Конструкция тепловой работы доменной печи

Перерабатываемые материалы  загружают сверху, а они постепенно движутся вниз. Дутье подают с помощью  специальных фурм, которые установлены  в нижней части печи под углом  или горизонтально.  Слой материалов, загруженных в доменную печь, движется вследствие выгорания кокса и плавления шихты. Образовавшаяся жидкая фаза стекает вниз, опережая твердую фазу, а в образовавшиеся пустоты осыпаются расположенные над ними сыпучие материалы. Перемещение слоя в доменной печи происходит неравномерно, так как скорость перехода твердой шихты в расплавленное состояние в разных объемах поперечного сечения шахты разная.

Очень важную роль в организации  процесса плавления в доменной печи играют размеры кусков материала, следовательно, необходимо правильно выбрать оптимальные размеры кусков, обеспечивающие необходимую газопроницаемость и интенсивное протекание технологического процесса.

Высокотемпературная восстановительная  атмосфера создается в печи в  результате подачи дутья через фурмы. Воздух, нагретый до 1200-1250°С подают  в горн, что обеспечивает горение кокса до оксида углерода, который является хорошим восстановителем. Доменная печь имеет поочередно работающие воздухонагреватели. Насадки, одну из которых нагревают дымовыми газами, а через другую в это время подают холодный воздух (дутье). Период дутья длится от 0,9 до 1,5 часов. Затем происходит переключение воздухонагревателей. Охлажденную насадку переводят на нагрев газом, а воздух для доменной печи подают через другую, более нагретую насадку и т.д. Через фурмы в горн вводят комбинированное дутье - смесь обогащенного кислородом воздуха и природного газа.

Сгорание топлива приводит к образованию горного газа с  высокой температурой (1900-2100°С), в  состав которого входят СО, H₂, N₂.    Количественные характеристики состава зависят от степени обогащения дутья кислородом и топливными добавками. Горновой газ (колошниковый), поднимаясь к верху, отдает теплоту шихте, осуществляет восстановление оксидов железа и с температурой 250-300°С покидает печь.

Чугун и шлак стекают  в нижнюю часть печи, и по мере накопления (через 2-2,5 часа) их выпускают  через летки по желобам в ковши.

Для успешного ведения  доменного процесса необходимо соблюдать  два основных условия:

-количество тепла  и температура по высоте печи  должны быть распределены так,  чтобы все реакции протекали  в определённом месте и в  определённое время;

-образование шлака  должно происходить только после  окончания восстановления из  руды железа и необходимых примесей.

Первое условие обеспечивается непрерывным движением в печи 2-х встречных потоков, поднимающих  снизу вверх горячих газов  от сгорания в горне топлива и  опускающихся сверху вниз шихтовых материалов, нагревающихся под действием  тепла газов.

Второе условие обеспечивается подбором шлаков соответственно сортам выплавляемого чугуна, чтобы образовавшийся шлак не сплавил руду до восстановления железа и др. примесей, не изменил заданного состава чугуна и не вызвал расстройство в ходе процесса.

 

2. Доменный процесс

 

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 доменный 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.

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 ⁰С воздухе (дутье), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его окружности фурмы. К дутью может добавляться технический кислород, природный газ, водяной пар.

Доменный процесс начинается с  горения топлива. Горячий воздух, вдуваемый через фурмы, сжигает углерод из кокса по реакции:

                                       C+O =CO +Q                   

 Двуокись углерода (CO ) встречает углерод раскаленного кокса и почти полностью разлагается:

 

                                     CO +C=2CO-Q             

Одновременно с этим идёт реакция восстановления водорода из пара, содержащегося в дутье:

 

                                     H O +C = H +CO-Q    

В результате этих реакций  вверх из горна идут газы, состоящие из CO, H .

Подготовительные процессы в загруженных шихтовых материалах начинают происходить в верхних  горизонтах печи немедленно под влиянием температуры поднимающихся газов.

Восстановление железа из руды начинает происходить при помощи окиси углерода (непрямое восстановление) в верхних горизонтах печи, где температура не высока, и постепенно усиливается при опускании вниз по мере повышения температуры примерно до 900°C. Обычно  в доменных газах содержится небольшое количество водорода, поэтому основное восстановление идёт за счёт окиси углерода и углерода кокса.

Восстановление окисью углерода начинается в шахте и происходит ступенчато от высшего окисла железа к низшему  в следующем порядке:

                     

                                Fe₂O₃ ® Fe₃O₄ ® FeO ® Fe .

   Протекают следующие реакции восстановления:

 

                              3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂                                     

                               Fe₃O₄ + CO = 3FeO CO₂                                               

                               FeO + CO = Fe + CO₂                     

Основной реакцией считается  реакция FeO + CO = Fe + CO₂   , т.к. конечным продуктом является металлическое железо и она называется реакцией косвенного восстановления железа, протекает при умеренных температурах (500…900°C) с выделением тепла.

При более высоких температурах (выше 1000…1100°C) в присутствии раскалённого кокса в доменной печи идёт восстановление железа при помощи углерода по реакции:

 

                             FeO + C = Fe + CO                        

 Эта реакция называется прямым восстановлением железа. Считается, что в доменной печи около 60…50% железа образуется по реакции  

FeO + CO = Fe + CO₂, т.е. с помощью окиси углерода и 50…40% с помощью твёрдого углерода. Прямое восстановление железа происходит в районе распара доменной печи.

Образующееся в доменной печи металлическое железо находится в твёрдом виде, поскольку оно имеет температуру плавления 1535°C. В присутствии окиси углерода губчатое металлическое железо постепенно науглераживается по реакции:

 

                            3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂                

Температура его плавления  понижается вплоть до 1150…1200°C. Вследствие этого науглероженное железо (содержание углерода от 1,8 до 2 %) переходит в жидкое состояние (расплавляется) и стекает по каплям между кусками раскалённого кокса на лещадь горна доменной печи. 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.

Доменный процесс имеет  также и побочные продукты: доменный шлак, доменный (колошниковый) газ, колошниковая пыль.

Доменный шлак – побочный продукт плавки, образуется из пустой породы железорудной части шихты, золы, кокса и известняка. Применяется для получения строительных материалов. Широкое применение нашла мокрая грануляция шлаков: шлак выливают в воду и он превращается в мелкозернистый материал. Гранулированный шлак используют для производства цемента, шлаковых строительных кирпичей и блоков, и т.д.

 Доменный или колошниковый газ. Он содержит значительное количество горючих составляющих (26…32 % CO и до 4 % H₂), бедное газообразное топливо, после очистки от пыли (частицы руды и кокса). Доменный газ используют как топливо для нагрева воздухонагревателей доменных печей, водяных и паровых котлов, в смеси с природным газом используют для отопления мартеновских и нагревательных печей. Колошниковая пыль содержит 45…50 % Fe и её используют при агломерации. Основным показателем доменного процесса, характеризующим производительность печи, является коэффициент использования полезного объема (к. и. п. о.), который равен отношению полезного объема печи к суточной ее производительности. Данный показатель может составлять 0,35-0,75 и зависит от размеров печи, степени подготовки шихты, степени обогащения дутья кислородом, уровня автоматизации и т.д.

 

1.3 Распределение  и движение газов и шихты  в доменной печи

 Газовый поток:

Высокопроизводительная  и экономичная работа доменной печи в значительной мере зависит от того, как организовано движение и распределение газов и шихты в ее рабочем пространстве. Движение газов и распределение их в печи определяется множеством факторов, но главным из них являются гранулометрический состав шихты и ее распределение на колошнике во время загрузки и перераспределение при движении в доменной печи. В свою очередь и движущийся газовый поток влияет на распределение шихты. Газы в доменной печи движутся через столь шихты снизу вверх под действием разности давлений, зависящей от величины сопротивления загруженной в печь шихты и количества воздуха, нагнетаемого в горн воздуходувной машиной. Проходя путь 24 – 26 м в течение нескольких секунд, газовый поток должен выполнить тепловую и восстановительную работу и обеспечить ровный сход шихтовых материалов от колошника к горну. Исходя из этих функций газового потока к распределению газов предъявляются противоречивые требования. Для наиболее полного использования тепла и восстановительной способности газового потока газы по сечению печи должны распределяться равномерно, иными словами, температура и состав газов во всех точках сечения доменной печи должны быть одинаковыми, а шихта – в равной мере нагретой и восстановленной. Для обеспечения ровного схода шихты газовый поток по сечению печи должен распределяться неравномерно, проходя в большем количестве у стен и в осевой зоне печи, т. е. там, где чаще всего бывает меньше руды или агломерата. В действительности же в доменной печи невозможно достичь равномерного распределения газов по сечению вследствие специфических особенностей доменного процесса и конструкции доменной печи.

Наиболее важным показателем, характеризующим распределение газового потока по сечению столба шихты, является сопоставление количеств газов, проходящих через равновеликие площади заполненного шихтой сечения печи в единицу времени.

Распределение материалов на колошнике  при загрузке доменной печи:

 

Исходя из требований, предъявляемых  к распределению газов в доменной печи, материалы при загрузке должны распределяться неравномерно по сечению печи, как по крупности, так и по компонентам шихты. У стен должно сосредотачиваться больше крупного агломерата с целью лучшего использования периферийных газов, а у оси – больше кокса. Большое количество мелких фракций железосодержащих компонентов у стен печи недопустимо во избежание тугого хода. Основную часть мелких фракций необходимо располагать в промежуточном кольце между периферией и центром. По окружности печи материалы должны, наоборот, распределяться строго равномерно, т. е. так, чтобы любая окружность горизонтального сечения была кривой равного содержания диоксида углерода в газе и кривой одинаковой температуры. Этим условиям распределения шихты удовлетворяет принятый способ загрузки материалов при помощи конуса и воронки. Шихтовые материалы – кокс, железосодержащие компоненты и флюс – загружают в доменную печь отдельными порциями, называемыми подачами. Количественное соотношение компонентов шихты в каждой подаче строго постоянное. Оно определяется расчетом шихты.             
Материалы на колошник подают специальными тележками – скипами, перемещающимися по рельсам наклонного моста. Объем материалов одной подачи соответствует объему нескольких скипов, поэтому подача на колошник подается по частям несколькими скипами. При этом одну часть скипов подачи загружают коксом, а другую – железосодержащими компонентами и флюсом. При полностью офлюсованном агломерате подача состоит только из скипов с агломератом и коксом.

Движение шихты в  доменной печи:

В доменной печи шихта  опускается под действием своей массы в пространство, освобождающееся в результате уменьшения ее объема при протекании различных процессов, основными из которых являются горение углерода кокса в фурменных очагах, расход углерода кокса на прямое восстановление, образование и плавление чугуна и шлака, а также уплотнение шихты при движении. 44 – 52 % общего уменьшения объема шихты приходится на горение углерода, 11 – 16 % - на прямое восстановление, 25 – 35 % - на плавление чугуна и шлака и 5 – 15 % - на уплотнение материалов. Из этого следует, что уменьшение объема шихты происходит главным образом в очагах горения перед фурмами, а фурменные очаги можно уподобить своеобразным воронкам, через которые движется основная масса шихты.