Технологический процесс доменной печи

Устройство и работа доменной печи. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь. В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту (офлюсованный агломерат и окатыши).

Стенки печи выкладывают из огнеупорных материалов — в ос­новном из шамота. Нижнюю часть горна и его основание (лещадь) выполняют из особо огнеупорных материалов — углеродистых (графитизированных) блоков. Для повышения стойкости огнеупорной кладки в ней устанавливают (примерно на 3 Д высоты печи) металлические холодильники, по которым циркулирует вода. Для уменьшения расхода воды (для крупных печей расход воды до 70000 м 3 в сутки) применяют испарительное охлаждение, основанное на том, что погло­щаемое тепло используется для парообразования.

Кладка печи снаружи заключена в стальной кожух толщиной до 40 мм. Для уменьшения нагрузки на нижнюю часть печи ее верхнюю часть (шахту) сооружают на стальном кольце, опирающемся на ко­лонны. Доменная печь (рис. 4) имеет стальной кожух, выложенный изнутри огнеупорным шамотным кирпичом.

Схема работы доменного цеха современного металлургического за­вода приведена на рис. 5.

Шихтовые материалы поступают в бункера, расположенные на рудном дворе: офлюсованный агломерат- с агломерационной фабрики, а кокс – от коксовых батарей коксохимического завода. Из бункеров шихтовые материалы подаются в вагон-весы 1, на которых взвешивают определенные порции шихты. Из вагона-весов кокс и агломерат передаются в вагонетку 3 скипового подъемника. Скиповой подъ­емник представляет собой наклонный рельсовый мост, по которому дви­жутся две вагонетки. Скип поднимается стальным канатом до верхней точки рельсового моста и опрокидывается. Через загрузочное устройст­во (засыпной аппарат) 4 шихта попадает в доменную печь (см. рис.5). Печь состоит из колошника 5, шахты б, распара 7, заплечиков 8 и горна 9.

Рис. 4. Схема конструкций доменной печи и воздухонагревателя

Две скиповые вагонетки с помощью лебедки передвигаются по наклонному мосту 12 (см. рис. 4) к засыпному аппарату 8 и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 засыпного аппарата шихта попадает в чашу 11 а при опускании большого конуса 13 – в доменную печь. Такая последовательность работы механизмов засыпного аппарата необходима для предотвращения выхода газов из доменной печи в атмосферу.

Для равномерного распределения шихты в доменной печи малый конус и приемная воронка после загрузки очередной порции материалов поворачиваются на угол, кратный 60°. Все механизмы засыпного аппарата и скипового подъемника Агломерат, руду, флюс и кокс, поступающие в печь в определенном соотношении, называют шихтой.

Доменные печи, как и все шахтные печи, работают по принципу противотока. Сверху опускаются шихтовые материалы, а снизу им навстречу движутся газы, образующиеся в процессе горения топлива.

В процессе работы печи шихтовые материалы постепенно опускаются вниз, а через загрузочное устройство в печь подаются новые порции шихтовых материалов в таком количестве, чтобы весь полезный объем печи был заполнен.

Полезный объем печи – это объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата в опущенном состоянии (или до кончика загрузочного лотка в вертикальном его положении – при лотковом загрузочном устройстве). Современные доменные печи имеют полезный объем 1600…5000 м 3 . Средний объем печей в Украине – около 2000 м 3 и только ДП №9 Криворожстали имеет объем 5000 м 3 . Высота доменной печи достигает 50 м.

В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые (воздушные фурмы) в печь поступают нагретый воздух, необходимый для горения кокса, и газообразное топливо, а также (в последние годы) – пылеугольное топливо.

Фурменный прибор ДП:

1 – кольцевой воздухопровод горячего дутья; 2 – сопло; 3 – воздушная фурма

Предварительный нагрев воздуха необходим для уменьшения потерь теплоты в печи. Воздух поступает в доменную печь из воздухонагревателей. Для нагрева воздуха применяют воздухонагреватели регенеративного типа. Внутри воздухонагревателя (рис. 4, справа) имеется камера сгорания 2 и насадка 4 занимающая основной объем воздухонагревателя. Насадка выложена из огнеупорных кирпичей 3 так, что между ними образуются вертикальные каналы. В нижнюю часть камеры сгорания к горелке 1 подается очищенный от пыли колошниковый газ, который сгорает и образует горячие газы. Горячие газы, проходя через насадку, нагревают ее и удаляются из воздухонагревателя через дымовую трубу. Затем подача газа к горелке прекращается, и по трубопроводу через насадку пропускается холодный воздух, подаваемый турбовоздуходувной машиной. Доменная печь имеет несколько воздухо­нагревателей: в то время как в одних насадка нагревается горя­чими газами, в других она отдает теплоту холодному воздуху, нагревая его. По охлаждении нагретой насадки воздухом нагреватели переключаются. Воздух, проходя через насадку воздухонагревателя, нагревается до 1000…1200 °С и поступает к фурменному устройству 14 доменной печи (см. рис. II.2), а оттуда в ее рабочее пространство.

Горение топлива. Вблизи фурм 3 (см. рис.) углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорает:

При высоких температурах и в присутствии твердого углерода кокса двуокись углерода неустойчива и переходит, в основном, в окись углерода:

СО₂ + С = 2СО – 171,88 кДж.

Одновременно, на некотором расстоянии от фурм, идет реакция неполного горения (газификации) углерода кокса:

В результате горения кокса в доменной печи выделяется тепло и образуется газовый поток, содержащий СО, СО₂ и другие газы. При этом в печи немного выше уровня фурм температура достигает 2000° С и даже более. Горячие газы, поднимаясь вверх, отдают свою теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до 400…300 °С у колошника. В зоне печи, где температура газов достигает 700 … 450 °С, часть окиси углерода разлагается с образованием сажистого углерода, оседающего на шихтовых материалах:

Остальная часть газа, состоящего в основном из СО, СО₂, N₂, Н₂, СН₄ (колошниковый газ), отводится из печи по трубам и после очистки используется как топливо для воздухонагревателей.

Выход колошникового (доменного) газа составляет обычно 2000…2500 м 3 /т чугуна. Газ имеет следующий состав:

Шихтовые материалы (агломерат, кокс) опускаются навстречу потоку газов и нагреваются. В результате в них происходит целый ряд химических превращений: удаляется влага, из топлива выделяются летучие вещества, а при прогреве шихты до температуры

570 °С начинается основной процесс – восстановление окислов железа, содержащихся в агломерате и окатышах.

Восстановление окислов железа в доменной печи. Этот процесс протекает в результате взаимодействия окислов железа с окисью углерода и твердым углеродом кокса, а также водородом. Восстановление твердым углеродом называют прямым, а газами – косвенным.

При температурах до 570 °С восстановление окиси железа протекает по реакциям

При более высоких температурах (750…900 °С) окислы железа восстанавливаются наиболее интенсивно:

При этих температурах из руды, находящейся в нижней зоне шахты доменной печи, образуется твердое губчатое железо. Некоторая часть закиси железа опускается до уровня распара и заплечиков, где восстанавливается твердым углеродом кокса в результате двух одновременно протекающих реакций:

В реакциях восстановления железа участвуют также сажистый углерод и водород, особенно при введении в доменную печь природного газа.

По мере опускания шихта достигает зоны в печи, где температура составляет 1000 … 1100 °С. При этих температурах восстановленное из руды твердое железо, взаимодействуя с окисью углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно науглероживается благодаря способности железа в твердом состоянии растворять углерод:

При насыщении углеродом температура плавления железа понижается и на уровне распара и заплечиков оно расплавляется. Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4 % и более), марганцем, кремнием, фосфором, которые восстанавливаются из руды, а также серой, содержащейся в коксе. Эти процессы протекают следую­щим образом.

Марганец содержится в руде в виде МnО₂, Мn₂О₃, Мп₃О₄. Эти соединения легко восстанавливаются до МnО. При температуре более 1000 °С часть МnО восстанавливается твердым углеродом по реакциям

МnО + СО = Мn + СО₂;

Одновременно марганец взаимодействует с твердым углеродом и образует карбид Мn₃С, повышая содержание углерода в сплаве. Другая часть МnО входит в состав шлака.

Кремний, содержащийся в пустой породе руды в виде SiO₂, при температуре выше 1100 0 С также частично восстанавливается твердым углеродом:

SiO₂ + С = SiO + СО;

SiO₂ + 2С = Si + 2СО

Образовавшийся кремний растворяется в железе. Другая часть SiO₂ также входит в состав шлака.

Фосфор содержится в рудо в виде соединений (FеО)₃Р₂О₅ и (СаО)₃Р₂О₅. Частично фосфат железа восстанавливается окисью углерода:

При температурах более 1000° С восстановление идет за счет твердого углерода:

При температурах выше 1300 °С фосфор восстанавливается из фосфата кальция:

Образовавшийся фосфид железа (Fе₃Р) и фосфор полностью растворяются в железе и входят в состав чугуна.

Сера присутствует в коксе и руде в виде органической серы и соединений FeS₂, FеS, СаSО₄. Сера летуча и поэтому часть ее удаляется с газом при нагреве шихты в печи. Сера из кокса окисляется у фурм кислородом дутья до SО₂ и, поднимаясь с газами, восстанавливается твердым углеродом:

При этом часть серы в виде S и FеS растворяется в чугуне. Сера является вредной примесью и ухудшает качество чугуна. Для удаления серы стремятся повысить содержание СаО в шлаке. При этом часть серы в виде СаS удаляется в шлак по реакциям

FеS + СаО = СаS + FеО,

Таким образом, в результате процессов восстановления окислов железа, части окислов марганца и кремния, фосфатов и сер­нистых соединений, растворения в железе С, Мn, Si, Р, S в печи образуется чугун. В нижней части печи образуется шлак в ре­зультате плавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. В условиях доменного процесса окислы Аl₂О₃, СаО, МgО, содержащиеся в пустой породе руды, полностью переходят в шлак. В шлаке содержится также часть невосстановившихся окислов SiO₂, МnО, FеО и СаS. Шлак образуется постепенно, его состав изменяется по мере cтекания в горн_; где он скапливается, находясь над жидким чугуном, т.к. имеет меньшую плотность. Состав шлака, его температура плавления и жидкотекучесть зависят от состава применяющихся шихтовых материалов (в первую очередь – основности) и марки выплавляемого чугуна.

По мере скопления чугуна и шлака их выпускают из печи с периодичностью каждые 2 … 3 … 4 ч (зависит от объема/производительности печи). Выпуск производят через чугунную летку (см. рис., отверстие в кладке, расположенное выше лещади). Летку открывают бурильной машиной, а после выпуска чугуна закрывают огнеупорной массой с помощью гидравлической «пушки».

Образцы доменного шлака («основной» /с повышенным содержанием СаО / – слева; и кислый, с повышенным содержанием SiO₂ – справа)

Чугун и шлак сливают по желобам, проложенным по литейному двору, в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши, установленные на железнодорожных платформах. Емкость чугуновозных ковшей 90…140 т. В них чугун транспортируют в миксерное отделение (миксер для усреднения), в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи для передела в сталь. Чугун, не используемый в жидком виде, поступает на разливеочные машины. Из ковша чугун через передаточный желоб заполняет металлические формы-изложницы разливочной машины и затвердевает в них в виде чушек-слитков массой до 50 кг.

Часто жидкий шлак из доменной печи не сливают в шлаковозные чаши, а для удобства дальнейшего использования подвергают мокрой грануляции: на него направляют струю воды, сод действием которой он рассыпается на мелкие гранулы.

Структурная схема доменного процесса

Доменный процесс представляет собой совокупность механических, физических и физико-химических явлений, протекающих в работающей доменной печи. Загружаемые в доменную печь шихтовые материалы – кокс, железосодержащие компоненты и флюс – в результате протекания доменного процесса превращаются в чугун, шлак и доменный газ.

В химическом отношении процесс является восстановительно-окислительным; из оксидов восстанавливается железо, а окисляются восстановители. Однако доменный процесс принято называть восстановительным, так как цель его состоит в восстановлении оксидов железа до металла.

Агрегатом для осуществления доменного процесса служит печь шахтного типа. Рабочее пространство доменной печи в горизонтальных сечениях имеет круглую форму, а в вертикальном разрезе – своеобразное очертание, называемое профилем.

Важнейшим условием осуществления доменного процесса в рабочем пространстве печи является непрерывное встречное движение и взаимодействие опускающихся шихтовых материалов, загружаемых в печь через колошник, и восходящего потока газов, образующегося в горне при горении углерода кокса в нагретом до 1000-1200 0 С воздухе (дутье), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его окружности фурмы. К дутью может добавляться технический кислород, природный газ, водяной пар.

Кокс поступает в горн нагретым до 1400-1500 0 С. В зонах горения углерод кокса взаимодействует с кислородом дутья. Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода неустойчив и превращается в оксид углерода. Таким образом, за пределами зон горения горновой газ состоит только из оксида углерода, азота и небольшого количества водорода, образовавшегося при разложении водяных паров или природного газа. Смесь этих газов, нагретая до 1800-2000 0 С, поднимается вверх и передает тепло материалам, постепенно опускающимся в горн вследствие выгорания кокса, образования чугуна и шлака и периодического выпуска их из доменной печи. При этом газы охлаждаются до 200-450 0 С, а оксид углерода, отнимая кислород из оксидов железа, превращается частично в диоксид углерода, содержание которого в доменном газе на выходе из печи достигает 14-20%.

Шихтовые материалы загружают в доменную печь при помощи засыпного аппарата отдельными порциями – подачами. Они располагаются на колошнике чередующимися слоями кокса, руды или агломерата и флюса при работе на не полностью офлюсованном агломерате. Загрузку подач производят через 5-8 минут по мере освобождения пространства на колошнике в результате опускания материалов.

В процессе нагревания опускающихся материалов происходит удаление из них влаги и летучих веществ кокса и разложение карбонатов. Оксиды железа под действием восстановительных газов постепенно переходят от высших степеней окисления к низшим, а затем – в металлическое железо по схеме: Fe₂O₃ > Fe₃O₄ > FeO> Fe.

Свежевосстановленное железо заметно науглераживается еще в твердом состоянии. По мере науглераживания температура плавления его понижается. При температуре 1000 – 1100 0 С восстановление железа почти заканчивается и начинают восстанавливаться более трудновосстановимые элементы – кремний, марганец и фосфор. Науглероженное железо, содержащее около 4% углерода и некоторое количество кремния, марганца и фосфора, плавится при температуре 1130 – 1150 0 С и стекает в виде капель чугуна в горн. В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы руды и флюса. Понижению температуры плавления шлака способствуют невосстановленные оксиды железа и марганца. В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляется вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса – и зола.

При взаимодействии жидких продуктов плавки с раскаленным коксом в заплечиках и горне происходит усиленное восстановление кремния, марганца и фосфора из их оксидов, растворенных в шлаке. Здесь же поглощенная металлом в ходе плавки сера переходит в шлак. Железо и фосфор печи полностью восстанавливаются и переходят в чугун, а степень восстановления кремния и марганца и полотна удаления из чугуна серы в большой мере зависят от температурных условий, химического состава шлака и его количества.

Жидкие чугун и шлак разделяются в горне благодаря различным удельным массам. По мере скопления их в горне чугун выпускают через чугунную летку, а шлак – через шлаковые летки (верхний шлак) и чугунную летку во время выпуска чугуна (нижний шлак). Все перечисленные процессы протекают в доменной печи одновременно, оказывая взаимное влияние.

Расчет доменной шихты производиться при проектировании доменных печей, изменении условия плавки, замене одних материалов другими, при переводе печи на выплавку другого вида чугуна.

Расчёт шихты сводиться к определению расхода отдельных материалов для выплавки единицы чугуна заданного состава, определённого состава шлака, обеспечивающего свойства, необходимые для выплавки данной марки чугуна и ровной высокопроизводительной работы печи. Расчет обычно выполняется на единицу выплавляемого чугуна. При необходимости ввода в шихту нескольких сортов руд или их заменителей соотношение между ними должно устанавливаться из условия обеспечения требуемого среднего содержания железа или др. элементов в смеси или в соответствии с планом их на завод.

В соответствии с содержанием отдельных элементов в чугуне и распределением между чугуном, шлаком и газом определяется расход материалов (железная руда, агломерат, окатыши, марганцевая руда), содержащих эти элементы, на единицу чугуна (без учета влаги и выноса). Затем выбирается (задается) основность шлака для обеспечения необходимых свойств, в том числе и его обессеривающие способности и определяется расход флюса на единицу чугуна.

После определения количества всех шлакообразующих рассчитывается выход шлака и содержание в нем отдельных составляющих.

Приняв величину коксовой подачи, определяют расход в подачу отдельных составляющих шихты, причем расходы каждого из них берутся с учетом выноса влаги. Для перехода от расчета на единицу чугуна к расчету в подачу полученные величины расходов материалов необходимо увеличить, на отношение принятой величины коксовой подачи к удельному расхода кокса.

Расчет количества дутья может быть основан на балансе азота, кислорода и углерода или кислорода и азота. Взятый за основу расчет количества дутья по балансу кислорода и углерода базируется на том, что часть углерода кокса и углесодержащих добавок, подаваемых в печь газифицируются при прямом восстановлении кремния, марганца, фосфора и железа, при десульфурации чугуна, а также переходит в чугун и расходуется на образование метана. Остальная часть углерода окисляется кислородом дутья до СО. Отсюда определяется необходимое количество кислорода, а при известном содержании его в дутье – количество последнего.

Расчет количества и состава колошникового газа основан на балансе элементов, входящих в состав образующих его компонентов. Водород, поступающий в доменную печь, переходит в газ в виде паров воды при восстановительных процессах, в виде метана, а остальное его количество переходит р. колошниковый газ вне соединений с другими элементами. Количество диоксида углерода в колошниковом газе определяется по его содержанию в шихтовых материалах, продуктах их разложения, а также образованию в реакциях восстановления оксидов. Содержание оксида углерода в колошниковом газе определяется исходя из количества его образования при горении углерода в горне печи, вносимого с шихтовыми материалами, в реакциях прямого восстановления с учетом расхода на реакции косвенного восстановления.

Материальный баланс доменной плавки для работающей доменной печи составляется по результатам измерений и анализов, для чего по возможности точно учитывается за определенный отрезок времени (обычно за несколько суток) расход всех материалов, загружаемых в печь, и полученных продуктов плавки, на основе которого определяется расход каждого материала и выход шлака, колошникового газа и пыли на единицу чугуна.

При расчете материального баланса для проектируемых условий оказывается достаточно данных, полученных расчетами шихты, колошникового газа и дутья.

Баланс должен сходиться с весьма малой (до 1%) невязкой. Увеличение ее является результатом неправильного анализа сырых материалов (сумма содержания компонентов не составляет 100%) или ошибок в расчетах.

Тепловой баланс характеризует экономичность работы доменной печи и учитывает соотношение количества тепла, образующегося в доменной печи в результате протекания тех или иных процессов, вносимого в доменную печь с шихтовыми материалами и дутьем с количеством тепла, расходуемого на эндотермические процессы, уносимого с продуктами плавки и теряющегося в окружающую среду и с охлаждающей водой. Но данным теплового баланса вычисляется одна из важнейших характеристик работы доменной печи тепловой коэффициент полезного действия, равный отношению используемого тепла к выделившемуся. При этом за неиспользуемое в доменной печи тепло принимают его потери с колошниковым газом, пылью, охлаждающей водой и во внешнее пространство. Обычно значение теплового коэффициента полезного действия при выплавке передельного чугуна составляет 78-87%.

Конечным продуктом доменного производства является чугун, для вы­плавки которого в настоящее время в основном применяются доменные печи. Исходным сырьем для получения чугуна является шихта, в состав которой входят: руда железная и марганцевая, металлические добавки (скрап и стружка), флюс и горючее. В настоящее время железная руда в натуральном виде в доменном производстве не используется.

В целях лучшей восстановимости железная руда, как правило, подготавливается к доменной плавке и подается в доменную печь в виде офлюсованного агломерата или обожженных окатышей.

Флюсами называются материалы, вводимые в шихту для перевода пустой породы, золы кокса и серы в шлак определенного состава и теку­чести, что необходимо для получения чугуна заданной марки.

В зависимости от химического состава рудной части шихты (агломе­рата) и золы кокса применяют кислые или основные флюсы. В качестве основного флюса применяется известняк, а в качестве кислого — квар­циты, которые добавляются в железную руду в процессе ее агломерации и окатывания.

В качестве горючего в доменной плавке используется в основном каменноугольный кокс. В последнее время в целях снижения расхода кокса в качестве добавок применяются: природный газ, нефть и пыле­видное топливо. В результате применения природного газа производи­тельность доменных печей повышается примерно на 3%, а относитель­ный расход кокса уменьшается на 13—15%.

Сущность доменного процесса заключается в следующем. Шихтовые материалы загружаются в доменную печь порциями (подачами) в стро­го определенной последовательности. Подачу в доменную печь с большо­го конуса опускают в два приема, а именно: сначала все топливо подачи, затем рудную часть подачи и флюс. Следовательно, шихтовые материа­лы в доменной печи располагаются слоями: кокс, агломерат и известняк, опять кокс, агломерат и известняк и т. д. Печь заполняется все время шихтовыми материалами по мере схода шихты во время работы домен­ной печи. При хорошо идущей доменной плавке этот порядок подач ших­товых материалов регулярно поддерживается, в случае расстройства хо­да печи и снижения ее производительности, указанный порядок загрузки печи может быть изменен.

Железо, входящее в состав чугуна, получается из рудной части ших­ты, в которой оно находится в виде соединений с кислородом (окислы железа). Для восстановления железа необходимо отнять кислород руды, соединяя его с веществом, имеющим большое сродство к кислороду и об­разующим с ним более прочное соединение, чем соединение кислорода с железом.

Вещество, отнимающее кислород руды, называется восстановите­лем. В доменном процессе восстановителем и источником тепла являет­ся углерод топлива.

Чтобы происходило восстановление железа, необходимо нагреть рудную часть шихты и восстановитель. За счет сгорания кокса в домен­ной печи и развиваются необходимые для реакции восстановления тем­пературы. Для сжигания кокса в нижнюю зону доменной печи (заплечи­ки) через воздушные фурмы подается нагретый до температуры 1000— 1200°С воздух под давлением 28—42 Н/см 2 (2,8—4,2 кгс/см 2 ).

В результате интенсивного горения топлива в области воздушных фурм и расплавления шихтовых материалов в зонах распара, заплечи­ков и горна освобождаются некоторые объемы печи, в которые с верх­них горизонтов опускается шихта, при этом слои шихты разрыхляются, создавая хорошую газопроницаемость, необходимую для равномерного распределения газов, прогрева шихты и восстановления окислов железа. Образующиеся в процессе горения топлива в фурменной зоне газы под­нимаются снизу вверх, интенсивно нагревая при этом шихтовые мате­риалы.

В результате прохождения горячих газов через слои шихтовых ма­териалов происходят следующие процессы:

• при температуре 100—150°С происходит испарение гигроскопиче­ской влаги;
• при температуре 300—400°С — удаление химически связанной гидратной влаги;
• при температуре 400°С начинается важнейший процесс — восста­новление железа н других элементов из их окислов (непрямое восстанов­ление) ;
• при температуре 600—900°С — удаление летучих из топлива, разло­жение известняка СаСO₃ и магнезита MgСO₃.

Весь процесс восстановле­ния железа в доменной печи заключается в следующем. Окись железа, соприкасаясь при высокой температуре с окисью углерода, отдает окиси углерода свой кислород, частично восстанавливаясь до магнитной окиси железа, превращая при этом окись углерода в углекислоту: 3Fe2O3 + СО = 2Fe₃0₄ +CO₂.

Магнитная окись, опускаясь вниз, встречает новые порции окиси угле­рода, которые продолжают отнимать кислород от руды, восстанавливая ее дальше до закиси железа по следующей реакции: Fe₃О₄ + СО = 3FeO + СО₂.

Опускаясь еще ниже, закись железа восстанавливается посредством СО по следующей реакции: FeO + СО = Fe + СO₂.

При этом получается вместо закиси железа и окиси углерода — железо и углекислота. Все указанные превращения происходят при температу­рах от 300 до 950°С.

Принято считать, что в ходе доменного процесса железо на 50% вос­станавливается окисью углерода и водородом (косвенное восстановле­ние) и на 50% твердым углеродом путем непосредственного контакта рудной части шихты с коксом (прямое восстановление). Прямое восста­новление железа происходит при температурах выше 950°C в нижней части шахты, распаре, заплечиках и горне, где некоторая невосстанов­ленная часть руды, соприкасаясь с раскаленным коксом, полностью вос­станавливается и насыщается углеродом. Такое растворение углерода в железе понижает температуру плавления расплава, который уже пла­вится при температурах 1150—1200°С.

В результате в горне доменной печи скапливается не чистое железо, а чугун с содержанием углерода до 3,5—4%.

В доменной шихте, кроме окислов железа, всегда имеются окислы кремния, марганца, фосфора, кальция, магния и другие, которые также восстанавливаются и частично переходят в шлак и чугун.

Шлакообразование необходимо для сплавления между собой имею­щих высокую температуру плавления следующих окислов пустой поро­ды: кремнезема Si0₂, глинозема Аl₂O₃, извести СаО, магнезии MgO, зо­лы топлива и флюсов с образованием при этом легкоплавких соединений (шлаков), температура плавления которых значительно ниже темпера­туры каждого входящего в шихту окисла.

Восстановленный жидкий металл и шлак в процессе доменной плав­ки скапливаются в горне печи, где происходит отделение шлака от ме­талла, при этом частицы шлака как более легкие всплывают на поверх­ность расплавленного чугуна. Выпуск чугуна и шлака осуществляется по мере их накопления. Шлак в процессе доменного производства явля­ется побочным продуктом, который служит хорошим сырьем для произ­водства строительных материалов. Доменный шлак используется для производства следующих строительных материалов: различных видов высококачественных цементов, получаемых на ос­нове гранулированного шлака; щебенки как заполнителя для бетона, получаемой методом дробле­ния медленно остывшего шлака; брусчатки для мощения улиц, плит и блоков, отливаемых из огнен­но-жидкого шлака в металлические формы, прочность и плотность этих изделии приравнивается граниту; шлаковаты для термоизоляционных работ, получаемой методом распыления струи расплавленного шлака сжатым воздухом или паром; кирпича и шлакобетонных блоков, изготовляемых из гранулирован­ного шлака с добавкой извести или цемента с последующим затвердением на воздухе или в паропропарочных камерах.

Современный доменный цех представляет собой комплекс различ­ных весьма сложных сооружений и оборудования.

На рис 1. представлена схема расположения сооружений и обору­дования доменного цеха. Рис 1. Схема расположения сооружений и оборудования доменного цеха: 1 — вагоноопрокидыватель; 2 —рудный перегружатель; 3 —грейфер; 4 — рудный трансферкар; 5 — коксовый транспортер; 6 — силос; 7 —-коксовый трансферкар; 8 —бункерная эстакада; 9 — вагон-весы; 10 — грохот для отсева коксовой мелочи; 11— коксовые весы; 12 — скип; 13—на­клонный мост; 14 — машинное здание; 15 —доменная печь; 16 — колошниковый копер; 17 — мон­тажная балка; 18 — газоотводы; 19 — воздуходувная станция; 20 — воздуходувка; 21 — воздухо­провод холодного дутья; 22 — воздухонагреватель; 23 — труба; 24 — воздухопровод горячего дутья; 25 — фурменный прибор; 26 — чугунная летка н желоба; 27 — шлаковая летка; 28— ков­ши для шлака; 29 — ковши для чугуна; 30 — здание литейного двора; 31 — кран литейного дво­ра; 32 — пылеуловители; 33 — газопровод грязного газа; 34 — электрофильтры; 35 — газопровод чистого газа; 36 — лебедки для кантовки чугуновозных ковшей; 37 — разливочная машина; 38- платформы для уборки холодного чугуна; 39 — паровоз; 40 — железнодорожные пути для убор­ки холодного чугуна на складе

В настоящее время все доменные печи имеют стальной кожух, изнутри футерованный огнеупорным кирпичом. Футеровка со стороны кожуха охлаждается чугунными холодильниками — плитами залитыми в них стальными трубами, внутри которых циркулируется вода.

Основными характеристиками доменной печи являются ее профиль и размеры.

Очертание рабочего пространства доменной печи в вертикальном се­чении, проходящего через ось печи, называется профилем печи. Профиль доменной печи можно разделить по высоте на пять частей (рис. 2).

Рисунок 2. Доменная печь объемом 2700 м3

• колошник — верхняя цилиндрическая часть печи, предназначена для загрузки шихтовых материалов. Огнеупорная кладка стенок колош­ника защищается от ударов загружаемой шихты стальными литыми сегментами, заполненными огнеупорным кирпичом;
• шахта — коническая часть печи, расположенная ниже колошни­ка, указанная форма способствует более свободному опусканию шихты н тем самым ее разрыхлению;
• распар — самая широкая цилиндрическая часть печи, здесь начинается плавление шихты. Огнеупорная кладка распара опирается на колонны через мараторное кольцо кожуха печи;
• заплечики — коническая часть профиля печи ниже распара, су­жение профиля заплечиков книзу явилось следствием сокращения объема шихты;
• горн — нижняя цилиндрическая часть печи, является копильником жидких продуктов доменной плавки — чугуна и шлака.

Нижняя часть печи (дно горна) называется лещадью. Кроме ука­занных характеристик, принято учитывать следующие параметры до­менных печей:

• полезный объем печи — объем, который занимают все шихтовые материалы и продукты плавки. Вычисляют этот объем от нижнего поло­жения большого конуса в опущенном положении до оси чугунной летки;
• полезная высота печи — расстояние от оси чугунной летки до нижнего положения большого конуса в опущенном положении;
• полная высота доменной печи — расстояние от оси чугунной летки до верхнего края чаши большого конуса.

Рудный двор. На всех металлургических заводах, имеющих в своем составе доменные печи, имеются рудные дворы (см. рис. 1), предназначенные для создания определенных резервных запасов руд и усреднения их.

Создание рудных дворов особенно необходимо, если руда и флюсы завозятся издалека, учитывая могущие быть задержки в пути и особенно в зимнее время.

Рудные дворы размещаются вдоль фронта доменных печей. Емкость рудных дворов зависит от дальности и сезонности доставки шихтовых материалов, а также от назначения двора (хранение сырья или его усреднение).

Литейный двор. Для наблюдения за ходом доменной плавки и выполнения работ около фурменной зоны (замена фурменных и шлаковых приборов) вокруг горна доменной печи устраивают рабочую площадку, называемую поддоменником.

Кроме этого непосредственно к поддоменнику примыкает литейный двор, на котором осуществляются работы по выпуску чугуна и шлака из доменной печи. Литейный двор оснащается оборудованием, необходимым для выпуска чугуна и шлака, а также для хранения необходимых для указанных целей вспомогательных материалов и запасных частей.

Наклонный мост. Он предназначен для связи бункерной эстакады и скиповой ямы с засыпным устройством доменной печн. Обычно мосты колошниковых подъемников выполняют решетчатой конструкции, двухпутными, с двумя опорами, которые устанавливают внизу на фундамент скиповой ямы и наверху на специальный пилон, монтируемый на фундаменте доменной печи. По нижнему поясу моста прокладывают два пути в скиповую яму, где осуществляется загрузка скипов шихтой.

В верхней части моста находятся разгрузочные кривые рельсовых путей, с помощью которых осуществляется опрокидывание и разгрузка скипов в приемную воронку засыпного устройства. На мосту имеются площадки, на которых установлены направляющие канатные шкивы скиповых канатов, канатов для лебедок управления конусами и канатов
зондовых лебедок.

На доменных печах полезным объемом 3200 м 3 скиповой подъемник шихтовых материалов выполнен из двух мостов, расположенных (непараллельно) расходящимися лучами вниз.

На доменной печи полезным объемом 5000 м 3 подача шихтовых материалов осуществлена с бункерной эстакады непосредственно на колошник при помощи ленточных конвейеров с резиновой лентой.

Скиповая яма. Для подхода скипов главного скипового подъемника и подъемника коксовой мелочи под загрузку предназначена скиповая яма. В скиповой яме устанавливаются: воронка-весы для кокса, бункера для коксовой мелочи, желоба для спуска сырья в скипы, оборудование для подавления пыли, образующейся при спуске в скипы сырья, и насосы для откачки грунтовых вод, проникающих в яму.

Машинное здание. В машинном здании устанавливают оборудование колошниковой скиповой лебедки, лебедки управления конусами, зондовых лебедок и автоматических станций густой смазки для механического оборудования колощника.

Воздухонагреватели. Они предназначены для нагрева подаваемого в доменную печь воздуха. В настоящее время применяются исключи­тельно регенеративные воздухонагреватели с возможностью нагрева в них воздуха до 1100—1200°С.

Бункерная эстакада. Она является промежуточным хранилищем шихтовых материалов для доменной плавки, обеспечивающем необходи­мый запас сырья для бесперебойной и ритмичной загрузки его в домен­ную печь, что является решающим условием для ровного и устойчивого хода печи.

В подбункериом помещении устанавливают оборудование для орга­низации механизированной подачи сырья к скиповому подъемнику. На большинстве доменных печей Советского Союза принята система транс­портировки шихты машинами периодического действия, при которой ру­да, агломерат и добавки транспортируются в бункера железнодорожны­ми вагонами или кранами-перегружателями с рудного двора в рудный трансферкар, который развозит материалы по бункерам. Кокс транспор­тируется в бункера также железнодорожными вагонами или же непо­средственно с коксохимического завода при помощи конвейера с резино­вой лентой в промежуточный бункер (силос) и далее трансферкаром в коксовые бункера.

Бункерная эстакада располагается между фронтом доменных печей и рудным двором. Бункерная эстакада в основном строится из железобе­тона. Стенки бункеров изготовляются из листовой стали и, как правило, защищаются от износа пакетами рельсов или листами из марганцови­стой стали. Стенки коксовых бункеров выкладываются шамотным кир­пичом. В целях техники безопасности и для того, чтобы в бункера не по­падали негабаритные куски шихтовых материалов, верхние проемы всех бункеров перекрываются решетками с размерами ячеек 200×200—250×250 мм.

Газоочистка. На заводах с полным металлургическим циклом, вклю­чая и коксохимическое производство, значение доменного газа как топ­лива чрезвычайно велико. На таких предприятиях тепло, получаемое из доменного газа, составляет 25—35% общего расхода энергетического топлива. Вследствие того что потребители доменного газа требуют, чтобы содержание пылн в нем не превосходило 20 мг/м 3 , а для обогрева коксо­вых печей 10 мг/м 3 , на каждой доменной течи сооружается газоочисти­тельная система, назначение которой состоит в очистке доменного газа.

Разливочная машина предназначена для механизированной разлив­ки чугуна из чугуновозных ковшей в специальные формы — мульды. Разлитый в мульды чугун охлаждается водой при помощи форсунок и в виде чушек отгружается на железнодорожные платформы иногородним потребителям или на заводские полувагоны для отправки на внутриза­водский склад чугуна.

Испарительное охлаждение. Интенсивная работа доменной печи приводит к быстрому износу ее огнеупорной футеровки, если не примять надлежащих мер в целях удлинения ее срока службы. Одной из таких мер является охлаждение футеровки. Все современные доменные печи оснащаются устройствами для интенсивного охлаждения футеровки — внутренними холодильниками, которые охлаждают футеровку на значи­тельную часть ее толщины. В настоящее время для охлаждения футе­ровки доменных печей применяют две системы охлаждения — водяное и испарительное. При водяном охлаждении через систему трубопроводов и охлаждающих устройств — холодильников, представляющих собой чу­гунные плиты с залитыми в них стальными трубами, пропускают техни­ческую воду или воду из оборотного цикла, охлажденную в брызгальных бассейнах или градирнях. Отбор тепла при водяном охлаждении от эле­ментов охлаждения достигается за счет перепада температуры в подво­димой и отводимой воде. При испарительном охлаждении отбор тепла происходит за счет скрытой теплоты парообразования воды, температу­ра которой 100°С и выше, в зависимости от того, какое давление поддер­живается в системе испарительного охлаждения.

При этой системе каждый килограмм охлаждающей воды отбирает не 83,7 Дж (20 ккал) тепла, как при водяном охлаждении, а около 2,5 кДж (600 ккал). Вследствие этого расход воды на охлаждение печи резко уменьшается, а также исключается полностью образование наки­пи в трубках холодильников и охлаждаемых элементах клапанов горя­чего дутья.

Для испарительного охлаждения применяется химически очищен­ная вода, получаемая от химической водоочистки ПВС. Испарительное охлаждение работает по замкнутому контуру, поэтому безвозвратные по­тери химически очищенной воды незначительны. Полученный в системе испарительного охлаждения пар поступает на ПВС для подогрева кон­денсата, подаваемого на котлы. При испарительном охлаждении расход технической воды сокращается до 70% от расхода воды при водяном ох­лаждении.