Устройство доменной печи и принцип ее работы: Доменная печь: принцип работы и ее устройство

Вот уже на протяжении нескольких столетий основными агрегатами для выплавки чугуна из железорудных материалов являются доменные печи. Конечно, с годами конструкция этих шахтных плавильных агрегатов модернизировалась, совершенствовалась и изготавливалась с применением разных материалов, тем не менее их принцип работы остается неизменным и основывается на противотоке шихты и раскаленных восстановительных газов. И несмотря на высокий уровень современных технологий, в ближайшие десятилетия доменный процесс все еще будет оставаться одним из основных способов производства в черной металлургии.

История появления доменной печи

Железо (Fe) является четвертым элементом по степени распространенности на Земле. Но на нашей планете оно не встречается в чистой элементарной форме, ну разве что в составе упавших метеоритов. Поэтому люди стали получать его методом восстановления из железосодержащих руд, представляющих собой окиси и углекислые соли закиси Fe. И так как элементарная связь между Fe и O₂ довольно прочная, первым изобретателям пришлось методом проб и ошибок создавать первые и, возможно, не совсем эффективные плавильные агрегаты и использовать для получения высоких температур древесный уголь, который в древности был единственным источником энергии.

Учитывая уровень современных технологий, тяжело понять, как можно было пользоваться доменной печью при отсутствии мощных скиповых подъемников, многочисленных приборов и датчиков, без природного газа и пылеугольного топлива. Тем не менее, по всему миру сохранилось довольно большое количество доменных печей, построенных еще в XVII-XIX веках. Большинство из них представляют собой объекты исторического наследия и являются экспонатами музеев под открытым небом.

Китай

Многочисленные чугунные артефакты, найденные в разные годы в Китае, и ранние тибетские писания позволяют говорить о том, что именно на территории современной КНР впервые был изобретен и освоен доменный процесс. Причем зарождение домны и начало производства чугуна в Китае связывают с культурой царства Шанг Шунг.

Сегодня нельзя доподлинно установить, какое было устройство доменной печи в древнем Китае. Известно лишь, что ранние конструкции имели глиняные стены, а их домница имела форму двух усеченных конусов, соединенных большими основаниями. Малая мощность воздуходувных средств ограничивала возможное увеличение шахты печи по высоте, поэтому печи были высотой от 2 метров. Останки самых крупных и достигавших почти 10 метров в высоту агрегатов были найдены в провинциях Гуандун и Сыньчуан. Также из некоторых источников известно, что:

• в 500 г. до н. э. местные умельцы научились доводить температуру воздействия на шихту до 1130°С;
• к 300 г. до н. э. доменный чугун начинает широко использоваться в Поднебесной для изготовления оружия, инструментов и сельскохозяйственных орудий;
• в XI веке из-за возрастающих объемов выплавки чугуна в империи Сун началась массовая вырубка деревьев. И древесный уголь, единственное топливо для домны тех времен, начинают заменять на битуминозный каменный.

Средневековая Европа

В XII и XIII веке на территории Штирии (нынешняя Австрия) для получения черных металлов за счет химического восстановления железа из руды использовалась сыродутная печь (штукофен). Она функционировала почти так же, как работает доменная печь, что позволяет считать ее если не прототипом, то предшественником таковой.

Ближе к XV веку домны возводятся в Швейцарии, Швеции, Вестфалии и Англии. Высота их достигает 5 метров, а при обслуживании уже используются разнообразные механизированные средства. И хотя подача воздуха осуществлялась клинчатыми мехами, управляемыми гидроприводом, все же это не могло обеспечить высокую интенсивность плавки, и суточная производительность домны на то время в лучшем случае составляла 1,0…1,2 тонны.

Существует несколько гипотез о том, как доменное производство появилось в Европе. По одной из версий технология могла быть украдена у китайцев, по другой – перенята у народов, заселявших территории к югу от Каспийского моря. Зато все историки сходятся во мнении, что существенный вклад в развитие доменного производства в Европе внесли цистерцианцы. Монахи этого католического ордена активно занимались хозяйственной деятельностью и были лучшими металлургами в средневековье. Даже в примитивных доменных печах того времени цистерцианцы смогли добиться высокой эффективности в переплавке руды на чугун, о чем свидетельствуют найденные при раскопках остатки шлака с очень низким содержанием железа.

Современный этап

Дальнейшее становление и развитие доменного производства уже относится к XVIII-XX векам. И значительную роль в этом сыграли крупные научно-технические достижения. Среди них:

• получение в 1735 году младшим А. Дерби патента на коксование каменного угля;
• создание Д. Уайттом в 1784 универсального парового двигателя;
• разработка в 1828 году Д. Нельсоном технологии нагрева дутья перед подачей в домну;
• изобретение в 1850 году для загрузки шихты засыпного устройства типа «воронка-конус»;

Паросиловые установки и агрегаты стали широко использоваться для нагрева и подачи дутья в домну, а также позволили значительно сократить использование угля и заменять его антрацитом. Но все же, несмотря на многочисленные инновации, основным топливом для доменной печи был и остается кокс. Именно его использование стало для металлургии ключевым фактором и основой для индустриальной революции XIX века, а коксовые домны работают по сей день.

Доменные печи также использовались для выплавки цинка. В отличие от печей, выплавляющих железо, они несколько ниже, не имеют огнеупорной футеровки в боковых стенах и абсолютно герметичны. Но из-за высокой себестоимости цинковые доменные печи почти не применяются.

В результате многочисленных разработок и внедренных идей доменное производство претерпело громадные качественные изменения, а увеличение объемов производства чугуна и стали привело к созданию высокопроизводительных доменных печей.

Схема доменной печи

А теперь пробуем более детально разобраться, что такое доменная печь. Ведь интересно, что же скрыто за мощной футеровкой и многочисленными техническими площадками, которые опоясывают домменую печь по всему периметру.

Домна – это плавильный агрегат шахтного типа и непрерывного действия, в котором все теплообменные, плавильные и восстановительные процессы осуществляются в потоке движущихся навстречу друг другу кусковых материалов шихты и восстановительных газов. Агрегаты могут отличаться объемами рабочего пространства, уровнем производительности и размерами, но в целом у них всех идентичная конструкция. А типовая схема доменной печи включает такие элементы как колошник, шахту, распар, заплечики, горн и лещадь.

Колошник

Это цилиндрическая часть расположена вверху печи. Через нее осуществляется загрузка и распределение шихты, поэтому колошник испытывает ударные и абразивные воздействия от ссыпающихся с большого конуса железорудных материалов, кокса и флюса. А как устройство он имеет сложную многоэтажную конструкцию, в которую входит загрузочное устройство, система газоотводов с клапанами, минициклоны и трубопроводная система выравнивания давления.

Шахта

Это самая большая по объему и наименее стойкая часть печи, имеющая форму усеченного конуса. Именно в шахте происходят основные физико-химические процессы взаимодействия между твердыми шихтовыми материалами и газами. И ее значительная высота обусловлена тем, что при движении материалов должно произойти наибольшее косвенное восстановление оксидов железа, а это достигается длительным пребыванием материалов в шахте. Если высота недостаточна, материалы переходят в нижнюю часть печи слабо восстановленными, а чтобы обеспечить высокую газопроницаемость столба шихты на протяжении всего плавильного процесса, шахта расширяется сверху вниз.

Распар

Цилиндрическая часть печи, имеющая наибольший диаметр и обеспечивающая плавный переход шахты в заплечики. В профиле домны распар расположен в соответствии с началом этапа шлакообразования. За счет его широких габаритов снижается скорость движения газов в зоне шлакообразования и предупреждается подвисание шихты, так как в момент перехода железорудных материалов в тестообразные массы снижается проницаемость слоя шихты и возрастает гидродинамическое сопротивление.

Заплечики

Эта часть печи имеет форму перевернутого усеченного конуса. Это позволяет направить газовые потоки из зоны горения в «рудный гребень» и замедляет темп движения шихтового столба вниз.

Он представляет собой нижнюю цилиндрическую часть домны и состоит из двух частей: фурменной зоны и металлоприемника. В фурменной зоне находятся фурменные отверстия и приборы, посредством которых в домну под давлением подается нагретое воздушное дутье. А в металлоприемнике, собирающем жидкий чугун и шлак, расположены отверстия для их выпуска.

Лещадь

Это подина металлоприемника. Учитывая массогабаритные параметры и принцип работы доменной печи, лещадь является одним из ее наиболее ответственных элементов. Она испытывает значительное гидростатическое давление и температурные напряжения и поэтому выполняется из углеродистого и высокоглиноземистого материала и имеет особый вид охлаждения.

Конструктивные размеры типовых доменных печей

Размеры профиля

Полезный объем печи, м 3

1033

1513

2000

2700

3000

5000

Колошниковый зазор, мм

Количество воздушных фурм

Количество чугунных/шлаковых леток

Принцип работы домны

Доменный процесс протекает довольно сложно и требует соблюдения технологии и строгого контроля за уровнем многочисленных физических параметров. Но попробуем упрощенно рассмотреть, как доменная печь работает.

Скиповым подъемником шихтовые материалы (железорудное сырье, кокс, флюсы) поднимаются на высоту колошникового устройства и засыпаются в печь. При этом засыпка шихтовых материалов осуществляется таким образом, чтобы слои кокса чередовались с железосодержащими материалами. Снизу, благодаря работе фурменных устройств, идет нагнетание внутрь домны мощного потока горячего воздуха, который содержит необходимый для реакции кислород. Поднимаясь вверх, он движется в противотоке с опускающимися вниз слоями шихтового столба и интенсивно пронизывает их за счет наличия межкусковых пространств, вызывая горение кокса и разложение компонентов шихты. Представим доменный процесс схематически.

Описание процессов в доменной печи

Процесс

Химические реакции

Вдуваемый посредством фурм кислород взаимодействует с углеродом кокса

В зоне домны, расположенной несколько выше фурм, кислород уже израсходован и происходит взаимодействие двуокиси углерода с углеродом кокса. Такая реакция приводит к повышению температуры выше 1000°С

При нагреве железосодержащих материалов происходит череда восстановительных процессов.

В результате на последней стадии восстановления образуется губчатое железо, а окись углерода переходит в двуокись углерода

FeО + СО = Fe + СО₂

Губчатое железо науглероживается и превращается в чугун

Пустая порода под воздействием температур выше 1000°С размягчается и плавится. При этом она образует шлак, взаимодействуя с кальцием флюса и невосстановленными окислами железа и марганца

В домне происходит восстановление фосфора, марганца и кремния. Растворяясь, они также реагируют с железом

SiO₂ + 2C = Si + 2CO

Жидкий чугун, проходя сквозь слой шлака, дополнительно освобождается от серы и собирается в горне, откуда выпускается через летку в равные временные интервалы. Шлак имеет более низкую плотность и поэтому находится сверху расплавленного чугуна и тем самым минимизирует его окисление. Шлак также отводится через летку с соблюдением определенной временной последовательности.

Сырьевые и топливные материалы

Железные руды – основное сырье для доменного производства. К ним относятся магнитный, красный и бурый железняк, а также сидериты и гетиты. Путем обогащения и подготовки из них получают железорудное сырье:

• окатыши;
• агломерат;
• концентрат.

В руде, кроме Fe, содержится пустая порода и различные примеси, которые в ходе плавки выделяются в шлак. Для этих целей в доменную шихту дополнительно вводят флюсы. Эти материалы снижают температуру плавления пустой породы и связывают ее в неметаллические включения. Применение флюсов позволяет снизить количество примесей в чугуне и придать шлаку необходимые свойства, ведь после выплавки он также используется в разных сферах современной промышленности.

Основным топливом для доменного производства вот уже на протяжении многих десятилетий является кокс. Это продукт коксохимических фабрик и результат бескислородной переработки специальных сортов каменного угля. При этом кокс, как содержащий углерод компонент шихты, одновременно выступает топливом и ключевым реагентом для восстановления Fe из руды. В современных условиях металлурги стали частично заменять его на альтернативные виды топлива – мазут, газ природный, коксовый и доменный, а также на пылеугольное топливо.

Почему нельзя остановить домну?

Доменная печь – это шахтные плавильные агрегаты непрерывного действия. Температура в них увеличивается сверху вниз. Атмосферный кислород, вдуваемый снизу, вступает в экзотермическую химическую реакцию с коксом, которая дает тепловую энергию, необходимую для доменного процесса и доходящую иногда до 2000-2300°С.

Поэтому, если по каким-либо причинам произойдет остановка печи, сразу возникает проблема – как нагреть доменную печь снова, ведь внутри нее находятся тонны твердых и тестообразных материалов шихты, жидкий чугун и шлак. При снижении температуры все это превратится в единую массу, которую нельзя будет повторно нагреть никакими внешними воздействиями. Поэтому доменные печи останавливают только в плановом режиме при выводе из эксплуатации или на капитальный ремонт.

Расчет годовой производительности доменной печи

Годовая производительность печи позволяет судить об эффективности ее эксплуатации. Рассчитывают ее по формуле Пгод = m × V_пол / КИПО, а исходными данными для ее расчета являются:

• полезный объем домны, V_пол, м 3 ;
• коэффициент использования полезного объема, КИПО;
• годовое количество рабочих суток печи, m, дни.

Для примера выполним расчеты для печи с полезным объемом в 2000 м 3 . Учитывая характер эксплуатации печи, принимаем количество рабочих суток за календарное количество дней. В 2020 году их было 366. Значение КИПО возьмем из справочников, для отечественных домен постройки 70-80-х годов прошлого века данный коэффициент равен 0,6 и 0,7.

Пгод = m × V_пол / КИПО = 366 × 2000 / 0,6 = 1 220 000 тонн

Это означает, что при полной загрузке доменная печь с таким полезным объемом могла в 2020 году дать экономике 1,22 млн. тонн чугуна.

Украинская металлургия является одной из ведущих в мире. За последние несколько лет она неоднократно занимала 9-е место в ТОП-10 среди многочисленных стран-производителей стали.

На территории Украины расположена известная во всем мире доменная печь №9. Это самая мощная домна в Европе. Ее полезный объем составляет 5034 кубических метра, а годовая производительность может достигать 4 000 000 тонн.

Заключение

Итак, исходным сырьем для доменного производства являются железные руды, а продуктами, кроме основного – чугуна, являются шлак, колошниковый газ и колошниковая пыль. Собственные природные ресурсы и мощный производственный потенциал позволяют украинским металлургам лидировать на мировом рынке и обеспечивать потребности внутреннего рынка в чугуне и стали.

Доменная печь: принцип работы и ее устройство

1. История появления доменной печи
2. Схема доменной печи
3. Принцип работы домны
4. Расчет годовой производительности доменной печи
5. Заключение

Вот уже на протяжении нескольких столетий основными агрегатами для выплавки чугуна из железорудных материалов являются доменные печи. Конечно, с годами конструкция этих шахтных плавильных агрегатов модернизировалась, совершенствовалась и изготавливалась с применением разных материалов, тем не менее их принцип работы остается неизменным и основывается на противотоке шихты и раскаленных восстановительных газов. И несмотря на высокий уровень современных технологий, в ближайшие десятилетия доменный процесс все еще будет оставаться одним из основных способов производства в черной металлургии.

История появления доменной печи

Железо (Fe) является четвертым элементом по степени распространенности на Земле. Но на нашей планете оно не встречается в чистой элементарной форме, ну разве что в составе упавших метеоритов. Поэтому люди стали получать его методом восстановления из железосодержащих руд, представляющих собой окиси и углекислые соли закиси Fe. И так как элементарная связь между Fe и O₂ довольно прочная, первым изобретателям пришлось методом проб и ошибок создавать первые и, возможно, не совсем эффективные плавильные агрегаты и использовать для получения высоких температур древесный уголь, который в древности был единственным источником энергии.

Учитывая уровень современных технологий, тяжело понять, как можно было пользоваться доменной печью при отсутствии мощных скиповых подъемников, многочисленных приборов и датчиков, без природного газа и пылеугольного топлива. Тем не менее, по всему миру сохранилось довольно большое количество доменных печей, построенных еще в XVII-XIX веках. Большинство из них представляют собой объекты исторического наследия и являются экспонатами музеев под открытым небом. Но самые первые домны были созданы в Китае, о чем свидетельствуют чугунные изделия, изготовление которых датируется еще V веком до нашей эры.

Китай

Многочисленные чугунные артефакты, найденные в разные годы в Китае, и ранние тибетские писания позволяют говорить о том, что именно на территории современной КНР впервые был изобретен и освоен доменный процесс. Причем зарождение домны и начало производства чугуна в Китае связывают с культурой царства Шанг Шунг.

Сегодня нельзя доподлинно установить, какое было устройство доменной печи в древнем Китае. Известно лишь, что ранние конструкции имели глиняные стены, а их домница имела форму двух усеченных конусов, соединенных большими основаниями. Малая мощность воздуходувных средств ограничивала возможное увеличение шахты печи по высоте, поэтому печи были высотой от 2 метров. Останки самых крупных и достигавших почти 10 метров в высоту агрегатов были найдены в провинциях Гуандун и Сыньчуан. Также из некоторых источников известно, что:

• в 500 г. до н. э. местные умельцы научились доводить температуру воздействия на шихту до 1130°С;
• к 300 г. до н. э. доменный чугун начинает широко использоваться в Поднебесной для изготовления оружия, инструментов и сельскохозяйственных орудий;
• в XI веке из-за возрастающих объемов выплавки чугуна в империи Сун началась массовая вырубка деревьев. И древесный уголь, единственное топливо для домны тех времен, начинают заменять на битуминозный каменный.

Средневековая Европа

В XII и XIII веке на территории Штирии (нынешняя Австрия) для получения черных металлов за счет химического восстановления железа из руды использовалась сыродутная печь (штукофен). Она функционировала почти так же, как работает доменная печь, что позволяет считать ее если не прототипом, то предшественником таковой.

Ближе к XV веку домны возводятся в Швейцарии, Швеции, Вестфалии и Англии. Высота их достигает 5 метров, а при обслуживании уже используются разнообразные механизированные средства. И хотя подача воздуха осуществлялась клинчатыми мехами, управляемыми гидроприводом, все же это не могло обеспечить высокую интенсивность плавки, и суточная производительность домны на то время в лучшем случае составляла 1,0…1,2 тонны.

Существует несколько гипотез о том, как доменное производство появилось в Европе. По одной из версий технология могла быть украдена у китайцев, по другой – перенята у народов, заселявших территории к югу от Каспийского моря. Зато все историки сходятся во мнении, что существенный вклад в развитие доменного производства в Европе внесли цистерцианцы. Монахи этого католического ордена активно занимались хозяйственной деятельностью и были лучшими металлургами в средневековье. Даже в примитивных доменных печах того времени цистерцианцы смогли добиться высокой эффективности в переплавке руды на чугун, о чем свидетельствуют найденные при раскопках остатки шлака с очень низким содержанием железа.

Современный этап

Дальнейшее становление и развитие доменного производства уже относится к XVIII-XX векам. И значительную роль в этом сыграли крупные научно-технические достижения. Среди них:

• получение в 1735 году младшим А. Дерби патента на коксование каменного угля;
• создание Д. Уайттом в 1784 универсального парового двигателя;
• разработка в 1828 году Д. Нельсоном технологии нагрева дутья перед подачей в домну;
• изобретение в 1850 году для загрузки шихты засыпного устройства типа «воронка-конус»;
• получение в период 1867…1871 Г. Бессемером патентов на плавку чугуна с высоким давлением внутри печи и на технологию работы домны на обогащенном кислородном дутье.

Паросиловые установки и агрегаты стали широко использоваться для нагрева и подачи дутья в домну, а также позволили значительно сократить использование угля и заменять его антрацитом. Но все же, несмотря на многочисленные инновации, основным топливом для доменной печи был и остается кокс. Именно его использование стало для металлургии ключевым фактором и основой для индустриальной революции XIX века, а коксовые домны работают по сей день.

Доменные печи также использовались для выплавки цинка. В отличие от печей, выплавляющих железо, они несколько ниже, не имеют огнеупорной футеровки в боковых стенах и абсолютно герметичны. Но из-за высокой себестоимости цинковые доменные печи почти не применяются.

В результате многочисленных разработок и внедренных идей доменное производство претерпело громадные качественные изменения, а увеличение объемов производства чугуна и стали привело к созданию высокопроизводительных доменных печей.

Схема доменной печи

А теперь пробуем более детально разобраться, что такое доменная печь. Ведь интересно, что же скрыто за мощной футеровкой и многочисленными техническими площадками, которые опоясывают домменую печь по всему периметру.

Домна – это плавильный агрегат шахтного типа и непрерывного действия, в котором все теплообменные, плавильные и восстановительные процессы осуществляются в потоке движущихся навстречу друг другу кусковых материалов шихты и восстановительных газов. Агрегаты могут отличаться объемами рабочего пространства, уровнем производительности и размерами, но в целом у них всех идентичная конструкция. А типовая схема доменной печи включает такие элементы как колошник, шахту, распар, заплечики, горн и лещадь.

Колошник

Это цилиндрическая часть расположена вверху печи. Через нее осуществляется загрузка и распределение шихты, поэтому колошник испытывает ударные и абразивные воздействия от ссыпающихся с большого конуса железорудных материалов, кокса и флюса. А как устройство он имеет сложную многоэтажную конструкцию, в которую входит загрузочное устройство, система газоотводов с клапанами, минициклоны и трубопроводная система выравнивания давления.

Шахта

Это самая большая по объему и наименее стойкая часть печи, имеющая форму усеченного конуса. Именно в шахте происходят основные физико-химические процессы взаимодействия между твердыми шихтовыми материалами и газами. И ее значительная высота обусловлена тем, что при движении материалов должно произойти наибольшее косвенное восстановление оксидов железа, а это достигается длительным пребыванием материалов в шахте. Если высота недостаточна, материалы переходят в нижнюю часть печи слабо восстановленными, а чтобы обеспечить высокую газопроницаемость столба шихты на протяжении всего плавильного процесса, шахта расширяется сверху вниз.

Распар

Цилиндрическая часть печи, имеющая наибольший диаметр и обеспечивающая плавный переход шахты в заплечики. В профиле домны распар расположен в соответствии с началом этапа шлакообразования. За счет его широких габаритов снижается скорость движения газов в зоне шлакообразования и предупреждается подвисание шихты, так как в момент перехода железорудных материалов в тестообразные массы снижается проницаемость слоя шихты и возрастает гидродинамическое сопротивление.

Заплечики

Эта часть печи имеет форму перевернутого усеченного конуса. Это позволяет направить газовые потоки из зоны горения в «рудный гребень» и замедляет темп движения шихтового столба вниз.

Он представляет собой нижнюю цилиндрическую часть домны и состоит из двух частей: фурменной зоны и металлоприемника. В фурменной зоне находятся фурменные отверстия и приборы, посредством которых в домну под давлением подается нагретое воздушное дутье. А в металлоприемнике, собирающем жидкий чугун и шлак, расположены отверстия для их выпуска.

Лещадь

Это подина металлоприемника. Учитывая массогабаритные параметры и принцип работы доменной печи, лещадь является одним из ее наиболее ответственных элементов. Она испытывает значительное гидростатическое давление и температурные напряжения и поэтому выполняется из углеродистого и высокоглиноземистого материала и имеет особый вид охлаждения.

Конструктивные размеры типовых доменных печей

Размеры профиля

Полезный объем печи, м 3

1033

1513

2000

2700

3000

5000

Колошниковый зазор, мм

Количество воздушных фурм

Количество чугунных/шлаковых леток

Принцип работы домны

Доменный процесс протекает довольно сложно и требует соблюдения технологии и строгого контроля за уровнем многочисленных физических параметров. Но попробуем упрощенно рассмотреть, как доменная печь работает.

Скиповым подъемником шихтовые материалы (железорудное сырье, кокс, флюсы) поднимаются на высоту колошникового устройства и засыпаются в печь. При этом засыпка шихтовых материалов осуществляется таким образом, чтобы слои кокса чередовались с железосодержащими материалами. Снизу, благодаря работе фурменных устройств, идет нагнетание внутрь домны мощного потока горячего воздуха, который содержит необходимый для реакции кислород. Поднимаясь вверх, он движется в противотоке с опускающимися вниз слоями шихтового столба и интенсивно пронизывает их за счет наличия межкусковых пространств, вызывая горение кокса и разложение компонентов шихты. Представим доменный процесс схематически.

Описание процессов в доменной печи

Процесс

Химические реакции

Вдуваемый посредством фурм кислород взаимодействует с углеродом кокса

В зоне домны, расположенной несколько выше фурм, кислород уже израсходован и происходит взаимодействие двуокиси углерода с углеродом кокса. Такая реакция приводит к повышению температуры выше 1000°С

При нагреве железосодержащих материалов происходит череда восстановительных процессов.

В результате на последней стадии восстановления образуется губчатое железо, а окись углерода переходит в двуокись углерода

FeО + СО = Fe + СО₂

Губчатое железо науглероживается и превращается в чугун

Пустая порода под воздействием температур выше 1000°С размягчается и плавится. При этом она образует шлак, взаимодействуя с кальцием флюса и невосстановленными окислами железа и марганца

В домне происходит восстановление фосфора, марганца и кремния. Растворяясь, они также реагируют с железом

SiO₂ + 2C = Si + 2CO

Жидкий чугун, проходя сквозь слой шлака, дополнительно освобождается от серы и собирается в горне, откуда выпускается через летку в равные временные интервалы. Шлак имеет более низкую плотность и поэтому находится сверху расплавленного чугуна и тем самым минимизирует его окисление. Шлак также отводится через летку с соблюдением определенной временной последовательности.

Сырьевые и топливные материалы

Железные руды – основное сырье для доменного производства. К ним относятся магнитный, красный и бурый железняк, а также сидериты и гетиты. Путем обогащения и подготовки из них получают железорудное сырье:

• окатыши;
• агломерат;
• концентрат.

В руде, кроме Fe, содержится пустая порода и различные примеси, которые в ходе плавки выделяются в шлак. Для этих целей в доменную шихту дополнительно вводят флюсы. Эти материалы снижают температуру плавления пустой породы и связывают ее в неметаллические включения. Применение флюсов позволяет снизить количество примесей в чугуне и придать шлаку необходимые свойства, ведь после выплавки он также используется в разных сферах современной промышленности.

Основным топливом для доменного производства вот уже на протяжении многих десятилетий является кокс. Это продукт коксохимических фабрик и результат бескислородной переработки специальных сортов каменного угля. При этом кокс, как содержащий углерод компонент шихты, одновременно выступает топливом и ключевым реагентом для восстановления Fe из руды. В современных условиях металлурги стали частично заменять его на альтернативные виды топлива – мазут, газ природный, коксовый и доменный, а также на пылеугольное топливо.

Почему нельзя остановить домну?

Доменная печь – это шахтные плавильные агрегаты непрерывного действия. Температура в них увеличивается сверху вниз. Атмосферный кислород, вдуваемый снизу, вступает в экзотермическую химическую реакцию с коксом, которая дает тепловую энергию, необходимую для доменного процесса и доходящую иногда до 2000-2300°С.

Поэтому, если по каким-либо причинам произойдет остановка печи, сразу возникает проблема – как нагреть доменную печь снова, ведь внутри нее находятся тонны твердых и тестообразных материалов шихты, жидкий чугун и шлак. При снижении температуры все это превратится в единую массу, которую нельзя будет повторно нагреть никакими внешними воздействиями. Поэтому доменные печи останавливают только в плановом режиме при выводе из эксплуатации или на капитальный ремонт.

Расчет годовой производительности доменной печи

Годовая производительность печи позволяет судить об эффективности ее эксплуатации. Рассчитывают ее по формуле Пгод = m × V_пол / КИПО, а исходными данными для ее расчета являются:

• полезный объем домны, V_пол, м 3 ;
• коэффициент использования полезного объема, КИПО;
• годовое количество рабочих суток печи, m, дни.

Для примера выполним расчеты для печи с полезным объемом в 2000 м 3 . Учитывая характер эксплуатации печи, принимаем количество рабочих суток за календарное количество дней. В 2020 году их было 366. Значение КИПО возьмем из справочников, для отечественных домен постройки 70-80-х годов прошлого века данный коэффициент равен 0,6 и 0,7.

Пгод = m × V_пол / КИПО = 366 × 2000 / 0,6 = 1 220 000 тонн

Это означает, что при полной загрузке доменная печь с таким полезным объемом могла в 2020 году дать экономике 1,22 млн. тонн чугуна.

Украинская металлургия является одной из ведущих в мире. За последние несколько лет она неоднократно занимала 9-е место в ТОП-10 среди многочисленных стран-производителей стали.

На территории Украины расположена известная во всем мире доменная печь №9. Это самая мощная домна в Европе. Ее полезный объем составляет 5034 кубических метра, а годовая производительность может достигать 4 000 000 тонн.

Заключение

Итак, исходным сырьем для доменного производства являются железные руды, а продуктами, кроме основного – чугуна, являются шлак, колошниковый газ и колошниковая пыль. Собственные природные ресурсы и мощный производственный потенциал позволяют украинским металлургам лидировать на мировом рынке и обеспечивать потребности внутреннего рынка в чугуне и стали.

Доменная печь: принцип работы и ее устройство

1. История появления доменной печи
2. Схема доменной печи
3. Принцип работы домны
4. Расчет годовой производительности доменной печи
5. Заключение

Вот уже на протяжении нескольких столетий основными агрегатами для выплавки чугуна из железорудных материалов являются доменные печи. Конечно, с годами конструкция этих шахтных плавильных агрегатов модернизировалась, совершенствовалась и изготавливалась с применением разных материалов, тем не менее их принцип работы остается неизменным и основывается на противотоке шихты и раскаленных восстановительных газов. И несмотря на высокий уровень современных технологий, в ближайшие десятилетия доменный процесс все еще будет оставаться одним из основных способов производства в черной металлургии.

История появления доменной печи

Железо (Fe) является четвертым элементом по степени распространенности на Земле. Но на нашей планете оно не встречается в чистой элементарной форме, ну разве что в составе упавших метеоритов. Поэтому люди стали получать его методом восстановления из железосодержащих руд, представляющих собой окиси и углекислые соли закиси Fe. И так как элементарная связь между Fe и O₂ довольно прочная, первым изобретателям пришлось методом проб и ошибок создавать первые и, возможно, не совсем эффективные плавильные агрегаты и использовать для получения высоких температур древесный уголь, который в древности был единственным источником энергии.

Учитывая уровень современных технологий, тяжело понять, как можно было пользоваться доменной печью при отсутствии мощных скиповых подъемников, многочисленных приборов и датчиков, без природного газа и пылеугольного топлива. Тем не менее, по всему миру сохранилось довольно большое количество доменных печей, построенных еще в XVII-XIX веках. Большинство из них представляют собой объекты исторического наследия и являются экспонатами музеев под открытым небом. Но самые первые домны были созданы в Китае, о чем свидетельствуют чугунные изделия, изготовление которых датируется еще V веком до нашей эры.

Китай

Многочисленные чугунные артефакты, найденные в разные годы в Китае, и ранние тибетские писания позволяют говорить о том, что именно на территории современной КНР впервые был изобретен и освоен доменный процесс. Причем зарождение домны и начало производства чугуна в Китае связывают с культурой царства Шанг Шунг.

Сегодня нельзя доподлинно установить, какое было устройство доменной печи в древнем Китае. Известно лишь, что ранние конструкции имели глиняные стены, а их домница имела форму двух усеченных конусов, соединенных большими основаниями. Малая мощность воздуходувных средств ограничивала возможное увеличение шахты печи по высоте, поэтому печи были высотой от 2 метров. Останки самых крупных и достигавших почти 10 метров в высоту агрегатов были найдены в провинциях Гуандун и Сыньчуан. Также из некоторых источников известно, что:

• в 500 г. до н. э. местные умельцы научились доводить температуру воздействия на шихту до 1130°С;
• к 300 г. до н. э. доменный чугун начинает широко использоваться в Поднебесной для изготовления оружия, инструментов и сельскохозяйственных орудий;
• в XI веке из-за возрастающих объемов выплавки чугуна в империи Сун началась массовая вырубка деревьев. И древесный уголь, единственное топливо для домны тех времен, начинают заменять на битуминозный каменный.

Средневековая Европа

В XII и XIII веке на территории Штирии (нынешняя Австрия) для получения черных металлов за счет химического восстановления железа из руды использовалась сыродутная печь (штукофен). Она функционировала почти так же, как работает доменная печь, что позволяет считать ее если не прототипом, то предшественником таковой.

Ближе к XV веку домны возводятся в Швейцарии, Швеции, Вестфалии и Англии. Высота их достигает 5 метров, а при обслуживании уже используются разнообразные механизированные средства. И хотя подача воздуха осуществлялась клинчатыми мехами, управляемыми гидроприводом, все же это не могло обеспечить высокую интенсивность плавки, и суточная производительность домны на то время в лучшем случае составляла 1,0…1,2 тонны.

Существует несколько гипотез о том, как доменное производство появилось в Европе. По одной из версий технология могла быть украдена у китайцев, по другой – перенята у народов, заселявших территории к югу от Каспийского моря. Зато все историки сходятся во мнении, что существенный вклад в развитие доменного производства в Европе внесли цистерцианцы. Монахи этого католического ордена активно занимались хозяйственной деятельностью и были лучшими металлургами в средневековье. Даже в примитивных доменных печах того времени цистерцианцы смогли добиться высокой эффективности в переплавке руды на чугун, о чем свидетельствуют найденные при раскопках остатки шлака с очень низким содержанием железа.

Современный этап

Дальнейшее становление и развитие доменного производства уже относится к XVIII-XX векам. И значительную роль в этом сыграли крупные научно-технические достижения. Среди них:

• получение в 1735 году младшим А. Дерби патента на коксование каменного угля;
• создание Д. Уайттом в 1784 универсального парового двигателя;
• разработка в 1828 году Д. Нельсоном технологии нагрева дутья перед подачей в домну;
• изобретение в 1850 году для загрузки шихты засыпного устройства типа «воронка-конус»;
• получение в период 1867…1871 Г. Бессемером патентов на плавку чугуна с высоким давлением внутри печи и на технологию работы домны на обогащенном кислородном дутье.

Паросиловые установки и агрегаты стали широко использоваться для нагрева и подачи дутья в домну, а также позволили значительно сократить использование угля и заменять его антрацитом. Но все же, несмотря на многочисленные инновации, основным топливом для доменной печи был и остается кокс. Именно его использование стало для металлургии ключевым фактором и основой для индустриальной революции XIX века, а коксовые домны работают по сей день.

Доменные печи также использовались для выплавки цинка. В отличие от печей, выплавляющих железо, они несколько ниже, не имеют огнеупорной футеровки в боковых стенах и абсолютно герметичны. Но из-за высокой себестоимости цинковые доменные печи почти не применяются.

В результате многочисленных разработок и внедренных идей доменное производство претерпело громадные качественные изменения, а увеличение объемов производства чугуна и стали привело к созданию высокопроизводительных доменных печей.

Схема доменной печи

А теперь пробуем более детально разобраться, что такое доменная печь. Ведь интересно, что же скрыто за мощной футеровкой и многочисленными техническими площадками, которые опоясывают домменую печь по всему периметру.

Домна – это плавильный агрегат шахтного типа и непрерывного действия, в котором все теплообменные, плавильные и восстановительные процессы осуществляются в потоке движущихся навстречу друг другу кусковых материалов шихты и восстановительных газов. Агрегаты могут отличаться объемами рабочего пространства, уровнем производительности и размерами, но в целом у них всех идентичная конструкция. А типовая схема доменной печи включает такие элементы как колошник, шахту, распар, заплечики, горн и лещадь.

Колошник

Это цилиндрическая часть расположена вверху печи. Через нее осуществляется загрузка и распределение шихты, поэтому колошник испытывает ударные и абразивные воздействия от ссыпающихся с большого конуса железорудных материалов, кокса и флюса. А как устройство он имеет сложную многоэтажную конструкцию, в которую входит загрузочное устройство, система газоотводов с клапанами, минициклоны и трубопроводная система выравнивания давления.

Шахта

Это самая большая по объему и наименее стойкая часть печи, имеющая форму усеченного конуса. Именно в шахте происходят основные физико-химические процессы взаимодействия между твердыми шихтовыми материалами и газами. И ее значительная высота обусловлена тем, что при движении материалов должно произойти наибольшее косвенное восстановление оксидов железа, а это достигается длительным пребыванием материалов в шахте. Если высота недостаточна, материалы переходят в нижнюю часть печи слабо восстановленными, а чтобы обеспечить высокую газопроницаемость столба шихты на протяжении всего плавильного процесса, шахта расширяется сверху вниз.

Распар

Цилиндрическая часть печи, имеющая наибольший диаметр и обеспечивающая плавный переход шахты в заплечики. В профиле домны распар расположен в соответствии с началом этапа шлакообразования. За счет его широких габаритов снижается скорость движения газов в зоне шлакообразования и предупреждается подвисание шихты, так как в момент перехода железорудных материалов в тестообразные массы снижается проницаемость слоя шихты и возрастает гидродинамическое сопротивление.

Заплечики

Эта часть печи имеет форму перевернутого усеченного конуса. Это позволяет направить газовые потоки из зоны горения в «рудный гребень» и замедляет темп движения шихтового столба вниз.

Он представляет собой нижнюю цилиндрическую часть домны и состоит из двух частей: фурменной зоны и металлоприемника. В фурменной зоне находятся фурменные отверстия и приборы, посредством которых в домну под давлением подается нагретое воздушное дутье. А в металлоприемнике, собирающем жидкий чугун и шлак, расположены отверстия для их выпуска.

Лещадь

Это подина металлоприемника. Учитывая массогабаритные параметры и принцип работы доменной печи, лещадь является одним из ее наиболее ответственных элементов. Она испытывает значительное гидростатическое давление и температурные напряжения и поэтому выполняется из углеродистого и высокоглиноземистого материала и имеет особый вид охлаждения.

Конструктивные размеры типовых доменных печей

Размеры профиля

Полезный объем печи, м 3

1033

1513

2000

2700

3000

5000

Колошниковый зазор, мм

Количество воздушных фурм

Количество чугунных/шлаковых леток

Принцип работы домны

Доменный процесс протекает довольно сложно и требует соблюдения технологии и строгого контроля за уровнем многочисленных физических параметров. Но попробуем упрощенно рассмотреть, как доменная печь работает.

Скиповым подъемником шихтовые материалы (железорудное сырье, кокс, флюсы) поднимаются на высоту колошникового устройства и засыпаются в печь. При этом засыпка шихтовых материалов осуществляется таким образом, чтобы слои кокса чередовались с железосодержащими материалами. Снизу, благодаря работе фурменных устройств, идет нагнетание внутрь домны мощного потока горячего воздуха, который содержит необходимый для реакции кислород. Поднимаясь вверх, он движется в противотоке с опускающимися вниз слоями шихтового столба и интенсивно пронизывает их за счет наличия межкусковых пространств, вызывая горение кокса и разложение компонентов шихты. Представим доменный процесс схематически.

Описание процессов в доменной печи

Процесс

Химические реакции

Вдуваемый посредством фурм кислород взаимодействует с углеродом кокса

В зоне домны, расположенной несколько выше фурм, кислород уже израсходован и происходит взаимодействие двуокиси углерода с углеродом кокса. Такая реакция приводит к повышению температуры выше 1000°С

При нагреве железосодержащих материалов происходит череда восстановительных процессов.

В результате на последней стадии восстановления образуется губчатое железо, а окись углерода переходит в двуокись углерода

FeО + СО = Fe + СО₂

Губчатое железо науглероживается и превращается в чугун

Пустая порода под воздействием температур выше 1000°С размягчается и плавится. При этом она образует шлак, взаимодействуя с кальцием флюса и невосстановленными окислами железа и марганца

В домне происходит восстановление фосфора, марганца и кремния. Растворяясь, они также реагируют с железом

SiO₂ + 2C = Si + 2CO

Жидкий чугун, проходя сквозь слой шлака, дополнительно освобождается от серы и собирается в горне, откуда выпускается через летку в равные временные интервалы. Шлак имеет более низкую плотность и поэтому находится сверху расплавленного чугуна и тем самым минимизирует его окисление. Шлак также отводится через летку с соблюдением определенной временной последовательности.

Сырьевые и топливные материалы

Железные руды – основное сырье для доменного производства. К ним относятся магнитный, красный и бурый железняк, а также сидериты и гетиты. Путем обогащения и подготовки из них получают железорудное сырье:

• окатыши;
• агломерат;
• концентрат.

В руде, кроме Fe, содержится пустая порода и различные примеси, которые в ходе плавки выделяются в шлак. Для этих целей в доменную шихту дополнительно вводят флюсы. Эти материалы снижают температуру плавления пустой породы и связывают ее в неметаллические включения. Применение флюсов позволяет снизить количество примесей в чугуне и придать шлаку необходимые свойства, ведь после выплавки он также используется в разных сферах современной промышленности.

Основным топливом для доменного производства вот уже на протяжении многих десятилетий является кокс. Это продукт коксохимических фабрик и результат бескислородной переработки специальных сортов каменного угля. При этом кокс, как содержащий углерод компонент шихты, одновременно выступает топливом и ключевым реагентом для восстановления Fe из руды. В современных условиях металлурги стали частично заменять его на альтернативные виды топлива – мазут, газ природный, коксовый и доменный, а также на пылеугольное топливо.

Почему нельзя остановить домну?

Доменная печь – это шахтные плавильные агрегаты непрерывного действия. Температура в них увеличивается сверху вниз. Атмосферный кислород, вдуваемый снизу, вступает в экзотермическую химическую реакцию с коксом, которая дает тепловую энергию, необходимую для доменного процесса и доходящую иногда до 2000-2300°С.

Поэтому, если по каким-либо причинам произойдет остановка печи, сразу возникает проблема – как нагреть доменную печь снова, ведь внутри нее находятся тонны твердых и тестообразных материалов шихты, жидкий чугун и шлак. При снижении температуры все это превратится в единую массу, которую нельзя будет повторно нагреть никакими внешними воздействиями. Поэтому доменные печи останавливают только в плановом режиме при выводе из эксплуатации или на капитальный ремонт.

Расчет годовой производительности доменной печи

Годовая производительность печи позволяет судить об эффективности ее эксплуатации. Рассчитывают ее по формуле Пгод = m × V_пол / КИПО, а исходными данными для ее расчета являются:

• полезный объем домны, V_пол, м 3 ;
• коэффициент использования полезного объема, КИПО;
• годовое количество рабочих суток печи, m, дни.

Для примера выполним расчеты для печи с полезным объемом в 2000 м 3 . Учитывая характер эксплуатации печи, принимаем количество рабочих суток за календарное количество дней. В 2020 году их было 366. Значение КИПО возьмем из справочников, для отечественных домен постройки 70-80-х годов прошлого века данный коэффициент равен 0,6 и 0,7.

Пгод = m × V_пол / КИПО = 366 × 2000 / 0,6 = 1 220 000 тонн

Это означает, что при полной загрузке доменная печь с таким полезным объемом могла в 2020 году дать экономике 1,22 млн. тонн чугуна.

Украинская металлургия является одной из ведущих в мире. За последние несколько лет она неоднократно занимала 9-е место в ТОП-10 среди многочисленных стран-производителей стали.

На территории Украины расположена известная во всем мире доменная печь №9. Это самая мощная домна в Европе. Ее полезный объем составляет 5034 кубических метра, а годовая производительность может достигать 4 000 000 тонн.

Заключение

Итак, исходным сырьем для доменного производства являются железные руды, а продуктами, кроме основного – чугуна, являются шлак, колошниковый газ и колошниковая пыль. Собственные природные ресурсы и мощный производственный потенциал позволяют украинским металлургам лидировать на мировом рынке и обеспечивать потребности внутреннего рынка в чугуне и стали.

Устройство и работа доменной печи

Назначение доменной печи — осуществление процессов выплавки ферросплавов и чугуна. Для производства этих материалов используется железорудное сырье. История происхождения названия такого оборудования уходит корнями в 14 век. Термин «доменная» возник от слова дутье. Первые печи появились в Европе, а затем, уже после 16 века, пришли в Россию.

Устройство доменной печи выглядит следующим образом: печь установлена на фундаменте, а снаружи ее покрывает стальной кожух. Фундамент достаточно высок, его поверхностная, жароустойчивая часть называется пнем. Кожух обычно имеет толщину от 4 до 6 см, внутри него, вдоль стенок, находятся огнеупорные изделия. На верхушке фундамента выложена лещадь, подвергающаяся гидростатическому давлению выплавляемой массы и воздействию высоких температур. Кладки лещади, находящиеся внутри кожуха, окружают специальные холодильники. Они представлены чугунными плитами со змеевиками, по которым осуществляется циркуляция воды.

Оборудование, незаменимое в черной металлургии

Работа доменной печи — важная составная современной черной металлургии. В современном производстве применяется только оборудование с высоким уровнем производительности. Кроме того, прогрессивные доменные печи оснащены системами автоматики. Роль автоматики заключается в том, чтобы регулировать, контролировать и регистрировать главные характеристики рабочих операций по выплавке. Современная печь может контролировать уровень, на который засыпана шихта, подачу руды, температуру дутья и давление газа.

Производительность таких печей растет, можно сказать, в ногу со временем. Усовершенствования системы выплавки позволяют увеличить производительность оборудования в несколько раз.

Схема доменной печи дает визуальное понятие принципа ее работы. Здесь можно пронаблюдать, как меняется конструкция оборудования в местах повышенного температурного режима. Также, с учетом схемы, можно увидеть, где засыпаются составляющие сырья и до какого уровня.

Процессы в доменной печи происходят в строго установленном порядке. Сама печь имеет вертикальную форму, сравнимую с шахтным типом. Высота может немного отличаться, но не превышает 35 м. Диаметр сооружения, как правило, в 2,5 – 3 раза меньше. Процесс протекает в определенной последовательности. Сначала происходит восстановление железа. Затем восстанавливаются другие элементы – фосфор, сера и прочие. Образующийся шлак, уже существенно поменявший свои составные, стекает вниз и накапливается в области горна. Именно химическим составом шлака определяется состав чугуна.

Принцип работы оборудования

• процесс разложения известняка, в результате которого образуется угольный ангидрид и окись кальция;
• восстановление железа и прочих элементов;
• науглероживание железа;
• металлоплавление;
• возникновение и плавление шлака;
• сгорание топлива и прочие.

Воздухонагреватель доменной печи — аппарат, в котором происходит предварительный нагрев воздуха. Затем этот воздух подается в печь. Раннее оборудование для выплавки чугуна не имело такого элемента, как воздухонагреватель. Разработка устройства позволила намного уменьшить затраты топлива.

Шихта в современном понимании – это смесь кокса, железорудного агломерата и офлюсованного сырья. Перед процессом плавки шихта проходит специальную подготовку. Сначала она дробится, затем просеивается. После просеивания крупные куски отправляются на повторное дробление.

Результатом процесса горения становится повышение температуры. Высшая температурная точка может достигать значения более 2000 градусов Цельсия. Процессы происходят под давлением горячих газов. При подъеме эти газы остывают до 300-400 градусов у кокошника.

Назначение печей

Восстановление железа — один из основных этапов производства чугуна. В результате этого процесса железо обретает твердость. Далее его опускают в распар, который способствует растворению углерода в железе. Таким образом, происходит образование чугуна. Именно в горячей части печи начинает плавиться сам чугун, медленно стекая в нижнюю часть.

Принцип работы доменной печи зависит от вида этого громоздкого приспособления. Существуют печи коксовые и древесноугольными. Первые работают на коксе, вторые, соответственно – на древесном угле. Шахтная печь рассчитана на непрерывный принцип действия. Форма данного оборудования представляет собой два конуса, сложенных широкими сторонами основаниями. Между этими конусами расположена часть печи, обладающая цилиндрической формой – распар.

Индустриальная доменная печь, называемая плавильной, предназначена для перевода обрабатываемого материала из одного состояния в другое. Так, твердое состояние постепенно, под воздействием температуры, превышающей температуру плавления, переходит в жидкое. Материал, доведенный до жидкого состояния может находиться во взвешенном положении, а также в кристаллизаторе, тигле, горне шахты или ванне на подине. Индустриальные доменные печи применяются в целях производства металлов из руд. Именно в них проходят еще процессы выплавки цветных металлов и стали, варки стекла и прочих.

Ремонт доменных печей можно проводить несколькими способами. Основные ремонтные работы производятся по мере необходимости или в связи с плановым капитальным ремонтом. Именно в этот период непрерывный процесс работы приостанавливается. Капитальный ремонт делится на три вида разрядов. По первому ремонтному разряду надлежит выпускать из горна жидкие продукты плавки полностью и проводить тщательный осмотр всего оборудования. Второй разряд обозначает средний ремонт с заменой некоторых элементов. Третья категория ремонта подразумевает смену засыпных устройств и поправку колошниковой защиты.

Доменная печь. Выплавка чугуна. Печь для выплавки чугуна. Схема доменной печи. Устройство доменной печи. Работа доменной печи. Параметры и конструкция доменной печи.

Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива.

При выплавке чугуна решаются задачи:

1. Восстановление железа из окислов руды, науглероживание его и удаление в виде жидкого чугуна определенного химического состава.
2. Оплавление пустой породы руды, образование шлака, растворение в нем золы кокса и удаление его из печи.

Устройство и работа доменной печи

Доменная печь имеет стальной кожух, выложенный огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту. Шихту подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 – в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу.

Схема доменной печи

При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство подают новые порции шихты, чтобы весь полезный объем был заполнен.

Производство чугуна. Доменное производство чугуна. Технология производства чугуна. Процесс производства чугуна.

Полезный объем доменной печи – объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании. Полезная высота доменной печи (Н) достигает 35 м, а полезный объем – 2000…5000 м 3 .

В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух поступает из воздухонагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка из огнеупорного кирпича, в которой имеются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный доменный газ, который, сгорая, образует горячие газы. Проходя через насадку, газы нагревают ее и удаляются через дымовую трубу. Через насадку пропускается воздух, он нагревается до температуры 1000…1200 0 С и поступает к фурменному устройству, а оттуда через фурмы 2 – в рабочее пространство печи. После охлаждения насадок нагреватели переключаются.

Горение топлива. Вблизи фурм природный газ и углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорают:

В результате горения выделяется большое количество теплоты, в печи выше уровня фурм развивается температура выше 2000 0 С. Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным коксом по реакциям:

Образуется смесь восстановительных газов, в которой окись углерода CO является главным восстановителем железа из его оксидов. Для увеличения производительности подаваемый в доменную печь воздух увлажняется, что приводит к увеличению содержания восстановителя. Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до 300…400 0 С у колошника. Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре около 570 0 С начинается восстановление оксидов железа.

Восстановление железа в доменной печи. Восстановление железа происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте и повышения температуры от высшего оксида к низшему, в несколько стадий:

Температура определяет характер протекания химических реакций. Восстановителями окcидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород. Восстановление твердым углеродом (коксом) называется прямым восстановлением, протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры, по реакции:

FeO + C = Fe + CO — Q

Восстановление газами (CO и H₂) называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям:

За счет CO и H₂ восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40…60 % металлического железа.

При температуре 1000…1100 0 C восстановленное из руды твердое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод. При насыщении углеродом температура плавления понижается и на уровне распара и заплечиков железо расплавляется (при температуре около 1300 0 С).

Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4%), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1200 0 C восстанавливаются из руды, и серой, содержащейся в коксе.

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

Чугун выпускают из печи каждые 3…4 часа через чугунную летку 16, а шлак – каждые 1…1,5 часа через шлаковую летку 17 (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади). Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши.

Чугун поступает в кислородно-конвертерные (см. Кислородный конвертер) или мартеновские цехи (см. Мартеновская печь), или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

Доменная печь — что это такое и как она работает. Жми!

Современная цивилизация неразрывно связана с развитием техники производства, невозможной без совершенствования орудий труда и материалов, используемых для их изготовления.

Среди всех материалов природного происхождения или созданных человеком, самое значимое место занимают черные металлы – сплав железа и углерода с присутствием других элементов.

Сплавы, в составе которых часть углерода составляет 2 – 5%, относятся к чугунам, при наличии углерода менее 2% сплав относится к сталям. Для плавки металлов используется специальная технология доменного производства.

Азбука производства

Доменная плавка – это процесс производства чугуна из железной руды, перерабатываемой в доменных печах или, как их еще называют, домнах.

Основными материалами, необходимыми в процессе такого производства, являются:

• топливо, в виде получаемого из каменного угля кокса;
• железная руда, являющаяся непосредственным сырьем для производства;
• флюс – специальные добавки из известняка, песка, а также других материалов.

В доменные печи железная руда попадает в виде сплавленных между собой кусков мелкой породы – агломератов или окатышей, в виде рудных комков. Исходное сырье загружают в колошник доменной печи послойно, чередуя со слоями кокса и с послойным добавлением флюса.

[advice]Примите к сведению: флюс необходим для того, чтобы заставить всплыть пустую породу и различные примеси, которые называются шлаком.[/advice]

Всплывший на поверхности раскаленного чугуна шлак, сливается до того, как металл застынет. Загружаемый для плавки чугуна материал из железной руды, кокса и флюса, называют шихтой.

Доменная печь, имеющая в профиль сходство с башней с широким основанием, внутри выкладывается огнеупорным материалом – шамотом.

Устройство доменной печи. (Для увеличения нажмите)

Основными элементами конструкции являются:

• заплечики;
• распар;
• колошник;
• шахта
• горн.

Распар — это самая широкая часть доменной печи. В нем плавится пустая порода руды и флюса, в результате чего из них получается шлак. Для предотвращения воздействия высоких температур на кладку и кожух печи, применяются холодильные установки с циркулирующей водой.

Доменная шахта строится в форме расширяющего внизу конуса – такое устройство домны позволяет шихте свободно опускаться во время процесса плавки. Образование чугуна, который в процессе плавки спускается в горн, происходит в распаре и заплечиках. Для удержания находящейся в распаре и шахте твердой шихты, заплечики имеют форму конуса, с расширением к верху.

Как работает

В домну шихта засыпается через колошник непрерывными порциями.

Для обеспечения непрерывности работы, возле домны устанавливается склад для окатышей (агломерата), флюса и кокса – бункер, предназначенный для составления шихты.

Поставки сырья в бункеры, как и подача шихты к засыпным устройствам на колошник, производится по непрерывной схеме с использованием транспортеров.

Опускаясь под своей массой, шихта попадает в среднюю часть печи, где под воздействием горячих газов, образующихся в результате сгорания кокса, железорудный материал нагревается, а оставшиеся газы выходят через колошник.

В горне, который находится внизу печи, располагаются аппараты для подачи под давлением горячих воздушных потоков – фурмы. В фурмах имеются окошки с термостойкими стеклами, позволяющие производить визуальный контроль процесса.

[warning]Обратите внимание: для защиты от воздействия высоких температур устройства охлаждаются водой по имеющимся внутри каналам.[/warning]

Сгорающий в горне кокс дает необходимую для плавления руды температуру, превышающую +2000 гр.

В процессе горения происходит соединение кокса и кислорода с образованием углекислого газа.

Воздействие высокой температуры на углекислый газ превращает последний в отнимающий у руды оксид углерода и восстанавливает железо. Процесс образования чугуна происходит после прохождения железа сквозь слои раскаленного кокса. В результате такого процесса, железо насыщается углеродом.

После того как чугун в горне накопился, жидкий металл выпускается через находящиеся внизу отверстия – летки. В первую очередь через верхнюю летку выпускается шлак, а затем, через нижнюю летку – чугун. По специальным каналам чугун сливается в размещенные на железнодорожных платформах ковши и транспортируется на дальнейшую обработку.

Литейный чугун, который в дальнейшем будет использован для производства отливок, попадает в разливочный аппарат и, застывая, превращается в бруски – чушки.

Для производства стали используется чугун, который называется переделочным – он составляет до 80% производства.

Переделочный чугун транспортируется в сталелитейный цех с конверторами, мартеновскими или электрическими печами. В современных, огромного размера домнах для поддержания процессов горения используется не только потоки горячего воздуха, но и чистый кислород, применяемый вместе с природным газом.

Такая технология позволяет расходовать меньшее количество кокса, но является технологически более сложной. Поэтому для контроля процесса производства, выбора оптимальных режимов плавки используются компьютеры, способные вести одновременный анализ работы всех систем.

Смотрите познавательное видео, в котором описываются принцип работы и нюансы функционирования доменной печи:

13. Доменная печь, ее устройство и работа.

Доменная печьявляется 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 изаплечиковобразуется 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 лещади6 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 черезлетку5,Рис. 7

а чугун — через летку1. 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 аппарат3 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:

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

14. Получение стали в кислородных конвертерах.

В производстве стали широко используют кислородно-конвертерные процессы. 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 кисло­родом (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%).

Введение, определение, конструкция, работа и применение

Доменная печь — это особый тип цилиндрической печи, которая в основном используется для плавки. Таким образом, промышленные металлы могут быть извлечены из руд, таких как железо, чугун или медь.

Слово «дутье» дает представление о воздухе для горения, который принудительно подается или создается до атмосферного давления, указанного выше. Раньше печи использовались для производства только железа с использованием древесного угля.

Вскоре после нехватки древесины из-за вырубки леса для этой цели было предложено использовать уголь. Поскольку уголь содержит серу, которая делает железо довольно хрупким, предполагалось, что это отходы для срока службы железа.

Однако в 17 веке Авраам Дарби выполнил свою миссию по созданию такой печи, которая могла бы использоваться для плавки чугуна с использованием кокса в качестве топлива. Его достижение было чудесным, что привело к увеличению торговли железом и, в конце концов, к промышленной революции.

В этой статье всесторонне обсуждается и детально раскрывается информация о доменной печи , деталях ее конструкции, в том числе ее основных частях, а также их рабочих явлениях и функциях.В этой статье также рассказывается о практическом применении этих печей.

Она определяется как металлургическая печь, которая используется для извлечения металлов в основном из железных и медных руд. Топливо содержит смесь флюса, в частности известняка там, где имеется железная руда, а кокс подается и прокачивается через верх печи.

С другой стороны, нижняя часть печи соединена рядом параллельных труб, по которым проходит воздух горячего дутья, обогащенный кислородом.

Как только горячий воздух поступает, оксидная руда восстанавливается и превращается в нечистый металл. Когда оба материала смешиваются, происходит химическая реакция, в результате которой расплавленный металл падает вниз, где он отводится и собирается.

Отходы материала, который в основном представляет собой «шлак», попадают в верхнюю часть печи, где они отводятся по трубопроводу. Расплавленный металл и этот шлак являются конечными продуктами этой процедуры. Этот поток обоих продуктов в противоположных направлениях вместе с различными газообразными продуктами сгорания называется противотоком.

Однако существуют аналогичные процедуры, используемые для различных целей, включая выдувные цеха для получения олова, свинца и могут быть извлечены на плавильных заводах, и аналогичным образом железо получают в блумерной печи. Все они классифицируются как доменные печи.

Тем не менее, этот термин используется в очень ограниченных целях, например, для плавки железной руды. Эта плавка поможет в производстве чугуна, который является основным материалом, используемым при обработке чугуна и стали.

Доменная печь состоит из следующих секций:

1. Собственная печь
2. Литой корпус
3. Печи
4. Секция хранения сырья
5. Секция загрузки сырья
6. Газ Пункт очистки
7. Зона отвала шлака
8. Инокуляция угольной пыли

Итак, позвольте мне обсудить 1 к 1.

Собственная печь:

Это общая площадь печи, куда мы вводим горячий металл со шлаком, образующимся из сырья.

Литой корпус:

В литейном цехе чугун со шлаком течет по каналу, где он разделяется на две формы, одна — чугун, а другая — шлак, а затем идет дальше на сторону чугуна и шлака последовательно Печь.

Печи используются для нагрева воздуха, поступающего от высокоскоростного вентилятора.

Секция хранения сырья:

В этой секции хранится сырье, оно спроектировано так тщательно, что сырье может быть легко перемещено из этой секции.

Секция загрузки сырья:

Как следует из названия, это зарядная станция. Здесь, в этом разделе, мы видим бункер, через который сырье попадает в печь.

Точка очистки газа:

Поскольку мы используем несколько видов топлива для выработки тепла, в этом сценарии также образуется много сгоревшего газа внутри доменной печи, поэтому нам нужно иметь точку или секцию, из которой мы легко извлекает сгоревшие газы.

Зона отвала шлака:

В доменной печи, хотя процесс извлечения чугуна происходил в это время, мы также получаем шлак или примеси. Чтобы удалить это, мы используем два типа методов.

Один из них — это использование струи воды под высоким давлением, которая смешивается со шлаком или примесями, затем мы отправляем смесь на план грануляции, во-вторых, если она не может гранулироваться в грануляционной установке, мы делаем отдельную зону, где мы сбросили шлак.

Угольная пыль Прививка:

В этом разделе мы загружаем измельченную угольную пыль так, чтобы она могла легко воспламениться.

Также читайте:

Взрыв состоял из следующих частей:

1. Бункеры
2. Регулируемые заслонки
3. Вращающийся желоб
4. Огненный кирпич
5. Горючий кирпич
6. Газовая горелка
7. Углеродный кирпич
8. Летка
9. Фурма

Бункер:

Это конусообразная воронка, которая используется для заливки сырья, поступающего из секции хранения сырья.

Регулируемые заслонки:

Для контроля потока и количества сырья нам необходимо использовать регулируемые заслонки. Он может управляться вручную, однако в современных доменных печах он открывается или закрывается электронным способом.

Вращающийся желоб:

Он используется для смешивания сырья и, что более важно, предотвращает утечку топочного газа при загрузке сырья.

Огнеупорный кирпич:

Огнеупорный кирпич используется для защиты кожуха печи.Он изготовлен из керамического материала, выдерживает высокие температуры и имеет очень низкую теплопроводность.

Камера сгорания:

Это камера, в которой произошло сгорание топлива.

Газовая горелка:

Чтобы разжечь огонь, нам нужна горелка, поэтому внутри камеры сгорания установлена ​​газовая горелка.

Углеродный кирпич:

Внешняя часть камеры сгорания сделана из угольного кирпича, поскольку он имеет большую способность противостоять внутреннему теплу камеры сгорания.Это композитный огнеупорный материал с большей устойчивостью к шлаку, высокой теплопроводностью и низкой расширяемостью углерода.

Летка:

Через летку мы можем втягивать расплавленный материал за пределы печи.

Фурма:

Это труба, по которой мы подаем воздух в топку. Для создания воздуха мы можем использовать воздуходувки высокого давления.

В доменной печи мы видим четыре основных зоны.

1. Стек
2. Бочка
3. Bosh
4. Подвод

Зона штабеля:

Это верхняя зона доменной печи, покрытая огнеупорным кирпичом. В этой секции горячие газы поднимаются из камеры сгорания и текут вверх, чтобы нагреть только что поступающее сырье из бункеров.

Зона ствола:

Он сравнительно больше нагревается, чем штабель. Ее также называют зоной восстановления, где произошли химические связи.

Зона Bosh:

Это промежуточная зона между Heart (Bottom) и Bosh.Это самая горячая часть печи, потому что в этой части очень близко протекает реакция между воздухом и коксом. Некоторая часть чуши покрыта толстыми огнеупорными кирпичами, а какая-то — угольным кирпичом.

Подовая зона:

Это нижняя часть доменной печи. В зоне сердца горячие газы поступают с одной стороны, а свежие атмосферные газы поступают с другой стороны через фурму.

Доменная печь представляет собой высокую конструкцию, выложенную из специальных кирпичей (огнеупорных кирпичей), устойчивых к разложению при любых воздействиях окружающей среды.Эти кирпичи представляют собой очертания, позволяющие расширять заряженные материалы.

Как только начинается плавление, эти кирпичи нагреваются и уменьшаются в размерах. Полная процедура построена с помощью различных материалов и отсеков для начала обработки. К ним относятся горячий дутье из печей Каупера, выхлопные газы, зона восстановления оксида железа (дымовая труба), длинная колонна, содержащая руду, известняк и кокс, зону предварительного нагрева, зону плавления (бош), зону восстановления закиси железа (бочка). и подача руды, кокса и известняка.Эти компоненты имеют разные функции и цели, которые обсуждаются далее в статье.

Детальная конструкция доменной печи разделена на две зоны: физические зоны и химические зоны. В физической зоне конструктивная система этой доменной печи разделена на пять секций, которые включают чушку, шахту, червяк, под и фурмы.

С другой стороны, химическая зона также подразделяется на пять областей, которые включают зону штабеля, зону когезии или размягчения, зону активного кокса, зону канала (или фурмы) и зону пода.1. Горячий дуть из печей Каупера 2. Зона плавления 3. Зона восстановления закиси железа 4. Зона восстановления окиси железа 5. Зона предварительного нагрева 6. Подача руды, известняка и кокса 7. Выхлопные газы 8. Колонна руды, кокс и известняк 9. Удаление шлака 10. Выпуск расплавленного чугуна 11. Сбор отходящих газов

Также прочтите:

Принцип работы этой доменной печи очень прост . Для выплавки железа из руд в первую очередь в верхнюю часть печи вводят известняковый флюс, кокс и железную руду.Их можно вводить с очень точным порядком, чтобы можно было эффективно контролировать поток газа и другие химические реакции.

Очень горячий и грязный газ сжимается и подается к выходному отверстию печи через горловину, в то время как «выпускные клапаны» помогают защитить внезапное давление газа в верхней части печи.

Выхлопной газ содержит крупные частицы, которые оседают в «пылеуловителе», чтобы их можно было утилизировать. С другой стороны, предусмотрен «скруббер Вентури» для пропускания через него газа, а затем газ проходит из газоохладителя с целью снижения температуры очищенного газа.

В нижней половине печи установлены медные фурмы водоохладителя, отводная труба и оборудование для сбора шлака и жидкого чугуна. Этот отсек обычно называют «литым домом».

В заглушку из огнеупорной глины вставлен метчик, чтобы поток жидкого чугуна и шлака проходил через «скиммер», разбрызгивающий железо и шлак. Современные гигантские доменные печи обычно имеют четыре летки и два литейных корпуса. После сбора шлака и чугуна огнеупорная глина освобождается от летки.

• Доменные печи применяются в различных сферах, как больших, так и малых.
• Обычно он используется для производства чугуна из руды.
• Используется на производственных предприятиях.
• Шлак доменной печи имеет гидравлические свойства, которые используются в цементе в качестве добавки.
• Шлак также способствует стабилизации грунта.

Доменные печи позволяют экономить топливо от 82 до 87 МДж / т-ТМ, которые используются в промышленности.В Японии было отмечено, что около 0,125 ГДж / т чугуна было сэкономлено на 1 млн. Т / год только за счет регенерации только 50% дымовых газов печей.

Печи с горячим дутьем обычно используются для рекуперации тепла, что помогает снизить потребность в энергии на 0,26 ГДж / т-чм, а в глобальном масштабе они используются для снижения энергетического потенциала на 0,15 ЭДж / год. тогда как предполагается, что максимальная экономия энергии составляет около 0,3 ГДж / т чугуна.

Кроме того, скорость закачки кокса и уровень вдувания фурмы уменьшаются за счет использования повышенного верхнего давления примерно на 0.6 бар манометра в доменной печи. Эти печи с высоким давлением позволяют производить электричество около 0,35 ГДж / т-ТМ при условии, что установлены регенерационные турбины.

Аналогичным образом, потребление кокса возможно при использовании доменных печей с экономией кокса на 26% на тонну. Для этого предпочтительна доменная печь, имеющая верхнюю службу рециркуляции газа. С другой стороны, если эту печь объединить с сухим газом для удаления пыли, это снизит потребление воды на 9 Нм3 / тГ и увеличит мощность системы выработки электроэнергии на 30%.

Более того, если доменная печь используется с биомассой, PCI может быть полностью заменен древесным углем, который будет составлять всего 45% вводимого углерода. Когда высвобождаются доменные газы, они улучшаются и регенерируются, что также помогает в экономии энергии от 35% МДж / т-ТМ до 70% МДж / т-ТМ. Следовательно, общая экономия энергии, которая становится возможной с помощью этих доменных процессов, составляет около 0,4 ГДж / т-чМ.

Итак, это полное объяснение Доменная печь . Надеюсь, вам понравилась эта статья, если да, то поделитесь этой статьей со своими друзьями, и если у вас есть какие-либо сомнения, не стесняйтесь комментировать ниже.

Доменная печь чугуна — обзор

Процесс производства кокса определяется как нагрев природных, органических, в основном твердых материалов в атмосфере с дефицитом кислорода с целью концентрирования углерода. Здесь этот термин используется для карбонизации карьерного угля до высоких температур (около 1100 ° C) для производства металлургического кокса (Бабич и др., 2008). Химический состав и физические свойства кокса зависят от используемого угля и условий коксования. Обычно используются смеси углей с разными пластическими свойствами.

Третий вид кокса — домашний кокс или полукокс.

Этот вклад касается металлургического доменного кокса.

12.2.1 Производство кокса обычным способом

Горизонтальные печи (или камеры) с обогревом со стороны стенки в основном используются для производства кокса. От стены фронт с самой высокой температурой проходит через угольную шихту и запускает процесс коксования.

Протекающие в камере реакции зависят от температуры (буквы относятся к рис.12.4) (Бабич и др., 2008):

12.4. Процессы коксования и изменение температуры по ширине камеры

(Источник: адаптировано из RuhrkohlenHandbuch, 1984) e

100–350 ° C Абсорбированные газы, такие как азот, метан и диоксид углерода, извлекаются, а уголь обезвоживается. Выше 250 ° C появляются первые продукты термического разложения.

350–480 ° C Уголь теряет прочность и проявляются пластические свойства; уголь разбухает, что приводит к пористой структуре конечного продукта. Битум испаряется.

480–600 ° C Образуется полукокс. Распределение трещин определяется усадкой.

600–1100 ° C Образуется конечный кокс.

Камера обычно имеет ширину в диапазоне 450–600 мм, высоту 4–8 м и длину 12–18 м.Это соответствует примерно 40–70 м полезного объема 3 . Типичная производительность камеры варьируется в диапазоне от 6200 до 17 000 т / год или от 25 до 36 кг / м 3 / ч (Нашан и др., 2000). Коксовая батарея (рис. 12.5) обычно формируется из 50–70 коксовых камер.

12,5. Фотография коксовой батареи (Бабич и др., 2008 г.).

Примерные характеристики современного коксового завода в Дуйсбурге Швельгерн (KBS Duisburg) со 140 печами в двух батареях представлены в таблице 12.1.

Таблица 12.1. Основные данные коксохимического завода Duisburg Schwelgern

Источник: адаптировано из Liszio, 2003; Нойвирт и Шустер, 2003; Siebelhoff and Taylor, 2004.

После периода коксования около 20 часов раскаленный кокс проталкивается через направляющую тележку в тушительную тележку и транспортируется на тушение кокса (сухое или влажное), где кокс охлаждается и стабилизируется.Нагретый охлаждающий газ можно утилизировать.

Содержание коксового газа (410–560 нм 3 / т кокса в зависимости от летучих веществ) в угольной шихте (Bender и др., 2008) очищается от смолы, бензола и серы. Очищенный коксовый газ (55–65% H ₂ , 24–28% CH ₄ , 6–8% CO, 2–4% CO ₂ , 2–3% C _м H _n , остальное: O ₂ , N ₂ ; низкая теплотворная способность 16,5–18,5 МДж / Нм 3 ) может использоваться для обогрева коксовых печей, доменных печей, для производства DRI, для впрыска в доменная печь, для выработки электроэнергии и для других целей.

12.2.2 Альтернативные технологии производства кокса

Несколько технологий производства кокса, альтернативных традиционной многокамерной или щелевой системе коксования, были разработаны для решения проблемы сохранения высокого качества кокса при одновременном увеличении доли углей с низкой слеживаемостью в шихте. и повышенные требования по охране окружающей среды. Примерами таких новых технологий являются:

система без рекуперации,

система рекуперации тепла,

Здесь представлены только коксовые системы без рекуперации тепла.

Система без рекуперации заимствована из старых ульевых печей девятнадцатого века. Ульевые печи работают под отрицательным давлением, устраняя побочные продукты путем сжигания отходящих газов. На коксовых заводах уголь обугливается в больших камерах печи. Процесс карбонизации происходит сверху за счет лучистой теплопередачи и снизу за счет передачи тепла через подошву пола.Первичный воздух для горения вводится в камеру печи через несколько отверстий, расположенных над уровнем заряда как в толкающих, так и в коксовых боковых дверцах печи. Частично сгоревшие газы выходят из верхней камеры через вертикальные каналы в боковых стенках (сливные стаканы) и попадают в единственный дымоход, тем самым нагревая подошву печи. Сгоревшие газы собираются в общем туннеле и выходят через дымовую трубу, которая создает в печи естественную тягу. При производстве кокса без рекуперации побочные продукты не восстанавливаются, т. Е.отработанный газ выбрасывается в атмосферу без утилизации (Valia, 2011). В печах с рекуперацией тепла весь газ, образующийся при карбонизации угля, сжигается непосредственно в пространстве печи из-за работы на всасывании, создавая таким образом тепло, необходимое для карбонизации (Hoffmann et al., 2001). Отработанный газ выходит в котел-утилизатор, который преобразует избыточное тепло в пар для выработки электроэнергии (Valia, 2011).

В установке для рекуперации тепла угольная смесь загружается в печи, где начинается процесс коксования.Конструкция печи представлена ​​на рис. 12.6 (Калинин, Кампос, 2010). Сразу после загрузки уголь поглощает тепло огнеупорного материала. Летучие вещества начинают подниматься из угольного слоя и полностью сгорают внутри печи, передавая тепло обратно огнеупорному материалу и подготавливая печь к следующему циклу. В верхней части печи над угольным слоем происходит частичное сгорание летучих веществ. Частично сгоревшие газы направляются в систему дымохода под подошвой печи, где вводится больше воздуха для полного сгорания (Arendt et al., 2006; Калинин, Кампос, 2010). Это обеспечивает карбонизацию от верха до низа слоя с равной скоростью, что приводит к симметричным фронтам коксования (Калинин и Кампос, 2010).

12.6. Схема коксовых печей-утилизаторов

(Источник: адаптировано из Kalinin and Campos, 2010.)

Угольная шихта в печи-утилизаторе имеет размеры прибл. 15 × 4 × 1 м (длина × ширина × толщина слоя) (Arendt et al., 2006). SunCoke Energy управляет пятью заводами в США и Бразилии мощностью не менее 40.3 тонны угля на печь и время коксования около 48 часов (Калинин, Кампос, 2010). Коксовый завод с рекуперацией тепла ThyssenKrupp CSA в Бразилии с годовой мощностью 2 Мт имеет 432 камеры в 3 батареях; загрузка угля составляет 49 тонн, время коксования 63 часа (Eichelkraut, 2011).

Печи с рекуперацией тепла нового поколения работают с уплотнением угля перед загрузкой (Wright et al., 2005). Эта технология известна по штамповке угля, применяемой в щелевых печах.

Метод коксования, состоящий из брикетирования низкосортного и недорогого углеродсодержащего сырья с последующим карбонизацией брикетов, в отличие от карбонизации угольной смеси, используется в обычных щелевых печах (Smoot et al., 2007).

12.2.3 Добавки к угольным смесям

Использование возобновляемого древесного угля и пластиковых отходов является вариантом сокращения выбросов CO ₂ . Была исследована возможность использования древесного угля из различных видов биомассы и пластмасс из городских отходов различного состава в угольных смесях для производства доменного кокса с акцентом на влияние этих материалов на термическое поведение угля, давление коксования и качество кокса, производимого в полупилотные и пилотные печи с подвижными стенками (Hanrot et al., 2009 ).

Использование древесного угля в угольной смеси имеет двойное преимущество: преимущество нейтрального источника углерода CO ₂ и повышенную реакционную способность кокса для снижения температуры резервной зоны доменной печи. С добавлением древесного угля 3 мас. % в достаточно текучей смеси и за счет гравитационной загрузки все свойства кокса сохранялись на правильном уровне, но температура газификации была снижена на 100 ° C (Hanrot и др., 2009).

В отношении пластиковых отходов эффект замещения 2 мас.% угля в угольных смесях с различными отходами. Относительное соотношение полиолефинов к другим типам пластмасс в отходах является критическим фактором для поддержания или улучшения качества производимого кокса (Hanrot et al., 2009).

12.2.4 Уголь для металлургического производства кокса и свойства кокса

Сорт и тип угля влияют на прочность кокса, в то время как химия угля в значительной степени определяет химический состав кокса. Как правило, битуминозные угли используются для смешивания с получением доменного кокса подходящего качества по приемлемым ценам.Наиболее важными коксующимися свойствами угля, которые влияют на образование металлургического кокса, являются спекаемость, пластичность и набухание.

Следующие химические, физико-химические, физико-механические характеристики кокса имеют большое значение для производства чугуна в доменной печи (Бабич и др., 2008):

предварительный и окончательный анализы;

разрыв, давление, истирание;

холодная, горячая и микропрочность;

распределение по размерам;

плотность и пористость;

размер и распределение трещин;

Окончательный анализ (анализ органической массы, мас.%), Примерно: C = 96,5–97,5, H = 0,2–0,8, O = 0,2–0,4, N = 0,7–1,3, S = 0,5 –1.2.

Приблизительный анализ (для сухой массы кокса): зола (A, обычно 8–11%), летучие вещества (VM, около 1%) и иногда сера (S, обычно 0,5–1,0%).

Влага (W, около 0,3–0,7% при сухой закалке и 3–6% при мокрой закалке) приведена выше 100%.

Фиксированный углерод: Cfix = 100 − VM + A + SorCfix = 100 − VM + A.

Коксовая зола состоит в основном из кислотных соединений: 50–75% SiO ₂ + Al ₂ O ₃ , соотношение SiO ₂ / Al ₂ O ₃ = 1,5– 2.0; оксиды железа = 10–20%; остальное: CaO, MgO, SO ₂ , P ₂ O ₅ , Mn ₃ O ₄ , щелочи.

Реакционная способность характеризует скорость образования восстановительного газа по реакции C + CO ₂ = 2CO.

NSC тест определяет индекс реакционной способности кокса (CRI), который выражается потерей массы (%) образца (d = 20 мм, t = 120 мин, τ = 1100 ± 5 ° C, CO2 = 5 л / мин) (Американское общество испытаний и материалов, 1993).

Хладостойкость

Испытание MICUM: индексы барабана M ₄₀ , M ₁₀ : размер зерна + 40 мм (разрыв) и — 10 мм (истирание) в% (барабан: 1 × 1 м , 100 оборотов, 25 об / мин — 1 ) (Jones and Kruse, 1982).

Тест IRSID: индексы барабана I ₄₀ , I ₁₀ : размер зерна + 40 и — 10 мм в% (барабан: 1 × 1 м, 500 оборотов, 25 об. Мин. — 1 ) (Джонс и Круз, 1982).

Тест ASTM: размер зерен + 1 ″ (25 мм) и –¼ ″ (6 мм) в% (барабан: 0,46 × 0,91 м, 1400 оборотов, 24 об / мин — 1 ) (Jones and Kruse, 1982).

Прочность в горячем состоянии

Тест NSC определяет прочность кокса после реакции (CSR). Значение CSR измеряется в одной методике испытаний с CRI при газификации пробы кокса диоксидом углерода и выражается как доля размера зерна (в%) + 10 мм после 600 оборотов при 20 оборотах.min — 1 (Американское общество испытаний и материалов, 1993; Менендес и др., 1999).

Размер зерна (желательно 40–80 мм) должен быть больше для больших доменных печей.

Пористость кокса определяет его удельную внутреннюю поверхность (около 50%).

Насыпная плотность зависит от размера зерна кокса, пористости и т. Д. Ρ ≈ 430–500 кг / м 3 .

Стандартные характеристики качества кокса и методы испытаний кажутся недостаточными для моделирования изменяющихся условий в современной доменной печи, описанных в следующем разделе (низкая скорость кокса, высокая скорость впрыска пылевидного угля, использование других нагнетателей).Они обеспечивают ограниченную оценку свойств кокса при ограниченных условиях реакции. В этой области существует множество разработок, которые могут дополнять стандартные, например: Глобальный индекс качества кокса (Bonte и др., 2005), Индекс чистоты Deadman (DCI) (Nightingale и др., 2002), исследование растворения кокса ( Gudenau et al., 1990), характеристики текстуры кокса, полученные в результате исследования оптического отражения в поляризованном свете (Ollig, 1995), исследования поведения кокса при моделировании изменяющихся условий доменной печи с использованием экспериментальной установки печи Таммана (Babich et al., 2006; Бабич и др., 2009), оптический анализатор частиц для измерения формы коксовых частиц и гранулометрического состава доменного кокса (Peters и др., 2011).

Процесс доменной печи — обзор

Агломерационный завод : одним из первых процессов, задействованных в первичном производстве стали, является агломерационный завод (SP), который преобразует сырьевую смесь с оксидами железа в качестве основного компонента в агломерированные частицы форма, агломерат, который подается в доменную печь.Слой исходной агломерационной смеси проходит под колпаком зажигания, где горячие газы сгорания воспламеняют кокс, смешанный с агломерационной смесью, чтобы начать процесс спекания, который поддерживается за счет всасывания больших объемов воздуха через слой снизу. Таким образом, процесс является источником выбросов CO ₂ (около 12% от производства стали), которые можно оценить из баланса массы аглофабрики [18].

Коксовый завод : На коксовом заводе (КК) уголь перегоняется методом сухой перегонки до кокса, который представляет собой твердые твердые частицы с низкой реакционной способностью при умеренных температурах, подходящие в качестве сырья для доменной печи.Продуктами коксования являются кокс, коксовый газ (COG), гудрон и мазут. Основная часть кокса идет в доменную печь, а меньшее количество коксовой мелочи — на аглофабрику [18]. COG в качестве побочного продукта коксования представляет собой газ, богатый водородом, и представляет большой интерес для повышения энергоэффективности и сокращения выбросов парниковых газов (ПГ) [19]. Его можно использовать в качестве топлива в различных процессах производства стали, таких как коксовые печи, печи предварительного нагрева, в качестве восстановителя в доменной печи [20], на электростанциях [21] или в качестве сырья для других химических и металлургических предприятий, таких как метанол [22]. –24] и производства DRI [25].Отработанное тепло от COG также можно использовать для сушки угля, используемого для производства кокса, что может снизить расход топлива до 0,3 ГДж / т.

Доменная печь : Динамика производства чугуна в доменных печах, о которых сообщается в Европейский комитет по доменным печам (EBFC) с 1990 года, показывает, что средняя производительность одной доменной печи увеличилась примерно на 48%, в то время как средний рабочий объем печи увеличился всего на 26,6%. Это демонстрирует, что помимо увеличения печей, меры по увеличению производительности печи позволили производить необходимое количество чугуна с меньшим количеством печей [27].

Доменная печь, являющаяся сердцем сталеплавильного завода, действует как большой шахтный противоточный теплообменник и химический реактор, в котором агломерированная железосодержащая шихта чередуется с коксом. Сгорание кокса, которое поддерживается за счет подачи предварительно нагретого воздуха (дутья), дает СО для восстановления оксидов железа до железа и обеспечивает энергию в виде тепла для плавления железа и примесей. Чугун (hm) и побочный продукт, шлак, периодически выпускаются через выпускные отверстия из нижней печи, в то время как верхний газ покидает верх печи через воздухозаборники.

Основное улучшение работы доменной печи касается использования восстановителей и топочных газов. Другими потенциальными вариантами снижения энергопотребления доменной печи являются загрузка агломератов углеродного композиционного материала, применение турбин для восстановления верхнего давления, улучшение системы управления доменной печью (до 0,4 ГДж / т _hm ) и рекуперация тепла шлака (до 0,35 ГДж / т _гм ) [28].

1.2.1 Восстановители

В доменной печи в качестве инъекций доступны различные восстановители.Углерод / водород / углеводороды в виде гранулированного или пылевидного угля, тяжелого мазута, нефтяных остатков, отработанных масел, жиров и эмульсий, животных жиров, экологического масла, природного газа, коксового газа, кислородно-конвертерного газа, доменного газа, отходов пластмасс продукты из каменноугольной смолы и биомассы, как правило, доступны в достаточных количествах по разумной цене, однако сильно различаются в зависимости от региона. Следовательно, выбор среди нескольких восстановителей определяется стоимостью и эксплуатационными ограничениями доменной печи. Кокс, как основной восстановитель, также служит физическим носителем основной колонны в доменной печи, без которой работа доменной печи была бы невозможна [3].

Кокс : Кокс является основным топливом и восстановителем в процессе доменной печи. В зависимости от используемых вспомогательных восстановителей уровень расхода кокса составляет около 350–400 кг / т _hm в современных доменных печах. Металлургический кокс в доменной печи действует как восстановитель, энергоноситель и поддерживающая среда для шихты. За счет внедрения новых концепций работы доменной печи расход кокса может быть снижен до 200 кг / т _hm [29].

Впрыск масла : Тяжелая нефть или отработанное масло использовалось в качестве вспомогательного восстановителя в доменной печи для частичной замены кокса.Основное преимущество масла — эффективный впрыскиваемый водородсодержащий восстановитель, который может снизить выбросы CO ₂ . В течение многих лет финская сталелитейная компания Ruukki сообщала о расходе около 360 кг / т _hm кокса и около 100 кг / т _hm нефти [27, 30].

Закачка природного газа : Закачка природного газа (ПГ) является альтернативой закачкой для печей среднего размера. Его выбор зависит от цены на природный газ по сравнению с углем и его доступности.Его также можно закачивать одновременно с угольной пылью. Увеличение скорости закачки природного газа может потребовать увеличения обогащения кислородом, чтобы поддерживать температуру пламени и объем сухого газа в рабочих пределах.

Наряду с закачкой природного газа коэффициент использования CO увеличивается, а коэффициент использования H ₂ снижается. Проницаемость, H ₂ косвенного восстановления, и производительность доменной печи также увеличивается [31]. В США сообщается о закачке природного газа до 155 кг / т _hm [32].

Пылевидный уголь : Пылевидный уголь (ПК) является наиболее часто используемым вспомогательным восстановителем в процессе доменной печи. Существует практический верхний предел масштаба вдувания пылевидного угля, зависящий от типов угля и качества сырья среди других переменных. Скорость нагнетания пылевидного угля выше 200 кг / т _hm считается массивной и может не поддерживаться в течение длительного времени, особенно для больших печей [28], даже несмотря на то, что скорость до 250 кг / т _hm сообщается как среднемесячная.

Закачка отходящих газов : Большие объемы отходящих газов коксовых заводов, доменных печей и кислородных печей (COG / BFG / BOFG) доступны в металлургическом комбинате. Эти газы содержат в основном CO, CO ₂ , CH ₄ , H ₂ и N ₂ , которые используются в качестве топлива в горячих печах, печах предварительного нагрева и электростанциях. Однако газы также могут использоваться в качестве восстановителей в доменной печи. Эта концепция была исследована и реализована на опытных и полупромышленных установках [33, 34].Для применения верхней рециркуляции газа (TGR) в доменной печи необходим достаточный уровень обогащения кислородом для сжигания углерода, CO и H ₂ в нижней части для получения восстановительных газов при достаточной температуре. При внедрении TGR общий расход топлива в доменной печи оценивается примерно в 300 кг / т _hm в пересчете на максимальные эксплуатационные расходы на установку утилизации газа.

Закачка биомассы : Биомасса в качестве низкоуглеродистого или углеродно-нейтрального носителя была изучена для замены топлива в доменной печи.Большинство усилий было направлено на твердое топливо, такое как древесный уголь BioMass (CBM) [35], и до 150 кг / т _hm используется на практике в небольших доменных печах в Бразилии [32, 36]. Теплотворная способность биомассы низкая по сравнению с ископаемым топливом. Процессы термохимического преобразования, от торрефикации до пиролиза, могут улучшить свойства биомассы, чтобы сделать ее полезной в виде твердых, жидких и газообразных восстановителей. Некоторые процессы могут производить ценные побочные продукты, которые можно использовать в других химических и энергетических секторах [37–39].

Замена ископаемого углерода углеродом из возобновляемой биомассы является эффективной мерой по снижению интенсивности выбросов диоксида углерода из доменной печи. Помимо характеристики биомассы как возможного восстановителя, такой как содержание летучих веществ и золы [40], важную роль играет доступность и экономическая конкурентоспособность обработки биомассы. Было исследовано возможное использование финской биомассы на металлургическом комбинате, особенно в качестве вспомогательных восстановителей в доменной печи, после ее предварительной обработки для уменьшения содержания кислорода и повышения теплотворной способности [39, 41, 42].

Ключевой задачей является разработка эффективной конверсионной технологии, которая могла бы сделать продукт экономически конкурентоспособным с ископаемым топливом с учетом экологических преимуществ. Наличие большого количества низкотемпературных газов увеличивает потенциал процесса торрефикации, в результате которого образуется торрефицированная биомасса (TBM), по сравнению с более высокой степенью пиролиза (например, древесный уголь) [39, 43–45]. Результаты показывают, что, исходя из типичных сегодняшних затрат, продукты из биомассы могут быть экономически неконкурентоспособными по сравнению с ископаемым топливом (особенно углем).Однако ожидается, что введение схемы торговли углеродом или высоких налогов на выбросы углерода увеличит мотивацию и интерес к использованию биомассы для частичной замены угля в сталеплавильном производстве [37, 46].

В таблице 1 приведены некоторые свойства введенных восстановителей [47]. Коксовый газ, тяжелая нефть, природный газ, пылевидный уголь и продукты биомассы были изучены как различные восстановители, вводимые в доменную печь для частичной замены кокса. Предполагалось, что на эталонной установке доступно до 17,6 т / ч коксового газа в соответствии с ограничениями по производству кокса.COG, который содержит монооксид углерода, диоксид углерода, водород, кислород, азот и метан, можно вводить в доменную печь или направлять в систему полигенерации. Для простоты в доменной печи все исследованные нагнетательные вещества были взяты с верхним пределом скорости закачки 120 кг / т _hm .

Таблица 1. Восстановители и их состав

Горячие печи : Горячие печи (HS), также известные как кауперы, используются для предварительного нагрева воздуха (дутья), необходимого для сжигания кокса в доменной печи. .Они работают как противоточный регенеративный теплообменник. Недорогие и низкокалорийные остаточные газы от работы доменной печи с небольшим количеством других видов топлива, таких как COG или природный газ, обычно используются в печах для повышения температуры горячего дутья до 1523 К. Известно, что расход кокса снижается на 10–15 кг / т _hm при повышении температуры горячего дутья на 100 К [48]. На многих доменных обогревателях по три печи. Пока две из них нагреваются, дутье проходит через регенеративную камеру третьей печи и попадает в доменную печь.Автоматизация горячей печи может снизить потребление энергии до 17 процентов за счет оптимального рабочего состояния. Еще один потенциал экономии энергии — это рекуперация тепла дымовых газов для предварительного нагрева воздуха. Эта концепция может снизить расход топлива на 0,085 ГДж / т _hm и обеспечить экономию энергии до 0,35 ГДж / т _hm . Улучшение условий горения за счет более эффективных горелок может привести к экономии энергии до 0,04 ГДж / т _hm [28]. Чтобы снизить общий расход топлива при промышленном отоплении, обогащение воздуха для горения кислородом может быть очень эффективным.Применение обогащения кислородом в горячих печах приведет к снижению расхода топлива и увеличит эффективность дутьевых печей [49–52]. В этом исследовании из-за физических ограничений учитывалась верхняя граница обогащения 32% в горячих печах.

Основная кислородная печь : Процесс базовой кислородной печи (BOF) преобразует расплавленный чугун из доменной печи с известняком и до 30% стального лома путем нагнетания кислорода со сверхзвуковой скоростью, что приводит к окислению углерода и примесей с образованием жидкости. сырая сталь, как правило, с 0.1–0,5 мас.% Углерода. Кислород высокой чистоты продувается через ванну расплава для снижения содержания углерода, кремния, марганца и фосфора в железе, в то время как различные флюсы используются для снижения уровня серы и фосфора. Кислородно-конвертерный конвертер может работать как на открытых, так и на закрытых капотах. Это дает возможность рекуперировать тепло или топливо из отходящих газов, которые богаты CO. Закрытый конвертерный конвертер предлагает наилучший потенциал для обоих. Эта технология широко применяется в Западной Европе и Японии. Эта технология снизит неизбежное образование CO ₂ до 0.16 тонн на тонну жидкой стали, что дает экономию энергии в диапазоне 0,53–0,92 ГДж / тонну жидкой стали.

Блок разделения воздуха : В системе существует большая потребность в кислороде для нагнетания в доменную печь (либо в виде обогащенного кислородом дутья, либо в виде холодного чистого кислорода), а также в печи печи. Криогенное разделение воздуха (ASU) — наиболее эффективный способ получения больших объемов кислорода, но это энергоемкий процесс. Выбросы углекислого газа из воздухоразделительной установки оцениваются по потребляемой энергии и доступному топливу в системе полигенерации [53].

Доменная печь и печи | Eurotherm by Schneider Electric

Доменная печь

Доменная печь обеспечивает сырье для производства стали. Железо, произведенное в доменной печи, содержит высокую долю углерода, обычно 4%, и не имеет каких-либо добавок, необходимых для придания стали ее различных особых свойств.

Ранний процесс производства чугуна

Сырье для производства чугуна, железная руда, известняк и кокс обычно находили рядом с литейным цехом.Месторождения железной руды в горах Уэльса, которые можно было увидеть и собирать над землей, были известны как пятна.

Для плавки железной руды требовалось большое количество тепла, и была необходима печь, чтобы удерживать материалы и выдерживать высокие температуры. Первые печи были каменными и облицованы огнеупорным кирпичом. Неочищенный расплавленный чугун собирался на дне печи и выпускался в резервуары, называемые чушками. Выражение «чугун» до сих пор используется в современном сталеплавильном производстве.

Принципы производства чугуна и стали изменились очень мало, за исключением того, что современные доменные печи намного большего размера включают гораздо больше автоматического управления для увеличения производительности и эффективности печи.

Строительство доменных печей

В 1950-х и начале 1960-х годов доменные печи Великобритании выгодно отличались от доменных печей в других странах. Диаметр пода в этот период варьировался от 8 до 9,5 метров, с производительностью от 1800 до 2000 тонн в день и рабочим объемом около 1500 м.

Производительность доменной печи была выражена как:

Производительность (т / день)

Рабочий объем (м3)

Подстановка вышеуказанных цифр дает коэффициент производительности от 1,3 до 1,5.

К середине 1960-х годов японцы добились значительных успехов в проектировании доменных печей. Суточная производительность увеличена с 3000 до более 11000 тонн при диаметре пода 14 метров и рабочем объеме от 4000 до 5000 м3. Коэффициенты производительности для этих печей находились в пределах 2.0 и 2.5.

Сравнивая эти цифры с данными по Великобритании, становится ясно, что увеличение диаметра доменной печи с 8 до 14 метров увеличило производительность печи только на 50% или около того.

Понимание влияния других параметров на процесс производства чугуна значительно повысило производительность и эффективность. Примеры:

• влияние расхода топлива, включая температуру дутья, газовый КПД и обогащение кислородом
• объем дутья и верхнее давление газа
• качество шихты и аэродинамические факторы
• доступность (время использования печи по сравнению со временем, когда она может быть использован)

Великобритания, как правило, не следовала японскому подходу к строительству более крупных печей, но British Steel в Redcar может похвастаться самой большой печью Великобритании высотой 14 метров.При номинальной мощности 10 000 тонн в день он фактически произвел 11 135 тонн в день. Его готовность составляет 97,1%, включая плановые остановки, и 99,9%, если плановые остановки исключены.

Низкоуглеродистая эксплуатация сверхбольших доменных печей в Китае

В настоящее время в Китае работают 19 сверхбольших доменных печей площадью более 4000 м 3 , и в последние годы достигнут значительный прогресс в области низкоуглеродной эксплуатации. В этой статье низкоуглеродные технологии работы китайских сверхбольших доменных печей были проиллюстрированы в двух аспектах подготовки сырья и эксплуатации доменных печей.Во-первых, с точки зрения подготовки сырья, низкоуглеродистые производственные технологии включают производство агломерата с низким содержанием SiO ₂ и высокой восстанавливаемости для уменьшения объема шлака и улучшения металлургических свойств агломерата; оптимизация структуры смешения углей для коксования, чтобы гарантировать качество кокса; внедрение технологии смесительного двора для стабилизации работы доменной печи; контроль нагрузки вредных элементов с целью уменьшения их повреждения коксом; внедрение технологии просеивания для уменьшения количества пыли; переработка мелкого агломерата, орехового кокса и пыли CDQ для повышения энергоэффективности производства чугуна.Во-вторых, с точки зрения работы доменной печи, низкоуглеродистые технологии эксплуатации включают повышение эффективности использования газа за счет верхней регулировки и нижней регулировки, верхняя регулировка, включая режим загрузки, вес партии и уровень товарной линии, нижняя регулировка, включая управление объемом дутья и кинетической энергией дутья. ; внедрение комплексных технологий взрыва с высокой температурой дутья, осушенным дутьем и высоким верхним давлением, продвигая экономичную концепцию закачки угля; ведение плавки с низким содержанием кремния, но следует обратить внимание на его влияние на срок службы доменной печи; контроль тепловой нагрузки для уменьшения потерь тепла с уделением особого внимания управлению средней частью доменной печи; разработка и применение технологии визуализации доменной печи для обеспечения бесперебойной работы доменной печи в течение длительного времени.

С 2012 года Китай стал крупнейшим в мире источником выбросов углерода, и на выбросы CO ₂ приходилось 29% мировых выбросов. Сталелитейная промышленность является основным направлением сокращения выбросов CO ₂ , выбросы CO ₂ китайской сталелитейной промышленности составляют около 12% от Китая, а выбросы CO ₂ в процессе производства чугуна составляют почти 90% всей сталелитейной промышленности. , а выбросы CO ₂ от доменных печей составляют более 70% всего процесса производства чугуна. 1,2,3) Следовательно, необходимость защиты окружающей среды при производстве доменного чугуна огромна, и углерод в основном поступает из топлива, которое в Китае в основном состоит из кокса и пылевидного угля.

Норма прибыли от продаж ключевых сталелитейных предприятий Китая в 2013 году составила всего 0,62%, а китайская сталелитейная промышленность переживает эпоху низкой прибыли и сталкивается с огромным давлением затрат. Стоимость тонны стали в основном зависит от стоимости чугуна, у которого стоимость топлива только ниже, чем у железной руды, и находится на втором месте.

Таким образом, снижение расхода топлива доменной печью имеет решающее значение для решения двойных проблем защиты окружающей среды и производственных затрат, а также является ключом к достижению устойчивого развития китайской сталелитейной промышленности. 4,5)

Большая доменная печь является важным символом развития производства чугуна, а сверхбольшая доменная печь (более 4000 м 3 , такая же, как показано ниже) имеет большую зону непрямого восстановления и меньшую удельную поверхность, что способствует улучшению газообразования. эффективность использования, снижение потерь тепла и снижение расхода топлива.Доля кокса, угля и расхода топлива в доменных печах ключевых сталелитейных предприятий Китая с различным объемом в 2011 году показана на рис. Рис. 1 .

Доля кокса, угля и расхода топлива доменных печей ключевых металлургических предприятий Китая разного объема в 2011 г. (Цветная онлайн-версия)

На рис. 1 показано, что расход кокса и топлива в сверхбольшой доменной печи на 71,4 кг / ттм и 51,4 кг / ттм соответственно ниже, чем у малой доменной печи (менее 1000 м 3 ).Кроме того, если сравнить доменную печь размером 5000 м 3 с доменной печью размером 3000 м 3 , то стоимость чугуна может быть снижена на 1,2%, производительность может быть увеличена на 30%. тонну железа можно уменьшить на 12%. В 2013 году производство стали в Китае достигло 779,04 млн тонн, а производство чугуна — 708,97 млн ​​тонн. Подводя итог, можно сказать, что для страны с такими огромными производственными мощностями по производству стали строительство сверхбольшой доменной печи имеет важное значение, а способ достижения низкого расхода топлива в сверхбольшой доменной печи имеет важное значение для энергосбережения и сокращения выбросов в сталелитейной промышленности Китая. .

2. Разработка китайской сверхбольшой доменной печи

Разработка китайской сверхбольшой доменной печи началась поздно, она прошла через начальный период, период отставания и период расцвета, как показано на Рис. 2 .

Развитие китайских сверхбольших доменных печей.

15 сентября 1985 г. была пущена в эксплуатацию доменная печь Baosteel № 1 (4063 м 3 ), которая является первой сверхбольшой доменной печью в Китае, что ознаменовало рост китайской большой доменной печи, а затем развитие китайской в начальный период вошла сверхбольшая доменная печь.Доменная печь Baosteel № 1 была построена на базе доменной печи № 3 завода Nippon Steel Kimitsu первого поколения и построена компанией Nippon Steel. Несмотря на руководство технического персонала Nippon Steel, но из-за отсутствия опыта эксплуатации сверхбольшой доменной печи, под доменной печи Baosteel № 1 после ввода в эксплуатацию не работал, и ему потребовалось 13 месяцев для достижения проектной цели. 29 июня 1991 года была введена в эксплуатацию доменная печь Baosteel № 2 (4063 м 3 ), первая в Китае самодельная, самодельная сверхбольшая доменная печь с самовдуванием.Технические показатели доменной печи Baosteel № 2 прошли 11 месяцев после ввода в эксплуатацию для достижения проектной цели, что на 2 месяца опережает доменную печь Baosteel № 1, которая все зависит от зарубежных технологий.

20 сентября 1994 года введена в эксплуатацию доменная печь Baosteel № 3 (4350 м 3 ), но в ближайшие десять лет новых сверхбольших доменных печей не вводится, кроме 2-го поколения. Доменная печь Baosteel № 1 (капитальный ремонт 2 апреля 1996 г. и пущена в эксплуатацию 25 мая 1997 г.), количество сверхбольших доменных печей Китая сохранилось на уровне 3 и вошло в лаговой период.

27 апреля 2005 г. введена в эксплуатацию доменная печь Baosteel № 4 (4747 м 3 ), до 27 мая 2014 г. введена в эксплуатацию доменная печь Baogang № 7 (4150 м 3 ), в г. за десять лет введено в эксплуатацию 16 новых сверхбольших доменных печей и 3 капитально отремонтированных сверхбольших доменных печи (доменная печь Baosteel №2 2-го поколения, доменная печь Baosteel №1 3-го поколения, 2-я доменная печь поколения доменной печи Baosteel № 3), развитие китайской сверхбольшой доменной печи вступило в период расцвета.В течение этого периода Shougang Jingtang Steel построила и ввела в эксплуатацию 2 × 5500 м. 3 сверхбольших доменных печей. Компания Shagang построила и ввела в эксплуатацию 1 × 5800 м. 3 сверхбольших доменных печей, всего 3 сверхбольших доменных печи. большие доменные печи более 5000 м 3 , что свидетельствует о проектировании и производстве оборудования для китайских сверхбольших доменных печей, которые достигли передового мирового уровня.

Если взять в качестве примера доменную печь Baosteel № 3 1-го поколения, срок службы в кампании достиг 6920 дней, то есть разница в 21 день до 19 лет, заняв 5-е место среди сверхбольших доменных печей в мире; общее производство достигло 68.29 миллионов тонн, заняв 2-е место; средний коэффициент использования составил 2,27 т / (м 3 · д), первое место; выработка на единицу полезного объема составила 15700 т / м 3 , 2-е место; Средний расход топлива составлял 500,5 кг / тТМ, а средний расход угля — 180,9 кг / тТМ, что свидетельствует о том, что технологии эксплуатации и управления китайской сверхбольшой доменной печи также достигли мирового уровня.

В настоящее время в Китае работает 19 сверхбольших доменных печей, как показано в таблице . 6,7,8,9,10,11,12) Среди этих 19 сверхбольших доменных печей Baosteel составляет 5, Shougang — 3, Angang — 2, Tisco — 2, Magang — 2, На долю Shagang приходится 1, на Wisco — 1, на Bengang — 1, на сталь Anyang — 1, общий объем производства стали почти достигает 70 миллионов тонн.

Примечание: 1-я доменная печь Baos

* поколение (4063 м 3 , 1985.9.15–1996.4.2), 2 поколение (4063 м 3 , 1997.5.25–2008.8.30) ** Доменная печь Baosteel № 2: 1 поколение (4063 м 3 , 1991.6.29–2006.8.31) *** Доменная печь Baosteel № 3: 1-е поколение (4350 м 3 , 1994.9.20–2013.8.29)

3. Технологии работы китайских сверхбольших доменных печей с низким расходом топлива

В последние годы, благодаря постоянным усилиям китайских сверхбольших операторов доменных печей, показатели производства доменных печей постоянно улучшались, а расход топлива непрерывно снижался, как показано в , Таблица 2 . 13,14,15,16)

(1) Доменная печь Baogang № 7 введена в эксплуатацию 27 мая 2014 г., статистические данные отсутствуют. 2013.

(2) Производство доменных печей Magang № A и № B в 2013 г. не совсем нормально, данные носят справочный характер.

Снижение расхода топлива — это интегрированная технология для низкоуглеродной эксплуатации. На основе обеспечения качества сырья, обеспечения бесперебойной работы доменной печи и использования тепловой и химической энергии газа для снижения расхода топлива. Конкретный технический принцип показан на Рис. 3 .

Технический принцип работы доменной печи на малом расходе топлива.

4. Технологии подготовки сырья

4.1. Технология производства агломерата с низким содержанием SiO ₂ и высокой восстанавливаемостью

Использование агломерата с низким содержанием SiO ₂ может повысить содержание железа в шихте, уменьшить объем шлака, улучшить металлургические свойства агломерата, особенно повысить температуру мягкого плавления и узкий диапазон температур мягкого плавления, что может привести к расположению зоны когезии вниз и толщине когезионной зоны тонкие, способствуют косвенному снижению и улучшают проницаемость столба запаса. 17) К конкретным методам относятся:

(1) Повышение основности агломерата соответствующим образом. Поскольку количество связывающей фазы будет уменьшено из-за уменьшения содержания SiO ₂ , бинарная основность агломерата должна быть увеличена соответствующим образом, чтобы увеличить содержание CaO, тем самым увеличивая содержание феррита кальция, что полезно для поддержания необходимого количества. фазы связывания и улучшить восстанавливаемость агломерата.

(2) Повышение соотношения мелких и ядерных частиц в агломерационной смеси.Связывающая фаза образует мелкие частицы небольшого размера, которые могут способствовать твердофазной реакции и образованию жидкой фазы спекания.

(3) Оптимизация сопоставления железных руд. Тип и характеристики железных руд имеют важное влияние на образование феррита кальция и уплотнение агломерационной смеси. Основываясь на характеристиках спекания железной руды, подходящая фаза спекания может быть сформирована путем согласования железной руды, которая может удовлетворить требование количества связывающей фазы для производства агломерата с низким содержанием SiO ₂ , а также может удовлетворить требованию высокого содержания восстанавливаемость агломерата.

(4) Увеличение толщины спекаемого слоя. Используя самовосстанавливающийся эффект спекающего слоя, можно снизить потребление твердого топлива и общее потребление тепла, в результате чего самые высокие температуры спекания падают, окислительная атмосфера усиливается, содержание FeO в агломерате уменьшается, а содержание феррита кальция увеличивается, восстанавливаемость агломерат улучшается, что благоприятно сказывается на слэзе лимонита и улучшает размерный состав агломерата с низким содержанием SiO ₂ .В настоящее время толщина спекаемого слоя Magang может достигать 900 мм, 18) , а толщина спекаемого слоя сталей Baosteel и Shougang Jingtang может достигать 800 мм. 19,20)

Согласно статистическим данным SiO ₂ содержание агломерата, использованного в китайских сверхбольших доменных печах в 2013 г., Baosteel и Tisco составляло менее 5%, остальное в основном было сосредоточено в 5,0–5,5%, за исключением Wisco (в среднем SiO ₂ содержание агломерата более 6,0%).

4.2. Оптимизация смешения угля для коксования. 4.2.1. Требования к качеству кокса для сверхбольшой доменной печи

Требования к роли каркаса кокса в комковатой зоне и роли проницаемости кокса в поде существенно различаются, поскольку различается объем доменной печи. С увеличением объема доменной печи увеличивается диаметр пода, увеличивается шихта руды, возрастает коксовая нагрузка, и, следовательно, требования к хладостойкости кокса должны соответственно повышаться. Работа сверхбольшого пода доменной печи оказывает большее влияние на выход, бесперебойную работу, вдувание и выпуск пылевидного угля, тем самым повышая требования к уменьшению деградации кокса в доменной печи и обеспечению размера кокса до помещения фурмы и в мертвую камеру. вперед.

Практика Baosteel показала, что коэффициент сопротивления доменной печи K может быть уменьшен примерно на 8%, поскольку DI15150 кокса был улучшен с 86% до 87%, таким образом, когда расход угля был увеличен со 120 кг / тHM до 150 кг / тHM, около 40% добавленной стоимости сопротивления проницаемости когезионной зоны и зоны каплеобразования может быть компенсировано за счет увеличения DI15150 кокса. Практика вдувания пылевидного угля показала, что при расходе угля 150–180 кг / тТМ DI15150 кокса следует контролировать на уровне 85–88%, M ₄₀ — на уровне 86–87% и M ₁₀ — на уровне 6–8% для соответствия требованиям проницаемости.Согласно тесту на реактивность кокса при разном времени реакции и тесту на потерю коксового раствора при разном расходе угля, когда расход угля был улучшен со 150 кг / тТМ до 180 кг / тТМ или 200 кг / тТМ, чтобы преодолеть неблагоприятные эффекты, вызванные из-за продолжительного времени пребывания и увеличения скорости потери раствора кокса CRI кокса следует контролировать ниже 27%, а CSR следует контролировать выше 64%. Если CRI контролируется ниже 26%, а CSR контролируется более 66%, это может соответствовать требованиям в отношении расхода угля 200 кг / тHM или выше.Качество кокса с различным содержанием угля в Baosteel и некоторых других сверхбольших доменных печах показано в Таблица 3 . 21)

С расширением запасов коксующегося угля Baosteel доля некоксующегося угля постепенно увеличивалась и осталась на уровне около 5%. Кроме того, Baosteel также успешно добавил слабоспекающийся уголь с низким содержанием золы и низким содержанием серы, что эффективно снизило содержание золы кокса и затраты на смешивание угля. Baosteel в основном добился стабильного состава кокса за счет использования большего количества некоксующегося угля, добавления слабоспекающегося угля и оптимизации угольной смеси.В последние годы качество угля для коксования колебалось, чтобы обеспечить качество кокса, Baosteel скорректировала структуру смешения углей для коксования, увеличила долю сильно спекающегося угля (сильно спекающийся уголь + квазисильно спекающийся уголь), было улучшено качество кокса, в том числе M ₄₀ было увеличено до 90%, M ₄₀ было уменьшено примерно на 0,5%, зольность кокса контролировалась менее 12%, средний размер был более 52 мм. 22) Общее улучшение качества кокса оказало сильную поддержку в повышении показателей доменной печи. На рис. 4 показано изменение структуры смешения угля для коксования с момента пуска доменных печей Baosteel в эксплуатацию.

Структура шихты угля для коксования с момента пуска доменных печей Baosteel. (Онлайн-версия в цвете.)

На основе характеристик и вклада в термические свойства кокса различных углей для коксования компания Wisco разработала систему оценки и применения углей для коксования с учетом индекса микроструктуры кокса, реологических свойств и технологических показателей, заменив дорогой жирный уголь комбинацией 1 / 3 микроструктура коксования коксующегося угля, а также расширяемость и когезионность газожидкостного угля, вместо высококачественного тощего угля 10–23% (G> 10–30), доля жирного угля и коксующегося угля снижена с 60–80% до ниже 40% доля малообедного угля достигла 16–23% за счет соответствующего измельчения обедненного угля для изменения состояния залегания, таким образом, была разработана технология смешивания угля для производства высококачественного кокса и повышения выхода металлургического кокса, что позволило добиться низкой стоимости структура смешивания угля для сверхбольшой коксовой печи с 7.Камера коксования шириной 63 м, в которой не было жирного угля, 28–38% коксующегося угля и 14–23% тощего угля. 23,24) Как показано в Таблице 2, высококачественный кокс был ключевым фактором для работы доменной печи Wisco № 8 с низким расходом топлива и низким содержанием Fe.

4.3. Смешивание дворовых технологий

Колебания содержания Fe и основности шлака вызовут неустойчивое состояние доменной печи, что приведет к увеличению расхода кокса и снижению производительности. Китайские современные сталелитейные предприятия со сверхбольшой доменной печью построили собственный склад сырья для хранения, смешивания и погрузки-разгрузки, чтобы уменьшить колебания состава смешиваемой руды, агломерата или окатышей.Сырье может быть использовано в управлении водными ресурсами и размером в соответствии с требованиями использования, а разновидности и пропорции сырья могут быть скорректированы в соответствии с производственными требованиями доменной печи, чтобы адаптироваться к изменениям в поставках сырья. Компания Baosteel разработала интеллектуальную модель штабелирования смешиваемой руды, запрограммировав общий план смешивания руды, динамическое распределение сырья по дозирующим резервуарам и интеллектуальное управление скоростью резания весов с постоянной подачей, чтобы гарантировать однородный состав смешиваемой руды в процессе штабелирования. наконец, стандартное отклонение смешения руды достигло δ _{SiO 2} = ± 0.124, δ _TFe = ± 0,376, которые закладывают основу для доменного концентрата, как показано на рис. 5 . 25)

Функциональная схема модели интеллектуального штабелирования смесительной руды смесительной площадки Baosteel.

4.4. Контроль нагрузки вредных элементов

Накопление вредных элементов может повредить огнеупорную футеровку, что приведет к частым колебаниям тепловой нагрузки и нестабильному состоянию печи. В частности, вредные элементы могут вызвать разложение кокса, нарушить каркасную функцию кокса, что приведет к более высокому уровню кокса.Исследование стали Shougang Jingtang показало, что при нагрузке щелочью 4 кг / тТМ и загрузке цинка 250–300 г / тТМ скорость разложения кокса крупности на расстоянии 0,5–2,5 м до фурмы составляла примерно 65–75%, кокс был сильно повреждены. В последние годы китайские сверхкрупные доменные операторы уделяют особое внимание повреждающему действию вредных элементов для кокса и ввели строгий стандарт контроля за загрузкой вредных элементов. В настоящее время стандарт контроля Baosteel: K ₂ O + Na ₂ O загрузка менее 2 кг / тHM, загрузка Zn менее 150 г / тHM.

4.5. Технология скрининга

Доменная печь относится к вертикальному движущемуся слою и имеет высокие требования к проницаемости для обеспечения бесперебойной работы. Заправочные штрафы должны контролироваться путем необходимого экранирования нагрузки и упорного управления сеткой экрана для работы с низким расходом топлива. Доля шихты менее 5 мм не должна превышать 3–5%. Уменьшение нагрузки при загрузке менее 5 мм также может уменьшить количество пыли. Каждые 1% загружаемой мелочи уменьшается, количество кокса уменьшается на 0.5%. 21)

4.6. Использование агломерата малых размеров

Использование агломерата небольшого размера может увеличить степень агломерации и создать условия для снижения расхода топлива. Кроме того, использование агломерата небольшого размера может снизить вторичную возвратную мелочь, тем самым уменьшив расход топлива при спекании. Агломераты Wisco были разделены на два диапазона в зависимости от размера:> 11 мм и 3,5-11 мм, и агломераты 3,5-11 мм загружались по краю горловины, после чего повышалась эффективность использования агломерата и газа. расход топлива был уменьшен. 26) В настоящее время сталь Shougang Jingtang перерабатывает агломерат толщиной 3–8 мм, и эффективность использования шихты повышается. 27,28)

4.7. Утилизация орехового кокса

Ореховый кокс — это кокс меньшего размера из сита под коксовым бункером доменной печи, обычно менее 25 мм. За исключением использования в качестве топлива при агломерации, ореховый кокс также может использоваться в доменной печи путем смешанной загрузки руды и кокса для улучшения использования энергии для производства чугуна. Практика Baosteel показала, что использование определенной доли орехового кокса способствует плавной работе и заметно влияет на снижение расхода топлива.Тенденция использования орехового кокса в Baosteel показана на Рис. 6 .

Тенденция использования орехового кокса в доменных печах Baosteel.

Помимо использования орехового кокса, Wisco также переработала коксовую мелочь с коксохимического завода, размер ячеек сита составляет 10 мм, а размер коксовой мелочи составляет 10–15 мм. С августа 2011 года доменная печь Wisco № 8 начала использовать переработанную коксовую мелочь для улучшения проницаемости и эффективности использования газа, наконец, эффект снижения расхода топлива был очень очевиден, и в настоящее время потребление переработанной коксовой мелочи достигло 20 кг / тТМ.

4.8. Впрыскивание пыли CDQ

Коксовый завод Baosteel применяет процесс сухого тушения, поэтому теплотворная способность пыли CDQ (сухое тушение кокса) значительно выше, чем у угля. Регулируя технологию измельчения и впрыска, пыль CDQ добавлялась в необработанный уголь, затем измельчалась и вводилась в доменную печь, максимальное среднемесячное значение может достигать 4,96 кг / тТМ.

Доменная печь Wisco № 8 добавила 8% пыли CDQ в необработанный уголь для замены антрацита, затем доля антрацита была постепенно снижена с 50% до нынешних 30%.Наконец, было увеличено фиксированное содержание углерода в закачиваемом угле и снижена скорость коксования. 29)

5. Повышение эффективности использования газа

В доменной печи при постоянном обратном движении шихтового газа протекают различные процессы. Таким образом, плавно нисходящая нагрузка и рациональное распределение газового потока являются признаком бесперебойной работы и предпосылками для повышения эффективности использования газа и снижения расхода топлива. Повышение эффективности использования газа позволяет полностью использовать тепловую и химическую энергию газа, тем самым снижая расход топлива.Эффективность использования газа у китайских сверхбольших доменных печей в целом высока, среди них Baosteel является самой высокой (около 52%).

Когда определены условия доменной плавки и сырье, распределение шихты становится основным средством регулирования распределения газового потока.

5.1. Верхняя регулировка

Целью выбора правил загрузки является контроль радиального перемещения руды / кокса в горловине и обеспечение рационального распределения потока газа, а правила загрузки включают режим загрузки, вес партии и уровень товарной линии.

5.1.1. Режим зарядки

Правила загрузки имеют два основных режима: платформа плюс воронка и центральная загрузка кокса. С точки зрения повышения эффективности использования газа в верхней загрузке без раструба обычно используется платформа плюс воронка, которая тщательно учитывает ширину коксовой платформы, ширину рудной платформы и глубину воронки. В реальном производстве ширина рудной платформы и ширина коксовой платформы обычно составляют около 1/3 радиуса горловины, а ширина коксовой платформы немного больше ширины рудной платформы.Когда расход угля увеличивается, количество руды / кокса увеличивается, вес коксовой партии уменьшается, коксовое окно сужается, а количество руды / кокса на краю кусковой зоны увеличивается, что влияет на распределение потока газа, что приводит к ухудшению проницаемости. и увеличение перепада давления. Таким образом, глубина центральной воронки должна быть увеличена, чтобы регулировать центральный поток газа, в то время как край должен быть расслаблен должным образом путем увеличения количества кокса или уменьшения количества руды. В целом, режим платформы плюс воронка должен определять ширину коксовой платформы, количество кокса в центральной воронке и количество руды, катящейся к центру, чтобы избежать препятствия центральному потоку газа, ухудшения плавности работы и увеличения количества топлива. темп.Ширина коксовой площадки и глубина центральной воронки должны определяться исходя из условий собственного производства доменной печи.

При расширении доменной печи увеличивается период плавки, более серьезная деградация кокса, увеличивается поток газа. По мере увеличения площади поперечного сечения объем мертвого элемента увеличивается, равномерность распределения газового потока ухудшается, поэтому необходимо усилить центральный газовый поток, увеличить высоту перевернутой V-образной когезионной зоны, чтобы обеспечить достаточную площадь. коксового окна и плавного газового потока.Режим центральной загрузки кокса может улучшить и стабилизировать центральный поток газа, уменьшить потери раствора центрального кокса, предотвратить разложение кокса, соответствующим образом увеличить высоту перевернутой V-образной когезионной зоны и обеспечить рациональный поток газа. распределение и бесперебойная работа. Поэтому в сверхбольшой доменной печи при необходимости можно использовать режим центральной загрузки кокса, но в то же время следует обращать внимание на то, чтобы избежать передозировки.

Самыми большими преимуществами режима «платформа плюс воронка» являются более высокая эффективность использования газа и более низкий расход топлива, но требования к стабильности качества сырья выше.В то время как самые большие преимущества режима центральной загрузки кокса заключаются в лучшей адаптации к колебаниям качества сырья, но самым большим недостатком является более низкая эффективность использования газа и более высокий расход топлива. Для китайских сверхбольших доменных печей эффективность использования газа в режиме платформа плюс воронка обычно составляет 50,5–52,5%, а в режиме центральной загрузки кокса — 46,5–48,5%, разница между двумя режимами обычно составляет около 4%, поскольку в пересчете на топливо расход составляет около 20 кг / тТМ.

Вес партии руды имеет большое влияние на распределение шихты в горловине и некоторое влияние на распределение газового потока, для различных доменных печей существует соответствующий диапазон регулирования. С увеличением объема доменной печи соответственно увеличивается площадь горловины, соответственно должен увеличиваться вес рудной шихты. Вес партии руды в доменной печи Шаганг 5800 м 3 постепенно увеличивался с операцией упрочнения, примерно с 120 т на загрузку на начальном этапе вдувания до 170 тонн на загрузку, что достигло проектного предела бункера.Shougang Jingtang Steel доменная печь №1 и доменная печь №2 реализовали режим большой партии руды, соответственно, за счет расширения бункера и операции «руда-руда-кокс», вес партии руды был увеличен со 140 т на загрузку до примерно 180 т на единицу продукции. плата. Большая партия руды способствует стабилизации состояния печи, повышению эффективности использования газа и снижению расхода топлива. 27)

С точки зрения стабилизации слоя кокса в зоне когезии и уменьшения изменения распределения газового потока, верхняя регулировка при производстве должна стабилизировать вес коксовой партии, таким образом изменяя партию руды соответствующим образом.Требования Baosteel к глубине слоя кокса: не менее 0,50 м в горловине и не менее 0,20 м в нижней части. 30)

5.1.3. Уровень товарной линии

Регулировка уровня линии складирования — это регулировка высоты падения шихты для изменения положения пика укладки в сочетании с начальным углом наклона желоба. При разном уровне складской линии распределение нагрузки на поверхности отличается, что оказывает большое влияние на распределение потока газа. Уровень запаса зависит от профиля горловины, профиля верхнего вала и свойств шихты.На практике контроль уровня товарного троса следует сочетать с бесшумным углом зарядки, а начальная точка падения должна располагаться в пределах 300 мм от стены. 21)

5.2. Нижняя регулировка

Чтобы соответствовать верхней регулировке, нижняя регулировка заключается в регулировке параметров дутья для контроля состояния зоны горения фурмы и начального распределения газового потока, это ключ к контролю плавной работы, рациональному распределению газового потока и улучшению использования газа. эффективность.Рациональное начальное распределение газового потока можно сформировать за счет более низкой регулировки.

5.2.1. Контроль громкости взрыва

При небольшом объеме дутьевого газа с увеличением объема дутья и усилением доменной печи расход топлива и расход кокса будут уменьшаться. По мере того, как доменная печь укрепляется до определенной степени, объем дутьевого газа ограничивается, если непрерывно увеличивать объем дутья, расход топлива и кокса увеличиваются. Поскольку на поток газа влияет проницаемость столба запаса, что приводит к развитию периферийного потока газа или чрезмерному усиленному центральному потоку газа, эффективность использования газа снижается, а расход топлива увеличивается.Сверхбольшая доменная печь должна регулировать средний объем дутья для обеспечения рационального распределения газа, повышения эффективности использования газа и снижения расхода кокса и расхода топлива.

5.2.2. Контроль кинетической энергии взрыва

При изменении производственных условий для достижения оптимальной или близкой к оптимальной глубины канала качения и рационального начального распределения потока газа площадь фурмы регулируется должным образом для поддержания соответствующей скорости ветра и кинетической энергии взрыва, чтобы избежать влияния слишком высокой скорость ветра и кинетическая энергия взрыва на коксе в дорожке качения.В настоящее время кинетическая энергия дутья китайских сверхбольших доменных печей обычно составляет 14000–15000 кг · м / с, для достижения этой цели первой мерой является поддержание разумной скорости ветра, а общее значение составляет 250–270 м / с. с. Если прочность кокса высока, скорость ветра может быть выше, и наоборот. В последние годы скорость ветра имеет тенденцию к потолку за счет разумного согласования объема взрыва, площади фурмы, температуры струи и верхнего давления, тем самым достигая хороших показателей производительности. 31)

6.Комплексная взрывная техника

6.1. Высокая температура взрыва

Тепло, необходимое для доменной печи, в основном происходит от сжигания топлива и физического тепла горячего дутья, и последнее составляет около 30% от общего количества тепла. Чем больше физического тепла приносит горячий дуть, тем меньше требуется тепла от сгорания топлива. Повышение температуры дутья может снизить расход топлива и сэкономить затраты на производство чугуна, одна из причин заключается в том, что физическое тепло, приносимое горячим дутьем, может заменить некоторое количество топлива; Другая причина заключается в том, что с повышением температуры дутья расход угля может быть увеличен для замены некоторого количества кокса, и, таким образом, расход кокса может быть уменьшен.

В последние годы китайская технология горячего дутья получила значительное развитие, тип печи горячего дутья развился от внутреннего сгорания до внешнего сгорания, а затем и с верхним сгоранием; Топливный газ изменился с доменного газа с низкой теплотворной способностью с обогащенной частью газа с высокой теплотворной способностью на полностью доменный газ с использованием технологии двойного подогрева газ-воздух, в результате чего температура дутья увеличивается из года в год. Температура дутья в некоторых китайских сверхбольших доменных печах превышала 1250 ° C, достигая уровня мирового класса.В 2009 году доменная печь Shougang Jingtang Steel 5500 m 3 успешно приняла на вооружение доменную печь с верхним сжиганием топлива BSK, которая имеет независимые права интеллектуальной собственности на основе запатентованной Калугиной технологии доменной печи с полным сжиганием доменного газа и При использовании технологии двойного предварительного нагрева газ-воздух среднемесячная температура дутья достигла 1300 ° C в марте 2010 года.

6.2. Осушенный взрыв

Технология осушения дутья может снизить поглощение тепла при разложении воды, повысить температуру пламени, ускорить нагнетание угля и тем самым снизить количество кокса.Как правило, удаляется каждый 1 г / Нм 3 влаги из дутья, расход кокса снижается на 0,8–1 кг / тТМ. С точки зрения поддержания теплового состояния пода удаляется каждый 1 г / Нм 3 влаги во дутье, расход угля увеличивается на 1,5–2,0 кг / тТМ. 21)

Доменные печи Baosteel работают по принципу высокой температуры дутья и низкой влажности дутья. За счет регулирования количества вводимого угля для контроля температуры печи температура дутья была стабилизирована на уровне 1230–1250 ° C, а влажность в дутье стабилизировалась на уровне 10–15 г / Нм 3 .Влажность в дутье доменной печи Шаганг 5800 м 3 контролировалась на уровне 15–17 г / Нм 3 .

6.3. Высокое верхнее давление

Повышение верхнего давления может снизить скорость потока газа, снизить потерю давления материала и способствовать плавной работе. Кроме того, увеличение верхнего давления может снизить количество пыли, повысить эффективность использования кокса и угля, снизить расход топлива и уровень кокса. 32)

В настоящее время повышение верхнего давления стало незаменимым средством для нормальной работы доменной печи.Верхнее давление доменной печи Shougang Jingtang Steel 5500 м 3 составляет около 270 кПа, а давление доменной печи Shagang 5800 м 3 достигло 285 кПа, что является более высоким уровнем для доменной печи того же типа. Тенденция изменения давления в верхней части доменной печи Шаганг 5800 м 3 и степени обогащения кислородом после вдувания показана на Рис. 7 .

Тренд Шагана 5800 м 3 Верхнее давление доменной печи и степень обогащения кислородом. (Онлайн-версия в цвете.)

6.4. Экономическая закачка угля

Целью нагнетания угля является дальнейшая экономия кокса и снижение затрат на производство чугуна. Несмотря на разницу в цене между углем и коксом, если коэффициент замещения угля и кокса снизится до определенной степени, расход топлива увеличится, и экономические выгоды, полученные от закачки угля, будут нивелированы, поэтому в последние годы китайские доменные печи внедряют экономичную закачку угля постепенно, необходимо поддерживать высокий коэффициент замещения при увеличении количества закачиваемого угля и больше не преследовать вслепую высокую скорость угля.Предпосылки для внедрения экономичной закачки угля:

(1) Повышение качества шихты, включая кокс, агломерат, окатыши и кусковую руду, для уменьшения объема шлака и улучшения проницаемости в верхней и нижней доменных печах.

(2) Внедрение технологии с высоким обогащением кислородом, высокой температурой дутья и осушением дутья для контроля температуры пламени и накопленного количества несгоревшего пылевидного угля и коксового порошка в поде, увеличения скорости сгорания пылевидного угля.Обогащение кислородом может уменьшить объем газа на тонну чугуна, повысить температуру пламени и изменить распределение температуры в доменной печи. Правильное сочетание обогащения кислородом с закачкой угля может уменьшить изменение коэффициента теплового потока, поддерживать температуру пламени в разумных пределах и обеспечить стабильное состояние доменной печи. Каждый 1% -ный коэффициент обогащения кислородом увеличивается, скорость сжигания угля увеличивается на 1,51%. Для доменной печи Шаганг 5800 м 3 характерно высокое обогащение кислородом, причем степень обогащения кислородом составляла более 10% (как показано на рис.7), 33) , которые создали прецедент применения высокообогащенного кислорода в сверхбольших доменных печах Китая и, в частности, компенсировали нехватку качества кокса Шаганг.

(3) Рациональное распределение газового потока и стабильное состояние печи. Соответствующий центральный поток газа в нижней доменной печи должен быть обеспечен путем регулировки параметров дутья, после чего несгоревший пылевидный уголь, подаваемый в под, может быть полностью утилизирован, и, наконец, эффективность использования угля повышается.

(4) Оптимизация смешения углей для нагнетания может улучшить характеристики горения смешанного угля, повысить расход угля, расширить возможности выбора типа угля и снизить стоимость смешанного угля.Обычно антрацит с высоким содержанием фиксированного углерода и высокой теплотворной способностью сочетается с битуминитом с высоким содержанием летучих веществ и хорошими характеристиками горения, наконец, содержание летучих веществ в угольной смеси следует контролировать на уровне 15-25%, а содержание золы должно быть ниже. чем кокса (обычно не более 11%). Шаганг 5800 м 3 доменная печь увеличила долю битумита с 43% до 54%.

В течение долгого времени доменные печи Baosteel продолжали работать с высоким расходом угля для снижения расхода кокса, но при дальнейшем увеличении расхода угля, наоборот, расход топлива увеличивался из-за снижения скорости сжигания угля и коэффициента замещения .В настоящее время, в связи с ростом цен и ухудшением качества сырья, доменные печи Baosteel начинают стремиться к разумным и экономичным расходам на уголь. Динамика расхода угля в доменной печи Baosteel показана на Рис. 8 . 34)

Динамика расхода угля в доменных печах Baosteel.

7. Плавка с низким содержанием кремния

Внедрение плавки с низким содержанием кремния способствует снижению расхода топлива. Каждые 0,1% [Si] уменьшаются, расход топлива может снизиться на 4–6 кг / тТМ.Под сверхбольшой доменной печи активен и имеет много тепла, поэтому легко добиться плавления с низким содержанием кремния. Основные методы включают:

(1) Снижение загрузки SiO ₂ за счет уменьшения содержания золы кокса, золы угля и содержания SiO ₂ в агломерате. Хотя Китай ограничен характеристиками ресурсов коксующегося угля (высокая зольность и низкое содержание серы в коксующемся угле и жирном угле), с постоянным развитием технологии смешивания угля для коксования зольность кокса, используемого для сверхбольших взрывов. печи Baosteel, Tisco, Shougang, Angang, и т. д. был ниже 12%.

(2) При предварительных условиях обеспечения большого количества тепла пода и бесперебойной работы температура пламени может быть снижена соответствующим образом, чтобы ограничить образование газа SiO.

(3) Контроль разумной формы и положения когезионной зоны для уменьшения контакта стекающего расплавленного железа с газообразным SiO, таким образом подавляется образование [Si].

(4) Оптимизация характеристик шлака для снижения активности SiO ₂ в шлаке.

(5) Реализация операции высокого верхнего давления для подавления образования газа SiO.

Однако следует отметить влияние низкой плавки кремния на срок службы доменной печи, такое как эрозия футеровки пода, может усугубиться. Таким образом, Китай больше не выступает за плавку с низким содержанием кремния, и в основном проводят обескремнивание перед печью или обескремнивание в сталеплавильном процессе. Среднее значение [Si] доменных печей Baosteel снизилось с 0,5–0.От 6% до примерно 0,35%, самое низкое среднемесячное значение [Si] доменной печи № 3 достигло 0,28%, но с 2008 года из-за повышения температуры футеровки пода и выполнения операции защиты печи, [Si] регулировался постепенно выше, тенденция доменных печей Baosteel [Si] показана на Рис. 9 .

Тренд доменных печей Baosteel [Si].

8. Контроль тепловой нагрузки

Тепловые потери доменной печи были уменьшены в основном за счет регулирования тепловой нагрузки футеровки.Тепловая нагрузка отражает состояние охлаждения каждой части футеровки, поэтому ее часто используют для оценки развития периферийного газового потока и рабочего состояния футеровки. Температурную нагрузку следует контролировать в определенном диапазоне и, насколько это возможно, для уменьшения потерь тепла, что помогает снизить расход топлива. Однако слишком низкая тепловая нагрузка может вызвать утолщение футеровки, а затем повлиять на распределение газового потока и состояние печи; Напротив, при отваливании шлакового остова состояние печи также ухудшается, даже фурма может быть разбита, что приведет к уменьшению дутья или сдувания.Следовательно, контроль рациональной тепловой нагрузки способствует стабилизации состояния печи и снижению расхода топлива.

Чтобы сохранить соответствующую тепловую нагрузку в повседневной работе, одной из мер является поддержание рационального распределения потока газа путем регулировки регулирования загрузки; другой — регулировка потока охлаждающей воды в соответствии с состоянием эрозии и температурой футеровки для поддержания стабильного шлакового остова и рабочего профиля. При этом регулировка распределения газового потока является наиболее важным средством.

При эксплуатации доменной печи Baosteel осуществляется управление тепловой нагрузкой по перегородке по высоте и по окружности, стандарты управления для разных высотных площадей различаются, а тепловая нагрузка по окружности должна быть равномерной. Регулировка тепловой нагрузки меняется с верхней регулировки на нижнюю, чтобы постепенно акцентировать внимание на управлении средней частью доменной печи (между нижней шахтой и корпусом).

Трехмерная визуализация тепловой модели нагрузки для стали Shougang Jingtang Steel No.1 5500 м 3 Доменная печь , разработанная Shougang и Пекинским университетом науки и технологий, реализовала трехмерное отображение тепловой нагрузки в реальном времени, видео-запрос исторических тенденций и функцию сигнализации, как показано на Рис. 10 . Комбинирование модели с моделью управления профилем может определить разумный диапазон регулирования тепловой нагрузки и предоставить руководство для работы доменной печи.

Трехмерная визуализация модели тепловой нагрузки для стали Shougang Jingtang №1 5500 м 3 доменная печь.

9. Технология визуализации доменных печей

Начиная с 21 века, Пекинский научно-технический университет и Shenwang Pioneer Tech. Корпорация Пекин разработала технологию визуализации доменной печи. Эту технологию можно использовать для мониторинга распределения шихты и состояния печи, помочь оператору интуитивно понять состояние печи и эффект загрузки, изменить пассивный режим работы на активный, сделать визуальные манипуляции максимально возможными, избежать аварий, повысить эффективность использования газа, сократить расход топлива. Скорость, наконец, поддерживать длительную бесперебойную работу. 35)

9.1. Верхняя видеокамера (CCD) доменной печи, тепловизионная камера (FPA) и технология обработки изображений

Используя верхнюю видеокамеру (ПЗС), операторы могут в режиме онлайн наблюдать за перемещением желоба, распределением газового потока и потоком шихты по всей поверхности шихты, а также контролировать ненормальное состояние печи, такое как туннель и проскальзывание. По мере увеличения доменной печи и повышения уровня эксплуатации верхняя температура постепенно снижается, затем существующая видеокамера (ПЗС) не может нормально работать с верхней температурой ниже 120 ° C, поэтому была разработана тепловизионная камера (FPA). впоследствии.Шаганг 5800 м 3 доменная печь установила верхнюю видеокамеру и тепловизор одновременно, как показано на рис. 11 . 36)

Шаганг 5800 м 3 Изображение верхней камеры доменной печи.

9.2. Онлайн-измерение профиля поверхности шихты с помощью лазерной технологии

Онлайн-измерение профиля поверхности шихты с помощью лазерной технологии заключается в установке лазерного детектора поверхности шихты доменной печи для получения визуального изображения профиля поверхности шихты во время производства доменной печи, как показано на Рис.12 .

Онлайн профиль поверхности шихты доменной печи с лазерной технологией.

9.3. Фурменная видеокамера доменной печи и технология обработки изображений

Используя фурменную видеокамеру, операторы могут одновременно наблюдать яркость, движение кокса и размер потока угля в каждой фурме, а также своевременно обнаруживать скольжение шлакового остова и холодную шихту перед фурмой. Посредством последующей обработки изображений операторы могут получить количественный анализ теплового состояния и состояния угольного потока каждой фурмы, тем самым своевременно и всесторонне понять рабочее состояние фурмы и системы впрыска угля.Кроме того, из фурменной видеокамеры нового типа был собран спектроскоп, операторы по-прежнему могут непосредственно наблюдать за фурмой через глазок. На 40 фурмах доменной печи Шаганг 5800 м 3 были установлены фурменные видеокамеры нового типа, как показано на Рис. 13 и 14 .

Шаганг 5800 м 3 Изображения фурм доменной печи.

Интерфейс обработки изображений фурмы. Примечание: (а) — исходное изображение фурменной видеокамеры.(б) — красочное изображение после обработки, с использованием разных цветов, представляющих разную температуру. (c) — серое изображение после обработки. (г) — тренд температуры фурмы, ось X — время, ось Y — температура; Красная линия представляет самую высокую температуру, а линия выдувания — среднюю температуру. (e) — тренд расхода угля в фурме, ось X — время, ось Y — расход угля; Красная линия представляет значение тренда расхода угля, а линия выдувания представляет мгновенное значение расхода угля.

9.4. Заполнение кабинета лазерной технологией

При использовании лазерной технологии для измерения вдува заполнения можно получить данные о траектории потока шихты с различным углом наклона желоба и данные профиля поверхности шихты после зарядки, кроме того, можно получить закон распределения нагрузки зарядного устройства и используется для управления загрузкой доменной печи после ввода в эксплуатацию, как показано в Рис. 15 . В последние десять лет все китайские сверхбольшие доменные печи использовали метод лазерной сетки для измерения заполнения при вдувании. 37)

Лазерная сетка и изображение поверхности шихты в доменной печи.

(1) Разработка китайской сверхбольшой доменной печи началась с опозданием, в настоящее время в Китае работают 19 сверхбольших доменных печей более 4000 м 3 , из них 3 доменных печи более 5000 м 3 Благодаря постоянным усилиям китайских операторов сверхбольших доменных печей был достигнут значительный прогресс в низкоуглеродной эксплуатации, а затем непрерывно снижался расход топлива. мировой продвинутый уровень.

(2) Что касается подготовки сырья, низкоуглеродистые производственные технологии включают производство агломерата с низким содержанием SiO ₂ и высокой восстанавливаемостью для уменьшения объема шлака и улучшения металлургических свойств агломерата; оптимизация структуры смешения углей для коксования, чтобы гарантировать качество кокса; внедрение технологии смесительного двора для стабилизации работы доменной печи; контроль нагрузки вредных элементов с целью уменьшения их повреждения коксом; внедрение технологии просеивания для уменьшения количества пыли; переработка мелкого агломерата, орехового кокса и пыли CDQ для повышения энергоэффективности производства чугуна.

(3) Что касается работы доменной печи, низкоуглеродные технологии эксплуатации включают повышение эффективности использования газа за счет верхней регулировки и нижней регулировки, верхнюю регулировку, включая режим загрузки, вес партии и уровень товарной линии, нижнюю регулировку, включая контроль объема дутья и кинетическая энергия взрыва; внедрение комплексных технологий взрыва с высокой температурой дутья, осушенным дутьем и высоким верхним давлением, продвигая экономичную концепцию закачки угля; ведение плавки с низким содержанием кремния, но следует обратить внимание на его влияние на срок службы доменной печи; контроль тепловой нагрузки для уменьшения потерь тепла с уделением особого внимания управлению средней частью доменной печи; разработка и применение технологии визуализации доменной печи для обеспечения долгосрочной бесперебойной работы доменной печи.

Работа поддержана Национальным научным фондом выдающихся молодых ученых (грант № 51304014).

• 1) Q. Zhang, G. Y. Jia, J. J. Cai и F. M. Shen: J. Northeastern Univ. ( Nat. Sci. ), 34 (2013), 392.
• 2) ZY Xiang и ZP Zou: China Steel , 8 (2010), 9.
• 3) HB Zuo, JL Zhang и X.Л. Ван: Iron Steel , 47 (2012), 86.
• 4) Ю. Удзисава, К. Накано, Ю. Мацукура, К. Сунахара, С. Комацу и Т. Ямамото: ISIJ Int. , 45 (2005), 1379.
• 5) С. Уэда, Т. Мики, Т. Мураками, Х. Ногами и Т. Сато: Тецу-то-Хагане , 99 (2013), 1.
• 6) ZJ Liu, JL Zhang, HB Zuo и TJ Yang: ISIJ Int. , 52 (2012), 1713.
• 7) Z.Дж. Лю, Дж. С. Цзинь и Б. К. Ху: Baosteel Technol. , 15 (1997), 5.
• 8) X. B. Hu и T. Q. Wang: Iron Steel Technol. , 40 (2011), 5.
• 9) TQ Wang, CC Lin, B. Xiong, JQ Ma и XP Xia: Ironmaking , 33 (2014), 13.
• 10) CC Lin и ZY Xiang: Baosteel Technol. , 27 (2009), 49.
• 11) Р. Л. Чжу и Ю. М. Чен: Производство чугуна , 24 (2005), 9.
• 12) T. Q. Wang, H. Y. Zhu, Q. Z. Ju и X. P. Xia: Ironmaking , 31 (2012), 27.
• 13) T. J. Yang: Proc. 2014 Нац. Производство и технология чугуна и Ежегодная конференция по производству чугуна, CSM, Пекин, (2014), 1.
• 14) W. G. Li: Baosteel Technol. , 32 (2014), 1.
• 15) W. G. Li: World Met. , 51 (2013), 1.
• 16) В. Лю: China Steel Focus , 24 (2011), 45.
• 17) Р. Л. Чжу: Baosteel Technol. , 26 (2008), 1.
• 18) Б. Чжан: Спекание, гранулирование , 39 (2014), 15.
• 19) XM Mao, T. Zhu и JF Li: Производство чугуна , 24 (2005), 99.
• 20) HJ Wang, G. An, QL Wang и FK Shi: Sintering Pelletizing , 35 (2010), 47.
• 21) ZY Xiang и XL Wang : Проектирование доменных печей — Принципы и методы проектирования процессов производства чугуна, 2-е изд., Metallurgical Industry Press, Beijing, (2014), 124.
• 22) Дж. М. Чжу и К. Ван: Proc. 2014 Нац. Производство и технология чугуна и Ежегодная конференция по производству чугуна, CSM, Пекин, (2014), 129.
• 23) Г. Ф. Сюэ, Р. Сян, П. Чен и С. К. Лю: Дж. Ухань Уни. Sci. Technol. , 32 (2009), 36.
• 24) R. Xiang, Z. K. Song, G. F. Xue и J. F. Bao: J. Wuhan Uni. Sci. Technol. , 35 (2012), 16.
• 25) В.Чжан и М. Чен: Ironmaking , Suppl. (2005), 117.
• 26) X. W. Li, J. Chen и W. L. Chen: Wisco Technol. , 51 (2013), 1.
• 27) J. Chen, F. Cao, Y. Y. Guo, H. Chen, J. J. Huang, J. Chen и K. T. Zhen: Proc. 2014 Нац. Производство и технология чугуна и Ежегодная конференция по производству чугуна, CSM, Пекин, (2014), 65.
• 28) Т. Ван, В. Д. Чжан, Л. Дж. Рен и Х. К. Вэй: Ironmaking , 29 (2010), 6.
• 29) L. W. Lu, J. J. Chen и W. L. Chen: Ironmaking , 30 (2011), 13.
• 30) R. L. Zhu: Proc. 2014 Нац. Производство и технология чугуна и Ежегодная конференция по производству чугуна, CSM, Пекин, (2014), 31.
• 31) RL Zhu: Ironmaking , 31 (2012), 30.
• 32) XL Wang: Черная металлургия ( Ironmaking Part), Metallurgical Industry Press, Пекин, (2013), 283.
• 33) WD Wang и L. Zhang: Ironmaking , 31 (2012), 9.
• 34) R. L. Zhu, T. Q. Wang и X. F. Wang: China Metall. , 23 (2013), 30.
• 35) З. К. Гао и Т. Гао: China Metall. , 23 (2013), 8.
• 36) ZK Gao, WD Wang и T. Gao: Ironmaking , 29 (2010), 13.
• 37) ZK Gao, WG Song and T. Гао: Proc. Ежегодная конференция по производству чугуна и стали, 2009 г., CSM, Пекин, (2009), 381.

Численное исследование процесса восстановления в кислородной доменной печи

Аннотация

На основе вычислительной гидродинамики, кинетики химических реакций, принципов переноса в металлургии и других принципов была создана многожидкостная модель традиционной доменной печи.Условия печи были смоделированы с помощью этой многожидкостной математической модели, и модель была проверена путем сравнения расчетов и измерений. Затем на основе этой традиционной модели доменной печи была создана многожидкостная модель кислородной доменной печи в процессе газификации кислородной доменной печи. С помощью установленной многожидкостной модели кислородной доменной печи были обобщены основные характеристики процесса восстановления железной руды в кислородной доменной печи, включая процесс изменения степени восстановления железной руды, состава шихты и т. Д.Исследование показало, что по сравнению с традиционной доменной печью, зона запаса магнетита в шахте печи в условиях кислородной доменной печи была значительно уменьшена, что способствует эффективной работе доменной печи. Чтобы оптимизировать конструкцию кислородной доменной печи и рабочие параметры, процесс восстановления железной руды в кислородной доменной печи был исследован при различных положениях шахтной фурмы, различных температурах рециркулирующего газа и различных соотношениях распределения рециркулирующего газа между подовой фурмой и шахтой. фурма.Результаты показывают, что все эти три фактора существенно влияют на процесс восстановления руды в кислородной доменной печи. Умеренное положение шахтной фурмы, высокая температура рециркулирующего газа и высокий коэффициент распределения рециркулирующего газа между подом и шахтой могут значительно способствовать восстановлению железной руды, уменьшить объем зоны запаса магнетита и улучшить производительность кислородной доменной печи. На основании вышеизложенного были предложены рекомендации по совершенствованию конструкции и эксплуатации кислородной доменной печи.

Принципы контроля и мониторинга огнеупорной футеровки доменных печей

Абстрактные

Доменные печи — это сложные части оборудования, которые включают преобразование, взаимодействие и движение жидкостей, твердых веществ и газов при высоких температурах по всему корпусу. Доменные печи футерованы углеродистым и графитовым огнеупорным кирпичом для защиты целостности корпуса. Углеродные и графитовые огнеупоры в основном используются для футеровки доменных печей из-за их высокой теплопроводности и их способности снижать тепловую нагрузку за счет передачи избыточного тепла к оболочке, где тепло может быть передано воде путем пленочного охлаждения или через чугун. или медные посохи.

Существует четыре основных фактора, которые влияют на срок службы доменной печи: 1) конструкция доменной печи, 2) качество и надежность огнеупора, 3) качество и герметичность огнеупорной футеровки, 4) количество заботы и внимания, уделяемое поддержанию футеровки печи. . За последние два десятилетия в конструкцию доменных печей были внесены значительные улучшения. Эти улучшения включают увеличение объема печи и рабочего давления; новые конструкции печей и конструкции охлаждения; улучшенные методы распределения нагрузки; достижения в области контрольно-измерительной аппаратуры и управления; и внедрение методов снижения энергопотребления и экономии рабочей силы.Кроме того, произошли улучшения в науке и понимании футеровки доменных печей. Сегодня огнеупорную футеровку часто обслуживают и улучшают, добавляя различные элементы, такие как диоксид титана. Все эти разработки помогли снизить затраты на чугун, увеличить срок службы доменной печи и улучшить условия труда для эксплуатационного и обслуживающего персонала. Типичный срок службы современной доменной печи составляет от 15 до 20 лет, в зависимости от конструкции охлаждения и огнеупора в целом и площади пода в частности.

Ремонт пода и замена футеровки, несомненно, являются наиболее дорогостоящими статьями для доменных печей. Поэтому желательно максимально продлить срок эксплуатации очага, чтобы снизить эти затраты. При нормальных условиях эксплуатации и процесса износ футеровки пода обычно происходит медленно и постепенно на протяжении всего срока службы печи. Однако многие печи испытывают неравномерный износ огнеупора по ряду причин. Некоторые из наиболее распространенных участков чрезмерного износа находятся на стенке печи под леткой, на противоположной стороне летки и у основания пода (более известные как «слоновья нога»).Недавние исследования показывают, что конструкция печи, положение летки и качество огнеупора оказывают сильное влияние на скорость износа футеровки печи. Помимо ожидаемого износа футеровки, такие инциденты, как утечка газа, атаки воды, преждевременное отключение печи и тепловые колебания, могут вызвать серьезные повреждения локальных участков огнеупорной футеровки. Если локальные повреждения распространяются на большие площади в печи, это может потребовать ремонта огнеупора или замены футеровки. Степень повреждения влияет на затраты на ремонт, снижение производительности и связанные с этим проблемы безопасности.Следовательно, надежная оценка качества и толщины огнеупорной футеровки имеет решающее значение для поддержания здорового и продуктивного срока службы доменной печи.

★ Доменный процесс — металлургические процессы и операции ..

Процесс доменов — процесс выплавки чугуна в доменной печи.

Представляет собой совокупность нескольких независимых физических и химических явлений, включающие процессы восстановления оксидов и комплексных соединений, разложение гидратов и солей, сжигание твердого, жидкого и газообразного топлива, твердофазных и гетерогенных химических реакций, теплообмена, движения, твердых, жидких и газообразных компонентов, и т. д.

1. История. (History)

Выплавка чугуна в древние времена она была произведена в ямы — горную, покрытую глины или камня. Рог загружен дровами и углем. Через отверстие в нижней части горна вводили с помощью кожаный пневмобаллонов. смесь угля и дров, заполненные измельченной железной руды. сжигания древесины и угля проходила интенсивно внутри Рога было достигнуто при относительно высокой температуре. за счет взаимодействия угля и окиси углерода взаимодействие с окислами железа руды восстанавливается в формы тестовых заготовок-загрязненной золы и шлаки накапливаются в нижней части рога. железо называемый сыродутный из него. это было необходимо для удаления примесей, прежде чем начать производство продукции. горячего металла выкованное на наковальне выжимали остатки шлака, примесей и т. д. Отдельные железки сварены в одно целое. этот метод просуществовал до XII — XIII веков. когда они стали использовать энергию падающей воды и перемещение мех с помощью механических средств, удалось увеличить объем воздуха, подаваемого на рога. рога действительно больше стен поднялся с земли, он стал прототипом доменной печи — dominca. Доменечи имели высоту в несколько метров и сужается до. Сначала они были квадратные, затем начался раунд. поток воздуха производится через несколько фурм. В нижней части Домника была дыра, замазать глиной, через которое после плавления достал подготовлено железа. совершенствование технологии выплавки, выравнивание стен Доминичи природного огнеупорного камня существенно повысит температуру в топке. В нижней части печи образуется жидкий сплав железа с углеродом — чугун. первый чугун считался пустой тратой продукта, так как он был хрупким. позже я заметил, что чугун имеет хорошие литейные свойства, и он стал лить пушки, ядра и архитектурные украшения.

В начале XIV В. чугун научились ковкого чугуна, есть двухступенчатый способ производства металла, куски чугуна выплавляли в маленький тигель печи, которой удалось до высокой температуры и создания окислительных условий в области фурм. из-за окисления железа сжег большую часть углерода, марганца, кремния. на дне тигля собирается слой черной массы — крицы. масса была загрязнена остатками шлака. он был удален из тигля щипцами или ломом и в нагретом состоянии подвергают ковке, чтобы вытянуть грязь и сварить в один сплошной кусок. такой кричный кует называли. они имели лучшую производительность, чем сыродутный, и дал металл более высокого качества. поэтому получение сыродутный утюг был прекращен. это было более выгодно получать железо из чугуна, чем непосредственно из руды. улучшение качества чугуна вырос и спрос на нее в сельском хозяйстве, военных, строительство, промышленность. увеличение производства чугуна, Домника увеличилась в размерах, постепенно превращаясь в доменной печи. В XIV веке высота доменных печей достигала 8 м.

Бурное развитие металлургии началось после замены древесного угля коксом. вырубка лесов для производства древесного угля привело к тому, что в XV В. В Англии запретило использовать уголь в металлургии. использование кокса, не только решается проблема топлива, а также способствует росту производительности доменных печей. дополнительную прочность и хорошая теплотворная способность кокса позволило увеличить диаметр и высоту печи. В 1828 г. патент был выдан для использования в домны нагретого воздуха. эта мера позволит значительно снизить расход кокса, повысить производительность и температуру в печи печи.

2. Сырьем

В качестве шихтовых материалов, используемых в доменной печи кокса, агломерата, окатышей, руды, известняка. шихтовые материалы загружаются в доменную печь в части размера 40 — 60 мм. если вы используете большие куски продолжительности процессов восстановления и ofljusovannyh увеличивается. мелкие кусочки забивают проходы для газов и нарушает равномерного опускания материалов в доменной печи. куски кокса, агломерата должны быть сильными, хорошая стойкость к истиранию. под вес столба шихты в шахте печи из хрупких материалов превращаются в мелочь и пыль, которые закупоривают проходы между крупными кусками, ухудшая газопроницаемость шихты колонки. кокса и агломерата должны иметь достаточную пористость — это ускоряет сгорания и восстановления оксидов железа. В стоимость материалов должны быть минимальным содержанием вредных примесей: фосфора, серы, мышьяка, свинца и т. д. которые входят в состав чугуна и чугуна в процессе его переработки в сталь. Эти примеси отрицательно влияют на свойства готового металла.

Все шихтовые материалы должны быть однородными по химическому составу, например, постоянного содержания железа в Агломерате, золы в коксе, извести и известняка т. д. колебания химического состава нарушающие нормальный ход доменной печи, что приводит к увеличению удельного расхода материалов. при прочих равных условиях производительность доменной печи увеличивается с содержанием железа в сырье.

3. Основные этапы. (The main stages)

Начальной операции, которая начала кампании доменной печи, называется ветром. далее, при нормальном ходе доменной печи горение топлива и кокса высоких температур, которые необходимы для процессов восстановления оксидов железа и образование жидкого чугуна. но железа в доменной печи образуется жидкий шлак и доменный газ — отходы, связанные. шихтовые материалы загружают в печь периодически, во время их пребывания в печи 5-8 часов. как в пространство в нижней части печи в результате сгорания кокса и плавления железной руды столб стоимость вниз постепенно тепло восходящего газов.

3.1. Основные этапы. Сгорание топлива. (Combustion of fuel)

На самом деле доменной печи начинается с воспламенения топлива в нем. процесс горения в доменной печи происходит в сферических пространств в передней части Воздушных фурм в так называемом фурменных очагов и является одним из важнейших компонентов доменный процесс. Через фурмы доменной печи подают горячего дутья воздуха при температуре 1000 — 1200 °с. напротив фурм доменной печи при сгорании кокса образуется в зоне окисления. Кокс в этих зонах сжигается во взвешенном состоянии. вблизи фурм образуется полость, в которой происходит вихревое движение газов, в результате циркуляции кусков кокса. Кокс куски переносятся воздушным потоком от фурм, нагревается до 1500°C другие куски кокса. вот гореть при горении развивают температуру до 2000°С. Глубина зоны достигает 1500 мм. Вокруг зоны циркуляции зона в газовой фазе, который содержит сотрудничестве 2. пространство в передней части фурмы, в котором окисление углерода кокса с кислородом дутья и сотрудничества 2, называется окислительной зоной. по мере удаления от фурм в условиях высокой температуры и избыточного углерода CO2 (СО2) взаимодействует с углеродом и восстанавливается до CO. при увеличении давления дутья, повышение температуры и содержание кислорода в воздухе, размер зоны окисления будет уменьшаться. кокса сжигание топлива происходит на поверхности кусков в результате контакта с окисляющими газами. общая реакция горения представлена уравнением

2C O 2 = 2CO (О 2 = 2СО) − 220500 Дж.

Процесс сжигания топлива в доменной печи выполняет следующие функции:

Поколение подавляющее количество теплоты, выделяющейся в объем доменной печи, которая используется для:

• Нагрев газов. (The heating gases)
• Потери тепла через поверхность корпуса и других стальных конструкций доменной печи в окружающее пространство.
• Химические реакции эндотермические. (Chemical reactions endothermic)
• Отопление газов и продуктов плавления шихтовых материалов.
• Потери тепла из отходящих дымовых газов.
• Нагрев охлаждающей воды в системе охлаждения печи.

Генерации восстановительного газа, компонентами которой являются Co и H 2 (Ч. 2) и которая осуществляет все работы по восстановлению высших оксидов железа в шахтной печи для вюстит и большую часть работы по восстановлению вюстит железа в гетерогенных процессов восстановления.

Освобождения места в топке печи, где нижняя часть кокса, тем самым обеспечивая непрерывное движение всех шихтовых материалов вниз.

Частичное окисление кислородом дутья элементов железа, значительную часть капли, которая стекает из области взаимодействия через фурмы зоны, и бросается к противоположной границе доменная зона. здесь отбрасывается и капли шлака, стекающей из зоны плавления выше фурменной зоны. образуется в зоне окисления элементов оксиды железа переходят в шлак и частично или полностью восстанавливается затем углерод коксовой насадки или кремния, железа.

Углеродного горения топлива в фурменных очагах доменной печи принципиально отличается от горения в любой другой печи около фурменные очаги плотного слоя Таормина кокса коксовой печи или коксовой насадки температуре не менее 1300 °С, при которой появляется в результате сжигания топлива, окислители с высокой скоростью сокращаются углерода кокса головы.

3.2. Основные этапы. Удаление влаги и летучих веществ. (Removal of moisture and volatile matter)

Содержание физически адсорбированной или гигроскопической влаги в агломераты и окатыши зависит от климата, времени года и колеблется от 0.2 — 0.5 до 1 — 2 %, в Кокс мокрого тушения 1 — 4 % в марганцевой руды иногда 5 % и еще. температура на колошнике доменной печи, где компоненты шихты, 200 — 400 °с, это значительно выше температуры кипения воды. поэтому испарение гигроскопической влаги и удаления пара начинается в верхних горизонтах печи сразу после нагревания кусков шихты до температуры колошниковых. гидратная вода может попасть в доменной печи с borogluconate руд или руд, содержащих гидратной воды в пустой породы. потому что почти 100 % сырьем для доменной печи подвергаются термической обработки, обезвоживания с влажностью можно пренебречь.

Доля карбонатов идет в доменной печи железо FeCO 3 (Феко 3) и марганца MnCO 3 рудами, небольшой. большое значение флюсующих добавок в смеси — известняка или доломита CaCO 3 (Сасо 3), CaCO 3 MgCO 3 (Сасо 3 MgCO 3). В доменной печи, разложение карбонатов происходит по реакциям:

• MnCO 3 = MnO (MnCO 3 = Мно) CO2 (СО2) − 96.35 МДЖ.
• CaCO 3 = CaO (Сасо 3 = САО) CO2 (СО2) − 178.5 МДЖ.
• FeCO 3 = FeO (Феко 3 = Фео) CO2 (СО2) − 87.91 (МДж 87.91).
• MgCO 3 = MgO (MgCO 3 = МГО) CO2 (СО2) − 109.87 МДЖ.

3.3. Основные этапы. Процессы восстановления. (Recovery processes)

Основных восстановителей в доменном процессе углерода, окиси углерода и водорода. предметы, которые падают с шихтой в доменную печь, в зависимости от их трансформации в условиях доменной печи можно разделить на практически полностью восстанавливается Fe, Ni, с, Pb, si, Р, ЗН, частично восстанавливается Si, Mn, Cr, V, ти, не претерпевают каких-либо восстановления Ca, Mg, Al, Ba.

Восстановление оксидов железа газами в доменной печи протекает по реакциям:

• 3Fe 2 O 3 сотрудничество = 2Fe 3 O 4 CO2 (СО2) 37.25 МДЖ.
• FeO (Фео) H 2 = Fe (Ч 2 = Фе) H 2 O (Н2О) − 27.80 МДж.
• Fe 3 O 4 (Fe3о 4) H 2 = 3FeO (Ч 2 = 3FeO) H 2 O (Н2О) − 62.41 МДЖ.
• FeO (Фео) сотрудничество = Fe CO2 (СО2) 13.65 МДЖ.
• Fe 3 O 4 (Fe3о 4) сотрудничество = 3FeO CO2 (СО2) − 20.96 МДЖ.
• 3Fe 2 O 3 H 2 = 2Fe 3 O 4 (Ч 2 = 2Fe 3 О 4) H 2 O (Н2О) − 4.20 МДЖ.

3.4. Основные этапы. Формирование чугун. (The formation of cast iron)

Металлическое железо появляется в нижней части шахты печи и распара. по мере опускания материалов в доменной печи и при дальнейшем нагревании железо растворяет в себе углерод в увеличении числа. температура плавления его снижается, металл плавится и в виде капель стекает в горн. окончательный состав чугуна образуется в кузнечной печи.

Можно выделить 4 этап nagarajayya железа в современной доменной печи.

Первый этап-осаждение сажи углерода на поверхности восстановленного железа по реакции t = 400 — 1000 °с:

• Сотрудничество H 2 = C (Ч 2 =) мудрец H 2 (Ч. 2) о.
• 2CO = C (2СО =) мудрец сотрудничества 2.

Всех факторов, способствующих возникновению этих реакций вызывают увеличение содержания углерода в чугуне. вторая стадия связана с первой и характеризуется диффузией углерода сажи, чтобы масса металлического железа 950 — 1150 °с:

• 3Fe 2СО = Fe 3 C (Фе 3) СO 2.

Третья стадия-плавление металла с о 2 % с температурой выше 1150 °C и капает кокса на насадке с растворением углерода кокса в металле:

• 3Fe C к = Fe 3 C (Фе 3).

Четвертый этап-это процесс, происходящий в печи. вот, с одной стороны, дальнейшее растворение углерода кокса в металле, а с другой-окисление углерода чугуна в доменных очагов связан с размерами печи.

3.5. Основные этапы. Формирование шлака. (The formation of slag)

Состав образующихся в доменной печи шлака зависит от многих факторов, минералогического и гранулометрического состава шихты, температуры плавления существенно отличается. процесс формирования шлака в печи, добавляя известковые и при работе на ofljusovannyh. нормальный агломерата для доменного шлака основность равна 1.0.

Основной доменный шлак может содержать фаялит, волластонит, геленит. В нижней части шахты или в бошес размягчения и плавления первичного шлака. положение из зоны первичного образования шлака в топке зависит от состава шлака и распределения температуры по высоте печи. самым трудным в практической работе печи расплава легкоплавких для трудновосстановимых руд с отвалов, когда значительное количество оксидов железа, прикрепленный к основным шлаком в середине шахты. восстановление железа из шлака сложно. значительная часть железа восстанавливается в этом случае, прямой путь, что приводит к перерасходу кокса. преждевременного плавления первичного шлака ухудшает газопроницаемость шихты колонки в топку, так как большая часть печи заполнена poluraspredelenia пастообразную массу, которая имеет значительное сопротивление проходу газов.

При плавке титано-магнетитового сырья, например, агломерата и окатышей на Качканарском горно-обогатительном комбинате в шлак перемещения значительных количеств титана соединений. в топку доменной печи в массы жидкого шлака titansoderzhashchego мельчайшие твердые частицы не удалось восстановить ильменита и карбида титана. наличие твердых частиц значительно увеличивает вязкость шлака, что делает его трудно выпустить из духовки.

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

4. Методы интенсификации доменного производства. (Methods of intensifying blast-furnace production)

• Тепловой взрыв. (Thermal explosion)
• Инъекции в печи углерод-содержащие вещества.
• Повышение содержания железа в железорудном сырье.
• Повышение давления газа в рабочем пространстве печи.
• Обогащение дутья кислородом. (The enrichment of blast with oxygen)
• Использование частично металлизированного сырья.
• Увеличение газопроницаемости шихтовых материалов.

5. Критика и эффективность процесса доменной печи. (Criticism and the efficiency of the blast furnace)

Доменной печи выплавляют основное количество первичного металла в 2002 г. — более 95 % процесс домена. исторически подвергались критике. только во второй половине XX веке были, по крайней мере, две волны критики, предрекая исчезновение доменного производства в качестве самостоятельной металлургической переработки. В 1960 годы это произошло из-за включения в мировую экономику крупнейших месторождений нефти и газа по прогнозам многих экспертов того времени, из которых на долю основного металла производят новые альтернативные доменные способы производства, должны достичь 40 % для 2000 году. вторая волна критики относится к 1980 лет. он должен был сделать с точки зрения негативного влияния металлургии на окружающую среду. только после появления в периодической печати, в серьезных аналитических публикаций о роли различных секторов экономики в изменении состояния окружающей среды, относящихся к металлургической отрасли изменилась к лучшему.

В XX века, традиционная схема получения черных металлов подготовка сырья — доменное производство — производство стали в конвертерах полностью доминировал в мировой индустрии. В 1990-е лет ежегодное мировое производство чугуна осуществляется по 550 — 650 миллионов тонн, мировое производство железной руды — 960 — 980 миллионов тонн окатышей 230 — 240 миллионов т. на основе традиционной металлургии технологическая схема является типичной для стран с быстро развивающейся сталелитейной промышленности Тайваня, Республики Корея и др. доля этих стран в мировом производстве черных металлов в начале 2000-х достиг 20 %. В 1990 г. 12.5 % общее мировое производство чугуна обрабатывают домны, чья жизнь была менее 10 лет.

Доменный процесс является одним из немногих промышленных процессов, которые сохранила его сущность и значение в работе всех технических революций. противоточный принцип процесс осуществляется в закрытой агрегат шахтного типа, обеспечивает максимальное использование энергии в процессе работы и простоты использования продуктов сгорания. В современных доменных печах восстановления потенциала дымовых газов приближается к термодинамическому пределу, и температуре дымовых газов становится меньше 100 °С. в присутствии углерода расширение предоставляет уникальный, характерный только для доменной печи, возможность объединения в одном блоке трех фазовых состояний заряда твердых, жидких и мягких противотоком с потоком газа. однако по ходу плавки в современной блоков характеризуется высокой стабильностью в процессе длительной непрерывной работы. это достигается в процессе длительного эволюционного развития процесса консолидации преимущества шахтного противоточного. результаты эволюции привели к формированию уникальных свойств доменной печи, обеспечивая стабильный поток процессов при высокой эффективности.

Эволюционное развитие доменного процесса-путь снижения потребления кокса доменной печи. работает по современным технологиям на подготовленный материал с низким теплосопротивления, общее потребление энергии в 480 — 500 килограмм / т. потребление кускового кокса в этом случае меньше 300 килограмм / Т, остаток топлива представлен некондиционный Кокс, загрузка верхняя, пылевидного топлива, нефти или природного газа, вводят в топку доменной печи. теоретические расчеты показывают, что общее потребление энергии может быть увеличена до 350 — 400 килограмм / т.

Наиболее важные показатели работы доменных печей являются средняя производительность и расход кокса на единицу выплавляемого чугуна. максимальная производительность доменных печей с применением методов интенсификации металлургического процесса 12000 т / дня и удельный расход кокса в Печах-лучшее 0.4 т / т чугуна. для сравнительной оценки производительности доменных печей используют коэффициент использования полезного объема печи Кипо, которая представляет собой отношение величины полезного объема печи к ее средние показатели. В 2000-е годы показатель использования полезного объема был 0.35 м3 × Т / день.

6. Автоматизация процесса доменной печи. (Process automation blast furnace)

Основные направления технического прогресса в доменном производстве являются улучшение подготовки сырья, совершенствование технологии доменного процесса строительства доменных печей большой мощности, механизация и Автоматизация управление доменным процессом. выделить следующие основные направления автоматического управления:

• Состояние стека печи. (The state of the stack furnace)
• Параметры комбинированного дутья. (The parameters of the combined blast)
• Химический состав и физические свойства шихтовых материалов.
• Загрузка шихтовых материалов. (Loading of charge materials)
• Технико-экономические показатели плавки. (Technical and economic indicators of melting)
• Состояние колошника. (The condition of the furnace top)
• Состояние рога. (The condition of the horn)
• Эксплуатация нагревателей. (Operation of heaters)

6.1. Автоматизация процесса доменной печи. Локальные системы стабилизации отдельных параметров доменного процесса. (The local stabilization system of the individual parameters of the blast furnace process)

Внедрение локальных систем стабилизации отдельных параметров доменного процесса был один из первых этапов автоматизации доменного производства. локальной стабилизации расхода, температуры и влажности горячего дутья, давления колошникового газа, нагрева воздухонагревателей повышает производительность доменных печей и снизить расход кокса. И внедрение систем автоматического регулирования подачи шихты, распределение горячего дутья и природного газа по фурмам доменной печи, автоматического перевода и контроля отопительных печей, как правило, дает дополнительную экономическую выгоду.

6.2. Автоматизация процесса доменной печи. Локальная система управления процессом доменной печи. (Local process control system of blast furnace)

Автоматические системы управления в отдельных режимах работы доменной печи, известные как локальные системы управления или подсистемы комплексного управления. на вход таких систем получены сведения, характеризующие соответствующий режим, а выход системы управления задатчики локальных систем стабилизации обслуживает комплекс параметров. основная локальных систем управления доменного процесса являются:

Доменный процесс и характеристика доменной печи

Доменная печь после многочисленных преобразований и модернизаций на современном этапе представляет собой конструкцию для получения чугуна как основного ингредиента сталелитейной промышленности.

Устройство доменной печи позволяет вести непрерывную плавку до капитального ремонта, который проводится с периодичностью один раз в 3-12 лет. Остановка процесса приводит к образованию сплошной массы из-за спекания компонентов (закозления). Для ее извлечения необходима частичная разборка агрегата.

Рабочий объем современной доменной печи достигает 5500 м3 при высоте 40 м. Она способна выдать около 6000 т чугуна за одну плавку. А специальное оборудование, обслуживающее системы, расположенные вокруг, занимает несколько десятков гектар земли.

Доменная печь используется для производства литейного чугуна, который в дальнейшем проходит плавку для получения различных марок чугунов или отправляется на восстановление для получения конструкционных сталей.

Строение доменной печи напоминает шахту. Ее диаметр в три раза меньше высоты. Монтаж высотной конструкции осуществляется на бетонном фундаменте толщиной 4 м. Необходимость в таком массивном фундаменте возникает из-за массы домны, которая более 30 000 т.

На фундаментной плите закрепляются колонны и цельный (монолитный) цилиндр, которые изготавливаются и термостойкого бетона. Внутреннее пространство конструкции обложено огнеупорными материалами, а верхняя часть шамотом. В районе заплечников, где температура достигает 2000°С — графитированными материалами, а под ванной с чугуном — футеровка из глинозема. Также на фундаменте монтируется печной горн.

Нижняя часть доменной печи, где температура максимальна, оборудуется холодильниками с водяным охлаждением.Для удержания собранной огнеупорной конструкции, с внешней стороны доменная печь заключена в металлическую рубашку толщиной 40 мм.

Процесс восстановления железа происходит из руды в среде известнякового флюса при высокой температуре. Температура плавления достигается горением кокса. Для поддержания горения необходим воздух, поэтому в домне установлены 4 — 36 фурм или леток.

Большой внутренний объем нуждается в больших объемах воздуха, которые подают турбинные нагнетатели. Чтобы не снижать температурный, режим воздух перед подачей подогревается.

Схематически доменная печь выглядит следующим образом.

Состав конструкции производства литья:

1. шихта (руда и известняк);
2. коксовый уголь;
3. загрузочный подъемник;
4. колошник, предотвращающий попадание газов из домны в атмосферу;
5. слой загруженного кокса;
6. шихтовый слой;
7. воздушные нагнетатели;
8. отводимый шлак;
9. литьевой чугун;
10. емкость для приема шлака;
11. приемный ковш для расплава;
12. установка типа Циклон, очищающая от пыли доменный газ;
13. кауперы, регенераторы газов;
14. дымоотводящая труба;
15. воздухоподвод в кауперы;
16. угольный порошок;
17. печь для спекания кокса;
18. емкость для хранения кокса;
19. отведение колошникового газа высокой температуры.

Доменная печь обслуживается вспомогательными системами.

Колошник – это затвор домны. От его исправной работы зависит экологическая обстановка вокруг производства.

1. воронка приемная;
2. воронка маленького конуса, вращающаяся;
3. конус маленький;
4. межконусное пространство;
5. конус большой;
6. скип.

Принцип работы колошника следующий:

• Большой конус опущен, а малый поднят. Окошки во вращающейся воронке перекрыты.
• Скип осуществляет загрузку шихты.
• Поворачиваясь, воронка открывает окна, и шихта осыпается на малый конус 3. затем возвращается на место.
• Конус поднимается, тем самым препятствует выходу доменных газов.
• Конус опускается для передачи шихты в межконусное пространство, затем поднимается на исходную позицию.
• Конус опускается, а вместе с ним шихта загружается в доменную шахту.

Такая дозированная подача обеспечивает послойное распределение материалов.

Скип – черпак, при помощи которого осуществляется загрузка. Она выполняются по конвейерной технологии. Воздушные нагнетатели – летки и фурмы осуществляют подачу воздуха в доменную шахту под давлением 2-2,5 МПа.

Кауперы служат для нагревания подаваемого воздуха. В регенераторах он подогревается доменными газами, снижая тем самым энергетическую нагрузку на агрегат. Воздух нагревается до 1200°С и подается в шахту. При снижении температуры до 850°С подача прекращается, возобновляется цикл нагрева. Для бесперебойной подачи горячего воздуха устанавливается несколько регенераторов.

Принцип работы домны

Для получения чугуна необходимы следующие ингредиенты: шихта (руда, флюс, кокс), высокая температура, постоянная подача воздуха для обеспечения непрерывного горения.

Термохимические реакции

Восстановление железа из окислов путем ступенчатой химической реакции:

3Fe2O 3 +CO→2Fe 3 O 4 +CO 2 ,

Fe 3 O 4 +CO→3FeO+CO 2 ,

FeO+CO→Fe+CO 2 .

Получение необходимого количества углекислого и угарного газа обеспечивает горение кокса:

Для отделения железа от примесей используется известняковый флюс. Химические реакции, образующие шлак:

СаСО 3 → СаО + СО 2 ,

СаО + SiO 2 →CaSiO 3 .

Принцип работы доменной печи таков. После загрузки доменную печь начинают разжигать газом. По мере повышения температуры подключается каупер и начинается продувка воздухом. Кокс – топливо для доменной печи – начинает интенсивнее гореть, и температура в шахте значительно увеличивается. При разложении флюса образуется большое количество углекислого газа. Угарный газ в химических реакциях выступает восстановителем.

После сгорания кокса и разложения флюса столб шихты опускается, сверху добавляется очередная порция. Снизу в самой широкой части шахты происходит полное восстановление железа при температурах 1850°С — 2000°С. Затем оно стекает в горн. Здесь происходит обогащение железа углеродом.

Температура в доменной печи изменяется в сторону увеличения по мере опускания шихты. Процесс восстановления протекает при 280 °С, а плавка происходит после 1500 °С.

Разлив расплава происходит в два этапа. На первом через летки сливается шлак. На втором через чугунные летки сливается чугун. Больше 80% выплавляемого чугуна идет на производство стали. Из остального чугуна отливают в опоках болванки.

Работает доменная печь непрерывно. От загрузки шихты до получения сплава проходит 3-20 дней — все зависит от объема печи.

Обслуживание и ремонт доменной печи

Любому оборудованию, работающему в круглосуточном режиме, требуется постоянное обслуживание. Регламенты закладываются в технический паспорт оборудования. Несоблюдение графика технического обслуживания влечет за собой сокращение срока эксплуатации.

Работы по техническому обслуживанию доменных печей делятся на периодические и капитальные ремонты. Периодические работы проводятся без остановки рабочего процесса.

Капитальный же ремонт по объему выполняемых работ делится на три разряда. Во время первого разряда производится осмотр всего оборудования, при этом из шахты извлекаются расплавы. Во время второго разряда производится ремонт футеровки, замена вышедших из строя элементов оборудования. При третьем разряде производится полная замена агрегата. Обычно такой ремонт совмещают с модернизацией или реконструкцией домны.

Особенности доменной плавки

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.

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 →

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.

Производительность определяется размерами печи. Максимальная мощность наблюдается при объеме печей шахтного типа 2-5 тыс. куб. м. Их диаметр составляет 11-16 м, высота – 32-37 м.

Шахтная печь состоит из следующих элементов:
колошника;
шахты;
распара;
заплечиков;
горна;
лещади.

Колошник – один из элементов рабочего пространства, на котором предусматривается определенный уровень материалов, распределяющихся по сечению шахты.

Шахта – цилиндрическая часть домны, где поддерживается температура, достаточная для плавления шихты. В этой же части печи происходит восстановление железа.

Распар – наиболее широкий участок конструкции, предназначенный для основных процессов плавления. Ниже находятся заплечики, способствующие перегреву и перемещению расплава и шлака на следующий участок конструкции.

Горн размещается над лещадью, которая представляет собой кладку, выполненную с применением шамотного кирпича. Горн является той частью печи, где собираются и . Между заплечиками и горном находятся фурмы для подачи горячего (воздуха, обогащенного кислородом) и природного газа.

Принцип работы

Шихта поддается с помощью скипового подъемника и попадает в приемную воронку. Состав шихты представлен известняком, коксом, офлюсованным агломератом и рудой. Возможно добавление окатышей.
Конусы колошника (большой и малый) работают поочередно, передавая смесь материалов в шахту. В процессе работы домны происходит постепенное поступление шихты. Нагрев осуществляется в результате горения кокса, сопровождающегося выделением тепла.

Температура горнового газа находится в пределах от 1900 до 2100 градусов Цельсия. В его состав входят N 2 , H 2 и CO. При движении в слое он не только способствует ее нагреву, но и запускает процессы восстановления железа. Высокая температура газа достигается за счет высокой температуры воздуха, находящегося в воздухонагревателях (1000-2000 градусов).
Газ температурой 250 — 300 градусов, поступающий из печи, колошниковый, после удаления пыли – доменный. Низшая теплота сгорания доменного газа соответствует 3,5 — 5,5 МДж/м 3 . Состав бывает различным, определяется в результате подачи природного газа и обогащения дутья кислородом, представлен такими веществами:

N 2 – 43-59 %;
CO – 24-32 %;
CO 2 – 10-18 %;
H 2 – 1-13 %;
CH 4 – 0,2-0,6 %.

В основном газ необходим для придания определенной температуры насадкам доменных воздухонагревателей. В сочетании с природным или коксовым газом его применяют для различных печей, в т. ч. термических и нагревательных.
Поступившее в нижнюю часть домны железо подвергается плавлению и накапливается в горне в виде чугуна. Жидкотекучий шлак образуется из окислов , железа, соединенных с , и остается на поверхности чугуна, т. к. имеет меньшую плотность.

Периодически чугун и шлак выходят через соответствующие летки – чугунную, шлаковую. В случаях, когда количество шлака незначительное, используется только чугунная летка. Отделение шлака происходит на разливочной площадке. Температура чугуна в жидком виде находится в пределах от 1420 до 1520 градусов.

Высокая производительность доменной печи достигается за счет наличия мощных воздухонагревателей, являющихся теплообменниками регенеративного типа. Нередко воздухонагреватели домны называют кауперами в честь их создателя.
Каупер – вертикально расположенный кожух в форме цилиндра, созданный из листовой и насадки из кирпича. Камера горения воздухонагревателя, а именно – ее нижняя часть, состоит из горелки и воздухопровода горячего дутья. В поднасадочном пространстве применены клапаны, что позволило обеспечить соединение с отводом к дымовому борову и воздухопроводом холодного дутья.

Современный вариант шахтной печи изготавливается с четырьмя кауперами, работающими попеременно: нагрев насадки одного из двух кауперов происходит за счет поступления нагретых до высокой температуры дымовых газов, через третий каупер проникает нагреваемый воздух. Четвертый каупер является резервным.

Продолжительность дутья составляет 50-90 минут, затем охлажденный каупер нагревается, дутье осуществляется в следующем наиболее горячем каупере. При разогреве работает горелка, дымовые газы без препятствий проникают в дымовой боров через открытый клапан. В это время клапаны, находящиеся на воздухопроводах горячего и холодного дутья, закрыты.
В результате сжигания топлива образуются продукты горения, которые перемещаются вверх и поступают из камеры горения в подкупольное пространство, затем опускаются и нагревают насадку. Только после этого продукты топлива, имеющие температуру 250-400 градусов, поступают в дымовую трубу через дымовой клапан.

Во время дутья происходит обратный процесс: дымовой клапан закрыт, горелка не работает, при этом клапаны, установленные на воздухопроводах горячего, холодного дутья, открыты. Холодное дутье в поднасадочное пространство подается под давлением 3,5-4 ат, затем перемещается через разогретую насадку и в нагретом виде через камеру горения проходит в воздухопровод горячего дутья, откуда подается в печь.

В определенных условиях могут происходить увлажнение дутья и обогащение азотом или кислородом. При использовании азота удается экономно расходовать и контролировать процесс плавления в доменной печи. Экономия кокса возможна и в результате обогащения дутья кислородом до 35-40 % при сочетании с природным газом. Путем повышения влажности до 3-5 % удается получить более высокую температуру нагрева дутья в каупере. Такие результаты достигаются благодаря интенсификации лучистого теплообмена в насадке.

Высота кауперов составляет около 30-35 м, диаметр – не более 9 м. Верхнюю и нижнюю части насадки выполняют из динасового или высокоглиноземистого кирпича и огнеупорного соответственно. Из насадочного кирпича, имеющего толщину 40 мм, создают ячейки 4545, 13045, 110110 мм. В доменных печах применяются и другие насадки, а именно – насадки, состоящие из блоков с шестью гранями, с горизонтальными проходами и круглыми ячейками. Также используются насадки, основа которых – высокоглиноземистые шарики.

На каждый кубический метр объема кирпичной насадки предусмотрена примерная поверхность нагрева 22-25 кв. м. Объем домны в 1-2 раза больше объема насадки каупера. Например, при объеме печи 3000 куб. м объем каупера составит около 2000 куб. м (3000/1,5).

Самыми распространенными являются кауперы, оснащенные встроенной камерой горения. Среди их основных недостатков – чрезмерный нагрев свода, деформация камеры горения в результате долгой работы печи. Горелка каупера бывает выносной, также камера горения может располагаться под куполом. При наличии выносной горелки обеспечиваются высокая стойкость и удобство, но цена таких устройств наиболее высокая. Кауперы, оснащенные подкупольной камерой горения, самые дешевые, но процесс эксплуатации более сложный, т. к. горелка и клапаны расположены достаточно высоко.

В процессе дутья температура, до которой нагревается воздух (1350-1400 градусов), постепенно уменьшается и находится в пределах от 1050 до 1200 градусов. При использовании домны, работающей стационарно, таких перепадов избегают путем регулирования температуры. Нужные показатели появляются в результате добавления холодного воздуха, поступившего из воздухопровода холодного дутья. Снижается температура дутья до 1000-2000 градусов, а вместе с ней и содержание холодного воздуха в смеси.

Ориентировочный материальный баланс получения чугуна в домне

Рассмотрим тепловой баланс выплавки 1 кг чугуна. При составлении балансов учитываются , агломерат, чугун, шлак и доменный газ.

Окатыши: оксид железа (III) – 81 %, диоксид кремния – 7 %, оксид кальция – 5 %, оксид железа (II) – 4 %, оксид и оксид – 1 %, оксид марганца – 0,3 %, оксид фосфора – около 0,09 %, сера – около 0,03 %.

Агломерат: оксид железа (III) – 63 %, оксид железа (II) – 16 %, оксид кальция – 10 %, диоксид кремния – 7 %, оксид алюминия – 2 %, оксид магния и оксид марганца – 1 %, оксид фосфора – около 0,25 %, сера – около 0,01 %.

Чугун: железо – 94,2 %, углерод – 4,5 %, марганец – 0,7 %, кремний – 0,6 %, сера – около 0,03 %.

Шлак: оксид кальция – 43 %, диоксид кремния – 36 %, оксид алюминия – 10 %, оксид магния – 7 %, оксид марганца – 2 %, оксид железа (II) и сера – 1 %.

Доменный газ: азот – 44 %, – 25,2 %, углекислый газ – 18 %, водород – 12,5 %, метан – 0,3 %.

Произведем анализ расхода топлива в результате применения офлюсованного агломерата. Затраты топлива в определяются, исходя из расхода природного газа и кокса (510-560 кг у.т./т сплава), в сумме с расходом газа, направленного на отопление воздухонагревателя (90-100 кг у.т./т сплава), за исключением выхода доменного газа (170-210 кг у.т./т сплава). В результате общий расход выглядит следующим образом: 535 + 95 — 190 = 440 (кг у. т./т сплава).

Учитывая то, что на производство кокса и агломерата уже ушло определенное количество топлива (около 430-490 кг на 1 т сплава и 1200-1800 кг на 1 т сплава соответственно), общий расход первичного топлива, необходимого для получения тонны сплава, составляет: 440 + 40 + 170 = 650 (кг у.т./т), из которых 170 и 40 кг у.т./т, пересчитанные на тонну сплава, затрачиваются на производство и кокса.

Производительность домны оценивают по коэффициенту использования полезного объема (КИПО). Показатель рассчитывают как отношение полезного объема конструкции к выплавке чугуна в течение 24 часов. Для современных печей нормой является показатель 0,43-0,75 куб. м сут./т. Чем ниже КИПО, тем эффективнее используется печь.
Логичнее рассматривать показатель как отношение производительности к единице объема. Удобнее применять показатель удельной производительности домны (Пу = 1/ КИПО), значение которого составляет 1,3-2,3 т (куб. м/сут.).

Экономия топлива возможна при соблюдении таких рекомендаций:

Повышение давления газа на колошнике до 1,5-2 атм (за счет уменьшения объема газов удается сократить удаление колошниковой пыли или увеличить расход дутья);
применение пылеугольного топлива в горне для экономии около 0,8 кг кокса на килограмм пылеугольного топлива;
повышение температуры, до которой нагревается воздух в кауперах, для уменьшения расхода кокса;
применение теплоты отходящих газов кауперов с целью повысить температуру воздуха и доменного газа до их подачи в камеру горения;
подача нагретых восстановительных газов таким же образом, как в печах металлизации (удается снизить расход кокса, возможна экономия до 20 % топлива);
применение физической теплоты огненно-жидких шлаков (решение данной проблемы является перспективным, но пока что не реализовано по причине периодического выхода шлаков).

Источник http://90zavod.ru/raznoe/ustrojstvo-domennoj-pechi-i-princzip-ee-raboty-domennaya-pech-princzip-raboty-i-ee-ustrojstvo.html

Источник http://ww.google-info.org/6633133/1/domennyy-protsess.html

Источник http://electrmaster.ru/chto-nuzhno-sdelat-chtoby-domennaya-pech-rabotala-ustroistvo-i-princip/