс нагрузок увеличивает вес опор, диаметр воздуховода увеличен по сравнению с другими вариантами схем, что способствует возрастанию нагрузок на фурменное оборудование. Дополнительным недостатком считается сложность организации напольного транспорта в зоне горна.
5. Американская (д). Схема отличается наличием 4 несущих колонн. Преимуществами являются пониженная вибрация, возникающая при работе загрузочных механизмов, а также значительно улучшен доступ к участку леток и фурм.

Указанные схемы разрабатывались и совершенствовались в разных условиях, что и стало причиной появления некоторых различий в конструкции. Тем не менее, все они вполне успешно эксплуатируются и дают продукцию высокого качества.

Доменная печь своими руками

Самостоятельное изготовление доменной печи на первый взгляд кажется нелепой затеей. Вряд ли кому-то придёт в голову организовать на своём участке миниатюрный металлургический цех. Причин этому несколько:

1. Отсутствие сырья. В мире осталось всего 2 месторождения с богатой рудой — в Бразилии и в Австралии. Купить окатыши или агломерат практически невозможно — их нет в свободной продаже, все поставки идут через сырьевые биржи и исчисляются тысячами тонн.
2. Получить разрешение на строительство миниатюрного металлургического производства невозможно. Чёрная металлургия — источник значительных экологических проблем, поэтому ни один чиновник не рискнёт дать разрешение на подобную затею.
3. Соседи завалят жалобами все инстанции, поскольку постоянный дым и чад сделают их жизнь невыносимой.

Указаны только самые основные причины, в действительности их гораздо больше. Использование доменной печи для производства металла в условиях частного дома исключено.

Однако если учесть специфику работы домны, в частности — непрерывный режим горения, то можно использовать её для обогрева помещений. Это эффективное решение для подачи тепла как в жилые, так и в служебные помещения — гараж, теплицы, вспомогательные постройки и т. д. В отличие от обычной твёрдотопливной печи, где надо часто загружать топливо, а КПД довольно низок, домна обеспечивает ровное тление материала в течение 15–20 часов. Это получается благодаря ограниченному поступлению воздуха, не позволяющего топливу активно гореть и растягивающему процесс на длительный срок.

Доменную печь можно сделать самостоятельно

Печь обычно делают из металлической бочки. Аккуратно вырезают днище (оно ещё понадобится), устанавливают бочку на заранее изготовленный фундамент. Вырезанный круг усиливают отрезками швеллера для придания большего веса — он будет придавливать топливо, способствуя компактному размещению и эффективному тлению. Вырезают отверстие под дымоход, обычно хватает трубы диаметром 10 см. Затем надо из листа металла вырезать крышку для бочки, так как днище уже использовано как гнёт для топлива. Вырезается круг соответствующего размера, тщательно приваривается к бочке. В нём также делается отверстие для трубы. В нижней части бочки вырезается отверстие для дверцы, через которое будет производиться закладка топлива. Под ней можно сделать дополнительную дверцу для удаления золы.

Дымоход приваривается сверху, длина его прямой части (до первого колена) должна превышать диаметр бочки (в идеале — гораздо больше). При работе печь сильно нагревается, поэтому многие обкладывают её кирпичом или создают теплоотражающий экран. Оптимальный режим работы находят опытным путём. Необходимо соблюдать меры пожарной безопасности, в идеале для такой печи надо выделить отдельное помещение без горючих предметов.

Видео: рождение стали

Доменная печь — одна из самых старых и проверенных конструкций. Её эффективность проверена временем, технологические приёмы и методики тщательно изучены и отработаны. Возможности домны таковы, что эксплуатация подобных устройств будет длиться ещё очень долго, конструкции и технологии будут совершенствоваться.

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.

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.

Домна, или доменная печь – это сложный комплекс технологического оборудования, используемый в металлургической промышленности для получения черного металла. Фактически, это большое сооружение, которое включает в себя не только печь, но и вспомогательные узлы.

Для чего нужна доменная печь? Цель у нее одна – получение чугуна, который будет использоваться в металлургии для изготовления машин, оборудования и прочих металлсодержащих изделий.

Принцип работы

Принцип работы доменной печи состоит в следующем: в приемную камеру загружается рудная шихта с коксом, известняковым флюсом. В нижней части осуществляется периодический выпуск чугуна/ферросплавов и отдельно расплава шлака. Так как при выпуске уровень материала в домне понижается, требуется одновременная загрузка новых партий шихты.

Процесс работы постоянный, горение поддерживается при контролируемой подаче кислорода, что обеспечивает большую эффективность.

Конструкция доменной печи обеспечивает непрерывный процесс переработки руды, срок эксплуатации домны составляет 100 лет, капитальный ремонт проводится каждый 3-12 лет.

Фото доменной печи

Кто изобрел?

Современную доменную печь изобрел Дж. Б. Нилсон, который первым начала подогревать воздух, подаваемый в домну, произошло то в 1829 г., а в 1857 г. Э. А. Каупер ввел в использование специальные регенеративные воздухонагреватели.

Это позволило сильно снизить расход кокса более, чем на треть и повысить эффективность работы печи. До этого первые доменные печи фактически были сыродутными, то есть в них вдувался не обогащенный и не подогретый воздух.

Использование кауперов, то есть регенеративных воздухонагревателей, позволило не только повысить эффективность домны, но и снизить или вовсе исключить закозление, что наблюдалось при нарушениях технологии. Можно смело утверждать, что это изобретение позволило довести процесс до совершенства. Современные домны работают именно по этому принципу, хотя их управление сегодня автоматизировано и обеспечивает большую безопасность.

Доменный процесс

Современные печи для плавки чугуна обеспечивают примерно 80 % от общего количества чугуна, с разливочных площадок он сразу подается в электроплавильные либо мартеновские цеха, где и происходит переделка черного металла в сталь с требуемыми качествами.

Из чугуна получают чушки, отправляемые затем производителям для отливки их в вагранках. Для слива шлака и чугуна используются специальные отверстия, называемые летки. Однако в современных печах применяются не отдельные, а один общий леток, разделяемый специальной жароупорной плитой на каналы для подачи чугуна и шлака.

Как работает домна?

Доменный процесс полностью зависит от избытка углерода в полости печи, он заключается в термохимических реакциях, протекающих внутри при загрузке всех компонентов и их нагреве.

Температура в доменной печи может составлять 200-250°С непосредственно под колошником и до 1850-2000°С в активной зоне – распаре.

При подаче в печь горячего воздуха и розжиге кокса в домне повышается температура, начинается процесс разложения флюса, в результате чего повышается содержание углекислого газа.

При понижении столба материала в шихте происходит восстановление монокисла железа, в нижней части столба из FeO восстанавливается чистое железо, стекающее в горн.

По мере стекания железо активно контактирует с углекислым газом, происходит насыщение металла и придание ему требуемых свойств. Общее содержание углерода в железе может составлять от 1,7%.

Схемы доменной печи

Схемы доменной печи в разрезе (разные варианты):

Устройство домны

Конструкция домны очень сложная, это большой комплекс, который включает в себя следующие элементы:

• зона горячего дутья;
• зона плавления (сюда входят горн и заплечики);
• распар, то есть зона, где происходит восстановление FeO;
• шахта, где происходит восстановление Fe2O3;
• колошник с предварительным нагревом материала;
• доменный газ;
• зона, где находится столб материала;
• выпуски для шлака и жидкого чугуна;
• сбор для отходящих газов.

Высота доменной печи может достигать 40 м, вес – до 35 000 тон, вместимость рабочей зоны зависит от параметров комплекса.

Точные значения зависят от загрузки предприятия и его назначения, требований к объемам получаемого металла и прочих параметров.

Более подробный вариант устройства:

Разряды ремонта домны

Для поддержания рабочего состояния домны регулярно проводится капитальный ремонт (каждый 3-15 лет). Он разделяется на три вида:

1. Первый разряд включает в себя работы по выпуску продуктов плавления, осмотру оборудования, занятого в технологическом процессе.
2. Второй разряд – это полная замена элементов оборудования, подлежащего средним ремонтным работам.
3. Третий разряд требует полной замены устройства, после чего выполняется новая засыпка сырья с правкой колошников.

Системы и оборудование

Доменная печь – это не только установка для получения чугуна, но и многочисленные вспомогательные узлы. Это система подачи шихты и кокса, отвод шлака, расплавленного чугуна и газов, система автоматического управления, кауперы и многое другое.

Принципы работы печи остались такими же, как и столетия назад, но современные компьютерные системы и автоматизация производства сделали домну более эффективной и безопасной.

Кауперы

Современное устройство доменной печи предполагает использование каупера для нагрева подаваемого воздуха. Это установка циклического действия из жаростойкого материала, которое обеспечивает нагрев насадки до 1200°С.

Каупер включает при остывании насадки до 800-900°С, что позволяет обеспечить беспрерывность процесса, снизить расход кокса и повысить общую эффективность конструкции.

Ранее такое устройство не применялось, но начиная с 19 в. оно является обязательно частью домны.

Количество батарей кауперов зависит от размеров комплекса, но обычно их не менее трех, что делается с расчетом на возможную аварию и сохранение работоспособности.

Колошниковый аппарат

Колошниковый аппарат — эта часть является наиболее ответственной и важной, включающей в себя три газовых затвора, действующих по согласованной схеме.

Цикл работы этого узла выглядит следующим образом:

• в исходном положении конус поднят, он преграждает выход, нижний конус опущен;
• скип загружает в колошник шихту;
• вращающаяся воронка поворачивается и пропускает сырье через окна на малый конус;
• воронка возвращается в исходное положение, закрывая окна;
• малый конус опускается, загрузка проходит в межконусное пространство, после чего конус поднимается;
• большой конус принимает исходное положение, выпуская шихту в полость домны для переработки.

Скипы — это специальные подъемники шихты. При помощи таких подъемников калошей из скиповой ямы захватывается сырье, подаваемое наверх по наклонной эстакаде.

Затем калоши опрокидываются, подавая шихту в загрузочную область, и возвращаются вниз за новой порцией. Процесс этот сегодня осуществляется автоматически, для управления используются специальные компьютеризированные узлы.

Фурмы и летки

Сопло фурмы печи направлено в ее полость, через него можно наблюдать течение процесса плавки. Для этого через специальные воздуховоды монтируются гляделки с жаростойкими стеклами. На срезе давление может достигать значения в 2,1-2,625 МПа.

Летки используются для слива чугуна и шлака, сразу после выпуска они плотно запечатываются специальной глиной. Раньше использовались пушки, которые выстраивали пластичным глиняным ядром, сегодня применяются дистанционно управляемые пушки, которые могут подходить к конструкции вплотную. Такое решение дало возможность снизить травматичность и аварийность процесса, сделать его более надежным.

Как сделать доменную печь своими руками?

Нюансы

Производство чугуна является высокорентабельным бизнесом, но наладить изготовление черного металла без серьезных финансовых инвестиций невозможно. Доменная печь своими руками в «кустарных условиях» – это просто нереализуемо, что связано со многими особенностями:

• крайне высокая стоимость домны (такие расходы могут себе позволить исключительно крупные комбинаты);
• сложность конструкции, несмотря на то, что чертеж доменной печи можно найти в свободном доступе (выше схемы), собрать полноценный агрегат для производства чугуна не получится;
• физлица и ИП не могут заниматься деятельностью по изготовлению чугуна, на это просто никто не выдаст лицензию;
• залежи сырья для черной металлургии практически исчерпаны, окатышей или агломерата в свободной продаже нет.

Но в домашних условиях можно собрать имитацию печи (мини-доменную печь), при помощи которой можно плавить металл.

Но работы эти требуют максимального внимания и крайне не рекомендуются при отсутствии опыта. Зачем может потребоваться изготовление подобной конструкции? Чаще всего – это обогрев для теплицы или дачи с максимально эффективно используемым топливом.

Инструменты и материалы

Для изготовления конструкции в домашних условиях, надо приготовить:

• металлическая бочка (можно заменить на трубу с большим диаметром);
• два отрезка трубы круглого сечения с меньшим диаметром;
• отрезок швеллера;
• листовая сталь;
• уровень, ножовка по металлу, рулетка, молоток;
• инвертор, набор электродов;
• кирпичи, глиняный раствор (необходимы для фундамента конструкции).

Все работы надо проводить только на улице, так как процесс достаточно грязный и требующий наличия свободного пространства.

Пошаговая инструкция

1. На приготовленной заготовке в виде бочки срезается верх (его следует оставить, так как он понадобиться дальше).
2. Из стали вырезается круг с диаметром, меньшим чем диаметр бочки, в нем делается отверстие для трубы.
3. Труба аккуратно приваривается к кругу, внизу сваркой крепятся отрезки швеллера, которые будут придавливать топливо во время работы печи.
4. Крышка печи изготавливается из отрезанного ранее дна бочки, в котором делается отверстие для закладного люка с дверкой. Также необходимо сделать дверку, через которую будут удаляться остатки золы.
5. Печь обязательно устанавливается на фундамент, так как в процессе работы она очень сильно нагревается. Для этого сначала устанавливается бетонная плита, затем выкладывается несколько рядов из кирпича, образующих углубление в центре.
6. Для отвода продуктов сгорания монтируется дымоходная труба, диаметр прямой части будет больше, чем диаметр корпуса печи (требуется для лучшего отвода газов).
7. Отражатель не является обязательным элементом конструкции, но его использование позволяет повысить КПД печи.

Особенности конструкции

Особенностями такой самостоятельно изготовленной печи являются:

• уровень КПД хороший;
• есть возможность работы в автономном режиме до 20 часов;
• в печи происходит не активное горение, а тление с постоянным выделением тепла.

Главным отличием «бытовой» доменной печи будет ограничение доступа воздуха к камере сгорания, то есть тление дров или угля будет происходит при низком уровне кислорода. По схожему принципу работает и промышленная домна, но бытовая применяется только для отопления, плавить металл в ней нельзя, хотя температура внутри камеры будет достаточной.

Стоимость на примере КПД №7

Изготовление доменных печей – это ресурсозатратный и дорогой процесс, который нельзя поставить на поток. Так как домны применяются исключительно в промышленности, их проектирование и сборка осуществляются под конкретный металлургический комплекс, включающий в себя многие объекты и узлы внутренней инфраструктуры. Такая ситуация наблюдается не только в РФ, но и в других странах мира, имеющих собственные объекты металлургии.

Стоимость изготовления и монтажа доменной печи достаточно высокая, что связано со сложностью выполнения работ. Примером может случить большой доменный комплекс №7 под названием «Россиянка», установленный в 2011 году. Его стоимость составила 43 млрд. рублей, к производству были привлечены лучшие инженеры РВ и стран зарубежья.

Комплекс включает в себя следующие узлы:

• приемное устройство для руды;
• приточные станции бункерной эстакады и центрального узла;
• бункерная эстакада;
• компрессорная станция (установлена на литейном дворе);
• установка для вдувания пылеугольного топлива;
• утилизационная ТЭЦ;
• центр управления и административный корпус;
• литейный двор;
• домна;
• воздухонагревательные блоки;
• насосная станция.

Производительность комплекса:

Новый комплекс обеспечивает производство более 9450 тонн чугуна в сутки, полезный объем печи равен 490 куб.м, а рабочей – 3650 куб.м. Конструкция домны обеспечивает безотходное и экологически чистое производство чугуна, в качестве побочных продуктов получают доменный газ для ТЭЦ и шлак, используемый в дорожном строительстве.

Вывод

Домна – металлургическое оборудование, позволяющее получить чугун посредством переработки железной руды в промышленных масштабах.

Особенность технологии обеспечивает не только высокое качество получаемой продукции, но и экономный расход кокса. В процессе производства можно контролировать условия плавки, применяя для этого компьютеризированные системы и получая продукт со строго заданными свойствами.

←Предыдущая статья Следующая статья →

Доменная печь используется в металлургии для выплавки чугуна и ферросплавов из шихты. Она имеет высокую производительность, поэтому в последнее время для обогрева частного дома многие мастера делают такие печи самостоятельно. Эти печи также имеют другое название — печи шахтного типа или печи длительного горения.

Устройство большой доменной печи.

Доменная печь, сделанная своими руками, работает по тому же принципу, что и ее промышленный вариант, она позволяет максимально эффективно использовать топливо, а его расход значительно снижается. Такая печь — лучшее решение для обогрева дома, дачи, гаража, теплицы.

Основной особенностью, которую имеет самодельная доменная печь, является то, что процесс горения топлива в ней затягивается на длительное время.

Такая домна, сделанная своими руками, может работать на угле, дровах и даже опилках. Можно купить печь длительного горения в магазине, но если все сделать своими руками, то экономия получится солидная.

Почему самодельная доменная печь такая экономичная

Традиционная печь на твердом топливе имеет несколько недостатков:

• низкий уровень КПД;
• топливо необходимо закладывать часто;
• нельзя автоматизировать процесс.

Самодельная доменная печь всех этих недостатков лишена, и вместо процесса горения топлива в топке происходит его тление. За счет этого выделение тепла идет постоянно, и на одной загрузке такая печь может работать в автономном режиме до 15-20 часов.

Самодельная доменная печь

Схема доменной печи, для производства собственными силами.

Если вы решили сделать такую конструкцию своими руками, то будьте готовы к тому, что при выполнении работ будет много грязи и шума, поэтому выполнять их лучше всего на улице.

Основным секретом такой конструкции является наличие специального ограничителя доступа воздуха к углю или дровам. Он пропускает небольшое количество кислорода, которого достаточно для поддержания тления загруженной порции топлива, при этом активного горения не происходит, поэтому тепло выделяется равномерно длительное время.

Для того чтобы сделать эту печь самостоятельно, вам потребуются такие расходные материалы и инструменты:

• бочка или труба большого размера;
• два отрезка трубы;
• швеллер;
• рулетка, уровень, молоток, ножовка по металлу;
• листовая сталь
• сварочный аппарат, электроды;
• раствор и кирпичи для фундамента.

Сначала необходимо на бочке срезать верх, делать это надо аккуратно, так как она вам понадобится в дальнейшем. Вместо бочки можно использовать трубу большого диаметра. Чтобы сделать дно для трубы, лучше приварить прямоугольный лист металла, он придаст ей большую устойчивость.

Из листа вырезается круг, диаметр которого немного меньше диаметра бочки, в нем делается отверстие под другую трубу. Приваривают трубу диаметром 10 см к стальному кругу. Снизу к этому кругу привариваются отрезки швеллера, они служат для того, чтобы придавливать топливо по мере его прогорания.

Для крышки бочки берут лист метала или отрезанную ранее верхнюю часть и в ней делают отверстие для трубы. Для того чтобы закладывать топливо, необходимо вырезать люк и установить дверцу. Под ней делается дверца для удаления остатков закладки.

Фундамент и дымоход

Так как металлическая часть конструкции будет во время работы сильно нагреваться, устанавливать печь необходимо на фундамент. Ее вес небольшой, и углубление для фундамента делать не обязательно, выполняется простая плита, которая может состоять из слоя кирпича, покрытого раствором.

Для удаления продуктов горения необходимо сделать дымоход. Можно взять трубу диаметром от 15 см. Для эффективной его работы нужно, чтобы прямая часть была больше диаметра бочки. Лучше дымоход не изгибать, а если это необходимо, то угол изгиба должен быть больше 45 градусов.

Что касается отражателя, то его можно устанавливать или не устанавливать. При наличии отражателя такая печь будет работать еще эффективнее, так как он позволяет перераспределять тепловые потоки.

Особенности монтажа

Такую печь можно обложить кирпичом, но если она находится в отдельном или подсобном помещении, то делать это не обязательно.

1. Части дымохода должны соединяться в направлении, обратном движению дыма.
2. Возле печи нельзя располагать легковоспламеняющиеся предметы, вокруг нее должно быть свободное пространство.
3. Дымоход надо делать разборным, чтобы его можно было периодически чистить.
4. К бочке можно присоединить трубопровод в виде петли, по которой будет проходить жидкость в систему отопления. Таким образом можно будет отапливать уже не одну комнату, а весь дом.
5. Для возможности регулирования интенсивности отопления возле котла в систему монтируется кран, при помощи которого можно будет ограничивать поток горячей жидкости.

Самодельная печь длительного горения является отличным решением для отопления дачи, гаража или теплицы, когда нет централизованного или газового отопления и денег для покупки дорогостоящего оборудования.

Для чего нужна доменная печь. Доменная печь

Доменная печь — это незаменимое оборудование в металлургических процессах. Такие печи появились достаточно давно, и они позволяли плавить железорудное сырье, превращая его в различные предметы быта, военного вооружения и пр. Как выглядит доменная печь сегодня и что собой представляет данный агрегат? Об этом в нашем материале.

Фото доменной печи

Доменная печь насчитывает многовековую историю. Впервые подобные агрегаты появились на территории Европы в 14 веке.

Только через несколько столетий, в 16 веке, доменные печи добрались до территории России.

В печках процесс плавления чугуна осуществляется непрерывно. Сверху печки загружается сырье для плавки, а снизу предусмотрены системы для подачи топлива и кислорода. При нагревании железная руда плавится.

При высокой производительности, печки отличаются достаточно простой конструкцией и отменной надежностью. Только при таких условиях можно добиться желаемого результата от работы оборудования.

Но как устроена современная доменная печка?

• Конструкция представляет собой внушительное по размерам устройство, высота которого может достигать 30 метров и более;
• Диаметр устройства примерно в три раза меньше;
• Стенки печки выполняют из шамота, либо используют другие материалы с отличными огнеупорными характеристиками;
• Нижнюю часть горна и основание изготавливают из углеродистых блоков, которые отличаются высокой степенью огнеупорности. Чтобы огнеупорные характеристики находились всегда на высоком уровне, предусмотрены металлические холодильники, по которым осуществляется циркуляция воды;
• Снаружи оборудование заключено в стальной кожух толщиной 40 миллиметров;
• За счет высокотехнологичного подхода и возможностей современной техники, доменные печки достигают массы в несколько десятков тысяч тонн;
• Огромный вес порядка 30 тысяч тонн требует наличия соответствующего фундамента;
• Фундамент состоит из бетонной плиты толщиной 4 метра и закрепленной на ней колонны и монолитного цилиндра. Для их изготовления используется специальный жаропрочный бетон;
• Поверх фундамента монтируется горн доменной печки;
• Печка, предназначенная для плавки сырье, отличается внушительным объемом, поскольку при увеличении размеров экономичность оборудования улучшается;
• Самые большие модели доменных печек отличаются полезным объемом около 3 тысяч кубометров;
• Вверху горна монтируются специальные фурмы, необходимые для подачи воздуха. Их бывает установлено не более 36 единиц;
• Для работы доменной печки требуется огромное количество воздуха. Для удовлетворения потребностей печки применяются турбовоздуходувки;
• За нагрев воздуха отвечает воздухонагреватель, являющийся необходимым элементом конструкции;
• Современные печи способны работать без перерывов в течение 10 лет. При загрузке сырья на выходе производитель получает чугун;
• Загружается сырье калошами — это специальные выверенные порции, с которыми идеально справляется доменная печь;
• За сутки доменка способна произвести около 5 тысяч тонн чугуна;
• Процессы загрузки и подготовки механизированные;
• Чтобы добиться качественной плавки чугуна, конструкцией доменной печки предусматриваются определенные вспомогательные механизмы для загрузки, подъема используемого сырья.

Особенности работы

С конструкцией и некоторыми особенностями доменной печи мы познакомились. Теперь необходимо разобраться в технологических процессах, которые протекают в этом промышленном оборудовании.

1. Исходным сырьем выступают рудные вещества. Это может быть любой вид железняка или руды, в которой содержится марганец.
2. Доменная печь — это устройство для получения чугуна, его выплавки из соответствующего сырья.
3. Загружая материалы в печь, важно соблюдать определенные пропорции. Правильно подобранная по пропорциям смесь называется шихтой. В ее состав включена руда, флюс и кокс.
4. Главным этапом процесса производства чугуна является восстановление железа. Полученное методом распара железо, где растворяется углерод, доменная печь выдает чугун.
5. В самых высокотемпературных точках доменки чугун начинает плавиться.
6. За счет продуманной схемы работы доменной печи, процесс горения является непрерывным. Поддерживается горение правильно подаваемыми порциями воздуха.
7. Предварительно воздух нагревается до нужных температур, предусмотренных технологиями процесса выплавки. При подаче холодного воздуха печь не подогревалась, а остывала бы. Это привело бы к более медленному протеканию процесса выплавки изделий.
8. Специальная труба обеспечивает удаление продуктов сгорания.
9. На выходе доменные печи выдают чугун в жидкой форме, который выпускают наружу через специальные отверстия в нижней части конструкции.
10. Большой ковш захватывает расплавленный чугун, транспортирует его в цехи для дальнейшей обработки.
11. Переработка жидкого чугуна в сталь не является обязательным этапом технологического процесса. Все зависит от того, на какие задачи ориентировано металлургическое предприятие, использующее доменные печи.
12. Остатки переработанного сырья не идут на свалку. Они выходят из печи через соответствующие устройства. Их называют шлаковыми летками. Данные отходы служат для дальнейшего производства стройматериалов.

Особенности обслуживания и ремонта

Поскольку доменные печи работают беспрерывно, к вопросу их технического обслуживания необходимо подходить особенно внимательно.

• Цель обслуживания — не допустить преждевременный износ. Для этого ответственные за обслуживания лица должны строго опираться на технический паспорт, предоставляемый производителем для их печей;
• При наличии на производстве специализированных правил эксплуатации конкретной доменной печи, все мероприятия по обслуживанию осуществляются строго на их основании;
• При отсутствии перечня правил, опираться следует на прочие директивные материалы;
• Периодические ремонтные мероприятия осуществляются по мере возникновения неисправностей. При этом процесс производства чугуна в доменной печи останавливаться не должен;
• Исключением является капитальный ремонт, при необходимости проведения которого доменную печь останавливают.

1. Ремонт первого разряда. В этом случае из горна необходимо извлечь все сырье, провести визуальный осмотр оборудования, принимающего участие в технологических процессах.
2. Ремонт второго разряда. Предусматривает замену элементов, имеющих вторичную роль в конструкции доменной печи.
3. Ремонт третьего разряда. Подразумевает полностью замену агрегатов, которые необходимы для загрузки сырья и дозирования исходных материалов.

Не редко доменные печки останавливают, чтобы провести ремонтные работы и дополнительно осуществить модернизацию оборудования. Так производитель сокращает периодичность простаивания оборудования, теряя меньше денег.

Доменные печи — это уникальные устройства, которые поражают своими габаритами и возможностями.

Контрольная работа

по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов»

Проверил: Мельникова И.П.

1.1. Изобразите схему доменной печи. 3

1.2. Опишите сущность восстановительной плавки. 4

1.3. Укажите продукты, доменной плавки и технико-экономический показатели работы доменной печи. 11

2.1. Опишите явления, происходящие в металле при нагреве. 12

2.2. Изложите понятие температурного интервала обработки металлов давлением и принцип его определения по диаграмме. 14

2.3. Ориентировочно определите по диаграмме температурный интервал обработки для стали с содержанием углерода 0.5% …………………………………………………………………………………………………………15

Изобразите схему ацетилено-кислородного пламени и опишите его строение. Укажите особенности сварки меди Разработайте процесс сварки обечайки (рис. 38 а, б) из меди марки М3р. Производство – штучное. Определите характе пламени газовой сварки, тип горелки и ее мощность. Выберите марку и диаметр присадочной проволоки. Укажите состав флюса и способ сварки (левый, правый). По размерам шва определите массу наплавленного металла. Установите расход присадочной проволоки с учетом потерь, кислорода, ацитилена, карбида кальция и время сварки изделия. Укажите методы контроля качества сварного шва.. 22

Приведите схемы обработки поверхностей 1, 2, 3 детали, чертеж которой дан на рис. 6. Для каждой схемы укажите название станка, инструмента и зажимных приспособлений. Приведите эскизы инструмента для обработки поверхности 3 и приспособления для закрепления заготовки при обработке поверхности 1. 23

Список литературы.. 24

Контрольное задание № 1

Изобразите схему доменной печи. Опишите сущность восстановительной плавки. Укажите продукты, доменной плавки и технико-экономический показатели работы доменной печи.

Доменная печь предназначена для выплавки чугуна.

Схема доменного процесса.

Суть этого процесса состоит в том, что в печи происходит восстановление оксидов железа, которые находятся в исходном материале — руде, продуктами сгорания топлива — водородом, оксидом углерода и твердым углеродом. Устройство доменной печи шахтного типа не отличается большой сложностью. Она состоит из нескольких деталей.

Конструкция печи

Верхняя часть доменной печи называется колошником. Он оборудован газоотводами, служащими для удаления колошникового газа. Сюда посредством специального засыпного аппарата загружается сырье.

Под колошником располагается шахта, имеющая вид усеченного конуса, расширяющегося книзу. Такая форма позволяет упростить процесс поступления в нее сырья из колошника. В шахте специальным образом подготавливается исходное сырье из окислов руды восстанавливается железо.

Самая широкая часть доменной печи носит название распар. Здесь плавится пустая порода флюса и руды, за счет чего из них получается шлак.

Следующая часть печи представляет собой усеченный конус, расширяющийся кверху. Называется она заплечики. В этом отделении конструкции заканчивается шлакообразование, оставляя в нем некоторое количество флюса и твердого топлива.

Горение поступившего сверху топлива происходит в горне. Он также служит для накопления чугуна и шлака, которые находятся в жидком состоянии.

Чтобы происходило сжигание топлива, необходим горячий воздух. Он поступает в печь от воздухонагревателей посредством кольцевого воздуховода, проходя через фурмы. Дно горна, носящее наименование лещадь, располагается на массивном фундаменте из железобетона. Здесь происходит накапливание шлака и чугуна. По окончании процесса плавки чугун и шлак выпускаются по специальным желобам через летки, предназначенные для этого, в ковши.

Принцип работы доменной печи

Схема доменной печи.

Конструкция доменной печи устроена таким образом, что шихта попадает в чашу через засыпное устройство, выполненного в виде небольшого конуса, расположенного вверху. Далее из чаши, попадая на большой конус при его опускании, шихта поступает в печь. Такая система не позволяет газу из доменной печи проникать в окружающую среду. После загрузки малый конус и воронка для приема сырья поворачиваются на угол, кратный 60 градусам. Это необходимо для того, чтобы шихта распределялась равномерно.

Металлургическая печь продолжает работать, шихта расплавляется и спускается дальше вниз, освобождая место для новых порций сырья. Полезный объем домны должен быть всегда полностью заполнен. Современная доменная печь может иметь полезный объем от 2000 до 50000 м³. Ее высота может достигать 35 м, что почти втрое больше ее диаметра. Такая конструкция придумана неслучайно: принцип работы доменной печи основан на движении материалов и газов навстречу друг другу, что позволяет увеличивать использование тепла до 85%.

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).

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.

Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество шихты и дутья. Современная, наибольшая по размерам, доменная печь ежесуточно расходует около 23000 т шихты, 18000 т дутья, 1700 т природного газа и выдает 12000 т чугуна, 4000 т шлака и 27000 т колошникового газа. Таким образом, в большой доменной печи ежеминутно выплавляется около 9 т чугуна. Для обеспечения непрерывной подачи и выпуска столь большого количества материалов необходимо, чтобы конструкции печи были просты и очень надежны.

Общее описание доменной печи

Доменная печь — печь шахтного типа (рис. 19). Сверху в печь порциями непрерывно загружают шихтовые материалы — агломерат (окатыши) и кокс, которые медленно опускаются вниз; длительность их пребывания в печи составляет 4…6 ч. В нижнюю часть печи (верх горна) через фурмы подают дутье — нагретый воздух; у фурм за счет кислорода дутья сгорает кокс с выделением тепла, а горячие продукты сгорания движутся через столб шихты вверх, нагревая ее; время пребывания газов в печи составляет 3…12 с.

Рис. 19. Общий вид доменной печи с двухконусным засыпным аппаратом:
1 — фундамент; 2 — колонна; 3- летка для выпуска чугуна; 4- чугунные желоба; 5 — фурменные устройства; б — кольцевой воздухопровод; 7 — мараторное кольцо кожуха; 8 — футеровка; 9 — стальной кожух; 10 — колошник; 11 — большой конус; 12 — малый конус; 13 — вращающий механизм засыпного устройства; 14 — приемная воронка; 15, 19 — газоотводы; 16 — скип; 17 — воронка; 18 — наклонный мост; 20 — воронка (чаша); 21 -летка для выпуска шлака; 22 — площадка.

При опускании нагревающейся шихты в ней из оксидов восстанавливается железо, которое науглероживается, расплавляется и каплями стекает в горн, формируя чугун, а невосстановившиеся оксиды в нижней части печи (низ шахты, распар) расплавляются, образуя шлак, который также стекает в горн. Накапливающиеся в горне чугун и шлак, имеющие температуру 1450…1500°С, периодически выпускают через чугунные и шлаковые летки.

Общий вид доменной печи, оборудованной двухконусным засыпным аппаратом, показан на рис. 19. Печь опирается на фундамент 1, большая часть которого заглублена в землю. Снаружи печь заключена в сплошной стальной кожух 9. Внутри кожуха находится футеровка 8, охлаждаемая холодильниками, которые крепятся к внутренней поверхности кожуха. В нижней части печи (горне) расположены летки 3 для выпуска чугуна и летки 21 для выпуска шлака.

Вокруг печи проложен кольцевой футерованный воздухопровод 6, в который из воздухонагревателей подается горячее дутье (воздух); кольцевой воздухопровод служит для подвода дутья к многочисленным расположенным по окружности печи фурменным устройствам 5, через которые дутье поступает в верхнюю часть горна.

Выше колошника 10 печи расположено колошниковое устройство. Оно включает газоотводы 15, 19, служащие для отвода из печи доменного газа; засыпной (загрузочный) аппарат и ряд других механизмов, связанных ci загрузкой шихты и отводом газа. Показаны элементы засыпного аппарата: большой конус 11, закрывающий воронку (чашу) 20; малый конус 12, закрывающий воронку 17, и механизм 13, обеспечивающий их вращение; приемная воронка 14, в которую шихтовые материалы высыпают из скипа 16 путем его опрокидывания, причем скип доставляют на колошник по рельсам наклонного моста 18.

Тяжесть кожуха и футеровки верхней части печи передается на фундамент через мараторное кольцо 7 кожуха и колонны 2. Выпускаемый из печи через летки 3 жидкий чугун поступает в располагаемые на рабочей площадке 22 чугунные желоба 4 и по ним в чугуновозные ковши; выпускаемый через летки 21 шлак по расположенным на площадке 22 шлаковым желобам стекает в шлаковозные ковши либо на установки припечной грануляции жидкого шлака.

Профиль печи

Профилем доменной печи называют очертание рабочего пространства, ограниченного футеровкой. В горизонтальных (поперечных) сечениях профиль представляет собой окружности переменного диаметра.

Профиль печи в вертикальном осевом сечении представлен на рис. 20; основные элементы профиля — это горн, заплечики, распар, шахта и колошник, составляющие полезный объем печи, т.е. объем от оси чугунной летки — О.Ч.Л. — до низа подвижных элементов засыпного аппарата в опущенном положении (в полезный объем не входят объем 1 нижней части горна от оси чугунной летки до кладки лещади, где находится несливаемый слой жидкого чугуна, и ограниченный куполом 3 печи объем 2, в котором расположены элементы засыпного аппарата).

Рис. 20. Профиль доменной печи

Колошник имеет форму цилиндра и служит для приема загружаемой сверху шихты. Ниже колошника расположена расширяющаяся книзу шахта; это расширение необходимо, чтобы обеспечить свободное опускание шихтовых материалов, объем которых увеличивается в результате нагрева. Распар, представляющий собой короткий цилиндр, служит для создания плавного перехода от расширяющейся шахты к сужающимся заплечикам.

Заплечики выполнены в виде усеченного конуса; такая их форма необходима, поскольку здесь происходит плавление рудной части шихты, в результате чего объем шихты уменьшается и суживающиеся заплечики не позволяют шихте слишком быстро опускаться в горн. Последний имеет цилиндрическую форму, в нижней его части скапливаются жидкие чугун и шлак, а в верхнюю подают дутье и здесь сгорает топливо (кокс).

Основным размером доменной печи является полезный объем. В России доменные печи строятся по типовым проектам, в соответствии с которыми предусмотрены следующие величины полезного объема, м 3: 1033, 1386, 1513, 1719, 2002, 2300, 2700, 3000, 3200, 4500, 5000 и 5500.

Фундамент, кожух и холодильники

Фундамент является основанием печи и служит для передачи нагрузки, создаваемой массой печи на грунт. Площадь фундамента рассчитывают с учетом массы печи (например, масса печи объемом 5000 м 3 с шихтой достигает 450 т) и того, что давление на грунт не должно превышать 2,5 кг/см 2 .

Фундамент состоит из двух частей (рис. 21): нижней, подземной, называемой подошвой 1, и верхней, называемой пнем 2. Подошву выполняют из бетона, а пень — из жароупорного бетона с огнеупорностью 1400…1500 °С. Жаропрочность придается бетону применением огнеупорного наполнителя — боя шамота. В качестве связки применяют портландцемент с тонкомолотыми добавками шамота или огнеупорной глины.

Рис. 21. Фундамент и лещадь печи объемом 5500 м 3: 1 — подошва фундамента; 2 — пень; 3 — углеродистые блоки; 4 — холодильники; 5 — воздушное охлаждение низа лещади

Подошву делают в виде восьмиугольной плиты толщиной 4…6 м, толщина пня составляет 2…3,5 м. От перегрева и термического разрушения фундамент на современных печах предохраняют путем воздушного охлаждения низа лещади (стыка лещади с пнем).

На подошву фундамента у большинства печей опираются стальные колонны (рис.19, 2), передающие нагрузку верхнего строения печи.

Кожух доменной печи представляет собой сварную конструкцию, состоящую из цилиндрических и конических поясов, изготовленных из стального листа. Толщина кожуха в верхней части составляет 20…40, в нижней 40…60 мм. Делают кожух из сталей с высокой ударной вязкостью, прочностью, пластичностью, термостойкостью (16Г2АФ, 10Г2С1, 14Г2 и др.).

Большая часть печей имеет кожух с маратором или мараторным кольцом (рис.19, 7), т.е. горизонтально расположенным кольцом из стального листа, сваренным с кожухом нижней части шахты и верха заплечиков. Через маратор и колонны (рис. 19, 2) нагрузка верхней части печи передается на фундамент; кроме того маратор служит опорой для кладки шахты и распара.

Строившиеся в последние годы отечественные печи объемом 3000…5000 м 3 стали делать с самонесущим, т.е. гладким кожухом без мараторного кольца. При этом ухудшились условия опоры кладки шахты на кожух и на новой, более мощной отечественной печи объемом 5500 м 3 , кожух сделан самонесущим, но с небольшим мараторным кольцом, служащим для опоры кладки шахты.

В кожухе печи делают вырезы для фурм, чугунных и шлаковых леток, для горизонтальных холодильников (если они имеются), а также отверстия для болтов крепления вертикальных холодильников и для трубок, подводящим к ним воду.

Холодильники служат для охлаждения футеровки и кожуха печи с помощью пропускаемой через них холодной технической воды, а при испарительном охлаждении — с помощью кипящей химически очищенной воды. Широко применяются плитовые холодильники, располагаемые вертикально между кожухом и футеровкой. Холодильник — это плита из чугуна с залитой в ней стальной трубкой в виде змеевика для циркулирующей воды. Холодильник крепят к кожуху печи с помощью болтов.

При испарительном охлаждении во избежание образования паровых пробок кипящая вода должна двигаться снизу вверх; поэтому в плиту заливают две или более вертикально располагаемые трубки с подводом воды к каждой из них снизу и отводом сверху.

Футеровка печи

Огнеупорная футеровка (кладка) доменной печи предназначена для уменьшения тепловых потерь и предохранения кожуха от воздействия высоких температур и от контакта с жидким металлом и шлаком.

Применяемые огнеупоры . Для футеровки доменной печи применяют качественный (доменный) шамотный кирпич, высокоглиноземистый кирпич, углеродистые блоки, иногда карбидокремниевый кирпич. Основу шамота составляют SiО 2 и Аl 2 O 3 .

Для доменных печей стандартом предусмотрено три сорта шамотных изделий с содержанием Аl 2 O 3 соответственно не менее 42, 41 и 39%; они отличаются повышенной плотностью и прочностью, высокой огнеупорностью (> 1750 °С), низким содержанием Fe 2 O 3 ( 37 %) содержанием Аl 2 O 3 , меньшей огнеупорностью (> 1730°С), прочностью и плотностью. Кирпич может быть длиной 230 мм (нормальный) и 345 мм (полуторный). Применение кирпичей различной длины обеспечивает хорошее переплетение швов кладки.

Высокоглиноземистый муллитовый кирпич, применяемый для кладки лещади, содержит > 63 % Аl 2 O 3 при огнеупорности >1800 °С. Доменный карбидокремниевый кирпич содержит > 72 % SiC и > 7 % азота и отличается от огнеупоров на основе Аl 2 O 3 и SiO 2 заметно большей прочностью и теплопроводностью.

Углеродистые блоки изготовляют из кокса и обожженного антрацита с добавкой в качестве связующего небольшого количества каменноугольного пека. Длина блоков достигает 3…4 м, они прямоугольного сечения 400×400 и 550×550 мм. Блоки в комбинации с высокоглиноземистым кирпичом больших размеров (400×200×100 мм) применяют для кладки самой нижней части печи — лещади.

Швы между огнеупорными кирпичами заполняют раствором, изготовленным из мертелей, соответствующих классу кирпича. Мертель — это порошок, состоящий из измельченного шамота и огнеупорной глины. Для ответственных видов кладки применяют мертели с добавкой небольших количеств поверхностно-активных и клеющих веществ (сода, сульфитно-спиртовая барда), что позволяет приготавливать растворы с меньшей влажностью при одновременном повышении их пластичности.

Для заполнения швов между углеродистыми блоками применяют углеродистую пасту, состоящую из кокса и смолопека. Зазор между блоками допускается не более 0,5 мм для вертикальных и не более 1,5 мм для горизонтальных швов.

Лещадь . Ранее лещади доменных печей выкладывали из качественного шамотного кирпича. Однако рост объема печей и интенсификация плавки вызывали быстрое разрушение такой кладки. Поэтому в настоящее время лещади делают либо цельноуглеродистыми, либо комбинированными из углеродистых и высокоглиноземистых огнеупоров. Применение углеродистых огнеупоров вызвано тем, что из-за их высокой теплопроводности снижается перегрев и вследствие этого уменьшается разрушение кладки лещади.

Горн . Футеровку горна до уровня фурм выполняют из углеродистых блоков, а в районах фурм и чугунных и шлаковых леток из шамотного (> 42 % Аl 2 O 3) кирпича, поскольку углерод здесь может окисляться кислородом дутья, диоксидом углерода (СO 2), а также парами воды из огнеупорных масс. При работе на безводных леточных массах район чугунных леток делают из углеродистых блоков. Для предотвращения окисления углеродистых блоков в период задувки печи их защищают кладкой в один ряд из шамотного кирпича.

Толщина футеровки у низа горна достигает 1600 мм. Снаружи кладку горна охлаждают гладкими плитовыми холодильниками.

Заплечики . Кладку заплечиков чаще всего делают тонкостенной (толщина 230 или 345 мм) из шамотного (> 42 % Аl 2 O 3) кирпича в один ряд, при этом кирпич примыкает к периферийным плитовым холодильникам с залитым кирпичом. Иногда вместо шамота применяют карбидокремние вые кирпичи. Кладка заплечиков быстро изнашивается и вместо нее на поверхности холодильников формируется слой гарнисажа (застывшего шлака и мелких кусков шихты).

Шахта и распар . Кладку распара и охлаждаемой части шахты (

2/3 ее высоты снизу) выполняют из шамотного (> 41…42 % Аl 2 O 3) или карбидокремниевого кирпича, а кладку верхней неохлаждаемой части шахты из шамота, содержащего > 39 % Аl 2 O 3 . Кирпичи укладывают в два — три ряда вперевязку.

Кладка шахты с распаром может быть толсто-, средне- и тонкостенной. В прежние годы широко применяли толстостенную кладку (толщина верха шахты 800…900 мм и до 1300 мм в районе распара) с горизонтальными холодильниками, заглубленными в кладку и служащими ее опорой. Однако в связи с тем, что холодильники расположены на расстоянии друг от друга, плохо охлаждается кожух, и после износа футеровки возникают его местные перегревы, вызывая термическую деформацию и возможность появления трещин.

Кроме того, вырезы в кожухе для установки горизонтальных холодильников снижают его прочность и делают кожух менее герметичным. В связи с этим в последние годы делают тонко- и среднестенные шахты. Тонкостенная шахта (и распар) имеет в охлаждаемой части толщину кладки 230…345 мм и в верхней неохлаждаемой части 575…690 мм с охлаждением вертикальными ребристыми холодильниками, причем часть холодильников имеет горизонтальные выступы, которые служат опорой для кладки и способствуют удержанию гарнисажа.

Среднестенная шахта имеет толщину кладки в охлаждаемой части 575…900 мм и в неохлаждаемой 700 мм, охлаждение либо комбинированное из вертикальных ребристых холодильников в сочетании с горизонтальными, либо из вертикальных ребристых холодильников, имеющих горизонтальные выступы.

В распаре и охлаждаемой части шахты по мере износа кирпича образуется слой гарнисажа. С тем, чтобы уменьшить давление от расширяющейся при нагреве кладки на кожух печи и предотвратить его разрыв, между футеровкой и вертикальными холодильниками по всей высоте печи (кроме распара) предусматривают зазор в 70…200 мм, заполняемый шамотоасбестовой или пластичной углеродистой массой.

Колошник . Собственно футеровка колошника состоит из одного ряда шамотного кирпича, выкладываемого у кожуха. За ним располагают «колошниковую защиту», которая воспринимает удары падающих сверху в процессе загрузки кусков шихты. Широко распространенная ее разновидность состоит из стальных сегментов — литых полых коробок, заполненных шамотным кирпичом. Сегменты расположены несколькими кольцевыми рядами по высоте колошника; соседние по окружности сегменты соединены между собой болтами.

Вся колошниковая защита крепится к кожуху с помощью не скольких подвесок, в каждой из которых сегменты прикреплены к вертикальной пластине, соединенной с серьгой, которая свободно подвешена на штыре, вставленном в отверстие кронштейна; последний прикреплен к кожуху болтами. Такая подвеска позволяет всем сегментам перемещаться вверх в случае роста кладки шахты в вертикальном направлении в результате ее нагрева.

Горн доменной печи

Горн условно подразделяют на две части — верхнюю фурменную зону, где сгорает кокс, и нижнюю — металлоприемник, служащий для накопления жидкого чугуна и шлака, и где расположены чугунные и шлаковые летки. Высота горна (расстояние от оси чугунной летки до заплечиков) на современных печах составляет 3,2…3,9 м, а на наиболее мощной отечественной печи объемом 5500 м 3 она увеличена до 5,7 м.

Чугунные летки располагают на 600…1800 мм выше лещади, а находящаяся ниже леток часть металлоприемника заполнена несливаемым или «мертвым» слоем жидкого чугуна; этот слой необходим для предотвращения размывания лещади потоками чугуна в горне и предохранения ее от воздействия высоких температур. Печи малого объема имеют одну чугунную летку, печи объемом около 2000 м 3 — две, печи объемом 2700 м 3 — три, а печи объемом 3200…5500 м 3 — четыре летки.

На больших печах с четырьмя поочередно работающими летками, число выпусков чугуна в сутки достигает 18…24, на печи объемом 1000 м 3 оно равно 4…5.

Шлаковые летки располагают выше оси чугунных леток на 1,4…2,0 м. На печах объемом 2700 м 3 и менее имеется по две шлаковых летки, служащих для выпуска так называемого «верхнего» шлака; кроме того, часть шлака вытекает вместе с выпускаемым чугуном через чугунные летки («нижний» шлак). На печах объемом 3200…5500 м 3 , имеющих четыре чугунных летки, практически весь шлак выходит через чугунные летки вместе с чугуном, и на этих печах делают одну шлаковую летку, имеющую резервное значение.

Чугунная летка показана на рис. 22. Вырез для летки в кожухе печи обрамлен приваренной к нему стальной кольцевой рамой 2, футерованной внутри шамотным кирпичом. Летка представляет собой сквозной канал в кладке горна и рамы; этот канал шириной 250…300 и высотой 400…500 мм заполнен огнеупорной леточной массой. Для выпуска чугуна в массе просверливают отверстие диаметром 50…80 мм с помощью сверлильной машины, вращающей бур. После выпуска чугуна канал летки забивают огнеупорной массой с помощью электропушки.

Рис. 22. Чугунная летка:
1 — кожух печи; 2 — рама летки; 3 — шамотная кладка; 4 — холодильник летки; 5 — леточная масса; 6 — канал летки; 7 — жидкий чугун

Шлаковые летки обрамляют арматурой, называемой шлаковым прибором, который помещают в проем горновых холодильников и крепят к кожуху печи. Шлаковый прибор преставлен на рис. 23.

Рис. 23. Шлаковый прибор

Он состоит из телескопически соединенных элементов: медной сварной или штампованной полой охлаждаемой водой фурмы 1 диаметром 50…70 мм, литого медного полого холодильника (шлаковой амбразуры) 2, чугунного холодильника 3 с залитым спиральным змеевиком для охлаждающей воды, чугунной водоохлаждаемой амбразуры 4 аналогичной конструкции и рамы 5, при помощи которой прибор крепится к кожуху печи.

Все элементы прибора имеют коническую форму, что облегчает их замену при повреждении. Отверстие шлаковой фурмы закрывают металлической пробкой при помощи специального механического стопора. Конусную полость шлакового прибора набивают огнеупорной массой, в которой прорезают отверстие для выхода шлака из печи. Трубки 6 служат для подвода…отвода воды к фурме.

В верхней части горна на расстоянии 2700…3500 мм от оси чугунной летки горна по его окружности с равными промежутками устанавливают воздушные фурмы, через которые в печь поступает нагретое до 1100…1300 °С дутье, природный газ и другие топливные добавки (мазут, пылеугольное топливо).

На существующих печах объемом от 1033 до 5500 м 3 число фурм составляет 16…42).

Комплекс устройств, служащих для подвода дутья в горн из кольцевого воздухопровода, называют фурменным прибором (рис. 24).

Рис. 24. Фурменный прибор

Основная часть прибора — медная пустотелая воздушная фурма 1 с внутренним диаметром 140…190 мм, охлаждаемая водой. Фурма выступает из кладки внутрь печи на расстояние 300…500 мм.

Фурму устанавливают в медную полую литую амбразуру 2, а амбразуру — в имеющий залитую спиральную трубку чугунный холодильник (кадушку) 3, который своим фланцем крепится к кожуху печи с помощью болтов. Фурма, амбразура и холодильник охлаждаются проточной водой.

Дутье, подаваемое к фурме 1 из кольцевого воздухопровода 12, проходит по прикрепленным к нему рукаву 11 и неподвижному патрубку (колену) 10; подвижному колену 7, которое прикреплено к патрубку 10 при помощи двух подвесок 8, и по сменному соплу 4. Подвижное колено 7 прижимает сопло к фурме с помощью пружинного натяжного устройства 5, присоединенного к кожуху печи.

Для обеспечения герметичности прибора (на случай перекосов отдельных элементов в результате нагрева и др.) в местах стыка фурма-сопло, сопло-подвижное колено и подвижное колено-патрубок 10 предусмотрены шаровые соединения (стыки заточены по шаровой поверхности). В торце подвижного колена предусмотрена закрытая стеклом гляделка 6 для наблюдения за работой прифурменной зоны.

Рукав, патрубок 10 и подвижное колено футеруют внутри шамотным кирпичом. Сопло делают из стали с тонкой футеровкой изнутри.

Фурма и амбразура периодически прогорают и для их смены отсоединяют натяжное устройство 5, ослабляют подвески 8 и разворачивают подвижное колено вокруг оси 9 подвесок 8 в положение, удобное для удаления сопла, фурмы и амбразуры.

Кольцевой воздухопровод 12, по которому горячее дутье подводят к фурмам, футерован шамотным кирпичом и имеет диаметр в свету 800…1800 мм в зависимости от объема печи.

Колошниковое устройство

Колошниковое устройство представляет собой многоэтажную металлическую конструкцию, служащую для поддержания комплекса механизмов, предназначенных для загрузки шихты в доменную печи (засыпной аппарат и др.), отвода газов (газоотводы) и для монтажа оборудования.

Газоотводы . Для отвода доменного газа в куполе печи имеются отверстия и идущие от них вверх газоотводы. Обычно число газоотводов равно четырем, их соединяют вначале симметрично попарно, а затем в один газоход, идущий вниз к пылеуловителям, расположенным на нулевой отметке (на печах объемом 5000…5500 м 3 имеется восемь газоотводов и по два нисходящих газохода). От верхних точек газоотводов отходят вертикальные свечи (трубы), заканчивающиеся атмосферным клапаном, который открывается, выпуская газ в атмосферу при превышении давления в печи сверх допустимого. Число свечей с клапанами колеблется от двух до четырех, они служат также для выпуска газа при остановках печи.

Засыпной аппарат . Он предназначен для загрузки шихты, необходимого ее распределения по сечению колошника, т.е. печи и для обеспечения герметичности печи в процессе загрузки, т.е. для предотвращения попадания в печь воздуха, ведущего к возможности взрыва, и предотвращения выделения печного газа в атмосферу.

Большая часть доменных печей оборудована двухконусными засыпными аппаратами, а новые печи сооружают с засыпными аппаратами новой конструкции — бесконусными.

Двухконусный засыпной аппарат показан на рис. 25, а.

Его основными элементами являются:

• большой конус 1 с воронкой (чашей) 2;
• вращающийся распределитель шихты, состоящий из малого конуса 4 и воронки 10;
• приемная воронка 6.

Большой и малый конусы могут перемещаться вверх-вниз; в верхнем положении большой конус прижат к воронке 2, а малый к воронке 10, изолируя рабочее пространство печи от атмосферы; положение конусов в опущенном состоянии показано пунктиром. Малый конус подвешен на полой трубчатой штанге 5, большой — на штанге 3, проходящей внутри полой штанги 5, благодаря чему конусы могут опускаться и подниматься независимо друг от друга. Воронка 10 связана с приводом, обеспечивающим ее вращение вместе с малым конусом.

Шихтовые материалы доставляют на колошник двумя скипами (тележками), движущимися по рельсам 8 наклонного моста 9; в крайнем верхнем положении скип 7 опрокидывается, поскольку его передние колеса катятся по рельсам, загнутым вниз, а задние — по другим рельсам, загнутым вверх и поднимающим заднюю часть скипа (см. рис. 25, а). При этом порция шихты высыпается через приемную воронку на поверхность малого конуса, после чего он опускается и материал просыпается вниз на поверхность большого конуса, а малый конус сразу же поднимается.

Подобным образом на поверхность большого конуса загружают два-шесть скипов (набирают подачу). Затем при поднятом малом конусе опускают большой конус, и материал подачи просыпается в печь, после чего большой конус поднимается.

Далее на большой конус набирают новую подачу (два-шесть скипов), но перед каждым опусканием малого конуса он с воронкой 10 поворачивается на 60°. Загрузив эту подачу в печь путем опускания и подъема большого конуса, на него набирают следующую подачу; при этом перед каждым опусканием малого конуса он с воронкой поворачивается на 120° от исходного положения. При наборе последующей подачи угол поворота составляет 180° и т.д.

Благодаря такому вращению распределителя подачи попадают не в одно место под наклонным мостом 9, а сравнительно равномерно распределяются по периферии колошника.

В процессе загрузки конусы работают поочередно: когда один опущен, другой поднят (закрыт), что обеспечивает герметичность печи.

После опускания малого конуса в межконусном пространстве создается давление, соответствующее атмосферному, а большой конус находится под давлением газов в печи, что препятствует его опусканию. После же опускания большого конуса, в межконусном пространстве создается давление, равное давлению газов в печи, что препятствует открытию малого конуса.

Для выравнивания давления в межконусном пространстве и печи подают чистый газ в межконусное пространство под давлением, близким к давлению газов в печи. Это делают перед опусканием большого конуса при помощи уравнительных клапанов, а при опускании малого конуса сбрасывающий клапан выпускает газ из межконусного пространства в атмосферу. Работа уравнительных клапанов автоматизирована и сблокирована с работой конусов засыпного аппарата.

Слабым местом аппарата являются стыки конусов с соответствующими воронками. Здесь в связи с повышенным давлением в печи просачивается доменный газ и содержащаяся в нем пыль вызывает абразивный износ металла. Поэтому стойкость конусов низкая, малый; конус заменяют почти через каждые полгода, а большой через 1,5…2,5 г.

Среди ряда бесконусных загрузочных устройств хорошо зарекомендовала себя конструкция фирмы «Поль Вюрт» (Люксембург). Схема подобного устройства показана на рис. 25, б.

Его основные элементы:

• передвижная приемная воронка 2 с затвором 3 внизу;
• два накопительных шлюзовых бункера 5;
• центральная течка (труба) 8;
• отсечная задвижка 9;
• вращающийся лоток 11 с механизмами 10, обеспечивающими вращение лотка вокруг вертикальной оси и изменение угла его наклона.

Шлюзовые бункеры 5 объемом 50…80 м 3 оборудованы верхним 4, нижним 7 газоотсекающими клапанами и шихтовым дозирующим затвором 6. Газоотсекающие клапаны обеспечивают герметичность печи, поскольку верхний клапан открывают при закрытом нижнем и наоборот. Отсечная задвижка 9 служит для герметизации печи при ремонтах загрузочного устройства.

Загрузку шихты производят следующим образом. Приемную воронку 2 устанавливают над пустым бункером 6, открывают верхний газоотсекающий клапан 4 при закрытых нижнем клапане 7 и затворе 6 бункера и, открыв затвор 3 воронки, начинают подачу шихты в бункер с конвейера 1 шихтоподачи; наполнив бункер, закрывают затвор воронки и верхний газоотсекающий клапан.

Для выгрузки шихты в печь открывают нижний газоотсекающий клапан и затем шихтовый затвор 6 бункера, при этом скорость высыпания материала из бункера определяется степенью раскрытия шихтового затвора. Высыпающийся из бункера материал через трубу 8 попадает на вращающийся лоток 11 и скатывается по нему в печь. После опорожнения бункера закрывают шихтовый затвор б и затем нижний газоотсекающий клапан 7. За время опорожнения бункера лоток совершает не менее 10 оборотов, при этом угол наклона лотка изменяют по заданной программе в пределах 7…53°, выгрузка длится 60…140 с.

Правый и левый бункеры 5 работают поочередно: когда наполняют один бункер, из другого материал выгружают в печь. Шихту с конвейера 1 направляют в тот или иной бункер, передвигая приемную воронку 2. Газоуплотнительные клапаны выполняют только функцию уплотнения, не соприкасаясь с шихтой, что увеличивает срок их службы.

При работе загрузочного устройства перед открытием газоотсекающих клапанов производят выравнивание давления в бункерах 5 с давлением в печи или с атмосферным. Чтобы предотвратить выброс из бункеров 5 запыленного доменного газа в атмосферу, на отечественных печах предусмотрена система пылеподавления, заключающаяся в том, что в бункер во время выгрузки из него шихты подают азот под давлением большим, чем давление газов в печи, и поэтому газы из печи в бункер и из него в атмосферу не попадают.

Недостатком устройства считают то, что сложный механизм вращения лотка расположен в куполе печи и для его охлаждения и защиты от горячих колошниковых газов требуется расходовать много (10…30 тыс.м 3 /ч) азота или очищенного охлажденного доменного газа; кроме этого раз в три-четыре месяца необходима кратковременная остановка печи для замены резиновых прокладок газоотсекающих клапанов.

1. И.В. Макарова, М.В. Потапова, М.Г. Потапов —Конспект лекций по дисциплине «Основы металлургического производства». Производство чугуна: учеб. пособие / И.В. Макарова, М.В. Потапова, М.Г. Потапов. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2016. 130 с.

До́менная печь , до́мна — большая металлургическая , вертикально расположенная плавильная печь шахтного типа для выплавки чугуна и ферросплавов из железорудного сырья . Важнейшей особенностью доменного процесса является его непрерывность в течение всей кампании печи (от строительства печи до её капитального ремонта) и противоток поднимающихся вверх фурменных газов с непрерывно опускающимся и наращиваемым сверху новыми порциями шихты столбом материалов.

Первые доменные печи появились в Европе в середине XIV века, в России — около г.

Этимология

Слово «домна» образовано от старославянского «дмение» — дутьё. На других языках: англ. blast furnace — дутьевая печь, нем. Hochofen — высокая печь, фр. haut fourneau — высокая печь.

Следует иметь в виду коренное отличие в значении слов «домница» и «доменная печь»: в домнице получали (в виде кусков или криц) штуки восстановленного сыродутного (от слова «сырое», то есть неподогретое дутьё) железа, а в доменной печи — жидкий чугун.

Описание и процеcсы

Доменная печь представляет собой непрерывно действующий аппарат шахтного типа. Загрузка шихты осуществляется сверху, через типовое загрузочное устройство, которое одновременно является и газовым затвором доменной печи. В домне восстанавливают богатую железную руду (на современном этапе запасы богатой железной руды сохранились лишь в Австралии и Бразилии), агломерат или окатыши . Иногда в качестве рудного сырья используют брикеты.

Доменная печь состоит из пяти конструктивных элементов: верхней цилиндрической части — колошника, необходимого для загрузки и эффективного распределения шихты в печи; самой большой по высоте расширяющейся конической части — шахты, в которой происходят процессы нагрева материалов и восстановления железа из оксидов; самой широкой цилиндрической части — распара, в котором происходят процессы размягчения и плавления восстановленного железа; суживающейся конической части — заплечиков, где образуется восстановительный газ — монооксид углерода ; цилиндрической части — горна , служащего для накопления жидких продуктов доменного процесса — чугуна и шлака .

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. Таким образом в печи на разной высоте устанавливается разная температура, благодаря чему протекают различные химические процессы перехода руды в металл .

Источники

• Толковый металлургический словарь. Основные термины / Под ред. В. И. Куманина . — М.: Рус. яз., 1989. — 446 с. — ISBN 5-200-00797-6 .
• Ефименко Г. Г., Гиммельфарб А. А., Левченко В. Е. Металлургия чугуна. — Киев.:Выща школа, 1988. — 352 с.
• Ферсман А. Е. Занимательная геохимия. — М.: Детгиз, 1954. — 486 с.
• Рамм А. Н. Современный доменный процесс. — Москва.:Металлургия, 1980. — 303 с.
• Товаровский И.Г. Доменная плавка. 2-е издание.- Днепропетровск: «Пороги», 2009.-768 с.
• Андронов В.Н. Экстракция черных металлов из природного и техногенного сырья. Доменный процесс. — Донецк: Норд-Пресс, 2009.-377 с. — ISBN 978-966-380-329-6 .
• Г.Н. Еланский, Б.В. Линчевский, А.А. Кальменев Основы производства и обработки металлов. Москва 2005 г.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Доменная печь» в других словарях:

ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ, цилиндрическая плавильная печь. Ее используют для выплавки из руд металлов, преимущественно железа и меди. Руда смешивается с коксом и Флюсом (при выплавке стали это известняк). К нижней части печи подведен трубопровод горячего… … Научно-технический энциклопедический словарь

— (домна) шахтная печь для выплавки чугуна. Исходные материалы (шихта) железорудный агломерат, окатыши, кокс, флюсы подаются на колошник. Снизу (через фурмы) вводят нагретый воздух, жидкое, газообразное или пылевидное топливо. В доменной печи… … Большой Энциклопедический словарь

ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ — (домна) шахтная печь для выплавки чугуна из железной руды … Большая политехническая энциклопедия

доменная печь — — EN blast furnace A tall, cylindrical smelting furnace for reducing iron ore to pig iron; the blast of air blown through solid fuel increases the combustion rate. (Source: MGH)… … Справочник технического переводчика

Источник http://s-laplandia.ru/domennaya-pech-kratko-domennaya-pech-kak-poyavilas-shema.html

Источник http://motusvita.ru/chto-predstavlyaet-soboi-sovremennaya-domennaya-pech-dlya-chego-nuzhna-domennaya/

Источник http://tehnodinamika.ru/preparations-for-the-construction-of/dlya-chego-nuzhna-domennaya-pech-domennaya-pech-princip-raboty-domennoi/