فرن الانفجار. الجهاز ومبدأ التشغيل والغرض. تصميم ومبدأ تشغيل الأفران العالية درجة الحرارة في الفرن العالي

على الرغم من العدد الكبير من المواد الاصطناعية والبوليمر التي أصبحت منتشرة على نطاق واسع في الصناعة الحديثة والحياة اليومية، فإن استخدام سبائك الحديد ليس أقل شأنا من راحة اليد. الأجزاء والآليات والأدوات والمكونات الأخرى الأكثر أهمية مصنوعة من درجات وأنواع مختلفة من المعدن التي تتمتع بالخصائص اللازمة لحل المهام المعينة. لم تكن عمليات البحث النشطة عن بديل كامل للسبائك المعدنية ناجحة بعد، لأن الاختلاف في خصائص المواد كبير جدًا. لا يتوقف تطور علم المعادن، حيث تظهر تقنيات وأساليب جديدة لإنتاج مواد صلبة وعالية القوة. في الوقت نفسه، لم يتم نسيان الأساليب التقليدية القديمة لصهر المعادن، والتي تم تطويرها على مر القرون ودراستها بالتفصيل من قبل أجيال عديدة من علماء المعادن. دعونا ننظر في تصميم الفرن العالي - أحد أقدم التصاميم لإنتاج الحديد الزهر المسبك، والذي يستخدم بنشاط حتى يومنا هذا.

قصة

نشأت الحاجة إلى تحسين تكنولوجيا صهر الحديد منذ زمن طويل. لم يكن للخامات منخفضة الذوبان الموجودة على سطح الأرض تقريبًا كميات كبيرة وتم استهلاكها بسرعة. كانت تقنية الصهر الحالية لا يمكن الدفاع عنها ولم تسمح بالعمل مع الخامات المقاومة للحرارة. وكانت هناك حاجة لتحسين المعدات والتكنولوجيا الحالية. بادئ ذي بدء، كان من الضروري زيادة حجم الأفران وتعزيز وضع الضغط بشكل كبير.

تم العثور على الإشارات الأولى لهياكل مشابهة للأفران العالية في الصين. يعود تاريخها إلى القرن الرابع. في أوروبا، يعود ظهور الأفران العالية إلى القرن الخامس عشر، وقبل ذلك تم استخدام ما يسمى بأفران نفخ الجبن. كان السلف المباشر للفرن العالي هو الصياغة الكاتالونية، التي استخدمت تقنيات تكنولوجية قريبة من طريقة إنتاج الفرن العالي. وكانت سماتها المميزة:

عملية تزويد الشحن المستمر؛
استخدام وحدات إمداد الهواء القوية المدفوعة هيدروليكيًا.

فرن الانفجار من القرن الرابع عشر

كان حجم الحدادة الكاتالونية 1 متر مكعب فقط، الأمر الذي لم يسمح بالحصول على كميات كبيرة من المنتجات. في القرن الثالث عشر، تم إنشاء ستوتوفن، وهو نسخة مكبرة ومحسنة من البوق الكاتالوني، في إمارة ستيريا الأوروبية. كان ارتفاعه حوالي 3.5 مترًا وكان به فتحتان تكنولوجيتان - الفتحة السفلية لإمداد الهواء والفتحة العلوية لاستخراج الكريتسا (الحديد الخام). أنتجت شركة Stukofen ثلاثة أنواع من منتجات الحديد شبه المصنعة:

فُولاَذ؛
الحديد القابل للطرق
الحديد الزهر.

وكان الفرق بينهما في محتوى الكربون، حيث كان معظمه في الحديد الزهر (أكثر من 1.7%)، وفي الفولاذ أقل من 1.7%، وفي الحديد القابل للطرق كان المحتوى 0.04%. تم تقييم المستوى العالي من محتوى الكربون بشكل سلبي، حيث لا يمكن تزوير الحديد الزهر ولحامه ومن الصعب صنع الأسلحة منه.

انه مهم! في البداية، تم تصنيف الحديد الزهر على أنه نفايات صناعية لأنه لا يمكن تزويره. لم تتغير المواقف تجاهها إلا بعد بدء الصهر الثانوي، والذي بدأ بسبب نقص الخامات القابلة للانصهار. وكان الحديد القابل للتحويل الذي يتم الحصول عليه من الحديد الزهر ذو جودة أعلى، مما كان بمثابة حافز لتوسيع عملية التحويل.

أدى التوسع الإضافي في القدرات وتحسين التكنولوجيا إلى ظهور بلوفن، الذي كان ارتفاعه بالفعل حوالي 5-6 أمتار، وكان قادرًا على صهر الحديد الزهر والحديد في وقت واحد. لقد كان بالفعل فرنًا لافحًا تقريبًا، وإن كان تصميمًا أصغر حجمًا ومبسطًا إلى حد ما. تم إنشاء عملية من مرحلتين، عندما كانت المرحلة الأولى هي إنتاج الحديد الزهر، والثانية - صهر الحديد منه تحت ضغط متزايد.

يعود ظهور الأفران العالية الأولى في أوروبا إلى نهاية القرن الخامس عشر. على الفور تقريبا، ظهرت تصاميم مماثلة في إنجلترا، وفي الولايات المتحدة الأمريكية، تم إنشاء الأفران الأولى في وقت لاحق - في عام 1619. تم بناء أول فرن صهر في روسيا بواسطة A. A. Vinius في مصنعه في تولا. تتكون العملية من الخطوات التالية:

وضع الحديد الزهر أمام الفم، وصهره، وتصفية الحديد الزهر إلى أسفل.

فقدان بعض الكربون أثناء المرور بالقرب من التويريس.

إن إمداد الحديد الناتج بالفوهة هو دفعة قوية يتم خلالها حرق الكربون الزائد واستقر الحديد الناعم في الأسفل.

تمت إزالة الحديد من قاع المسبك وتزويره وإزالة الخبث السائل وضغط الخنازير. باستخدام هذه الطريقة، كان إنتاج الحديد النهائي حوالي 92% من الوزن الأصلي للحديد الزهر، وتجاوزت جودته بشكل كبير جودة المنتج المهم.

أصبحت أزمة الوقود مشكلة خطيرة. تم استخدام الفحم لصهر الخام، مما أدى إلى تدمير الغابات. وقد تفاقمت المشكلة إلى حد كبير، حيث تم استيراد المعادن إلى إنجلترا من أوروبا، ثم من روسيا، لمدة قرنين من الزمان. اتضح أن الغابة تنمو بشكل أبطأ مما تحترق. وقد أظهرت محاولات استخدام الفحم أنه يحتوي على كمية كبيرة من الكبريت، مما يقلل بشكل كبير من جودة المعدن. تم إجراء العديد من التجارب التي لم تكن ناجحة.

هذا مثير للاهتمام! تم العثور على الحل فقط في عام 1735 من قبل عالم المعادن الإنجليزي أ. ديربي الثاني، الذي وجد طريقة لتحويل الفحم إلى فحم الكوك. ومنذ ذلك الوقت تم التغلب على مشكلة الوقود، وتلقت العملية زخماً جديداً للتطوير.

وكان الاكتشاف الثوري التالي هو تسخين الهواء المستخدم في الشحن الفائق. لقد جعل من الممكن تقليل استهلاك الفحم بشكل كبير بنسبة تصل إلى 36٪. هناك متطلبات خاصة لدرجة وجودة المعدن من حيث محتوى المنغنيز والسيليكون والفوسفور. تم تحسين تكنولوجيا وتصميم الأفران واستكمالها، شيئًا فشيئًا للوصول إلى المظهر الحديث.

التصميم ومبدأ التشغيل

الفرن العالي عبارة عن هيكل عمودي على شكل عمود يشبه المخروط ويتوسع نحو الأسفل. يمكن أن يصل ارتفاع الفرن إلى 70 مترًا، ويبلغ حجم العمل 2700 مترًا مكعبًا. تصل الإنتاجية اليومية للفرن العالي بهذا الحجم إلى 5000 طن من الحديد الزهر. السمة الرئيسية لتشغيل الأفران العالية هي استمرارية العملية. يتم العمل على مدار الساعة ولا يتوقف حتى يتم إصلاح الفرن أو تفكيكه، الأمر الذي قد يستغرق فترة تتراوح من 3 إلى 15 عامًا. إذا توقف العمل وترك الموقد بدون وقود، فسيحدث ما يسمى “التلوث”، وهو تصلب المواد الموجودة بداخله. من المستحيل إعادة تشغيل الفرن الذي تم إيقافه بطريقة غير طبيعية. تجبر هذه الخصوصية المتخصصين على القلق باستمرار بشأن الحفاظ على وضع التشغيل للتثبيت، ولكنها تتيح لهم أيضًا الحصول على أقصى قدر من الإنتاجية.

المواد اللازمة لتنفيذ عملية الفرن العالي:

فحم الكوك (الوقود)؛
خام الحديد (اللبيدة، الكريات)؛
التدفق (الرمل والحجر الجيري وغيرها من المواد الضرورية التي تنظم صعود الخبث إلى أعلى).

يوجد عدد قليل جدًا من رواسب خام الحديد في العالم، والتي تسمح جودتها باستخدامها في عملية الصهر دون معالجة مسبقة. لذلك، في معظم الحالات، يتم استخدام المواد الخام المعدة خصيصا - التكتل أو الكريات، وهي كتل من المواد الخام المخصبة. لها شكل حبيبات مستديرة (كريات) أو جزيئات غير منتظمة الشكل (تكتل) بحجم 2-5 سم.

مخطط تصميم الفرن العالي

تصميم الفرن عبارة عن برج عمودي ضخم، مبطن بالطوب الناري (المقاوم للحرارة) من الداخل. يتم تثبيته على أساس متين، مرفوع فوق مستوى الصفر إلى ارتفاع معين. يسمى الجزء العلوي المقاوم للحرارة من القاعدة بالجذع. يحتوي الجزء العلوي من الأساس على منصة أفقية - وهي منصة تتحمل جميع الأحمال الديناميكية ودرجة الحرارة، وبالتالي يتم تبريدها بالماء. الفرن محمي من الخارج بغلاف معدني متين سمكه 4-6 سم.

الجزء الداخلي للفرن عبارة عن برج مخروطي الشكل يتكون من عدة أقسام:

منجم (أو العثماني). الجزء المخروطي الشكل من البرج، يتوسع تدريجياً نحو الأسفل.
عرموش. الجزء الأوسع (الأوسط) من البرج، حيث تبدأ عمليات تكوين الخبث وذوبان المواد الخام. تتراوح درجة الحرارة في هذه المنطقة من 1400 درجة.
أكتاف. مقطع قصير نسبيًا على شكل مخروطي، مستدق من الأسفل. هذا هو المكان الذي يحدث فيه الذوبان النهائي للمعدن. درجة الحرارة في هذه المنطقة هي 1600-1900 درجة.
بوق. الجزء السفلي من البرج حيث توجد فتحات إمداد الهواء (tuyeres). توجد أيضًا فتحات الحديد الزهر والخبث (فتحات لإطلاق الحديد الزهر والخبث). الجزء السفلي من الحدادة هو الجزء العلوي من الأساس (الأسفل).

باستخدام جهاز التعبئة، يتم إدخال الخليط والتدفق إلى الفرن. ومع ذوبان الحديد الزهر والخبث وإزالتهما، تسقط المواد، وتحل محلها أجزاء جديدة. تتم إزالة الغازات المتكونة أثناء العمليات الكيميائية من خلال خطوط الأنابيب الموجودة في الجزء العلوي من البرج. تتميز بدرجة حرارة عالية وتستخدم لتسخين التيار الطازج الذي يدخل الفرن العالي للضغط. يتم إجراء التدفئة في منشآت البقر - وهي منشآت تستقبل الهواء النقي وتسخن في أجهزة التبادل الحراري وتزود الفرن بالهواء الساخن.

مخططات فرن الانفجار

إن تصميم الأفران العالية وعملية الصهر متماثلان عمليًا في جميع البلدان ولا توجد بينهما اختلافات جوهرية. ولكن هناك مخططات مختلفة للهياكل الحاملة لها خصائصها وخصائصها الخاصة.

ملامح مخططات تصاميم الفرن المختلفة

المخطط الاسكتلندي (أ). يتم تركيب حفرة النار على هياكل داعمة خاصة تسمى الأعمدة الرئيسية. كقاعدة عامة، يتوافق عددهم مع عدد Tuyeres. يتم ذلك لسهولة تشغيل وصيانة فتحات إمداد الهواء. إذا كنت تستخدم خيارات وضع أخرى، فسيتعين وضع الحلقات بشكل غير متساو، مما سيؤثر على وضع الضغط والجودة الشاملة للمعدن. عيب هذا المخطط هو إمكانية نقل الاهتزاز من أجهزة التحميل إلى هيكل الفرن. بالإضافة إلى ذلك، هناك صعوبات في إجراء الإصلاحات العاجلة أو إعادة الإعمار. وفي الوقت نفسه، يكون هذا الموقد أرخص ووزنه أقل، مما يقلل من وقت البناء.
الألمانية (ب). يتم تثبيت حفرة النار على دعاماتها الخاصة (الأعمدة). يؤدي هذا إلى تحسين جودة خدمة الحدادة، ولكنه يخلق إمكانية الضغط المفرط في منطقة الكتف بسبب الأحمال الناتجة عن وزن البرج. يؤدي تعزيز الهيكل إلى خلق مشاكل في الوصول إلى الكتفين، مما يؤثر على وضع وجودة العمل.
مجتمعة (ج). في هذا الإصدار، يتم تقليل الضغط على الكتفين، ولكن يتم ذلك على حساب الصيانة الأكثر تعقيدًا لقسم الموقد. وفي الوقت نفسه، يضمن هذا المخطط قوة عالية للهيكل، والذي يستمر في العمل بفعالية حتى في وجود شقوق ملحوظة. تحظى هذه الميزة للدائرة بتقدير المتخصصين الذين يعملون بالمواد الخام التي تحتوي على نسبة عالية من الزنك. فهو يخلق ضغطًا مفرطًا على جدران البرج، مما يزيد من وتيرة الإصلاحات الرئيسية.
اليابانية (ز). الهياكل الداعمة عبارة عن 6 أعمدة مزودة بأقواس. على الرغم من زيادة القدرة على التحمل، هناك عيوب ملحوظة - يؤدي عدم توازن الحمل إلى زيادة وزن الدعامات، ويتم زيادة قطر مجرى الهواء مقارنة بخيارات التصميم الأخرى، مما يساهم في زيادة الأحمال على معدات tuyere. العيب الإضافي هو صعوبة تنظيم النقل الأرضي في منطقة الصياغة.
أمريكي (د). يتميز المخطط بوجود 4 أعمدة حاملة. وتتمثل المزايا في تقليل الاهتزاز الذي يحدث أثناء تشغيل آليات التحميل، بالإضافة إلى تحسين الوصول بشكل كبير إلى منطقة فتحة الحنفية والقصبة.

وقد تم تطوير وتحسين هذه المخططات في ظل ظروف مختلفة، وهو ما كان السبب في ظهور بعض الاختلافات في التصميم. ومع ذلك، يتم تشغيلها جميعًا بنجاح كبير وتنتج منتجات عالية الجودة.

فرن الانفجار DIY

للوهلة الأولى، يبدو أن صنع فرن صهر بنفسك فكرة سخيفة. من غير المرجح أن يخطر ببال أي شخص أن ينظم ورشة عمل معدنية مصغرة على موقعه. هناك عدة أسباب لذلك:

نقص المواد الخام. لا يوجد سوى رواسب تحتوي على خام غني في العالم - في البرازيل وأستراليا. يكاد يكون من المستحيل شراء الكريات أو التكتلات - فهي غير متاحة للبيع مجانًا، وجميع الإمدادات تمر عبر بورصات السلع الأساسية وتبلغ قيمتها آلاف الأطنان.
من المستحيل الحصول على إذن لبناء منشأة مصغرة لإنتاج المعادن. تعد تعدين الحديدوز مصدرًا لمشاكل بيئية كبيرة، لذلك لن يخاطر أي مسؤول بمنح الإذن بمثل هذا المشروع.
سوف يغمر الجيران جميع السلطات بالشكاوى، لأن الدخان والأبخرة المستمرة ستجعل حياتهم لا تطاق.

لقد تمت الإشارة إلى الأسباب الأساسية فقط، ولكن في الواقع هناك أسباب أخرى كثيرة. يُستبعد استخدام الفرن العالي لإنتاج المعادن في منزل خاص.

ومع ذلك، إذا كنت تأخذ في الاعتبار تفاصيل الفرن العالي، ولا سيما وضع الاحتراق المستمر، فيمكنك استخدامه لتدفئة الغرف. يعد هذا حلاً فعالاً لتوفير الحرارة لكل من المباني السكنية والتجارية - المرآب، والدفيئات الزراعية، والمباني المساعدة، وما إلى ذلك. على عكس موقد الوقود الصلب التقليدي، حيث يجب تحميل الوقود بشكل متكرر وتكون الكفاءة منخفضة جدًا، يضمن الفرن العالي حتى احتراق المادة خلال 15-20 ساعة. ويتحقق ذلك بسبب محدودية إمدادات الهواء، مما لا يسمح للوقود بالاحتراق النشط ويطيل العملية على مدى فترة طويلة.

يمكنك صنع فرن الانفجار بنفسك

عادة ما يكون الفرن مصنوعًا من برميل معدني. قم بقطع الجزء السفلي بعناية (ستكون هناك حاجة إليه لاحقًا)، وقم بتثبيت البرميل على أساس مُجهز مسبقًا. يتم تعزيز دائرة القطع بأقسام القناة لإضافة المزيد من الوزن - فهي ستضغط على الوقود، مما يعزز الوضع المدمج والاحتراق الفعال. يتم قطع فتحة للمدخنة، وعادةً ما يكون الأنبوب الذي يبلغ قطره 10 سم كافيًا، ثم تحتاج إلى قطع غطاء البرميل من لوح معدني، حيث يتم استخدام الجزء السفلي بالفعل كضغط للوقود. يتم قطع دائرة ذات حجم مناسب ولحامها بعناية بالبرميل. كما أنه يصنع ثقبًا للأنبوب. يتم قطع فتحة في الجزء السفلي من البرميل للباب الذي سيتم من خلاله إضافة الوقود. يمكنك إنشاء باب إضافي بالأسفل لإزالة الرماد.

يتم لحام المدخنة في الأعلى، ويجب أن يتجاوز طول الجزء المستقيم (حتى الكوع الأول) قطر البرميل (المثالي أكبر بكثير). أثناء التشغيل، يصبح الموقد ساخنًا جدًا، لذلك يصطفه الكثير من الناس بالطوب أو يقومون بإنشاء شاشة عاكسة للحرارة. تم العثور على وضع التشغيل الأمثل تجريبيا. من الضروري مراعاة تدابير السلامة من الحرائق، من الناحية المثالية، يجب تخصيص غرفة منفصلة لمثل هذا الموقد دون أشياء قابلة للاشتعال.

فيديو: ولادة الفولاذ

يعد الفرن العالي أحد أقدم التصاميم وأكثرها إثباتًا. وقد تم اختبار فعاليتها مع مرور الوقت، وقد تمت دراسة واختبار الأساليب والتقنيات التكنولوجية بعناية. إن إمكانيات الفرن العالي تجعل تشغيل هذه الأجهزة سيستمر لفترة طويلة جدًا، وسيتم تحسين التصميمات والتقنيات.

يتم صهر الحديد الخام في أفران الصهر، وهي عبارة عن فرن ذو عمود. يتمثل جوهر عملية إنتاج الحديد الزهر في الأفران العالية في اختزال أكاسيد الحديد الموجودة في الخام باستخدام عوامل الاختزال الغازية (CO، H2) والصلبة (C) المتكونة أثناء احتراق الوقود في الفرن.

عملية الصهر في الفرن العالي مستمرة. يتم تحميل المواد المصدرية (اللبيدة، الكريات، فحم الكوك) إلى الفرن من الأعلى، ويتم توفير الهواء الساخن والوقود الغازي أو السائل أو المسحوق إلى الجزء السفلي. تمر الغازات الناتجة عن احتراق الوقود عبر عمود الشحن وتعطيه طاقتها الحرارية. يتم تسخين الشحنة الهابطة، ثم تقليلها، ثم ذوبانها. يتم حرق معظم فحم الكوك في النصف السفلي من الفرن، مما يوفر مصدرًا للحرارة، ويتم إنفاق جزء من فحم الكوك على تقليل الحديد وكربته.

يعد الفرن العالي وحدة قوية وعالية الإنتاجية تستهلك كمية كبيرة من المواد. يستهلك الفرن العالي الحديث حوالي 20.000 طن من الشحن يوميًا وينتج حوالي 12.000 طن من الحديد الخام يوميًا.

لضمان الإمداد المستمر وإطلاق هذه الكميات الكبيرة من المواد، من الضروري أن يكون تصميم الفرن بسيطًا وموثوقًا في التشغيل على مدار فترة طويلة من الزمن. الجزء الخارجي من الفرن العالي محاط بغلاف معدني ملحوم من صفائح فولاذية بسمك 25-40 ملم. يوجد في الجزء الداخلي من الغلاف بطانة حرارية يتم تبريدها في الجزء السفلي من الفرن باستخدام ثلاجات خاصة - صناديق معدنية يدور داخلها الماء. نظرًا لحقيقة أن هناك حاجة إلى كمية كبيرة من الماء لتبريد الفرن، تستخدم بعض الأفران التبريد التبخيري، وجوهره هو أن الثلاجات يتم توفير كمية أقل من المياه عدة مرات مقارنة بالطريقة المعتادة. يسخن الماء حتى الغليان ويتبخر بسرعة، ويمتص كمية كبيرة من الحرارة.

يسمى المخطط الداخلي للقسم الرأسي للفرن العالي بملف الفرن. تشمل مساحة عمل الفرن ما يلي:

حفرة الحريق؛
مِلكِي؛
بخار؛
أكتاف.
بوق

كولوشنيك

هذا هو الجزء العلوي من الفرن العالي، الذي يتم من خلاله تحميل المواد المشحونة وإزالة الفرن العالي أو الغاز العلوي. الجزء الرئيسي من جهاز الفرن العالي هو جهاز التعبئة. تحتوي معظم الأفران العالية على أجهزة شحن مزدوجة المخروط. في الوضع الطبيعي، يتم إغلاق كلا المخاريط وعزل الجزء الداخلي للفرن بشكل موثوق عن الغلاف الجوي. بعد تحميل الشحنة في قمع الاستقبال، يتم خفض المخروط الصغير وتسقط الشحنة على المخروط الكبير. يغلق المخروط الصغير. بعد تجميع الكمية المحددة من الشحنة على المخروط الكبير، يتم إنزال المخروط الكبير مع إغلاق المخروط الصغير ويتم سكب الشحنة في الفرن. بعد ذلك، يغلق المخروط الكبير. وبالتالي، فإن مساحة العمل للفرن العالي تكون مغلقة بشكل دائم.

عادة ما يتم تغذية المواد المشحونة إلى حلق الفرن من جانب واحد. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل المنحدر في قمع مخروط صغير. إن التشغيل طويل الأمد للفرن العالي بمستوى شحن منحرف أمر غير مقبول. وللقضاء على هذه الظاهرة، يتم تدوير قمع الاستقبال والمخروط الصغير. بعد تحميل الشحنة، يتم تدوير القمع مع المخروط بزاوية مضاعفة قدرها 60، مما يؤدي إلى إزالة التفاوت تمامًا بعد تفريغ العديد من الخلاصات.

يمكن للأفران الحديثة تركيب أجهزة شحن أكثر تعقيدًا في التصميم. بدلا من مخروط كبير، يتم تثبيت شلال دوار، يمكن ضبط زاويةها. يتيح لك هذا التصميم تغيير موقع إمداد المواد وفقًا لقطر الجزء العلوي.

أثناء عملية الصهر بالفرن العالي، تتشكل كمية كبيرة من الغاز، والتي تتم إزالتها من الجزء العلوي من الفرن. ويسمى هذا النوع من الغاز بالغاز العلوي. يحتوي الغاز على مكونات قابلة للاشتعال CO وH2، وبالتالي يستخدم كوقود غازي في إنتاج المعادن. بالإضافة إلى ذلك، يمر الغاز عبر عمود الشحن، ويلتقط جزيئات صغيرة من المواد المحتوية على الحديد، مما يشكل ما يسمى بغبار المداخن. يتم جمع الغبار في أجهزة تنقية الغاز الخاصة ويستخدم كمادة مضافة للشحنة أثناء التكتل أو إنتاج الكريات.

مِلكِي

يمثل العمود معظم الارتفاع الإجمالي وحجم الفرن. يضمن الشكل الجانبي للعمود، وهو عبارة عن مخروط مقطوع يمتد نحو الأسفل، خفضًا وتخفيفًا موحدًا لمواد الشحن. يسمح الارتفاع الكبير للعمود بالمعالجة الحرارية والكيميائية للمواد عن طريق ارتفاع الغازات الساخنة.

راسبار

هذا هو الجزء الأسطواني الأوسط من مساحة عمل الفرن، وله القطر الأكبر. يؤدي التبخير إلى زيادة إضافية في حجم الفرن ويزيل التأخير المحتمل في شحن المواد.

أكتاف

هذا جزء من شكل الفرن الموجود أسفل غرفة البخار وهو عبارة عن مخروط مقطوع بقاعدته العريضة التي تواجه غرفة البخار. يتوافق الاستدقاق العكسي للكتفين مع انخفاض في حجم المواد المنصهرة أثناء تكوين الحديد الزهر والخبث.

بوق

هذا هو الجزء الأسطواني السفلي من الفرن حيث يتم تنفيذ عمليات الفرن العالي الحرارة. في الفرن، يتم حرق فحم الكوك ويتشكل غاز الفرن العالي، ويحدث التفاعل بين المراحل السائلة، وتراكم منتجات الصهر السائلة (الحديد الخام والخبث) وإطلاقها الدوري من الفرن. تتكون المسكة من جزء علوي أو توير وجهاز استقبال سفلي أو معدني. يسمى الجزء السفلي من جهاز الاستقبال المعدني قشاري.

يوجد في الجزء السفلي من الموقد فتحات من الحديد الزهر والخبث، وهي عبارة عن فتحات لإطلاق الحديد الزهر والخبث. بعد تحرير الحديد الزهر، يتم إغلاق فتحة الصنبور بكتلة حرارية خاصة باستخدام ما يسمى بالمسدس، وهو عبارة عن أسطوانة بمكبس. قبل فتح فتحة الصنبور المصنوعة من الحديد الزهر، يتم ملء المسدس بكتلة حرارية لفتحة الصنبور. بعد الانتهاء من إنتاج الحديد الزهر، يتم إحضار البندقية إلى فتحة الصنبور، وبمساعدة آلية المكبس، يتم ضغط كتلة فتحة الصنبور من البندقية وملء قناة فتحة الصنبور. لفتح ثقب الصنبور من الحديد الزهر، يتم استخدام آلة حفر خاصة، والتي تقوم بحفر ثقب في كتلة ثقب الصنبور الذي يتم من خلاله إطلاق الحديد الزهر.

توجد فتحات الخبث على ارتفاع 1500 - 2000 مم من مستوى فتحة الصنابير المصنوعة من الحديد الزهر ويتم إغلاقها باستخدام سدادة الخبث، وهي عبارة عن قضيب فولاذي ذو طرف. يتم توجيه الحديد الزهر والخبث الخارجين من الفرن العالي من خلال المزالق إلى مغارف الحديد الزهر والخبث. حاليًا، يتم إنتاج الخبث بشكل أساسي مع الحديد الزهر ويتم فصله عن الحديد الزهر بواسطة جهاز خاص على شلال الفرن.

يتم فصل الخبث المتدفق من الفرن العالي من خلال فتحة صنبور الحديد الزهر عن الحديد الزهر الموجود في شلال الفرن باستخدام لوحة فصل وممر، والذي يعمل كختم هيدروليكي. يمر الحديد الزهر عالي الكثافة إلى الفجوة الموجودة أسفل لوحة الفصل، بينما يتم تفريغ الخبث الأخف في المزلق الجانبي.

إذا كان من الضروري توفير الحديد الزهر لمؤسسات أخرى، فسيتم سكبه في سبائك (سبائك) تزن 30-40 كجم على آلة صب خاصة.

في الجزء العلوي من الموقد، على مسافة 2700 - 3500 ملم من محور فتحة الصنبور المصنوعة من الحديد الزهر على طول محيط الموقد، يتم تركيب طوابير الهواء على فترات متساوية، والتي يتم من خلالها تسخين الانفجار إلى 1100 - 1300 درجة مئوية يتم إدخاله في الفرن، بالإضافة إلى الغاز الطبيعي وإضافات الوقود الأخرى (زيت الوقود ووقود الفحم المسحوق). يتم تزويد كل فرن لافح بتفجير من منفاخ خاص به. يتم إجراء التسخين الانفجاري في سخانات الهواء من النوع المتجدد، عندما يتم أولاً تسخين فوهة سخان الهواء المصنوعة من الطوب الحراري، تحت تأثير حرارة الغاز المحترق، ثم يتم تمرير الهواء من خلالها، مما يأخذ الحرارة من الفوهة. خلال فترة تسخين الفوهة، يتم توفير الغاز والهواء إلى غرفة الاحتراق من أجل احتراقها. تقوم منتجات الاحتراق، التي تمر عبر الفوهة، بتسخينها وتذهب إلى المدخنة. خلال فترة التسخين الانفجاري، يدخل الهواء البارد إلى الفوهة الساخنة، ويتم تسخينه، ومن ثم تغذيته في الفرن العالي. بمجرد أن تبرد الفوهة كثيرًا بحيث لا يمكن تسخين الهواء إلى درجة الحرارة المحددة، يتم نقله إلى سخان الهواء التالي، ويتم تسخين الهواء المبرد. تبرد فوهة السخان بشكل أسرع من تسخينها. لذلك، تتكون كتلة سخانات الهواء في الفرن العالي من 3-4 أجهزة، يقوم أحدها بتسخين الهواء، ويتم تسخين الباقي. يتميز المظهر الجانبي للفرن العالي بأقطار وارتفاعات وزوايا ميل العناصر الفردية. أبعاد بعض الأفران موضحة في الجدول 1.

الجدول 1 - أبعاد الفرن

الأبعاد، مم	حجم مفيد من الفرن، م 3
الأبعاد، مم	2000	3000	5000
قطر الدائرة:
تشكيل	9750	11700	14900
raspara	10900	12900	16300
قمة	7300	8200	11200
ارتفاع:
ممتلىء	32350	34650	36900
مفيد	29200	32200	32200
تشكيل	3600	3900	4500
مناجم	18200	20100	19500

يجب أن تكون أبعاد كل جزء من أجزاء الفرن مرتبطة ببعضها البعض وتكون بنسب معينة مع أحجام الأجزاء الأخرى من الفرن. يجب أن يكون شكل الفرن عقلانيًا، مما يضمن أهم الشروط لعملية الفرن العالي:

خفض سلس ومستقر للمواد الشحن؛
التوزيع المناسب لتدفق الغاز القادم؛
التطور المواتي لعمليات الاسترداد وتشكيل الحديد الزهر والخبث.

الكميات الرئيسية التي تميز أبعاد مساحة العمل هي الحجم القابل للاستخدام للفرن والارتفاع القابل للاستخدام. وهي تشمل الارتفاع والحجم المملوء بالمواد ومنتجات الصهر. عند تحديد هذه المعلمات، يؤخذ المستوى العلوي على أنه علامة الحافة السفلية للمخروط الكبير لجهاز التعبئة في الموضع السفلي، والمستوى الأدنى هو مستوى محور فتحة الصنبور المصنوعة من الحديد الزهر.

الغرض من الفرن العالي هو تنفيذ عمليات صهر السبائك الحديدية والحديد الزهر. وتستخدم المواد الخام خام الحديد لإنتاج هذه المواد. يعود تاريخ أصل اسم هذه المعدات إلى القرن الرابع عشر. مصطلح "المجال" يأتي من كلمة تهب. ظهرت المواقد الأولى في أوروبا، ثم بعد القرن السادس عشر، جاءت إلى روسيا.

تصميم الفرن العالي هو كما يلي: يتم تركيب الفرن على الأساس، ويغطي الغلاف الفولاذي الجزء الخارجي. الأساس مرتفع جدًا، ويسمى الجزء السطحي المقاوم للحرارة بالجذع. يبلغ سمك الغلاف عادة من 4 إلى 6 سم، ويوجد بداخله، على طول الجدران، منتجات مقاومة للحريق. يوجد في الجزء العلوي من الأساس سلسلة من التلال التي تتعرض للضغط الهيدروستاتيكي للكتلة المنصهرة ودرجات الحرارة المرتفعة. تحيط أكوام الدنيس الموجودة داخل الغلاف بثلاجات خاصة. يتم تمثيلها بألواح من الحديد الزهر مع ملفات يتم من خلالها تدوير المياه.

المعدات التي لا غنى عنها في صناعة المعادن الحديدية

يعد إنتاج الأفران العالية من المهام الصعبة في مجال علم المعادن. لكن في نفس الوقت يعود تاريخ هذا التصميم إلى أكثر من قرن. مع تطور التقدم العلمي والتكنولوجي، تغير تصميم الفرن قليلاً، وبدأت إضافة العناصر والأجزاء التي مكنت من تسريع عملية الإنتاج بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، تمت أتمتة العديد من الأوضاع التي يصعب التحكم فيها في الأفران الحديثة.

يعد تشغيل الفرن العالي عنصرًا مهمًا في صناعة الحديد والصلب الحديثة. في الإنتاج الحديث، يتم استخدام المعدات ذات المستوى العالي من الإنتاجية فقط. بالإضافة إلى ذلك، تم تجهيز الأفران العالية المتقدمة بأنظمة التشغيل الآلي. يتمثل دور الأتمتة في تنظيم ومراقبة وتسجيل الخصائص الرئيسية لعمليات الصهر. يمكن للفرن الحديث التحكم في مستوى صب الشحنة وإمدادات الخام ودرجة حرارة الانفجار وضغط الغاز.

يمكن القول إن إنتاجية هذه الأفران تنمو وفقًا للعصر. تتيح التحسينات التي تم إدخالها على نظام الصهر زيادة إنتاجية المعدات عدة مرات.

رسم تخطيطي للفرن العالي يعطي فكرة مرئية عن كيفية عمله. هنا يمكنك ملاحظة كيف يتغير تصميم المعدات في المناطق ذات درجات الحرارة المرتفعة. أيضًا، مع الأخذ في الاعتبار الرسم التخطيطي، يمكنك معرفة مكان سكب مكونات المواد الخام وإلى أي مستوى.

تحدث العمليات في الفرن العالي بترتيب محدد بدقة. الفرن نفسه له شكل عمودي، مشابه لنوع العمود. قد يختلف الارتفاع قليلاً لكنه لا يتجاوز 35 مترًا ويكون قطر الهيكل عادة أصغر بمقدار 2.5 إلى 3 مرات. تستمر العملية في تسلسل معين. أولا، يتم استعادة الحديد. ثم تتم استعادة العناصر الأخرى - الفوسفور والكبريت وغيرها. يتدفق الخبث الناتج، الذي غير مكوناته بشكل كبير، إلى الأسفل ويتراكم في منطقة الموقد. إن التركيب الكيميائي للخبث هو الذي يحدد تركيبة الحديد الزهر.

مبدأ تشغيل المعدات

يتم التعبير عن مبدأ تشغيل الفرن العالي في العديد من العمليات الفيزيائية والكيميائية. يتم تحديد وجود هذه العمليات من خلال درجة حرارة الفرن نفسه وحمولة المواد. وبشكل عام يمكن تمييز العمليات التالية:

عملية تحلل الحجر الجيري، مما يؤدي إلى تكوين أنهيدريد الكربونيك وأكسيد الكالسيوم؛
استعادة الحديد والعناصر الأخرى.
كربنة الحديد
صهر المعادن
تشكيل وذوبان الخبث.
احتراق الوقود وغيرها.

سخان الهواء بالفرن العالي هو جهاز يتم فيه تسخين الهواء مسبقًا. ثم يتم إدخال هذا الهواء إلى الفرن. لم تكن المعدات المبكرة لصهر الحديد الزهر تحتوي على عنصر مثل سخان الهواء. لقد أتاح تطوير الجهاز إمكانية تقليل تكاليف الوقود بشكل كبير.

الشحنة بالمعنى الحديث هي عبارة عن خليط من فحم الكوك ولبد خام الحديد والمواد الخام المصهورة. قبل عملية الصهر، تخضع الشحنة لتحضيرات خاصة. أولاً يتم سحقها ثم غربلتها. بعد الغربلة، يتم إرسال القطع الكبيرة لإعادة سحقها.

نتيجة عملية الاحتراق هي زيادة في درجة الحرارة. أعلى نقطة درجة حرارة يمكن أن تصل إلى أكثر من 2000 درجة مئوية. تحدث العمليات تحت ضغط الغازات الساخنة. عند الارتفاع، تبرد هذه الغازات إلى 300-400 درجة بالقرب من كوكوشنيك.

الغرض من الأفران

يعد إنتاج الحديد الخام في الفرن العالي فرعًا مهمًا من صناعة الحديد والصلب. لا يتطلب هذا العمل الحاجة إلى استخدام معدات خاصة فحسب، بل يتطلب أيضًا الالتزام الدقيق بتقنيات معينة. يتم إجراء الصهر في فرن عالي من نفايات الصخور والمواد الخام. يمكن أن تكون المادة الخام حمراء أو بنية أو صارية أو خام الحديد المغناطيسي أو خامات المنغنيز.

يعد اختزال الحديد إحدى المراحل الرئيسية لإنتاج الحديد الزهر. ونتيجة لهذه العملية يصبح الحديد قاسيا. بعد ذلك، يتم غمسه في البخار، مما يعزز ذوبان الكربون في الحديد. وهكذا يتكون الحديد الزهر. في الجزء الساخن من الفرن يبدأ الحديد الزهر نفسه في الذوبان، ويتدفق ببطء إلى الجزء السفلي.

يعتمد مبدأ تشغيل الفرن العالي على نوع هذا الجهاز الضخم. هناك أفران فحم الكوك وأفران الفحم. الأول يعمل على فحم الكوك، والثاني، على التوالي، على الفحم. تم تصميم فرن العمود للتشغيل المستمر. شكل هذا الجهاز عبارة عن مخروطين مطويين بجوانب عريضة عند القاعدة. بين هذه المخاريط يوجد جزء من الفرن ذو شكل أسطواني - البخار.

تم تصميم الفرن الصناعي، الذي يسمى المصهر، لنقل المواد المعالجة من حالة إلى أخرى. وهكذا تتحول الحالة الصلبة تدريجيا، تحت تأثير درجة حرارة تتجاوز درجة الانصهار، إلى الحالة السائلة. يمكن أن تكون المادة التي تم إحضارها إلى الحالة السائلة في وضع معلق، وكذلك في جهاز تبلور أو بوتقة أو منجم أو حمام على الموقد. تستخدم الأفران الصناعية لإنتاج المعادن من الخامات. وفيها تتم عمليات صهر المعادن غير الحديدية والصلب وصهر الزجاج وغيرها.

يمكن إجراء إصلاح الأفران العالية بعدة طرق. يتم إجراء الإصلاحات الرئيسية حسب الحاجة أو فيما يتعلق بالإصلاحات الرئيسية المخطط لها. خلال هذه الفترة يتم تعليق عملية العمل المستمرة. تنقسم الإصلاحات الرئيسية إلى ثلاثة أنواع. في فئة الإصلاح الأولى، يجب إطلاق منتجات الصهر السائلة بالكامل من الفرن ويجب إجراء فحص شامل لجميع المعدات. تشير الفئة الثانية إلى إصلاح متوسط مع استبدال بعض العناصر. تتضمن الفئة الثالثة من الإصلاحات تغيير أجهزة التعبئة وضبط حماية الفرن العالي.

محدث:

2016-08-18

يعتبر الفرن العالي من المعدات التي لا غنى عنها في العمليات المعدنية. ظهرت هذه الأفران منذ وقت طويل، وجعلت من الممكن صهر المواد الخام لخام الحديد، وتحويلها إلى أدوات منزلية مختلفة، وأسلحة عسكرية، وما إلى ذلك. كيف يبدو الفرن العالي اليوم وما هي هذه الوحدة؟ حول هذا في مادتنا.

صورة لفرن الانفجار

الفرن العالي له تاريخ طويل. ظهرت هذه الوحدات لأول مرة في أوروبا في القرن الرابع عشر.

وبعد بضعة قرون فقط، في القرن السادس عشر، وصلت الأفران العالية إلى الأراضي الروسية.

في المواقد، تتم عملية صهر الحديد الزهر بشكل مستمر. يتم تحميل المواد الخام للصهر أعلى الفرن، ويتم توفير أنظمة لتزويد الوقود والأكسجين في الأسفل. عند تسخينه، يذوب خام الحديد.

مع الأداء العالي، تتميز المواقد بتصميم بسيط إلى حد ما وموثوقية ممتازة. فقط في ظل هذه الظروف يمكنك تحقيق النتيجة المرجوة من تشغيل الجهاز.

ولكن كيف يعمل الفرن العالي الحديث؟

التصميم عبارة عن جهاز بحجم مثير للإعجاب، يمكن أن يصل ارتفاعه إلى 30 مترًا أو أكثر؛
قطر الجهاز أصغر بثلاث مرات تقريبًا؛
جدران الموقد مصنوعة من الطين الناري، أو تستخدم مواد أخرى ذات خصائص مقاومة للحريق ممتازة؛
الجزء السفلي من الموقد والقاعدة مصنوعان من كتل الكربون التي تتمتع بدرجة عالية من مقاومة الحريق. ولضمان أن تكون خصائص مقاومة الحريق دائما على مستوى عال، يتم توفير ثلاجات معدنية يتم من خلالها تداول المياه؛
ومن الخارج، يتم تغليف المعدات بغلاف فولاذي يبلغ سمكه 40 ملم؛
بفضل نهج التكنولوجيا الفائقة وإمكانيات التكنولوجيا الحديثة، تصل أفران الصهر إلى كتلة عدة عشرات الآلاف من الأطنان؛
الوزن الضخم الذي يبلغ حوالي 30 ألف طن يتطلب أساسًا مناسبًا؛
يتكون الأساس من بلاطة خرسانية بسماكة 4 أمتار مع عمود وأسطوانة متجانسة ملحقة بها. لتصنيعها، يتم استخدام الخرسانة المقاومة للحرارة الخاصة؛
يتم تركيب فرن الفرن العالي أعلى الأساس.
يحتوي الفرن المخصص لصهر المواد الخام على حجم مثير للإعجاب، حيث أنه مع زيادة الحجم تتحسن كفاءة المعدات؛
أكبر نماذج الأفران العالية يبلغ حجمها المفيد حوالي 3 آلاف متر مكعب.
يتم تثبيت tuyeres الخاصة اللازمة لإمدادات الهواء في الجزء العلوي من الحدادة. لم يتم تركيب أكثر من 36 وحدة؛
يتطلب الفرن العالي كمية كبيرة من الهواء لتشغيله. لتلبية احتياجات الموقد، يتم استخدام منفاخ توربو؛
سخان الهواء، وهو عنصر هيكلي ضروري، هو المسؤول عن تسخين الهواء؛
يمكن للأفران الحديثة أن تعمل دون انقطاع لمدة 10 سنوات. عند تحميل المواد الخام، تتلقى الشركة المصنعة الحديد الزهر عند الإخراج؛
يتم تحميل المواد الخام بالكالوشات - وهي أجزاء خاصة ومعايرة يمكن للفرن العالي التعامل معها بشكل مثالي؛
الفرن العالي قادر على إنتاج حوالي 5 آلاف طن من الحديد الزهر يوميًا.
عمليات التحميل والتحضير آلية.
من أجل تحقيق صهر عالي الجودة للحديد الزهر، يوفر تصميم الفرن العالي آليات مساعدة معينة لتحميل ورفع المواد الخام المستخدمة.

مميزات العمل

تعرفنا على تصميم وبعض ميزات الفرن العالي. الآن من الضروري فهم العمليات التكنولوجية التي تحدث في هذه المعدات الصناعية.

المواد الأولية هي مواد خام. يمكن أن يكون هذا أي نوع من خام الحديد أو الخام الذي يحتوي على المنغنيز.
الفرن العالي هو جهاز لإنتاج الحديد الزهر وصهره من المواد الخام المناسبة.
عند تحميل المواد إلى الفرن، من المهم الحفاظ على نسب معينة. يسمى الخليط المختار بشكل صحيح بالخليط. ويشمل تكوينها الخام والتدفق وفحم الكوك.
الخطوة الرئيسية في عملية إنتاج الحديد هي اختزال الحديد. الحديد الذي يتم الحصول عليه عن طريق التبخير، حيث يذوب الكربون، ينتج الفرن العالي الحديد الزهر.
عند أعلى نقاط درجة حرارة الفرن العالي، يبدأ الحديد الزهر في الذوبان.
نظرًا لمخطط التشغيل المدروس جيدًا للفرن العالي، فإن عملية الاحتراق مستمرة. يتم دعم الاحتراق بأجزاء الهواء الموردة بشكل صحيح.
يتم تسخين الهواء إلى درجات الحرارة المطلوبة التي توفرها تقنيات عملية الصهر. عند إمداد الهواء البارد، لا يسخن الفرن، بل يبرد. وهذا من شأنه أن يؤدي إلى تباطؤ عملية صهر المنتجات.
أنبوب خاص يضمن إزالة منتجات الاحتراق.
عند المخرج، تنتج الأفران العالية الحديد الزهر في شكل سائل، والذي يتم إطلاقه من خلال فتحات خاصة في الجزء السفلي من الهيكل.
مغرفة كبيرة تلتقط الحديد الخام المنصهر وتنقله إلى ورش العمل لمزيد من المعالجة.
إن معالجة الحديد السائل إلى الفولاذ ليست مرحلة إلزامية في العملية التكنولوجية. كل هذا يتوقف على المهام التي تركز عليها المؤسسة المعدنية التي تستخدم الأفران العالية.
بقايا المواد المعاد تدويرها لا تذهب إلى مكب النفايات. يخرجون من الفرن من خلال الأجهزة المناسبة. يطلق عليهم صنابير الخبث. يتم استخدام هذه النفايات لمزيد من إنتاج مواد البناء.

مميزات الصيانة والإصلاح

نظرًا لأن الأفران العالية تعمل بشكل مستمر، فيجب التعامل مع مسألة صيانتها بعناية خاصة.

الغرض من الصيانة هو منع التآكل المبكر. وللقيام بذلك، يجب على المسؤولين عن الصيانة الاعتماد بشكل صارم على ورقة البيانات الفنية المقدمة من الشركة المصنعة للأفران الخاصة بهم؛
إذا كانت هناك قواعد تشغيل متخصصة لفرن صهر معين في الإنتاج، فسيتم تنفيذ جميع أنشطة الصيانة بشكل صارم على أساسها؛
وفي حالة عدم وجود قائمة بالقواعد، ينبغي للمرء الاعتماد على مواد توجيهية أخرى؛
يتم تنفيذ أنشطة الإصلاح الدورية عند حدوث أعطال. وفي الوقت نفسه، لا ينبغي أن تتوقف عملية إنتاج الحديد الزهر في الفرن العالي؛
الاستثناء هو الإصلاحات الرئيسية، إذا لزم الأمر، يتم إيقاف الفرن العالي.

هناك ثلاثة أنواع من التجديدات الكبرى.

إصلاح من الدرجة الأولى. في هذه الحالة، من الضروري إزالة جميع المواد الخام من الفرن وإجراء فحص بصري للمعدات المشاركة في العمليات التكنولوجية.
إصلاحات من الدرجة الثانية. ينص على استبدال العناصر التي لها دور ثانوي في تصميم الفرن العالي.
إصلاح الدرجة الثالثة. إنه يعني الاستبدال الكامل للوحدات اللازمة لتحميل المواد الخام وتوزيع المواد الأولية.

ليس من غير المألوف أن يتم إغلاق الأفران العالية لإجراء أعمال الإصلاح وتحديث المعدات بشكل أكبر. بهذه الطريقة، تقلل الشركة المصنعة من تكرار توقف المعدات، مما يؤدي إلى خسارة أموال أقل.

الأفران العالية هي أجهزة فريدة تدهش بأبعادها وقدراتها.

يتم تحديد الإنتاجية حسب حجم الفرن. يتم ملاحظة الطاقة القصوى عندما يكون حجم الأفران من نوع العمود 2-5 آلاف متر مكعب. م قطرها 11-16 م ، الارتفاع – 32-37 م.

مخطط فرن الانفجار

يتكون فرن العمود من العناصر التالية:
قمة؛
الألغام.
راسبارا.
أكتاف.
تشكيل؛
الدنيس.

كولوشنيك- أحد عناصر مساحة العمل الذي يوفر مستوى معين من المواد الموزعة عبر المقطع العرضي للعمود.

مِلكِي- الجزء الأسطواني من الفرن العالي، حيث يتم الحفاظ على درجة حرارة كافية لإذابة الشحنة. في نفس الجزء من الفرن يتم تقليل الحديد.

راسبار– القسم الأوسع من الهيكل المخصص لعمليات الصهر الرئيسية. يوجد أدناه أكتاف تساهم في ارتفاع درجة الحرارة وحركة الذوبان والخبث إلى القسم التالي من الهيكل.

يتم وضع الحدادة فوق الحافة، وهي عبارة عن بناء مصنوع باستخدام الطوب الناري. الحدادة هي جزء من الفرن حيث يتم جمعها. يوجد بين الكتفين والموقد أعمدة لتزويد الهواء الساخن (الهواء الغني بالأكسجين) والغاز الطبيعي.

مبدأ التشغيل

يتم رفع الشحنة باستخدام رافعة تخطي وتقع في قمع الاستلام. يتم تمثيل تكوين الشحنة بالحجر الجيري وفحم الكوك واللبيدة المصهورة والخام. من الممكن إضافة الكريات.
تعمل المخاريط العلوية (الكبيرة والصغيرة) بالتناوب، وتنقل خليطًا من المواد إلى العمود. أثناء تشغيل الفرن العالي، يحدث إمداد تدريجي بالشحنة. يحدث التسخين نتيجة احتراق فحم الكوك، مصحوبًا بإطلاق الحرارة.

تتراوح درجة حرارة غاز الموقد من 1900 إلى 2100 درجة مئوية. وهو يتألف من N2، H2 وCO. عند التحرك في الطبقة، فإنه لا يساهم في تسخينها فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى عمليات تقليل الحديد. ويتحقق ارتفاع درجة حرارة الغاز بسبب ارتفاع درجة حرارة الهواء في سخانات الهواء (1000-2000 درجة).
الغاز الذي تبلغ درجة حرارته 250 - 300 درجة، القادم من الفرن، هو غاز علوي، بعد إزالة الغبار - غاز انفجاري. أدنى قيمة حرارية لغاز الفرن العالي تتوافق مع 3.5 - 5.5 ميجا جول/م3. يمكن أن يكون التركيب مختلفًا، ويتم تحديده نتيجة إمداد الغاز الطبيعي وإثراء الانفجار بالأكسجين، ويمثله المواد التالية:

ن 2 – 43-59%;
ثاني أكسيد الكربون – 24-32%؛
ثاني أكسيد الكربون – 10-18%؛
ح 2 - 1-13%؛
CH 4 – 0.2-0.6%.

في الأساس، هناك حاجة إلى الغاز لنقل درجة حرارة معينة إلى فوهات سخانات الفرن العالي. بالاشتراك مع الغاز الطبيعي أو فرن فحم الكوك، يتم استخدامه لمختلف الأفران، بما في ذلك الأفران الحرارية والتدفئة.
الحديد الذي يدخل الجزء السفلي من الفرن العالي يتعرض للانصهار ويتراكم في الفرن على شكل حديد زهر. يتكون الخبث السائل من أكاسيد الحديد الممزوجة مع الحديد الزهر ويبقى على سطحه لأنه ذو كثافة أقل.

بشكل دوري، يخرج الحديد الزهر والخبث من خلال الفتحات المقابلة - الحديد الزهر والخبث. في الحالات التي تكون فيها كمية الخبث ضئيلة، يتم استخدام فتحة الصنبور المصنوعة من الحديد الزهر فقط. يحدث فصل الخبث في موقع الصب. تتراوح درجة حرارة الحديد الزهر في الحالة السائلة من 1420 إلى 1520 درجة.

يتم تحقيق إنتاجية عالية للفرن العالي بسبب وجود سخانات الهواء القوية، وهي عبارة عن مبادلات حرارية متجددة. غالبًا ما يُطلق على سخانات الهواء في الفرن العالي اسم رعاة البقر تكريماً لمبدعها.
كوبر عبارة عن غلاف على شكل أسطوانة موضوع عموديًا مصنوع من أغطية من الألواح والطوب. تتكون غرفة الاحتراق لسخان الهواء، أي الجزء السفلي منه، من موقد وأنبوب هواء ساخن. تم استخدام الصمامات في مساحة الفوهة الفرعية، مما جعل من الممكن توفير اتصال مع مخرج خرطوم الدخان وقناة الهواء البارد.

النسخة الحديثة من فرن العمود مصنوعة من أربع قوارير تعمل بالتناوب: يحدث تسخين فوهة إحدى القنطرتين بسبب دخول غازات المداخن التي تم تسخينها إلى درجة حرارة عالية، ويخترق الهواء الساخن من خلال الكوب الثالث. الرابع كوبر احتياطي.

مدة النفخ هي 50-90 دقيقة، ثم يتم تسخين الكوبر المبرد، ويتم تنفيذ التفجير في الكوبر التالي الأكثر سخونة. عند التسخين، يعمل الموقد، وتدخل غازات المداخن إلى خنزير الدخان من خلال الصمام المفتوح دون أي عائق. في هذا الوقت، يتم إغلاق الصمامات الموجودة على مجاري الهواء الساخنة والباردة.
ونتيجة لاحتراق الوقود تتكون نواتج الاحتراق التي تتحرك للأعلى وتدخل من غرفة الاحتراق إلى الحيز الموجود أسفل القبة، ثم تنزل وتسخن الفوهة. فقط بعد ذلك، تدخل منتجات الوقود التي تبلغ درجة حرارتها 250-400 درجة المدخنة من خلال صمام الدخان.

أثناء التفجير، تحدث العملية العكسية: يتم إغلاق صمام الدخان، ولا يعمل الموقد، بينما تكون الصمامات المثبتة على مجاري الهواء الساخنة والباردة مفتوحة. يتم تزويد الانفجار البارد إلى مساحة الفوهة الفرعية تحت ضغط 3.5-4 ضغط جوي، ثم يتحرك عبر فوهة ساخنة، وفي شكل ساخن، يمر عبر غرفة الاحتراق إلى قناة هواء الانفجار الساخن، حيث يتم إمداده إلى فرن.

في ظل ظروف معينة، يمكن ترطيب الانفجار وإثرائه بالنيتروجين أو الأكسجين. عند استخدام النيتروجين، من الممكن استخدامه اقتصاديًا والتحكم في عملية الصهر في الفرن العالي. من الممكن أيضًا توفير فحم الكوك نتيجة لإثراء الانفجار بالأكسجين بنسبة تصل إلى 35-40% عند دمجه مع الغاز الطبيعي. من خلال زيادة نسبة الرطوبة إلى 3-5%، من الممكن الحصول على درجة حرارة تسخين أعلى للانفجار في الكوبر. يتم تحقيق هذه النتائج بسبب تكثيف نقل الحرارة الإشعاعي في الفوهة.

يبلغ ارتفاع الكوبرز حوالي 30-35 مترًا، ولا يزيد القطر عن 9 أمتار، والأجزاء العلوية والسفلية من الفوهة مصنوعة من السيليكا أو الطوب عالي الألومينا والحراريات، على التوالي. يتم إنشاء خلايا 4545، 13045، 110110 ملم من الطوب المعبأ بسماكة 40 ملم. كما تستخدم فوهات أخرى في الأفران العالية، وهي الفوهات المكونة من كتل ذات ستة جوانب، ذات ممرات أفقية وخلايا مستديرة. تستخدم أيضًا فوهات تعتمد على كرات عالية الألومينا.

لكل متر مكعب من حجم فوهة الطوب، يتم توفير سطح تسخين تقريبي يتراوح من 22 إلى 25 مترًا مربعًا. م حجم الفرن العالي أكبر بمقدار 1-2 مرات من حجم فوهة كوبر. على سبيل المثال، مع حجم الفرن 3000 متر مكعب. م حجم كوبر سيكون حوالي 2000 متر مكعب. م (3000/1.5).

الأكثر شيوعًا هي قواطع البقر المجهزة بغرفة احتراق مدمجة. ومن بين عيوبها الرئيسية التسخين المفرط للسقف وتشوه غرفة الاحتراق نتيجة التشغيل طويل الأمد للفرن. يمكن أن يكون الموقد بعيدًا، ويمكن أيضًا وضع غرفة الاحتراق تحت القبة. مع الموقد الخارجي، يتم ضمان المتانة العالية والراحة، ولكن سعر هذه الأجهزة هو الأعلى. تعتبر ماكينات البقر المجهزة بغرفة احتراق تحت القبة هي الأرخص، لكن عملية التشغيل أكثر تعقيدًا، نظرًا لوجود الموقد والصمامات في مكان مرتفع جدًا.

أثناء عملية النفخ، تنخفض درجة الحرارة التي يتم تسخين الهواء إليها (1350-1400 درجة) تدريجياً وتتراوح من 1050 إلى 1200 درجة. عند استخدام الفرن العالي الثابت، يتم تجنب هذه الاختلافات عن طريق تنظيم درجة الحرارة. تظهر المؤشرات المطلوبة نتيجة إضافة الهواء البارد القادم من مجرى الهواء البارد. تنخفض درجة حرارة الانفجار إلى 1000-2000 درجة، ومعها ينخفض محتوى الهواء البارد في الخليط.

التوازن التقريبي للمواد لإنتاج الحديد الزهر في الفرن العالي

دعونا نفكر في التوازن الحراري لصهر 1 كجم من الحديد الزهر. عند تجميع الأرصدة، يتم أخذ اللبيدة والحديد الزهر والخبث وغاز الفرن العالي بعين الاعتبار.

الكريات: أكسيد الحديد (III) – 81%، ثاني أكسيد السيليكون – 7%، أكسيد الكالسيوم – 5%، أكسيد الحديد (II) – 4%، أكسيد وأكسيد – 1%، أكسيد المنغنيز – 0.3%، أكسيد الفوسفور – حوالي 0.09 ٪ الكبريت - حوالي 0.03٪.

التكتل: أكسيد الحديد (III) – 63%، أكسيد الحديد (II) – 16%، أكسيد الكالسيوم – 10%، ثاني أكسيد السيليكون – 7%، أكسيد الألومنيوم – 2%، أكسيد المغنسيوم وأكسيد المنغنيز – 1%، أكسيد الفوسفور – حوالي 0.25٪، الكبريت - حوالي 0.01٪.

الحديد الزهر: حديد – 94.2%، كربون – 4.5%، منغنيز – 0.7%، سيليكون – 0.6%، كبريت – حوالي 0.03%.

الخبث: أكسيد الكالسيوم – 43%، ثاني أكسيد السيليكون – 36%، أكسيد الألومنيوم – 10%، أكسيد المغنسيوم – 7%، أكسيد المنغنيز – 2%، أكسيد الحديد (II) والكبريت – 1%.

غاز الفرن العالي: النيتروجين – 44%، – 25.2%، ثاني أكسيد الكربون – 18%، الهيدروجين – 12.5%، الميثان – 0.3%.

دعونا نحلل استهلاك الوقود نتيجة لاستخدام التكتل المصهور. يتم تحديد تكاليف الوقود على أساس استهلاك الغاز الطبيعي وفحم الكوك (510-560 كجم من مكافئ الوقود/طن من السبائك)، إجماليًا مع استهلاك الغاز المستخدم لتسخين سخان الهواء (90-100 كجم من مكافئ الوقود/طن) من السبائك)، باستثناء ناتج غاز الفرن العالي (170-210 كجم من مكافئ الوقود/طن من السبائك). ونتيجة لذلك، فإن الاستهلاك الإجمالي هو كما يلي: 535 + 95 - 190 = 440 (كجم se./t من السبائك).

بالنظر إلى أنه قد تم بالفعل إنفاق كمية معينة من الوقود على إنتاج فحم الكوك والتكتلات (حوالي 430-490 كجم لكل طن واحد من السبائك و1200-1800 كجم لكل 1 طن من السبائك، على التوالي)، فإن إجمالي استهلاك الوقود الأساسي المطلوب لإنتاج طن من السبائك هو: 440 + 40 + 170 = 650 (كجم se./t)، منها 170 و40 كجم se./t، محسوبة لكل طن من السبائك، يتم إنفاقها على إنتاج فحم الكوك.

يتم تقييم إنتاجية الفرن العالي من خلال عامل استخدام الحجم المفيد (VUF). يتم حساب المؤشر على أنه نسبة الحجم المفيد للهيكل إلى صهر الحديد الزهر خلال 24 ساعة. بالنسبة للمواقد الحديثة، فإن القاعدة هي 0.43-0.75 متر مكعب. م يوم / ر. كلما انخفض مستوى CIPO، كلما تم استخدام الفرن بكفاءة أكبر.
ومن المنطقي أكثر اعتبار المؤشر بمثابة نسبة الإنتاجية إلى وحدة الحجم. إنه أكثر ملاءمة لاستخدام مؤشر الإنتاجية المحددة للفرن العالي (Pu = 1/KIPO)، وقيمته هي 1.3-2.3 طن (مكعب/يوم).

يمكن توفير الوقود باتباع هذه التوصيات:

زيادة ضغط الغاز في الأعلى إلى 1.5-2 ضغط جوي (من خلال تقليل حجم الغازات، من الممكن تقليل إزالة الغبار العلوي أو زيادة معدل تدفق الانفجار)؛
استخدام وقود الفحم المسحوق في الفرن لتوفير حوالي 0.8 كجم من فحم الكوك لكل كيلوغرام من وقود الفحم المسحوق؛
زيادة درجة الحرارة التي يتم بها تسخين الهواء في الحظائر لتقليل استهلاك فحم الكوك؛
استخدام الحرارة المنبعثة من غازات عادم كوبر من أجل زيادة درجة حرارة الهواء وغاز الفرن العالي قبل إمدادهما إلى غرفة الاحتراق؛
توريد غازات الاختزال الساخنة بنفس الطريقة كما هو الحال في أفران المعدنة (من الممكن تقليل استهلاك فحم الكوك، ومن الممكن توفير ما يصل إلى 20٪ من الوقود)؛
استخدام الحرارة المادية من الخبث السائل الناري (حل هذه المشكلة واعد، ولكن لم يتم تنفيذه بعد بسبب الإطلاق الدوري للخبث).