Допоміжні пристрої доменної печі

До допоміжних пристроїв доменної печі відносяться газоочисники, повітронагрівачі, підйомні і завантажувальні пристрої.

Доменні, або колошникові гази, що виділяються під час плавки чавуну, містять значну кількість оксиду вуглецю і водню. Їх можна використовувати як паливо. Проте доменні гази забруднені пилом і перед використанням їх потрібно очистити. Для цього колошникові гази по трубах спрямовують в газоочисники.

Спочатку проводиться грубе очищення в пилоуловлювачах, де під дією відцентрової сили тверді частинки, що знаходяться в газі, відкидаються до стінок циліндра і падають, а після первинного очищення газ йде далі. Напівтонке очищення газу проводиться в скруберах, де назустріч газу подається вода, що змочує і захоплює тверді частинки. Тонке очищення здійснюється в електрофільтрах або трубах Вентурі.

Для горіння палива в доменну піч безперервно подається повітря. З метою зменшення витрат палива і підвищення продуктивності доменної печі повітря перед подачею в піч нагрівається до температури 900-1100 °С. Підігрів проводиться у повітронагрівачах - кауперах - за рахунок спалювання в них колошникового газу.

Каупер має циліндричну форму (висота 25-40 м, діаметр 6-8 м) з куполоподібним верхом. Всередині він викладений вогнетривкою шамотною цеглою і розділений на дві частини: камеру горіння і насадку з вогнетривкої цегли. Спочатку каупер працює на нагрів. В нього подається газ, змішаний з повітрям. Продукти горіння, проходячи через вертикальні канали насадки, нагрівають кладку до заданої температури і йдуть в димар.

Після нагріву насадки (1-2 години) повітронагрівач перемикають на дуття: припиняють подачу палива і турбоповітродувкою нагнітають холодне повітря, яке нагрівається до високої температури і по трубопроводу поступає в доменну піч. Тривалість режиму дуття ~1 година.

Звичайно кожна доменна піч має 3-4 повітронагрівачі.

Доменний процес

В основі виробництва чавуну лежить процес відновлення заліза з його оксидів (в руді залізо може бути у вигляді Fe₂O₃, Fe₃O₄). Відновники - оксиди вуглецю, вуглець коксу і водень, що утворюються в ході доменного процесу. В результаті фізико-хімічних процесів залізняк втрачає кисень. Відновлене залізо має здатність поглинати вуглець. В результаті утворюється сплав заліза з вуглецем (чавун).

Чавун, що утворюється в доменній печі, накопичується в горні. Він випускається періодично 6—8 разів на добу через чавунну льотку. Для цього в льотці спеціальними бурильними машинами пробивається отвір, і рідкий чавун по жолобу прямує в чавуновозні ковші. Після випуску чавуну чавунна льотка закладається вогнетривкою масою.

Шлак накопичується в горні на поверхні чавуну і видаляється через шлакову льотку в шлаковозні ковші і далі на переробку або у відвал. На сучасних крупних доменних печах шлак випускають через чавунну льотку після випуску чавуну.

Фізико-хімічні процеси в доменній печі

У доменній печі в ході плавки є два потоки: зверху вниз переміщуються шихтові матеріали; знизу підіймаються гарячі відновлювальні гази.

Знизу в піч через фурми поступає нагріте повітря. Кисень повітря взаємодіє з вуглецем коксу по реакції: С + О₂ = СО₂ + Q.

Реакція йде з виділенням великої кількості тепла, і на рівні фурм температура досягає 1700 - 2000 °С. СО₂, реагуючи з розжареним коксом, перетворюється в СО по реакції: СО₂ + С = 2СО. Велика частина цього оксиду вуглецю йде на відновлення оксидів заліза, кремнію, марганцю і інших хімічних елементів.

Опускаючись нижче, шихта потрапляє в зони високих температур, де протікають процеси відновлення заліза оксидом вуглецю (непряме відновлення) за реакціями:

3Fe₂O₃ + СО = 2Fe₃O₄ + СО_2.

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CО₂.

FeO + CO = Fe + CO₂.

Відновлення заліза з руди може відбуватися також за рахунок вуглецю коксу (пряме відновлення) при температурі 950-1000 °С: FеО + С_кок = Fе + СО.

Відновлене залізо, контактуючи з оксидом вуглецю, при температурі 820-850 °С навуглецьовується: 3Fe + 2СО = Fe₃C + СО₂.

У нижній частині шахти кількість вуглецю в залізі досягає 1%. Утворюється карбід заліза Fe₃C, який розчиняючись в залізі, утворює чавун, знижуючи температуру плавлення заліза.

Подальше насичення заліза вуглецем відбувається, коли метал вже знаходиться в розплавленому стані і проходить через шар гарячого коксу. Залізо зазвичай розчиняє ~ 4 % вуглецю.

Процеси відновлення інших елементів і шлакоутворення в доменній печі

Разом з оксидами заліза в шихті присутні оксиди марганцю, кремнію, фосфору і з'єднання сірки. В ході доменного процесу ці сполуки вступають в хімічну взаємодію з вуглецем. Ці реакції йдуть з поглинанням теплоти, а тому відновлення цих домішок відбувається при температурі 1000-1200°С. Відновлені марганець, кремній і фосфор переходять в чавун.

Таким чином, виплавлений в доменній печі чавун, окрім заліза і вуглецю, містить кремній, марганець, сірку і фосфор.

При нормальному перебігу плавки в районі розпару починається утворюватися шлак з порожньої породи руди, золи і сірки коксу.

Вапняк, що додається в шихту як флюс, при високій температурі розкладається на оксид кальцію (СаО) і вуглекислий газ (СО₂). Оксид кальцію реагує з порожньою породою (оксидами кремнію, алюмінію і т. п.) і іншими домішками і утворює шлак. Частково віддаляються в шлак сірка (у вигляді з'єднання CaS), оксиди заліза і марганцю.

Регулюючи склад шлаку можна коригувати склад чавуну.

Кількість шлаку, що утворюється в доменній печі, складає приблизно 40-50% від об'єму чавуну, що виплавляється.

Продукти доменного виробництва

Продуктами доменного виробництва є чавун, шлак і доменний (колошниковий) газ.

Основним продуктом доменної плавки є чавун - сплав заліза з вуглецем і іншими хімічними елементами. Він використовується для переробки в сталь (до 90%) і отримання ливарних виробів.

Побічним продуктом є шлак наступного складу: 30-35% SiO₂, 40-45% СаО, 10-15% А1₂О₃, 1-1,5% FeO, 2-5% CaS. Його питома вага 2-3 т/м³, в гранульованому вигляді - 0,6-1,0 т/м³.

Побічним продуктом є і доменний газ, який містить: 8-10% СО₂; 25-35% СО, 1-3% Н_2, 55-60% N₂. Температура газів, що виходять з доменної печі,
150-300°С, їх теплотворна здатність 3300-4200 кДж/м³. Таким чином, колошниковий газ - висококалорійне паливо і, після очищення, використовується як паливо у повітронагрівачах, металургійних печах, коксівних батареях.

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВИРОБНИЦТВО СТАЛІ

Для одержання сталі необхідно видалити з чавуну вуглець. Це досягається шляхом його окислення. Одночасно з вуглецем вилучаються інші домішки, що містяться в чавуні – кремній, марганець, фосфор та інше.

Сталь виплавляється з чавуну в конвертерах, мартенівських і електричних печах. Таким чином, за способом виробництва розрізняють сталь мартенівську, конвертерну і електросталь. Конвертерний спосіб отримання сталі, у свою чергу, підрозділяється на бесемерівський, томасівській і киснево-конвертерний способи виробництва сталі.

Характерною особливістю вказаних способів є отримання сталі в рідкому вигляді. Таку сталь називають литою.

Бесемерівський і томасівській способи виробництва сталі

Бесемерівську сталь одержують в конвертері. Конвертер є судиною грушовидної форми, викладеною всередині кислим вогнетривким матеріалом. Дно конвертера має ряд дрібних отворів, через які з повітряної коробки подається повітря під тиском 1,5-2,5 атм.

Кисень повітря із залізом утворює оксид заліза, який розчиняється в рідкому металі і окислює інші складові чавуну: кремній, марганець і вуглець. При цьому виділяється теплота, якої достатньо не тільки для підтримки чавуну в рідкому стані під час плавки, але і нагріву металу.

Для переробки фосфоровмісних чавунів футеровка конвертера викладається з основного вогнетривкого матеріалу. Такий спосіб виробництва сталі має назву томасівського, при якому в конвертер разом з рідким чавуном додають обпалене вапно в кількості 12—18% від маси чавуну. Спочатку окислюються кремній і марганець, потім - вуглець і в останню чергу - фосфор. У кінці процесу додають дзеркальний чавун або феромарганець для розкислювання і навуглецьовування.

Киснево-конвертерна плавка

Для киснево-конвертерної плавки використовуються кисневі конвертери місткістю до 250 т. Вони футеруються доломітовою або магнезитовою цеглою. Кисневий конвертер має суцільне дно і кисневе дуття подається зверху за допомогою кисневої фурми, що вводиться в конвертер через горловину.

Спочатку в конвертер завантажують тверду шихту (металевий лом, руду, окалину), потім заливають розплавлений чавун, додають флюси і починають продування киснем.

У результаті окислення домішок чавуну киснем температура досягає 2000°С, тому процес не потребує додаткового палива.

Після закінчення продувки одержана сталь розкислюється і зливається з конвертера через спеціальний отвір, а шлак - через горловину.

Одержана цим способом сталь за якістю не поступається мартенівській. При цьому зберігаються всі переваги конвертерного способу отримання сталі, з'являється можливість використовувати металеві відходи, регулювати процес за рахунок зміни складу твердої шихти.