Описание и процессы
Устройство доменной печи
- 1
- Горячее дутьё
- 2
- Зона плавления (заплечики и горн)
- 3
- Зона восстановления FeO (распар)
- 4
- Зона восстановления Fe2O3 (шахта)
- 5
- Зона предварительного нагрева (колошник)
- 6
- Загрузка железорудных материалов, известняка и кокса
- 7
- Доменный газ
- 8
- Столб железорудных материалов, известняка и кокса
- 9
- Выпуск шлака
- 10
- Выпуск жидкого чугуна
- 11
- Сбор отходящих газов
Доменная печь представляет собой непрерывно действующий аппарат шахтного типа. Загрузка шихты осуществляется сверху через типовое загрузочное устройство, которое одновременно является и газовым затвором доменной печи. В домне восстанавливают богатую железную руду (на современном этапе запасы богатой железной руды сохранились лишь в Австралии и Бразилии), агломерат или окатыши. Иногда в качестве рудного сырья используют брикеты.
Схема доменного производства
- 1
- железная руда + известняк
- 2
- кокс
- 3
- лента конвейера
- 4
- колошник с аппаратом, предотвращающим уход доменного газа в атмосферу
- 5
- слой кокса
- 6
- слои известняка, оксида железа, руды
- 7
- горячий воздух (с температурой около 1200 °C)
- 8
- шлак
- 9
- жидкий передельный чугун
- 10
- шлаковый ковш
- 11
- чугуновоз
- 12
- циклон для очистки доменного газа от пыли перед сжиганием его в регенераторах 13
- 13
- регенераторы (кауперы)
- 14
- дымовая труба
- 15
- подача воздуха в регенераторы (кауперы)
- 16
- порошок угля
- 17
- коксовая печь
- 18
- резервуар для кокса
- 19
- газоотвод для горячего колошникового газа
Доменная печь состоит из пяти конструктивных элементов: верхней цилиндрической части — колошника, необходимого для загрузки и эффективного распределения шихты в печи; самой большой по высоте расширяющейся конической части — шахты, в которой происходят процессы нагрева материалов и восстановления железа из оксидов; самой широкой цилиндрической части — распара, в котором происходят процессы размягчения и плавления восстановленного железа; суживающейся конической части — заплечиков, где образуется восстановительный газ — монооксид углерода; цилиндрической части — горна, служащего для накопления жидких продуктов доменного процесса — чугуна и шлака.
В верхней части горна располагаются фурмы — отверстия для подачи нагретого до высокой температуры дутья — сжатого воздуха, обогащенного кислородом и углеводородным топливом.
На уровне фурм развивается температура около 2000 °C. По мере удаления вверх температура снижается, и у колошников доходит до 270 °C. Таким образом в печи на разной высоте устанавливается разная температура, благодаря чему протекают различные химические процессы перехода руды в металл.
В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количество тепла.
C+O2=CO2+Q{\displaystyle \mathrm {C+O_{2}=CO_{2}+Q} }
Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода — главный восстановитель доменного процесса.
CO2+C=2CO{\displaystyle \mathrm {CO_{2}+C=2\,CO} }
Поднимаясь вверх, монооксид углерода взаимодействует с оксидами железа, отнимая у них кислород и восстанавливая до металла:
Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2{\displaystyle \mathrm {Fe_{2}O_{3}+3\,CO=2\,Fe+3\,CO_{2}} }
Полученное в результате реакции железо каплями стекает по раскаленному коксу вниз, насыщаясь углеродом, в результате чего получается сплав, содержащий 2,14 — 6,67 % углерода. Такой сплав называется чугуном. Кроме углерода в него входят небольшая доля кремния и марганца. В количестве десятых долей процента в состав чугуна входят также вредные примеси — сера и фосфор. Кроме чугуна в горне образуется и накапливается шлак, в котором собираются все вредные примеси.
Ранее шлак выпускался через отдельную шлаковую лётку. В настоящее время и чугун, и шлак выпускают через чугунную летку одновременно. Разделение чугуна и шлака происходит уже вне доменной печи — в жёлобе, при помощи разделительной плиты. Отделенный от шлака чугун поступает в чугуновозные ковши, либо в ковши миксерного типа и вывозится либо в сталеплавильный цех, либо в разливочные машины.
Автоматизация доменного производства
Основные направлениями автоматизации и контроля в доменном производстве:
- Химический состав и физические свойства шихтовых материалов.
- Загрузка шихтовых материалов.
- Состояние верхней зоны печи (колошника)
- Состояние шахты печи.
- Параметры комбинированного дутья.
- Состояние нижней зоны печи (горна)
- Технико-экономические показатели плавки.
- Воздухонагреватели
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.
Сырье для производства чугуна
Технология производства чугуна предполагает использование соответствующего сырья, в качестве которого используются железные руды, топливо и флюсы в виде шихты. При доменной плавке также используется колошниковая пыль, окалина, мартеновский и сварочный шлак, содержащие железо, марганец, оксид кальция, оксид магния.
Железные руды, конечно же, являются основным сырьем при выплавке чугуна. Поскольку железо в земной коре в чистом виде не встречается, его извлекают из руд, богатых железом. В природе примерно 350 минералов содержат железо в том или ином количестве. Больше всего железа содержат магнетиты, гематиты и гетиты, которые еще называют магнитными, красными и бурыми железняками соответственно.
Магнитный железняк, как правило, находится в природе в виде крепкой кусковой породы, содержащей до 55-60% железа. Магнетит получил свое название за высокую магнитную восприимчивость, поэтому этот вид руды может обогащаться электромагнитным способом.
Гематит представляет собой безводную окись железа и является продуктом выветривания магнетитов. Красный железняк встречается в кусковатом или пылевидном виде. Процентное содержание железа в гематитах колеблется в районе 50-60%.
Гетит (лимонит) представляет собой водную окись железа. Бурый железняк формируется в природе при окислении железных руд других типов. Гетиты более всего распространены в земной коре, но из-за трудного процесса обогащения используются в незначительном количестве. Бурые железняки содержат от 25 до 50% железа, при этом состав руды варьируется даже в пределах одного месторождения.
Физико-химические основы доменного процесса
Важнейшим условием осуществления доменного процесса в рабочем пространстве печи является непрерывное противоточное движение и взаимодействие опускающихся шихтовых материалов, загружаемых в печь через колошник, и восходящего потока газов, образующегося в горне при горении углерода кокса и других углеводородсодержащих компонентов в нагретом до 1000-1200 °С воздухе (дутье), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его периметру фурмы. К дутью могут добавляться технический кислород, водяной пар, а также топливные добавки — природный газ, мазут, пылеугольное топливо, горячие восстановительные газы.
Под действием тепла восходящего газового потока кокс поступает в горн печи нагретым до 1400-1500 °С. В зонах горения у фурм углерод кокса взаимодействует с кислородом дутья по реакциям:
Ск + О2 → СО2 + 400,928 МДж,
Ск + 0,5О2 → СО + 117,565 МДж.
Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода химически неустойчив и превращается в оксид углерода по реакции:
СО2 + С → 2СО — 165,767 МДж.
Таким образом, за пределами зон горения горновой газ состоит только из оксида углерода, азота и водорода, образовавшегося при разложении водяных паров или природного газа. Смесь этих газов, содержащая 32-36% СО; 57-64 N2 и 1-10% Н2 и нагретая до 1800-2100 °С, поднимается вверх и передает тепло материалам, постепенно опускающимся в нижнюю часть печи вследствие выгорания кокса, перехода шихтовых материалов из твердого состояния в жидкое (образование чугуна и шлака) и периодического выпуска из доменной печи продуктов плавки. При этом газы, пройдя через столб шихтовых материалов, охлаждаются до 150-350 °С, а оксид углерода, отнимая кислород у оксидов железа и других металлов, превращается частично в диоксид углерода, содержание которого в доменном газе на выходе из печи достигает 14-20%. Кроме оксида углерода восстановителями являются водород и твердый углерод.
В процессе нагревания опускающихся шихтовых материалов происходит удаление из них влаги и летучих веществ кокса и разложение карбонатов. Оксиды железа под действием восстановительных газов СО и Н2, а при температуре свыше 1000 °С и твердого углерода кокса, постепенно переходят от высших степеней окисления к низшим, а затем в металлическое железо по схеме Fe203 → Fe304 → FeO → Fe.
Свежевосстановленное железо заметно науглероживается еще в твердом состоянии. По мере науглероживания температура плавления его понижается. Науглероженное железо с некоторым количеством кремния, марганца и фосфора в виде капель стекает по кускам кокса (т. н. «коксовой насадке») в горн. При этом происходит дальнейшее его науглероживание, которое заканчивается в нижней части горна печи (в жидкой ванне), где содержание углерода в металле (чугуне) может превышать 4%.
В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы железосодержащих компонентов шихты и флюса (SiO , Аl2О3, CaO, MgO). Понижению температуры плавления шлака способствуют не восстановленные оксиды железа и марганца (FeO и МnО). В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляются вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса и его зола. При этом сера, поглощенная металлом в ходе плавки, переходит в шлак, образуя сульфид кальция CaS по реакции FeS + СаО → CaS + FeO, в результате чего содержание серы в чугуне снижается до 0,03-0,05%. Железо в доменной печи восстанавливается практически полностью (99,5%) и переходит в чугун, а степень восстановления кремния и марганца и полнота удаления из чугуна серы в большой мере зависят от температурных условий, химического состава шлака и его количества. Фосфор в доменной печи восстанавливается на 100% и полностью переходит в чугун. Таким образом, материалы, загруженные в доменную печь, претерпевают ряд физико-химических превращений, в результате которых получаются конечные продукты плавки — жидкие чугун и шлак.
Сырьевые материалы[править | править код]
Основные ингредиенты доменного процесса: кокс, окатыши, известняк
В качестве шихтовых материалов доменной плавки используются кокс, агломерат, окатыши, руда, известняк. Шихтовые материалы загружаются в доменную печь в кусках размером 40—60 мм. При использовании крупных кусков длительность протекания процессов восстановления и офлюсования увеличивается. Мелкие куски забивают проходы для газов и нарушают равномерное опускание материалов в доменной печи. Куски кокса, агломерата должны быть прочными, хорошо сопротивляться истиранию. Под действием веса столба шихты в шахте доменной печи непрочные материалы превращаются в мелочь и пыль, которые засоряют проходы между крупными кусками, ухудшая газопроницаемость столба шихты. Кокс и агломерат должны иметь достаточную пористость — это ускоряет сгорание топлива и восстановление оксидов железа. В шихтовых материалах должно быть минимальным содержание вредных примесей: фосфора, серы, мышьяка, свинца и др., которые переходят в состав чугуна, а из чугуна при его переработке — в сталь. Эти примеси отрицательно влияют на свойства готового металла.
Также все шихтовые материалы должны иметь однородный химический состав, например постоянное содержание железа в агломерате, золы в коксе, извести в известняке и т. д. Колебания химического состава нарушают нормальный ход доменной печи, приводят к повышенному удельному расходу материалов. При прочих равных условиях производительность доменной печи повышается при повышении содержания железа в сырье.
Доменный процесс
Общая схема доменной печи с обслуживающими системами дана на рис. Литейный двор – принадлежность небольших доменных печей, дающих в основном литейный чугун. Большие домны дают свыше 80% переделочного чугуна, который чугуновоз с разливочной площадки тут же увозит в конверторные, мартеновские или электроплавильные цеха для передела в сталь. Из литейного чугуна отливают в земляные формы-опоки, как правило, болванки – чушки – которые отправляются производителям металлоизделий, где переплавляются для отливки в изделия и детали в печах-вагранках. Чугун и шлак традиционно выпускаются через отдельные отверстия – летки, но домны новой постройки все чаще снабжаются общим летком, разделенным на чугунный и шлаковый жароупорной плитой.
Общая схема устройства доменной печи
В настоящее время запасов угля и коксовых печей при домнах, похоже, вовсе не осталось. Современная доменная печь работает на привозном коксе. Коксовый газ – смертельно ядовитый убийца экологии, но он же ценнейшее химическое сырье, которое нужно использовать немедленно, еще горячим. Поэтому коксохимическое производство давно уже выделилось в отдельную отрасль, а кокс металлургам поставляют транспортом. Что, кстати, гарантирует стабильность его качества.
Как работает домна
Непременное условие успешной работы доменной печи – избыток углерода в ней в течение всего доменного процесса. Термохимическую (выделена красным) и технико-экономическую схему доменного процесса см. на рис; выплавка чугуна в доменной печи происходит след. образом. Новую домну или реконструированную после капремонта 3-го разряда (см. ниже) заполняют материалами и разжигают газом; также разогревают один из кауперов (см. далее). Затем начинают дуть воздух. Сразу же усиливается горение кокса, повышающее температуру в домне, начинается разложение флюса с выделением углекислого газа. Его избыток в атмосфере печи при достатке вдуваемого воздуха не дает коксу догореть полностью, и в больших количествах образуется монооксид углерода – угарный газ. Он в данном случае не яд, а энергичный восстановитель, жадно отнимающий кислород у окислов железа, составляющих руду. Восстановление железа газообразным моноокислом, вместо менее активного твердого свободного углерода – принципиальное отличие домны от домницы.
Химические процессы и температура в разных зонах доменной печи
По мере сгорания кокса и распада флюса столб материалов в домне оседает. В общем доменная печь представляет собой два составленных основаниями усеченных конуса, см. далее. Верхний, высокий, это шахта домны, в ней железо из разнообразных окислов и гидроокиси восстанавливается до моноксида железа FeO. Самая широкая часть доменной печи (место сопряжения оснований конусов) называется распаром (распар, распара – неправильно). В распаре оседание загрузки замедляется, и железо восстанавливается из FeO до чистого Fe, которое выделяется каплями и стекает в горн домны. Руда как бы парится, потея расплавленным железом, отчего и название.
Температура в доменной печи в пределах столба загрузки растет от 200-250 градусов под колошником до 1850-2000 градусов в распаре. Восстановленное железо, стекая вниз, контактирует со свободным углеродом и при таких температурах сильно им насыщается. Содержание углерода в чугуне превышает 1,7%, но выколотить его, как из крицы, из чугуна невозможно. Поэтому полученный из домны чугун тут же, чтобы не тратить средства и ресурсы на его переплавку, увозят жидким для первого передела в обычную конструкционную сталь или слябы, а доменная печь, как правило (большие и сверхбольшие домны – исключительно), работает в составе металлургического комбината.
Историческая справка о доменной металлургии
Доменная металлургия – это один из важнейших процессов в производстве стали, который был развит в XIX веке. Доменная печь, которая использовалась для производства стали, была изобретена английским инженером Генри Кортем в 1783 году. Ранее широко использовалось одушевленное дунами уголь разных сортов, в форме бытового и технического угля.
Доменная печь, или просто домен, была усовершенствована в начале XIX века французским металлургом Пьером Бертоном. Основное изменение коснулось главным образом циклопической печи, в которой производился сам процесс. В начале XIX столетия в Поморде началось строительство первых безвоздушных и быстровозводимых доменных печей, созданных самим Бертоном. Их применяли в различных странах, в том числе в России с 1828 г. Домены стали использоваться для коммерческого производства стали, а также для преобразования железа в сталь.
Доменная металлургия имеет ряд особенностей и преимуществ. Доменный процесс позволяет получать сталь высокого качества, удалять примеси из железа и достигать нужных характеристик металла. Кроме того, доменная печь обладает значительной производительностью и низкой стоимостью производства стали. Это позволяет использовать доменную металлургию для массового производства стальных изделий и удовлетворить спрос на металлические конструкции.
Сегодня доменная металлургия остается одним из основных способов производства стали и имеет свое место в мировом рынке. Она по-прежнему используется во многих странах и позволяет производить сталь высокого качества с минимальными затратами.
Примечания[править | править код]
- ↑ , с. 216.
- , с. 26.
- , с. 8—9.
- , с. 9.
- , с. 9—10.
- , с. 26—27.
- , с. 90.
- , с. 64—65.
- , с. 80—82.
- , с. 81.
- , с. 361.
- , с. 208—209.
- , с. 359.
- , с. 41—55.
- , с. 217.
- , с. 69—75.
- , с. 219—220.
- , с. 222.
- , с. 273.
- , с. 273—274.
- , с. 134—138.
- , с. 39.
- , с. 292—296.
- Захаров А. Ф., Вечер Н. А., Леконцев А. Н. и . Качканарский ванадий / под. ред. В. И. Довгопола и Дуброва. — Свердловск : Средне-Уральское книжное издательство, 1964. — С. 102. — 303 с. — 2000 экз.
- , с. 172—173.
- , с. 479—515.
- , с. 295—344.
- , с. 757.
- , с. 758.
- , с. 764.
- , с. 766.
- ↑ Автоматизация металлургических печей / Каганов В. Ю. — М.: Металлургия, 1975. — с. 274.
- Климовицкий М. Д., Копелович А. П. Автоматический контроль и регулирование в чёрной металлургии. М., «Металлургия», 1967. с. 260
Строение домны
Производство чугуна — энергоемкий процесс, характеризующийся выделением большого количества тепла. Чтобы понять, что такое домна, стоит представить высокую конструкцию, достигающую 35 метров. Вес загруженной доменной печи может составлять 30 тысяч тонн. Такое сооружение требует основательного фундамента. Он закладывается в виде монолитного бетонного основания высотой до четырех метров. В месте, где планируется расположение горна печи, фундамент закладывается из огнеупорного бетона. Все конструкция печи поддерживаются колоннами.
Горн расположен в нижней части конструкции, на него приходится самый большой вес: выплавленный металл, шлаки и, собственно, вся домна. Печь разгружается через горн, и через него же с помощью специальных отверстий подается горячий воздух. К этой части домны предъявляются самые высокие требования по материалам изготовления, герметичности, огнеупорности, износостойкости.
Выше горна располагается рабочая поверхность, в которой происходит процесс технологического восстановления железной руды, еще выше расположена загрузочная шихта. Это упрощенное, схематичное описание устройства доменной печи, на самом деле это сложное высокотехнологичное сооружение со строго определенными функциями. Для чего нужна домна? В первую очередь для выплавки чугуна.
Мировое производство чугуна
Технологию производства чугуна впервые освоили китайцы, которые еще в 10 веке научились отливать монеты из чугуна. В 13-14 веке монголо-татары эпохи Золотой Орды пользовались котлами, изготовленными из чугуна.
Впервые применение чугуна в военном деле было зафиксировано во времена Столетней войны, когда французы наряду с бронзовыми пушками использовали и чугунные. В начале 15 века чугунные пушки появляются на английских кораблях, а на смену каменным ядрам приходят ядра, отлитые из чугуна. Первые чугунные пушки в России стали отливаться во времена Ивана Грозного.
Отливать чугун в России стали в начале 18 века. Первая партия чугуна была отлита в 1701 году на Урале, а менее, чем через столетие Россия стала мировым лидером по выплавке чугуна, производя 9908000 пудов чугуна в год, опережая по этому показателю Англию, Францию, Швецию и США. Однако, лидерство скоро перешло англичанам, которые к середине 19 века производили половину всей мировой выплавки чугуна. Но, к концу столетия американцы перехватили «пальму первенства» у англичан.
По данным World Steel Association в 2017 г. мировое производство чугуна составило 1,175 млрд. тонн.
Лидером по производству чугуна является Китай, на долю которого приходится более 60% мировой выплавки – 710, 8 млн. тонн. Далее идут Япония, Индия, Россия, Южная Корея.
Российские металлурги в 2017 году выплавили 51,6 млн. тонн чугуна.
Сущность процесса в доменной печи
Исходное сырьё (шихта из железосодержащих материалов, например, железорудных окатышей и агломерата), кокс и флюсы (например, известняк) спускается по шахте, где она предварительно нагревается и вступает в реакцию с восходящими восстановительными газами. Образуется жидкий расплав железа и шлаков, которые скапливаются в очаге.
Воздух, предварительно нагретый до температур от 900 ° до 1250 °C, вместе с впрыскиваемым топливом, например, нефтью или природным газом, вдувается в печь через несколько фурм (форсунок), которые расположены по окружности топки у верха очага. Количество таких форсунок может быть от 12 до 40 (на доменных печах большой мощности).
Предварительно нагретый воздух, в свою очередь, подается из нагнетательной трубы большого диаметра, которая окружает топку. Предварительно нагретый воздух бурно реагирует с горячим коксом, что приводит как к образованию восстановительного газа (монооксида углерода), который поднимается через печь, так и к очень высокой температуре около 1650 ° C, при которой происходит образование жидкого железа и шлаков.
Исходное сырье
Доменные печи производят чугун из железной руды за счет восстанавливающего действия углерода (подаваемого в виде кокса) при высокой температуре в присутствии флюс, например известняк.
Для производства передельного чугуна, а также для выплавки первичной стали в доменной печи используется три вида основного сырья:
- Предварительно подготовленная на агломерационной фабрике железная руда.
- Кокс – твёрдое вещество, которое осталось после нагревания угля в отсутствие воздуха. Кокс обычно содержит до 90% углерода.
- Известняк (CaCO3) или негашеная известь (CaO), которые периодически должны добавляться в доменную печь.
- Дробление.
- Обработку на грохотах – промышленном просеивающем оборудовании, которое разделяет фракции руды.
- Галтовку – придание руде вида геометрически соразмерных кусков.
- Флотацию – водную очистку от механических примесей, которая использует разность в показателях плотности компонентов.
- Магнитную сепарацию – отделение немагнитных примесей.
В составе исходного сырья обязательно присутствует ряд химических элементов. Главным среди них является углерод, который обеспечивает последующее повышение механических характеристик металла путем термообработки. Для производства стали требуется относительно небольшое количество углерода: до 0,25% для низкоуглеродистой стали, 0,25…0,50% для среднеуглеродистой стали и 0,50–1,25% для высокоуглеродистой стали. Сталь может содержать до 2% углерода, а сверх этого количества речь может идти уже только о чугуне, где избыток углерода образует графит.
В небольших количествах (0,03…1,0 %) при выплавке металла в домне используется марганец, который предназначается для удаления нежелательного кислорода и контроля содержания серы. Её трудно удалить из стали, а форма, которую она там принимает (сульфид железа, FeS), придаёт металлу хрупкость, являющуюся следствием роста размеров зёрен в структуре. Крупнозернистый металл ухудшает его ковкость и прокатку, особенно в условиях повышенных температур. Содержание серы в сталях обычно не превышает 0,05%.
Нежелательным компонентом любого вида сырья для домны является фосфор. Обычно его количество не превышает 0,04%, но он имеет тенденцию растворяться в чугуне, немного увеличивая прочность и твердость сплава.
В зависимости от условий дальнейшего применения в качестве сырья доменное производство использует легирующие добавки таких металлов, как хром, молибден, никель, алюминий, кобальт, вольфрам, ванадий и титан. Часто в состав сырья включают неметаллы, например, бор и/или кремний.