Конструкция тепловой работы доменной печи

Федерация агентства  по образованию РФ

ГОУ ВПО «Уральский государственный 

технический университет  – УПИ» имени первого президента Б.Н. Ельцина

 

 

 

 

Оценка проекта

  Члены комиссии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Конструкция  тепловой работы доменной печи

 

 

 

 

 

 

 

 

      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Чусовой

2011

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Цель  доменного производства состоит  в получении чугуна из железных руд  путем их переработки в доменных печах. Сырыми материалами доменной плавки являются топливо, железные и  марганцевые руды и флюс.

Топливом  для доменной плавки служит кокс, получаемый из каменного угля. Его роль состоит в обеспечении процесса теплом и восстановительной энергией. Кроме того кокс разрыхляет столб шихтовых материалов и облегчает прохождение газового потока в шихте доменной печи.

Железные  руды вносят в доменную печь химически связанное с другими элементами железо. Восстанавливаясь и науглераживаясь в печи, железо переходит в чугун. С марганцевой рудой в доменную печь вносится марганец для получения чугуна требуемого состава.

Флюсом  называются добавки, загружаемые в доменную печь для понижения температуры плавления пустой породы руды, офлюсования золы кокса и придания шлаку требуемых технологией выплавки чугуна физико-химических свойств. Для руд с кремнеземистой (кислой) пустой породой в качестве флюса используют материалы, содержащие оксиды кальция и магния: известняк и доломитизированный известняк.

Для получения высоких технико-экономических  показателей доменной плавки сырье  и материалы предварительно подвергают специальной подготовке (см. приложение 1).

 

 

   1. Доменное производство - производство чугуна восстановительной плавкой железных руд или окускованных железорудных концентратов в доменных печах. Чугун был известен за 4—6 вв. до н. э. Доменное производство возникло в результате развития сыродутного процесса — «прямого» получения железа в твёрдом состоянии непосредственно из железной руды путём восстановления её в низких горнах или шахтных печах (домницах) с помощью древесного угля. Первые доменные печи в Европе появились в середине 14 в., а в России — около 1630, вблизи Тулы и Каширы. На Урале первый чугун получен в 1701, а в середине 18 в. благодаря развитию уральской металлургии Россия вышла на 1-е место в мире, которое удерживала до начала 19 в. До середины 18 в. единственное топливо в Доменное производство — древесный уголь. В 1735 А. Дерби применил в доменной плавке каменно-угольный кокс. 

  Доменное производство является начальным звеном в цикле производства готового проката и феррованадия.

Доменный цех является одним  из основных цехов металлургического  предприятия. Выплавкой чугуна в доменных печах начинается металлургическое производство. Доменный цех характеризуется непрерывностью производства и занимает ведущее положение в системе завода с замкнутым циклом, так как помимо чугуна вырабатывает доменный газ, используемый другими цехами как топливо.

Разнообразие конструкций  печей, применяемых в промышленности, обусловлено широким спектром технологических  процессов, осуществляемых при производстве и дальнейшей тепловой обработке  разнообразных материалов. Основным признаком классификации всех печей является их технологическое назначение. По данному признаку печи делят на две большие группы: плавильные и нагревательные. В плавильных печах после нагрева до температуры плавления материал переходит в другое агрегатное состояние - жидкое, а в нагревательных печах подвергаемый тепловой обработке материал сохраняет свое агрегатное состояние.  Плавильные печи подразделяют на такие типы как: чугуноплавильные, сталеплавильные,  шлакоплавильные и т.д.     

Качество выпускаемой продукции определяется работой тепловых установок и зависит от эффективности протекания в них тепловых процессов. Основное назначение печи состоит в том, чтобы создать в ее рабочем пространстве наиболее благоприятные условия для реализации технологического процесса.

Печь - ограниченное от окружающей среды пространство, в котором происходит генерация теплоты из первичного вида энергии и передача полученной теплоты материалу, подвергаемому тепловой обработке в технологических целях.

 Печь состоит из  следующих элементов:

-рабочее пространство, представляет собой камеру какой-либо  конфигурации, огражденную огнеупорной  футеровкой;

-устройства, обеспечивающие  генерацию тепловой энергии (горелки,  форсунки, электронагреватели и  т.д.);

-система для удаления  продуктов сгорания (дымовые каналы, дымовая труба, дымосос и т.д.);

-устройства для утилизации  теплоты отходящих газов;

-механическое оборудование, обеспечивающее загрузку обрабатываемого  материала, подъем и опускание  заслонок, перекидка клапанов и  т.д.;

-контрольно- измерительная аппаратура, предназначена для контроля за ходом теплового процесса по характеру изменения отдельных параметров (расход, температура, давление).

В современных доменных печах все процессы по подготовке и загрузке шихтовых материалов полностью механизированы.

К вспомогательным устройствам, обеспечивающим работу печи, относятся: шихтовые дворы, оборудованные погрузочно-разгрузочными  устройствами; бункерные эстакады с  вагон-весами для автоматического взвешивания шихтовых материалов, подъемные механизмы, доставляющие самоопрокидывающиеся тележки-скипы с шихтой к загрузочному аппарату доменной печи. Для нормальной работы печи необходимы также воздухонагреватели и другие устройства для осуществления горячего дутья, литейный двор, ковши – чугуновозы и шлаковозы, разливочные машины и т.д.

 

1 ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

 

1. Сырье материалы и подготовка их к доменной плавке

 

Цель доменного производства состоит в получении чугуна из железных руд путем их переработки  в доменных печах. Сырыми материалами доменной плавки являются топливо, железные и марганцевые руды и флюс.

В качестве топлива в  современной доменной плавке применяют  кокс, мазут, природный и коксовый газы и каменноугольную пыль. Основным видом топлива является кокс. Коксом называется пористое спекшееся вещество, остающееся после удаления из каменного угля летучих веществ при нагревании его до 950-1200⁰С без доступа воздуха. Это единственный материал, который сохраняет форму куска в доменной печи на всем пути движения от колошника к горну. Благодаря этому обстоятельству обеспечивается прохождение газового потока через слой жидких, полужидких и твердых материалов в доменной печи. 
В нижней части печи раскаленный кокс образует своеобразную дренажную решетку, через которую в горн стекают жидкие продукты плавки. Высота столба шихты в современной доменной печи достигает 30 м, поэтому кокс, особенно в нижней части печи, воспринимает большие нагрузки. Отсюда вытекает основное требование, предъявляемое к коксу: высокая механическая прочность, как в холодном, так и в нагретом состоянии. Загружаемый в доменную печь кокс не должен содержать ни мелких кусков, ухудшающих газопроницаемость шихты, ни чрезмерно крупных кусков, которые, как правило, поражены трещинами и легко разрушаются в печи с образованием мелких фракций. Кокс должен быть пористым для обеспечения хорошей горючести в горне печи и обладать высокой теплотой сгорания для получения требуемого количества тепла и необходимой температуры. Теплота сгорания кокса зависит от содержания в нем углерода, которое определяется содержанием золы, вредных примесей и летучих веществ в коксе. Чем выше содержание золы, вредных примесей и летучих веществ в коксе, тем меньше в нем углерода и меньше теплота его сгорания. Кроме того, с увеличением содержания золы и серы в коксе возрастают количество шлака, расход тепла на его расплавление и снижается механическая прочность кокса, а с увеличением содержания серы и фосфора в коксе ухудшается качество чугуна. Повышенное содержание летучих веществ в коксе свидетельствует о незавершенности процесса коксования, что приводит к снижению механической прочности кокса. Чрезмерно низкое содержание летучих соединений в коксе, получающееся при пережоге кокса, также отрицательно сказывается на его качестве. Поэтому кокс должен содержать по возможности меньше золы, серы, фосфора и умеренное количество летучих веществ. В коксе всегда содержится влага, поступающая в кокс при его тушении на коксохимическом заводе или из атмосферы. В связи с тем, что кокс в доменной печи загружают по массе, содержание влаги в коксе должно выдерживаться постоянным для сохранения заданного теплового режима печи.

Железными рудами принято  называть такие горные породы, из которых экономически выгодно извлекать железо методом плавки. Восстановимость руд является одним из факторов, определяющих их металлургическую ценность. Скорость восстановления руды увеличивается при мелком дроблении, так как при этом возрастает отношение поверхности куска к его объему,  но и измельчение руды сверх определенного предела, величина которого зависит от свойств руды, не приводит к дальнейшему росту скорости ее восстановления. Значительно облегчает процесс восстановления пористость руды. Наибольшее влияние оказывает увеличение микропористости. Решающее влияние на восстановимость руд оказывает их минералогический состав.

Железная руда состоит из минерала, пустой породы и примесей. Главной частью руды является рудный минерал, в состав которого входит железо. Чаще всего железо в минерале химически связано с кислородом, реже с другими элементами и соединениями. Пустая порода состоит из кремнезема, глинозема, извести и магнезии, образующих сложные минералы. Примеси руд делятся на полезные и вредные. Полезными примесями считаются марганец, хром, никель, ванадий, вольфрам, молибден и др. Вредные примеси – сера, фосфор, мышьяк, цинк, свинец и в большинстве случаев медь – либо ухудшают качество металла, либо разрушающе действуют на огнеупорную футеровку доменной печи.

В зависимости от типа рудного минерала железные руды делятся на четыре основные группы:

1. Красный железняк  или гематитовая руда. Минерал  гематит – безводный оксид  железа, в чистом виде содержит 70 % железа и 30 % кислорода. Это  наиболее распространенная железная  руда.

2. Магнитный железняк  или магнетитовая руда. Минерал – магнетит (72,4 % железа и 27,6 % кислорода).

3. Бурый железняк представлен  железосодержащими минералами водных  оксидов железа, которые содержат  от 59,8 % до 69 % железа.

4. Шпатовый железняк  – железная руда, основу которой  составляет минерал сидерит, содержащий 48,3 % железа.

Кроме перечисленных  четырех разновидностей железных руд, железо в значительном количестве (46,6 %) содержится в серном колчедане  или пирите. 
Однако пирит в доменную плавку не дают, его используют в качестве сырья в сернокислотной промышленности, а отходы в виде окисленного железа применяют при производстве агломерата. Также находят промышленное применение бедные железные руды: магнетитовые и гематитовые кварциты, в которых содержится до 45 % кремнезема в виде свободного кварца. Кварциты обогащают, получая железорудный концентрат, содержащий более 60 % железа.

Критерием оценки железных руд являются: содержание железа, тип основного железосодержащего минерала, состав и свойства пустой породы, содержание вредных примесей, стабильность химического состава, восстановимость, кусковатость, прочность, пористость, влажность.

В настоящее время  более 90 % добываемых руд перед загрузкой  в доменные печи подвергают специальной подготовке, в процессе которой перечисленные выше характеристики руд значительно изменяются, однако многие из них сильно влияют на качество и свойства конечного продукта. При оценке железной руды, прежде всего, обращают внимание на содержание в ней железа, которое колеблется в очень широких пределах. Чем выше содержание железа в железной руде, тем экономичнее и производительнее работает доменная печь. К богатым рудам относят руды, содержащие железа 60-68 %, к средним 50% и к бедным 40-50 %. Кусковые руды с высоким содержанием железа могут перерабатываться в доменной печи без предварительной подготовки, но таких руд мало, и они в основном используются при выплавке стали. Используются также и руды с содержанием железа менее 40 %. Эти руды подвергают обогащению. Нижний предел содержания железа в рудах определяется выгодностью их использования. Восстанавливаясь и науглероживаясь в печи, железо переходит в чугун.

Флюсами называются материалы, добавляемые к железной руде и  загружаемые в доменную печь для  понижения температуры плавления  пустой породы, ошлакования золы кокса и получения жидкоподвижного шлака с высокой серопоглатительной способностью. В качестве флюса выбирают материал с химическими свойствами, противоположными химическим свойствам пустой породы. Так как пустая порода руд преимущественно кремнеземистая (кислая), то роль флюса выполняют основные оксиды CaO и частично MgO. Иногда в зависимости от состава пустой породы флюсы могут быть кислыми или глиноземистыми. Оксид кальция входит в состав минерала кальцита, называемого известняком. Кроме известняка, для руд с кислой пустой породой, в качестве флюса используют доломитизированный известняк, состоящий из смеси кальцита и доломита. Доломитизированный известняк применяют для улучшения подвижности шлака, доводя содержание оксида марганца в шлаке до 6-8%. Важнейшим требованием, предъявляемым к основным флюсам, является низкое содержание в них кремнезема и глинозема и вредных примесей серы и фосфора.

Доменная печь -  самый  крупный и сложный плавильный шахтный тепловой агрегат, где все  гидродинамические и теплообменные  процессы протекают в так называемом плотном слое. Этот слой представляет собой уложенные вплотную друг к другу куски шихты с пустотами между ними, по которым проходят газы, обеспечивающие протекание необходимых технологических и тепловых процессов, следовательно, важной характеристикой слоя кусковых материалов является газопроницаемость.