Устройство доменной печи

Доменная печь представляет собой вертикальную плавильную печь шахтного типа. Свое название доменные печи получили от ранее применявшихся в России (VIII–IX век) шахтных печей, которые назывались домницами. Доменная печь снаружи заключена в стальной кожух, а внутри футерована огнеупорным кирпичом (шамотным).

Толщина шамотной кладки в шахте до 700 мм, заплечиках до 350 мм. Нижнюю часть горна выкладывают из графитизированных блоков с толщиной стенок до 1500 мм. Для повышения стойкости огнеупорной кладки в ней устанавливают металлические водяные холодильники (3\4 высоты печи). В верхней части печи имеется загрузочное устройство, сделанное так, что доменные газы не выходят в воздух, а используются для нагрева воздуха, подаваемого через фурмы в печь. Фурменное устройство находится в нижней части печи. Через него вдувают в печь нагретый и обогащенный кислородом воздух, иногда газообразное или жидкое топливо. Чугун и шлак непрерывно стекают вниз и периодически выпускаются: чугун – через 4 часа, через чугунную летку, расположенную выше лещади на 500 – 1000 мм; шлак – через 2 часа, через шлаковую летку, расположенную выше чугунной на 1500 – 2000 мм. Современные доменные печи имеют полезный объем 2000 – 3000 м³, полезная высота 30 м и более, диаметр в 2,5 – 3 раза меньше высоты. Производительность печей достигает 5000 тонн чугуна/сутки. Доменная печь работает непрерывно 5-10 лет. Процесс плавки непрерывен, а загрузка шихты периодическая. Печь работает по принципу противотока: шихта подается сверху, а снизу продувается воздухом.

Рис.2.1. Разрез доменной печи:

1 – засыпной аппарат, 2 – газоотводы, 3 - защитные щиты, 4 – огнеупорная кладка, 5 – стальной кожух, 6 – кольцевые площадки, 7 – холодильники шихты, 8 – опорное кольцо, 9 – кольцевой воздухопровод, 10 – фурменный рукав, 11 – рабочая площадка, 12 – колонна, 13 – летка для чугуна, 14 – холодильники, 15 – летка для шлака, 16 – ось чугунной летки.

Главные задачи доменной печи:

1. Восстановление железа из окислов руд.

2. Науглераживание железа.

3. Удаление расплава в виде жидкого чугуна определенного химического состава.

4. Оплавление пустой породы – образование шлака.

5. Растворение в шлаке золы и вредных примесей.

6. Удаление шлака.

Доменный процесс

Горение топлива.

В районе воздушных фурм кокс взаимодействует с кислородом воздушного дутья и сгорает с большим выделением тепла

С + О₂ = СО₂ + Q

В результате этого в домне устанавливается Т=1800-2000⁰С.

Углекислый газ СО₂ взаимодействует с углеродом кокса и восстанавливается до окиси углерода.

СО₂ + С = 2СО

В результате горения кокса в доменной печи устанавливается высокая температура и образуются газы СО₂, СО, Н₂ и т.д. Водород появляется за счет взаимодействия воды с углеродом раскаленного кокса

Н₂О + С = СО + Н₂

СО – играет главную роль при восстановлении металла из его окислов.

Восстановление железа происходит последовательно от высших окислов к низшим. Процесс последовательный, по принципу А.А.Байкова.

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe

Восстановление Fe из FeO осуществляется двумя путями:

СО – косвенное (не прямое) восстановление.

Твердым углеродом С - прямое восстановление.

Кроме этого Н₂ также восстанавливает Fe. Таким путем восстанавливается 60-80% всего железа шихты.

Процесс идет при температуре выше 950 – 1000⁰С.

Науглераживание железа.При температуре порядка 1000⁰ С происходит образование цементита.

3Fe + 2CO → Fe ₃C + CO₂

По диаграмме Fe – Fe₃C, при высоких температурах Fe хорошо растворяет цементит, а с увеличением углерода в сплаве понижается температура его плавления и достигает min 1147⁰С при С = 4,3%.

Таким образом, появляется жидкий сплав, т.е. чугун, который стекает из зоны распара. Сплав еще более науглераживается и растворяет кроме этого, марганец, кремний, серу, фосфор и т.д.

Конечный состав чугуна устанавливается в горне.

Восстановление других элементов.Марганец - постоянная примесь в железной руде. Восстановление его идет с помощью СО и С по схеме:

MnO₂ → Mn₂O₃ → Mn₄O₃ → MnO

MnO + C = Mn + CO

Процесс идет при Т≥1100С. Mn – растворяется в железе.

Кремний – находится в пустой породе в золе кокса в виде кремнезема.

Восстановление идет по схеме:

SiO₂ + 2C – Si + 2CO

Процесс идет при Т≥1450⁰С. Si растворяется в железе.

Фосфор – вредная примесь железных руд, находится в виде Р₂О₅ . 3СаО, т.к. фосфор не летуч и хорошо растворяется в Fe то он весь переходит в чугун.

Сера - вредная примесь, содержится в руде и коксе, в виде сульфидов FeS, Fe₂S. В соединениях СО₂ и Н₂ образует летучие соединения, порядка 10-20%S удаляется из домны, остальная часть ее растворяется железом и образует FeS.

В условиях доменной плавки основным способом десульфурации (очищение от серы) является применение флюса CaO, т.к.

FeS + CaO = FeO + CaS

Сульфат кальция CaS – нерастворим в чугуне и выводится в шлак.

Шлакообразование – происходит в распаре домны. При Т=1200⁰ С образуется первичный шлак в результате сплавления пустой породы, состоящей из CaO, SiO₂, Al₂O₃. Температура плавления такого шлака ~ 1150С. Далее в шлаке растворяются FeS, MnS, CaS зола и при выплавке передельного, литейного и других чугунов добиваются получения шлака определенного состава. Изменение состава шлака осуществляется путем введения флюса.