Устройство доменной печи. Доменный процесс.

Основные реакции, протекающие в доменной печи, можно представить простыми уравнениями.

1) Когда вдуваемый воздух приходит в контакт с коксом, последний горит, образуя газообразный оксид углерода (II).

2C + O₂ = 2CO

2) Этот газ является основным восстановительным агентом для оксида железа. Восстановление оксидов железа протекает ступенчато от высших окислов к низшим до элементарного железа:

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe

В результате образуется твердое, но пористое губчатое железо, которое затем плавится в нижней, более горячей части доменной печи (горне).

3) Чтобы отделить полученное железо от пустой породы, состоящей, главным образом, из силикатов, последние необходимо перевести в жидкую форму и удалить из печи. Для этого в печь вместе с рудой загружают флюс, содержащий известняк CaCO₃.

Известняк разлагается в верхней части печи соответственно реакции:

CaCO₃ = CaO + CO₂

образуя известь (CaO), необходимую для перевода силикатных примесей железной руды в жидкий шлак.

Силикаты, содержащиеся в железной руде, при взаимодействии с известью образуют расплавленный шлак.

Из сказанного выше вытекают основные требования к конструкции доменной печи. Конструкция должна обеспечивать:

1) непрерывную загрузку топливом, рудой и флюсом сверху;

2) непрерывную подачу воздуха и периодический отвод жидких продуктов в виде чугуна и шлаков снизу.

Печь должна быть достаточно высокой, чтобы успевали протекать необходимые химические реакции.

Обычно печь работает непрерывно до ее остановки для ремонта внутренней кирпичной кладки (футеровки).

Доменная печь представляет собой башню высотой до 36 метров, состоящую из двух усечённых конусов, между широкими основаниями которых расположен невысокий цилиндр – распар диаметром 12-16 метров.

Снаружи доменная печь заключена в металлический кожух, внутри выложена огнеупорным кирпичом. Толщина стенок домны увеличивается сверху вниз и в области горна достигает 1,5 м.

В доменной печи различают следующие части: колошник, шахту, распар, заплечики, горн и лещадь (дно).

Сверху печь закрывают засыпным аппаратом, который служит для герметичной загрузки сырья без выходов газов наружу.

Руда, топливо и флюс подаются скиповыми подъемниками – небольшими сосудами (скипами), движущимися на колесах по наклонным рельсам от нижних засыпных бункеров до верхней загрузочной площадки, где они автоматически опрокидываются, разгружаясь в приёмную воронку засыпного аппарата.

!!!! Сырьё загружают в печь отдельными порциями (колошами) через каждые 10-15 минут, по мере опускания шихты.

Цилиндрическая часть печи, которая служит для приёма шихты, называется колошником.

Ниже его находится основная часть печи – шахта, расширяющаяся к низу, чтобы вызвать разрыхление постепенно опускающейся шихты и тем самым обеспечить более полный контакт её кусков с поднимающимся вверх газом.

!!! Исходные материалы медленно движутся вниз, нагреваются и восстанавливаются.

Вслед за наибольшим расширением – распаром - домна суживается книзу – зона заплечиков, так как здесь объём шихты вследствие расплавления и сгорания отдельных компонентов её резко уменьшается.

!!! Восстановленное в области заплечиков и распара твёрдое губчатое железо, проходя зону высоких температур, насыщается углеродом, плавится и стекает в горн – нижнюю цилиндрическую часть печи.

Воздух, необходимый для горения топлива, подают в печь через специальные фурмы, в которые он поступает по воздухопроводу, опоясывающему горн. Вследствие того, что фурмы работают при высокой температуре, их непрерывно охлаждают водой.

Фурмы располагают на одинаковом расстоянии друг от друга по всей окружности печи.

!!!Это обеспечивает равномерную подачу воздуха по всему её сечению.

Недалеко от пода печи (лещади) находится окошко для выпуска чугуна (чугунная летка), а несколько выше – летка для шлака.

Шлак и чугун периодически выпускают через л е тки. Число л е ток на крупных печах достигает 10-18 штук.

Заделку леток огнеупорной массой и её пробивание выполняют специальными машинами с дистанционным управлением.

Для уменьшения выгорания футеровки её охлаждают специальными холодильниками.

 

 

ШЛАКООБРАЗОВАНИЕ. ПРОДУКТЫ ДОМЕННОГО ПРОИЗВ. РЕГРНЕРАТОРЫ(КАУПЕРЫ)

Образование шлака.

При доменной плавке одновременно с образованием чугуна при температуре около 1000ºС образуется шлак в виде различных силикатов, алюминатов и алюмосиликатов кальция, образовавшихся за счёт взаимодействия основных (оксиды кальция, магния, марганца и железа) амфотерных и кислотных оксидов (оксидов алюминия и кремния).

При температуре 1250-1350ºС шлаки плавятся и накапливаются в горне над расплавленным чугуном.

РЕГЕНЕРАТОРЫ.Эффективность доменной печи существенно повышается при использовании горячего дутья.

Воздух, необходимый для окисления углерода предварительно нагревается до температуры, которая может достигать 1000ºC, под избыточным давлением (1,5-3 МПа) Иногда воздух перед вводом в печь обогащают кислородом до 25% по объёму и увлажняют.

Нагревание осуществляется в кауперах, каждый из которых ненамного уступает в размерах самой доменной печи (Рис. 8.4):

Рис. 8.4. Схема доменного производства

Каупер – аппарат цилиндрической формы диаметром 6-9 метров и высотой до 45 метров, выложен огнеупорным кирпичом.

Внутренне пространство каупера разделено на две части: камеру сгорания (4) и камеру с насадкой (5) из огнеупорного кирпича в виде решётки со сквозными каналами.

Режим работы каупера

1) Газ, отводимый с верхнего конца доменной печи, содержит оксид углерода и другие газы, способные гореть. Этот газ по широким наклонным газоходам подводится к нижней части каупера, где, пройдя через пылевой фильтр, сжигается в камере горения.

2) Продукты горения поднимаются вверх, нагревая кирпичную насадку.

3) Когда насадка достаточно нагрета (1200-1300ºС), перекрывают подачу топлива и газа в камеру горения и включают воздуходувки, которые гонят воздух в фурмы доменной печи.

Для каждой доменной печи обычно предусматривают четыре каупера: два нагреваются, а два других подают горячее дутье. Потоки газа и воздуха периодически переключаются так, что непрерывно поддерживается заданная температура дутья.