Доменна піч. Пристрій, принцип роботи та призначення. Пристрій та принцип роботи доменних печей Температура в доменній печі

Незважаючи на велику кількість синтетичних і полімерних матеріалів, що набули великого поширення в сучасній промисловості та в побуті, використання сплавів заліза не поступається пальмою першості. Найвідповідальніші деталі, механізми, інструменти та інші вузли виготовлені з різних марок і видів металу, які мають необхідні властивості для вирішення поставлених завдань. Активні пошуки повноцінної заміни металевим сплавам поки що не мають успіху, оскільки різниця у властивостях матеріалів дуже велика. Розвиток металургії не зупиняється, з'являються нові технології та методики виготовлення високоміцних та твердих матеріалів. При цьому не забуті і старі, традиційні методи виплавки металів, відпрацьовані століттями та детально вивчені багатьма поколіннями металургів. Розглянемо влаштування доменної печі - однієї з найстаріших конструкцій для ливарного чавуну, яка активно застосовується і до цього дня.

Історія

Необхідність удосконалення технології виплавки заліза виникла давно. Легкоплавкі руди, розташовані практично на поверхні землі, не відрізнялися великими обсягами і швидко були витрачені. Існуюча методика виплавки була неспроможна і дозволяла працювати з тугоплавкими рудами. З'явилася потреба у вдосконаленні існуючого обладнання та технології. Насамперед потрібно збільшити розміри печей і значно посилити режим наддуву.

Перші згадки про конструкції, аналогічні доменним печам, виявлені в Китаї. Вони відносяться до IV століття. У Європі поява доменних печей відносять до XV століття, до цього використовувалися так звані сиродутні печі. Безпосереднім попередником домни був каталонський горн, який використовував технологічні прийоми, близькі до методики доменного виробництва. Його відмінними рисами були:

безперервний процес подачі шихти;
Використання потужних установок подачі повітря із гідравлічним приводом.

Доменна піч XIV століття

Об'єм каталонського горна становив лише 1 м³, що не дозволяло отримувати більших обсягів продукції. У XIII столітті в європейському князівстві Штирія створили штукофен, збільшений і вдосконалений варіант каталонського горна. Він мав близько 3,5 м у висоту і два технологічні отвори – нижнє для подачі повітря, верхнє для вилучення крици (сиродутного заліза). Штукофен видавав три види залізних напівфабрикатів:

Сталь;
Кова залізо;
Чавун.

Різниця між ними полягала у вмісті вуглецю - найбільше його було в чавуні (більше 1,7%), у сталі його було менше 1,7%, а в ковкому залозі вміст становило 0,04%. Високий рівень вмісту вуглецю оцінювався негативно, оскільки чавун не можна кувати, зварювати, з нього складно виготовляти зброю.

Це важливо! Спочатку чавун був віднесений до відходів виробництва, оскільки не піддавався ковці. Ставлення до нього змінилося тільки після початку вторинної переплавки, яку почали робити через нестачу легкоплавких руд. Передільне залізо, отримане з чавуну, мало вищу якість, що стало стимулом до розширення переробного процесу.

Подальше нарощування потужностей та вдосконалення технології послужили поштовхом до виникнення блауфена, що мав висоту вже близько 5-6 м, здатного до виплавки чавуну та заліза одночасно. Він уже практично був доменною піччю, хоч і дещо зменшеною, спрощеною конструкцією. Утвердився двоступінчастий процес, коли першою стадією було одержання чавуну, а другою - виплавка з нього заліза за посиленого наддуву.

Поява перших доменних печей у Європі належить до кінця XV ст. Майже відразу подібні конструкції з'явилися в Англії, а США перші домни створені набагато пізніше - в 1619 році. Першу домну в Росії на своїй мануфактурі в Тулі збудував А. А. Вініус. Процес складався з наступних етапів:

Укладання чавунних чушок перед гирлом, розплавлення, стік чавуну вниз.

Втрата частини вуглецю під час проходження біля фурм.

Подача отриманого заліза до сопла, потужний наддув, у якому зайвий вуглець вигоряв, а м'яке залізо осідало дні.

Залізо витягали з дна горна і проковували, видаляючи рідкий шлак, ущільнюючи чушки. При такому способі вихід готового заліза становив близько 92% від ваги чавуну, а його якість значно перевищувала показники кричного продукту.

Серйозною проблемою стала паливна криза. Для плавлення руди використовувалося деревне вугілля, що призвело до винищення лісів. Проблема зросла до таких розмірів, що в Англію ввозили метал із Європи, а згодом - і з Росії протягом 2 століть. Виявилось, що ліс росте повільніше, ніж горить. Спроби використання кам'яного вугілля показали, що в ньому міститься велика кількість сірки, яка суттєво знижує якість металу. Було зроблено безліч дослідів, які не увінчалися успіхом.

Це цікаво! Рішення було знайдено тільки в 1735 англійським металургом А. Дербі II, який знайшов спосіб перетворення вугілля в кокс. З цього часу паливна проблема була подолана і процес отримав новий поштовх до розвитку.

Наступним революційним відкриттям стало нагрівання повітря, що використовується для наддуву. Він дозволив помітно знизити витрати кам'яного вугілля до 36%. З'явилися спеціальні вимоги до сортності, якості металу за вмістом марганцю, кремнію, фосфору. Технологія та конструкція печей удосконалювалися, доповнювалися, потроху приходячи до сучасного вигляду.

Пристрій та принцип роботи

Доменна піч є вертикальною конструкцією шахтного типу, що нагадує конус, що розширюється донизу. Висота печі може досягати 70 м, робочий об'єм – 2700 м³. Добова продуктивність домни таких розмірів сягає 5000 т чавуну. Основною особливістю роботи доменних печей є безперервність процесу. Робота ведеться цілодобово та не припиняється до моменту капітального ремонту або демонтажу печі, що може тривати від 3 до 15 років. Якщо роботу зупинити та залишити піч без палива, відбудеться так зване «закозлення», застигання матеріалів, що знаходяться усередині. Запустити знову пекти, зупинену нештатним способом, неможливо. Така специфіка змушує фахівців постійно дбати про дотримання режиму роботи установки, але дозволяє отримати максимальну продуктивність.

Матеріали, необхідні для реалізації доменного процесу:

Кам'яновугільний кокс (паливо);
Залізна руда (агломерат, котуни);
Флюс (пісок, вапняк та інші необхідні матеріали, що організують підйом шлаків догори).

Родовищ залізняку, якість якої дозволяє без попередньої обробки використовувати її в процесі плавки, у світі залишилося дуже мало. Тому в більшості випадків використовується спеціально підготовлена сировина - агломерат або котуни, що є грудками збагаченого рудного матеріалу. Вони мають форму округлих гранул (окатиші) або частинок неправильної форми (агломерат) розміром 2-5 см.

Схема влаштування доменної печі

Конструкція печі є масивною вертикальною вежею, зсередини викладеною шамотною (вогнетривкою) цеглою. Вона встановлена на міцному фундаменті, піднятому над нульовим рівнем на певну висоту. Верхня, жаростійка частина основи називається пнем. Верхівка фундаменту має горизонтальний майданчик - ляща, яка приймає на себе всі динамічні та температурні навантаження, у зв'язку з чим має водяне охолодження. Пекти зовні захищена міцним металевим кожухом, товщина якого становить 4-6 см.

Внутрішня частина печі є конусоподібною вежею, що складається з декількох ділянок:

Шахта (чи тахта). Конусоподібна частина вежі, що потроху розширюється донизу.
Розпар. Найширша (середня) частина вежі, в якій відбувається початок процесів шлакоутворення та плавлення сировини. Температура у цій ділянці становить від 1400°.
Заплічники. Відносно коротка ділянка у вигляді конуса, що звужується у нижній частині. У ньому відбувається остаточне плавлення металу. Температура у цій ділянці становить 1600–1900°.
Горн. Нижня частина вежі, де розташовані отвори для подачі повітря (фурми). Там же розташовуються чавунні та шлакові льотки (отвори для випуску чавуну та шлаку). Днище горна – це верхня частина фундаменту (ляща).

За допомогою засипного апарата в колошник подаються шихта та флюс. У міру розплаву та виведення чавуну та шлаку матеріали опускаються вниз, а їх місце займають нові порції. Гази, що утворюються під час протікання хімічних процесів, виводяться за допомогою трубопроводів, що розміщені в колошниковій частині вежі. Вони мають високу температуру і використовуються для нагрівання свіжого потоку, що надходить додому для наддуву. Нагрівання проводиться в кауперах - установках, що здійснюють забір свіжого повітря, нагрівання в теплообмінних пристроях та подачу гарячого повітря в піч.

Схеми доменної печі

Пристрій доменних печей і виробничий процес виплавки майже однакові в усіх країнах і важливих відмінностей немає. Але є різні схеми несучих конструкцій, що мають власні особливості і специфіку.

Особливості схем різних конструкцій печей

Шотландська схема (а). Колошник встановлений на спеціальні несучі конструкції, які називаються основними колонами. Як правило, їхня кількість відповідає числу фурм. Це робиться для зручності роботи та обслуговування отворів повітря. Якщо використовувати інші варіанти розміщення, то фурми доведеться розташовувати нерівномірно, що позначиться на режимі наддуву та загальній якості металу. Недоліком цієї схеми є можливість передачі вібрації з навантажувальних пристроїв на конструкцію печі. Крім того, існують труднощі у проведенні термінових ремонтних робіт чи реконструкцій. При цьому така піч обходиться дешевше і має меншу масу, що скорочує час будівництва.
Німецька (б). Колошник встановлений на власні опори (колони). Це покращує якість обслуговування горна, але створює можливість утворення надмірної напруги в зоні заплічників через навантаження від ваги башти. Посилення конструкції утворює проблеми з доступом до заплічників, що позначається на режимі та якості робіт.
Комбінована (в). У цьому варіанті схеми напруги на заплечиках знижені, але це зроблено за рахунок складнішого обслуговування ділянки горна. При цьому ця схема забезпечує високу міцність кожуха, який продовжує ефективно функціонувати навіть за наявності помітних тріщин. Така особливість схеми гідно оцінена фахівцями, які працюють на сировину з великим відсотковим вмістом цинку. Він утворює надмірний тиск на стіни вежі, збільшуючи частоту капітальних ремонтів.
Японська (г). Несучими конструкціями є 6 колон, забезпечених кронштейнами. Незважаючи на підвищену здатність, що несе, відзначаються помітні недоліки - дисбаланс навантажень збільшує вагу опор, діаметр повітроводу збільшений в порівнянні з іншими варіантами схем, що сприяє зростанню навантажень на фурмове обладнання. Додатковим недоліком є складність організації підлогового транспорту в зоні горна.
Американська (д). Схема відрізняється наявністю 4 несучих колон. Перевагами є знижена вібрація, що виникає під час роботи завантажувальних механізмів, а також значно покращений доступ до ділянки льоток та фурм.

Зазначені схеми розроблялися і вдосконалювалися в різних умовах, що й спричинило появу деяких відмінностей у конструкції. Проте всі вони цілком успішно експлуатуються і дають продукцію високої якості.

Доменна піч своїми руками

Самостійне виготовлення доменної печі на перший погляд здається безглуздою витівкою. Навряд чи комусь спаде на думку організувати на своїй ділянці мініатюрний металургійний цех. Причин цьому кілька:

Відсутність сировини. У світі залишилося всього 2 родовища з багатою рудою - у Бразилії та в Австралії. Купити котуни або агломерат практично неможливо - їх немає у вільному продажу, всі поставки йдуть через сировинні біржі та обчислюються тисячами тонн.
Отримати дозвіл на будівництво мініатюрного металургійного виробництва неможливо. Чорна металургія - джерело значних екологічних проблем, тому жоден чиновник не ризикне дати дозвіл на подібну витівку.
Сусіди завалять скаргами всі інстанції, оскільки постійний дим і чад зроблять їхнє життя нестерпним.

Вказані лише основні причини, насправді їх набагато більше. Використання доменної печі для металу в умовах приватного будинку виключено.

Однак якщо врахувати специфіку роботи домни, зокрема безперервний режим горіння, то можна використовувати її для обігріву приміщень. Це ефективне рішення для подачі тепла як у житлові, так і в службові приміщення - гараж, теплиці, допоміжні будівлі і т. д. На відміну від звичайної печі твердопаливної, де треба часто завантажувати паливо, а ККД досить низький, домна забезпечує рівне тління матеріалу протягом 15-20 годин. Це виходить завдяки обмеженому надходженню повітря, що не дозволяє паливу активно горіти і розтягує процес на тривалий термін.

Доменну піч можна зробити самостійно

Пекти зазвичай роблять з металевої бочки. Акуратно вирізують днище (воно ще знадобиться), встановлюють бочку на заздалегідь виготовлений фундамент. Вирізане коло посилюють відрізками швелера для надання більшої ваги - він придавлюватиме паливо, сприяючи компактному розміщенню та ефективному тлінню. Вирізають отвір під димар, зазвичай вистачає труби діаметром 10 см. Потім треба з листа металу вирізати кришку для бочки, так як днище вже використане як гніт для палива. Вирізається коло відповідного розміру, ретельно приварюється до бочки. У ньому також робиться отвір для труби. У нижній частині бочки вирізається отвір для дверцят, через який буде проводитись закладка палива. Під нею можна зробити додаткові дверцята для видалення золи.

Димохід приварюється зверху, довжина його прямої частини (до першого коліна) має перевищувати діаметр бочки (в ідеалі – набагато більше). При роботі піч сильно нагрівається, тому багато хто обкладає її цеглою або створює тепловідбивний екран. Оптимальний режим роботи знаходять досвідченим шляхом. Необхідно дотримуватись заходів пожежної безпеки, в ідеалі для такої печі треба виділити окреме приміщення без горючих предметів.

Відео: народження сталі

Доменна піч - одна з найстаріших та перевірених конструкцій. Її ефективність перевірена часом, технологічні прийоми та методики ретельно вивчені та відпрацьовані. Можливості домни такі, що експлуатація подібних пристроїв триватиме ще дуже довго, конструкції та технології удосконалюватимуться.

Чавун виплавляють у доменних печах, що являють собою шахтну піч. Сутність процесу отримання чавуну в доменних печах полягає у відновленні оксидів заліза, що входять до складу руди, газоподібними (СO, Н2) та твердим (С) відновниками, що утворюються при згорянні палива в печі.

Процес доменної плавки є безперервним. Зверху в піч завантажують вихідні матеріали (агломерат, котуни, кокс), а в нижню частину подають нагріте повітря і газоподібне, рідке або пилоподібне паливо. Гази, отримані від спалювання палива, проходять через стовп шихти і віддають їй теплову енергію. Шихта, що опускається, нагрівається, відновлюється, а потім плавиться. Більша частина коксу згоряє в нижній половині печі, будучи джерелом тепла, а частина коксу витрачається на відновлення та навуглерожування заліза.

Доменна піч є потужним та високопродуктивним агрегатом, у якому витрачається величезна кількість матеріалів. Сучасна доменна піч витрачає близько 20000 тонн шихти на добу та видає щодобово близько 12000 тонн чавуну.

Для забезпечення безперервної подачі та випуску такої великої кількості матеріалів необхідно, щоб конструкція печі була простою та надійною в роботі протягом тривалого часу. Доменна піч зовні укладена у металевий кожух, зварений із сталевих листів товщиною 25 – 40 мм. З внутрішньої сторони кожуха знаходиться вогнетривка футеровка, що охолоджується в нижній частині печі за допомогою спеціальних холодильників, що закладаються, - металевих коробок, усередині яких циркулює вода. У зв'язку з тим, що для охолодження печі потрібна велика кількість води, на деяких печах застосовують випарне охолодження, сутність якого полягає в тому, що холодильники подають води в кілька разів менше, ніж при звичайному способі. Вода нагрівається до кипіння та інтенсивно випаровується, поглинаючи при цьому велику кількість тепла.

Внутрішнє обрис вертикального розрізу доменної печі називають профілем печі. Робочий простір печі включає:

колошник;
шахту;
розпар;
заплічики;
горн.

Колошник

Це верхня частина доменної печі, через яку здійснюється завантаження шихтових матеріалів та відведення доменного чи колошникового газу. Основною частиною колошникового пристрою є засипний апарат. На більшості доменних печей встановлено двоконусні завантажувальні пристрої. У звичайному положенні обидва конуси закриті та надійно ізолюють внутрішній простір печі від атмосфери. Після завантаження шихти у приймальну лійку малий конус опускається і шихта падає великий конус. Малий конус закривається. Після того, як на великому конусі буде набрано задану кількість шихти, великий конус опускається при закритому конусі малому і шихта висипається в піч. Після цього великий конус закривається. Таким чином, робочий простір доменної печі постійно герметизований.

Шихтові матеріали зазвичай подаються на колошник печі з одного боку. В результаті, у вирві малого конуса утворюється укіс. Тривала робота доменної печі з перекосом рівня шихти неприпустима. Для усунення цього явища приймальна лійка і малий конус зроблені обертовими. Після завантаження шихти вирва разом з конусом повертається на кут кратний 60, завдяки чому після розвантаження кількох подач нерівномірність повністю усувається.

На сучасних печах можуть встановлюватися складніші за конструкцією засипні апарати. Замість великого конуса встановлюється жолоб, що обертається, кут нахилу якого може регулюватися. Така конструкція дозволяє змінювати місце подачі матеріалів діаметром колошника.

У процесі доменної плавки утворюється велика кількість газу, що відводиться з колошникової частини печі. Такий газ називають колошниковим. Газ містить горючі складові ЗО і Н2 і тому використовується як газоподібне паливо в металургійному виробництві. Крім того, проходячи через стовп шихти, газ захоплює дрібні частинки залізовмісних матеріалів, утворюючи так званий колошниковий пил. Пил уловлюється в спеціальних газоочисниках і використовується як добавка до шихти при агломерації або отриманні котунів.

Шахта

Перед шахти припадає більшість загальної висоти та обсягу печі. Профіль шахти, що є усіченим конусом, що розширюється до низу, забезпечує рівномірне опускання і розпушування шихтових матеріалів. Значна висота шахти дозволяє здійснювати теплову і хімічну обробку матеріалів гарячими газами, що піднімаються.

Розпар

Це середня циліндрична частина робочого простору печі, що має найбільший діаметр. Розпар створює деяке додаткове збільшення об'єму печі та усуває можливі затримки шихтових матеріалів.

Заплечики

Це частина профілю печі, розташована нижче розпару і являє собою усічений конус, звернений широкою основою до розпару. Зворотна конусність рюкзаків відповідає зменшенню обсягу матеріалів, що проплавляються при утворенні чавуну і шлаку.

Горн

Це нижня циліндрична частина печі, де здійснюються високотемпературні доменні процеси плавки. У горні відбувається горіння коксу та утворення доменного газу, взаємодія між рідкими фазами, накопичення рідких продуктів плавки (чавуну та шлаку) та періодичний їх випуск із печі. Горн складається з верхньої або фурменної частини та нижньої або металоприймача. Подіну металоприймача називають ляском.

У нижній частині горна розташовані чавунні та шлакові льотки, що є отворами для випуску чавуну і шлаку. Після випуску чавуну льотку закривають спеціальною вогнетривкою масою за допомогою так званої гармати, яка є циліндром з поршнем. Перед відкриттям чавунної льотки гармату заповнюють літковою вогнетривкою масою. Після закінчення випуску чавуну гармату підводять до льотки, і за допомогою поршневого механізму літкова маса видавлюється з гармати та заповнює літковий канал. Для розкриття чавунної льотки служить спеціальна бурильна машина, яка розсвердлює в літковій масі отвір, яким випускають чавун.

Шлакові льотки розташовуються на висоті 1500 - 2000 мм від рівня чавунної льотки і закриваються за допомогою шлакового стопора, що є сталевим штоком з наконечником. Чавун і шлак, що виходять з доменної печі, направляються по жолобах у чавуновозні та шлаковозні ковші. В даний час шлак в основному випускається разом з чавуном і відокремлюється від чавуну спеціальним пристроєм на жолобі печі.

Шлак, що випливає з доменної печі через чавунну льотку, відокремлюється від чавуну на жолобі печі за допомогою розділової плити і перевалу, що виконують роль гідравлічного затвора. Чавун, що має високу щільність, проходить у зазор під розділовою плитою, а легший шлак відводиться в бічний жолоб.

За необхідності постачання чавуну іншим підприємствам його розливають у зливки (чушки) масою 30 – 40 кг на спеціальній машині розливу.

У верхній частині горна на відстані 2700 – 3500 мм від осі чавунної льотки по колу горна з рівними проміжками встановлюються повітряні фурми, через які подають у піч нагріте до 1100 – 1300 °С дуття, а також природний газ та інші паливні добавки (маз паливо). Кожна доменна піч забезпечується дуванням від повітродувки. Нагрів дуття здійснюється в повітронагрівачах регенеративного типу, коли під дією тепла спалюваного газу спочатку нагрівається насадка повітронагрівача з вогнетривкої цегли, а потім через неї пропускається повітря, що забирає тепло від насадки. У період нагрівання насадки в камеру горіння подається газ та повітря для його горіння. Продукти згоряння, проходячи через насадку, нагрівають її та йдуть у димар. У період нагрівання дуття холодне повітря надходить у нагріту насадку, нагрівається, а потім подається в доменну піч. Як тільки насадка охолола настільки, що повітря не може бути нагріте до заданої температури, його переводять на наступний повітронагрівач, а остиглий ставлять на нагрівання. Насадка повітронагрівача охолоджується швидше, ніж нагрівається. Тому блок воздухонагревателей доменної печі складається з 3 – 4 апаратів, у тому числі один нагріває повітря, інші розігріваються. Профіль доменної печі характеризується діаметрами, висотами та кутами нахилу окремих елементів. Розміри деяких печей наведено у таблиці 1.

Таблиця 1 – Розміри печей

Розміри, мм	Корисний об'єм печі, м3
Розміри, мм	2000	3000	5000
Діаметр:
горна	9750	11700	14900
розпару	10900	12900	16300
колошника	7300	8200	11200
Висота:
повна	32350	34650	36900
корисна	29200	32200	32200
горна	3600	3900	4500
шахти	18200	20100	19500

Розміри кожної частини печі повинні бути ув'язані між собою і перебувати у певних співвідношеннях із розмірами інших частин печі. Профіль печі має бути раціональним, за якого забезпечуються найважливіші умови доменного процесу:

плавне та стійке опускання шихтових матеріалів;
вигідне розподіл зустрічного газового потоку;
сприятливий розвиток процесів відновлення та утворення чавуну та шлаку.

Основними величинами, що характеризують розміри робочого простору, є корисний об'єм печі та корисна висота. Вони включають висоту та об'єм, заповнені матеріалами та продуктами плавки. При визначенні цих параметрів верхній рівень береться позначка нижньої кромки великого конуса засипного пристрою в опущеному положенні, а нижнім рівнем є рівень осі чавунної льотки.

Призначення доменної печі – здійснення процесів виплавки феросплавів та чавуну. Для цих матеріалів використовується залізорудне сировину. Історія походження назви такого обладнання сягає корінням у 14 століття. Термін «доменна» виник від слова дуття. Перші печі з'явилися в Європі, а потім, вже після 16 століття, прийшли до Росії.

Пристрій доменної печі виглядає так: піч встановлена на фундаменті, а зовні її покриває сталевий кожух. Фундамент досить високий, його поверхнева, жаростійка частина називається пнем. Кожух зазвичай має товщину від 4 до 6 см, усередині нього, вздовж стінок, знаходяться вогнетривкі вироби. На верхівці фундаменту викладена ляща, що піддається гідростатичному тиску маси, що виплавляється, і впливу високих температур. Кладки ляща, що знаходяться всередині кожуха, оточують спеціальні холодильники. Вони представлені чавунними плитами зі змійовиками, якими здійснюється циркуляція води.

Устаткування незамінне в чорній металургії

Виробництво доменних печей - одне з нелегких завдань у галузі металургії. Але в той же час ця конструкція налічує вже не одне сторіччя. З розвитком науково-технічного прогресу конструкція печі трохи видозмінилася, стали додаватися елементи та деталі, що дозволяють набагато прискорити виробничий процес. Крім того, багато складних для здійснення контролю режимів у сучасних печах автоматизувалися.

Робота доменної печі – важлива складова сучасної чорної металургії. У сучасному виробництві застосовується лише устаткування із високим рівнем продуктивності. Крім того, прогресивні доменні печі оснащені системами автоматики. Роль автоматики у тому, щоб регулювати, контролювати й реєструвати основні показники робочих операцій із виплавці. Сучасна піч може контролювати рівень, на який засипана шихта, подачу руди, температуру дуття та тиск газу.

Продуктивність таких печей зростає, можна сказати, у ногу з часом. Удосконалення системи виплавки дозволяють збільшити продуктивність обладнання у кілька разів.

Схема доменної печі дає візуальне поняття принципу роботи. Тут можна спостерігати, як змінюється конструкція обладнання у місцях підвищеного температурного режиму. Також з урахуванням схеми можна побачити, де засипаються складові сировини і до якого рівня.

Процеси в доменній печі відбуваються у строго встановленому порядку. Сама піч має вертикальну форму, яку можна порівняти з шахтним типом. Висота може трохи відрізнятися, але не перевищує 35 м. Діаметр споруди, як правило, у 2,5 – 3 рази менший. Процес протікає у певній послідовності. Спочатку відбувається відновлення заліза. Потім відновлюються інші елементи - фосфор, сірка та інші. Шлак, що утворюється, вже істотно змінив свої складові, стікає вниз і накопичується в області горна. Саме хімічним складом шлаку визначається склад чавуну.

Принцип роботи обладнання

Принцип роботи доменної печі виявляється у кілька фізико-хімічних операціях. Наявність цих операцій визначається температурною областю самої печі та завантаженістю матеріалу. Загалом можна виділити такі процеси:

процес розкладання вапняку, в результаті якого утворюється вугільний ангідрид та окис кальцію;
відновлення заліза та інших елементів;
навуглерожування заліза;
металоплавлення;
виникнення та плавлення шлаку;
згоряння палива та інші.

Повітронагрівач доменної печі - апарат, в якому відбувається попереднє нагрівання повітря. Потім це повітря подається у піч. Раннє обладнання для виплавки чавуну не мало такого елемента, як повітронагрівач. Розробка пристрою дозволила набагато зменшити витрати палива.

Шихта в сучасному розумінні – це суміш коксу, залізорудного агломерату та офлюсованої сировини. Перед процесом плавки шихта проходить спеціальну підготовку. Спочатку вона дробиться, потім просівається. Після просіювання великі шматки вирушають повторне дроблення.

Результатом процесу горіння стає підвищення температури. Вища температурна точка може досягати значення понад 2000 градусів за Цельсієм. Процеси відбуваються під тиском гарячих газів. При підйомі ці гази остигають до 300-400 градусів у кокошника.

Призначення печей

Виробництво чавуну у доменній печі є важливою галуззю діяльності чорної металургії. Ця робота вимагає не тільки необхідності використання спецобладнання, а й ретельного дотримання певних технологій. Виплавка проводиться у доменній печі з порожніх порід та рудної речовини. У ролі рудної речовини може бути червоний, бурий, шпатовий, магнітний залізняк або марганцеві руди.

Відновлення заліза – один з основних етапів виробництва чавуну. В результаті цього процесу залізо набуває твердості. Далі його опускають у розпар, який сприяє розчиненню вуглецю в залізі. Таким чином, відбувається утворення чавуну. Саме в гарячій частині печі починає плавитися сам чавун, повільно стікаючи до нижньої частини.

Принцип роботи доменної печі залежить від цього громіздкого пристосування. Існують печі коксові та деревокутовими. Перші працюють на коксі, другі, відповідно – на деревному вугіллі. Шахтна піч розрахована на безперервний принцип дії. Форма даного обладнання є двома конусами, складеними широкими сторонами основами. Між цими конусами розташована частина печі, що має циліндричну форму - розпар.

Індустріальна доменна піч, звана плавильною, призначена для перекладу матеріалу, що обробляється, з одного стану в інший. Так, твердий стан поступово, під впливом температури, що перевищує температуру плавлення, перетворюється на рідке. Матеріал, доведений до рідкого стану, може перебувати у зваженому положенні, а також у кристалізаторі, тиглі, горні шахти або ванні на подині. Індустріальні доменні печі застосовуються з метою виробництва металів із руд. Саме в них проходять ще процеси виплавки кольорових металів та сталі, варіння скла та інших.

Ремонт доменних печей можна проводити кількома способами. Основні ремонтні роботи проводяться в міру потреби або у зв'язку з плановим капітальним ремонтом. Саме в цей період безперервний процес роботи припиняється. Капітальний ремонт поділяється на три види розрядів. За першим ремонтним розрядом слід випускати з горна рідкі продукти плавки повністю та проводити ретельний огляд всього обладнання. Другий розряд позначає середній ремонт із заміною деяких елементів. Третя категорія ремонту передбачає зміну засипних пристроїв та виправлення колошникового захисту.

Оновлено:

2016-08-18

Доменна піч – це незамінне обладнання у металургійних процесах. Такі печі з'явилися досить давно, і вони дозволяли плавити залізорудну сировину, перетворюючи її на різні предмети побуту, військового озброєння та ін. Як виглядає доменна піч сьогодні і що являє собою даний агрегат? Про це у нашому матеріалі.

Фото доменної печі

Доменна піч налічує багатовікову історію. Вперше такі агрегати з'явилися на території Європи в 14 столітті.

Тільки через кілька століть, у 16 столітті, доменні печі дісталися території Росії.

У грубках процес плавлення чавуну здійснюється безперервно. Зверху грубки завантажується сировина для плавки, а знизу передбачені системи для подачі палива та кисню. При нагріванні металева руда плавиться.

При високій продуктивності, печі відрізняються досить простою конструкцією та відмінною надійністю. Тільки за таких умов можна досягти бажаного результату від роботи обладнання.

Але як влаштована сучасна доменна грубка?

Конструкція є значним за розмірами пристрій, висота якого може досягати 30 метрів і більше;
Діаметр пристрою приблизно втричі менший;
Стінки пічки виконують з шамоту, або використовують інші матеріали з відмінними вогнетривкими характеристиками;
Нижню частину горна і основу виготовляють із вуглецевих блоків, які відрізняються високим ступенем вогнетривкості. Щоб вогнетривкі характеристики знаходилися завжди на високому рівні, передбачені металеві холодильники, якими здійснюється циркуляція води;
Зовні обладнання укладено в сталевий кожух товщиною 40 мм;
За рахунок високотехнологічного підходу та можливостей сучасної техніки доменні пічки досягають маси в кілька десятків тисяч тонн;
Величезна вага близько 30 тисяч тонн потребує відповідного фундаменту;
Фундамент складається з бетонної плити товщиною 4 метри та закріпленої на ній колони та монолітного циліндра. Для їх виготовлення використовується спеціальний жароміцний бетон;
Поверх фундаменту монтується горн доменної пічки;
Піч, призначена для плавки сировина, відрізняється значним обсягом, оскільки при збільшенні розмірів економічність обладнання покращується;
Найбільші моделі доменних печок відрізняються корисним об'ємом близько 3 тисячі кубометрів;
Вгорі горна монтуються спеціальні фурми, необхідних подачі повітря. Їх буває встановлено трохи більше 36 одиниць;
Для роботи доменної печі потрібна величезна кількість повітря. Для задоволення потреб пічки застосовуються турбовоздуходувки;
За нагрівання повітря відповідає повітронагрівач, який є необхідним елементом конструкції;
Сучасні печі здатні працювати без перерв протягом 10 років. При завантаженні сировини на виході виробник отримує чавун;
Завантажується сировина калошами - це спеціальні вивірені порції, з якими ідеально справляється доменна піч;
За добу доменка здатна виготовити близько 5 тисяч тонн чавуну;
Процеси завантаження та підготовки механізовані;
Щоб досягти якісної плавки чавуну, конструкцією доменної пічки передбачаються певні допоміжні механізми для завантаження, підйому сировини, що використовується.

Особливості роботи

З конструкцією та деякими особливостями доменної печі ми познайомилися. Тепер необхідно розібратися у технологічних процесах, які протікають у цьому промисловому устаткуванні.

Вихідною сировиною виступають рудні речовини. Це може бути будь-який вид залізняку або руди, в якій міститься марганець.
Доменна піч - це пристрій для отримання чавуну, його виплавки із відповідної сировини.
Завантажуючи матеріали в піч, важливо дотримуватись певних пропорцій. Правильно підібрана за пропорціями суміш називається шихтою. До її складу включено руду, флюс та кокс.
Головним етапом процесу виробництва чавуну є відновлення заліза. Отримане методом розпару залізо, де розчиняється вуглець, доменна піч видає чавун.
У найвищих температурних точках доменки чавун починає плавитися.
За рахунок продуманої схеми роботи доменної печі процес горіння є безперервним. Підтримується горіння порціями повітря, що правильно подаються.
Попередньо повітря нагрівається до необхідних температур, передбачених технологіями процесу виплавки. При подачі холодного повітря піч не підігрівалася, а остигала б. Це призвело б до повільнішого протікання процесу виплавки виробів.
Спеціальна труба забезпечує видалення продуктів згоряння.
На виході доменні печі видають чавун у рідкій формі, який випускають назовні через спеціальні отвори у нижній частині конструкції.
Великий ківш захоплює розплавлений чавун, транспортує його до цехів для подальшої обробки.
Переробка рідкого чавуну на сталь перестав бути обов'язковим етапом технологічного процесу. Все залежить від того, на які завдання орієнтоване металургійне підприємство, яке використовує доменні печі.
Залишки переробленої сировини не йдуть на звалище. Вони виходять із печі через відповідні пристрої. Їх називають шлаковими льотками. Дані відходи служать подальшого виробництва будматеріалів.

Особливості обслуговування та ремонту

Оскільки доменні печі працюють безперервно, до їх технічного обслуговування необхідно підходити особливо уважно.

Мета обслуговування - не допустити передчасного зносу. І тому відповідальні обслуговування осіб повинні суворо спиратися на технічний паспорт, наданий виробником їх печей;
За наявності на виробництві спеціалізованих правил експлуатації конкретної доменної печі всі заходи з обслуговування здійснюються строго на їх основі;
За відсутності переліку правил спиратися слід на інші директивні матеріали;
Періодичні ремонтні заходи здійснюються у разі виникнення несправностей. При цьому процес виробництва чавуну в доменній печі не повинен зупинятися;
Винятком є капітальний ремонт, за необхідності проведення якого доменну піч зупиняють.

Існує три типи капітального ремонту.

Ремонт першого розряду В цьому випадку з горна необхідно витягти всю сировину, провести візуальний огляд обладнання, що бере участь у технологічних процесах.
Ремонт другого розряду Передбачає заміну елементів, які мають вторинну роль конструкції доменної печі.
Ремонт третього розряду. Має на увазі повністю заміну агрегатів, які необхідні для завантаження сировини та дозування вихідних матеріалів.

Нерідко доменні пічки зупиняють, щоб провести ремонтні роботи та додатково здійснити модернізацію обладнання. Так виробник скорочує періодичність простою обладнання, втрачаючи менше грошей.

Доменні печі – це унікальні пристрої, які вражають своїми габаритами та можливостями.

Продуктивність визначається розмірами печі. Максимальна потужність спостерігається за обсягом печей шахтного типу 2-5 тис. куб. м. Їх діаметр становить 11-16 м, висота - 32-37 м.

Схема домни

Шахтна піч складається з наступних елементів:
колошника;
шахти;
розпару;
заплічиків;
горна;
ляща.

Колошник– один із елементів робочого простору, на якому передбачається певний рівень матеріалів, що розподіляються за перерізом шахти.

Шахта- Циліндрічна частина домни, де підтримується температура, достатня для плавлення шихти. У цій частині печі відбувається відновлення заліза.

Розпар- Найбільш широка ділянка конструкції, призначена для основних процесів плавлення. Нижче знаходяться заплічники, що сприяють перегріву та переміщенню розплаву та шлаку на наступну ділянку конструкції.

Горн розміщується над ляском, яка є кладкою, виконаною із застосуванням шамотної цегли. Горн є частиною печі, де збираються і . Між заплечиками і гірником знаходяться фурми для подачі гарячого (повітря, збагаченого киснем) та природного газу.

Принцип роботи

Шихта піддається за допомогою скіпового витягу і потрапляє у приймальну лійку. Склад шихти представлений вапняком, коксом, офлюсованим агломератом та рудою. Можливе додавання котунів.
Конуси колошника (великий та малий) працюють по черзі, передаючи суміш матеріалів у шахту. У процесі роботи домни відбувається поступове надходження шихти. Нагрівання здійснюється в результаті горіння коксу, що супроводжується виділенням тепла.

Температура гірничого газу знаходиться в межах від 1900 до 2100 градусів за Цельсієм. До його складу входять N 2 H 2 і CO. Під час руху в шарі він не тільки сприяє її нагріванню, а й запускає процеси відновлення заліза. Висока температура газу досягається за рахунок високої температури повітря, що знаходиться в повітронагрівачах (1000-2000 градусів).
Газ температурою 250 - 300 градусів, що надходить із печі, колошниковий, після видалення пилу – доменний. Найнижча теплота згоряння доменного газу відповідає 3,5 - 5,5 МДж/м 3 . Склад буває різним, визначається в результаті подачі природного газу та збагачення дуття киснем, представлений такими речовинами:

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

В основному газ необхідний для надання певної температури насадок доменних повітронагрівачів. У поєднанні з природним або коксовим газом його застосовують для різних печей, у т. ч. термічних та нагрівальних.
Залізо, що надійшло в нижню частину домни, піддається плавленню і накопичується в горні у вигляді чавуну. Рідкоструминний шлак утворюється з оксидів , заліза, з'єднаних з , і залишається на поверхні чавуну, тому що має меншу щільність.

Періодично чавун та шлак виходять через відповідні льотки – чавунну, шлакову. У випадках, коли кількість шлаку незначна, використовується лише чавунна льотка. Відділення шлаку відбувається на розливному майданчику. Температура чавуну у рідкому вигляді знаходиться в межах від 1420 до 1520 градусів.

Висока продуктивність доменної печі досягається за рахунок наявності потужних повітронагрівачів, що є теплообмінниками регенеративного типу. Нерідко повітронагрівачі домни називають кауперами на честь їхнього творця.
Каупер - вертикально розташований кожух у формі циліндра, створений з листової та насадки з цегли. Камера горіння повітронагрівача, а саме – її нижня частина, складається з пальника та повітропроводу гарячого дуття. У піднасадочному просторі застосовані клапани, що дозволило забезпечити з'єднання з відведенням до димового борову та повітропроводом холодного дуття.

Сучасний варіант шахтної печі виготовляється з чотирма кауперами, що працюють поперемінно: нагрівання насадки одного з двох кауперів відбувається за рахунок надходження нагрітих до високої температури димових газів, через третій каупер проникає повітря, що нагрівається. Четвертий каупер є резервним.

Тривалість дуття становить 50-90 хвилин, потім охолоджений каупер нагрівається, дуття здійснюється наступного гарячого каупера. При розігріві працює пальник, димові гази без перешкод проникають у димовий борів через відкритий клапан. У цей час клапани, що знаходяться на повітропроводах гарячого та холодного дуття, закриті.
В результаті спалювання палива утворюються продукти горіння, які переміщуються вгору і надходять з камери горіння в підкупольний простір, потім опускаються та нагрівають насадку. Тільки після цього продукти палива, що мають температуру 250-400 градусів, надходять до димаря через димовий клапан.

Під час дуття відбувається зворотний процес: димовий клапан закритий, пальник не працює, при цьому клапани, встановлені на повітропроводах гарячого, холодного дуття, відкриті. Холодне дуття в піднасадковий простір подається під тиском 3,5-4 ат, потім переміщається через розігріту насадку і в нагрітому вигляді через камеру горіння проходить в повітропровід гарячого дуття, звідки подається в піч.

У певних умовах можуть відбуватися зволоження дуття та збагачення азотом чи киснем. При використанні азоту вдається економно витрачати та контролювати процес плавлення у доменній печі. Економія коксу можлива і в результаті збагачення дуття киснем до 35-40% при поєднанні з природним газом. Шляхом підвищення вологості до 3-5% вдається отримати більш високу температуру нагрівання дуття в каупері. Такі результати досягаються завдяки інтенсифікації променистого теплообміну насадці.

Висота кауперів становить близько 30-35 м, діаметр – не більше 9 м. Верхню та нижню частини насадки виконують з динасової або високоглиноземистої цегли та вогнетривкої відповідно. З насадкової цегли, що має товщину 40 мм, створюють комірки 4545, 13045, 110110 мм. У доменних печах застосовуються й інші насадки, а саме насадки, що складаються з блоків з шістьма гранями, з горизонтальними проходами і круглими осередками. Також використовуються насадки, основа яких – високоглиноземні кульки.

На кожен кубічний метр об'єму цегляної насадки передбачена приблизна поверхня нагріву 22-25 кв. м. Об'єм домни в 1-2 рази більший за об'єм насадки каупера. Наприклад, за обсягом печі 3000 куб. м об'єм каупера становитиме близько 2000 куб. м (3000/1,5).

Найпоширенішими є каупери, що оснащені вбудованою камерою горіння. Серед їх основних недоліків – надмірне нагрівання склепіння, деформація камери горіння внаслідок тривалої роботи печі. Пальник каупера буває виносний, а також камера горіння може розташовуватися під куполом. За наявності виносного пальника забезпечуються висока стійкість та зручність, але ціна таких пристроїв є найвищою. Каупери, оснащені підкупольною камерою горіння, найдешевші, але процес експлуатації складніший, тому що пальник і клапани розташовані досить високо.

У процесі дуття температура, до якої нагрівається повітря (1350-1400 градусів), поступово зменшується та знаходиться в межах від 1050 до 1200 градусів. При використанні домни, яка працює стаціонарно, таких перепадів уникають шляхом регулювання температури. Потрібні показники з'являються внаслідок додавання холодного повітря, що надійшло з повітропроводу холодного дуття. Знижується температура дуття до 1000-2000 градусів, а разом із нею і вміст холодного повітря у суміші.

Орієнтовний матеріальний баланс отримання чавуну у домні

Розглянемо тепловий баланс виплавки 1 кг чавуну. При складанні балансів враховуються агломерат, чавун, шлак і доменний газ.

Окатиші: оксид заліза (III) – 81 %, діоксид кремнію – 7 %, оксид кальцію – 5 %, оксид заліза (II) – 4 %, оксид та оксид – 1 %, оксид марганцю – 0,3 %, оксид фосфору – близько 0,09%, сірка – близько 0,03%.

Агломерат: оксид заліза (III) – 63 %, оксид заліза (II) – 16 %, оксид кальцію – 10 %, діоксид кремнію – 7 %, оксид алюмінію – 2 %, оксид магнію та оксид марганцю – 1 %, оксид фосфору – близько 0,25%, сірка – близько 0,01%.

Чавун: залізо – 94,2 %, вуглець – 4,5 %, марганець – 0,7 %, кремній – 0,6 %, сірка – близько 0,03 %.

Шлак: оксид кальцію – 43 %, діоксид кремнію – 36 %, оксид алюмінію – 10 %, оксид магнію – 7 %, оксид марганцю – 2 %, оксид заліза (II) та сірка – 1 %.

Доменний газ: азот – 44 %, – 25,2 %, вуглекислий газ – 18 %, водень – 12,5 %, метан – 0,3 %.

Зробимо аналіз витрати палива внаслідок застосування офлюсованого агломерату. Витрати палива визначаються, виходячи з витрати природного газу і коксу (510-560 кг у. крім виходу доменного газу (170-210 кг у.т./т металу). У результаті загальна витрата виглядає так: 535 + 95 - 190 = 440 (кг у. т. / Т сплаву).

Враховуючи те, що на виробництво коксу та агломерату вже пішла певна кількість палива (близько 430-490 кг на 1 т сплаву та 1200-1800 кг на 1 т сплаву відповідно), загальна витрата первинного палива, необхідного для отримання тонни сплаву, становить: 440 + 40 + 170 = 650 (кг у. т./т), з яких 170 і 40 кг у.

Продуктивність домни оцінюють за коефіцієнтом використання корисного обсягу (КВПВ). Показник розраховують як відношення корисного обсягу конструкції до виплавки чавуну протягом 24 годин. Для сучасних печей нормою є показник 043-075 куб. м добу./т. Чим нижче КВП, тим ефективніше використовується піч.
Логічне розглядати показник як відношення продуктивності до одиниці обсягу. Зручніше застосовувати показник питомої продуктивності домни (Пу = 1/КВПВ), значення якого становить 1,3-2,3 т (куб. м/добу).

Економія палива можлива за дотримання таких рекомендацій:

Підвищення тиску газу на колошнику до 1,5-2 атм (за рахунок зменшення обсягу газів вдається скоротити видалення колошникового пилу або збільшити витрати дуття);
застосування пилокутного палива в горні для економії близько 0,8 кг коксу на кілограм пилокутного палива;
підвищення температури, до якої нагрівається повітря в кауперах, зменшення витрати коксу;
застосування теплоти газів, що відходять, кауперів з метою підвищити температуру повітря і доменного газу до їх подачі в камеру горіння;
подача нагрітих відновлювальних газів так само, як у печах металізації (вдається знизити витрату коксу, можлива економія до 20 % палива);
застосування фізичної теплоти вогненно-рідких шлаків (вирішення цієї проблеми є перспективним, але поки що не реалізовано через періодичний вихід шлаків).