Конструкция тепловой работы доменной печи

Периферийное расположение зон горения приводит к преимущественному движению шихты на периферии печи. Скорость движения шихты в периферийном кольце колошника составляет 90 – 140 мм/мин, а в центре 70 – 120 мм/мин. Длительность пребывания шихты в печи изменяется в пределах от 5,5 до 7 ч. Активизация работы центра печи всегда приводит к существенному увеличению скоростей опускания шихты в осевой зоне и уменьшению разности скоростей движения шихты на периферии и в центре.

Повышение скорости схода  шихты на периферии колошника  объясняется и другими причинами, главной из которых являются расширение шахты книзу и более интенсивное по сравнению с коксом движение железорудных компонентов, располагающихся в большом количестве на периферии. В результате неодинаковой скорости движения шихты в рабочем пространстве печи одновременно загруженные в печь материалы приходят в горн неодновременно. Это явление называется опережением, которое необходимо учитывать при изменении условий работы печи, связанных с переходом на выплавку другого вида чугуна, изменением качества материалов.

1.4 Методы интенсификации  доменного процесса

Под интенсификацией  доменного процесса понимают увеличение скорости его протекания. Мерой интенсивности  хода доменной печи является количество чугуна, получаемое в единицу времени  в расчете на единицу полезного объема доменной печи. В условиях производства принято пользоваться обратной величиной – полезным объемом печи, затрачиваемым в течении суток на выплавку 1 т чугуна. Этот показатель называется коэффициентом использования полезного объема доменной печи и определяется как частное от деления полезного объема печи Vпол (м3) на суточную производительность печи Т (т) чугуна/сут. Чем меньше этот показатель, по абсолютному значению, тем интенсивнее протекает процесс, интенсивнее ход доменной печи. Увеличить интенсивность хода доменной печи можно двумя путями:

1. создание условий,  при которых в горн доменной  печи в единицу времени можно  подать большее количество дутья,  расходуемого на сгорание углерода  горючего;

2. создание условий,  обеспечивающих снижение расхода кокса на единицу выплавляемого чугуна, если количество дутья, поступающее в горн в единицу времени, не снижается или снижается в меньшей мере, чем расход кокса.

При увеличении количества дутья, подаваемого в горн в единицу времени, соответственно увеличивается сгорающее в единицу времени количество углерода, а следовательно, увеличивается и производительность печи. При уменьшении относительного расхода горючего и неизменном количестве дутья производительность печи также возрастает вследствие увеличения рудной нагрузки на кокс. Наиболее высокая степень интенсификации процесса достигается, когда одновременно с увеличением количества дутья имеется возможность уменьшить и относительный расход горючего.

Увеличение интенсивности  хода доменной печи путем увеличения расхода дутья в единицу времени предполагает улучшение газодинамики процесса. Это может быть достигнуто повышением прочности агломерата, отсевом мелких фракций и улучшением однородности гранулометрического состава шихтовых материалов, повышением давления газов в рабочем пространстве печи, снижением относительного выхода шлака и улучшением его физических свойств.

Увеличение интенсивности  хода доменной печи путем снижения относительного расхода кокса предполагает уменьшение тепловых затрат на процесс и применение заменителей кокса в роли теплоносителя и восстановителя.

Основными методами интенсификации доменного процесса являются:

1. совершенствование  способов подготовки и улучшение  качества сырых материалов;

2. высокотемпературный  нагрев дутья;

3. увлажнение дутья;

4. обогащение дутья  кислородом;

5. вдувание в горн  углеводородосодержащих добавок;

6. комбинирование дутья;

7. повышение давления  газов в рабочем пространстве  доменной печи.

Наиболее важной по своему значению является подготовка сырья  к плавке. Ни один из методов интенсификации доменного процесса, перечисленных в п. 2 – 
7, не может дать максимального эффекта при плохом качестве сырья.

Нагрев дутья:

Впервые нагретое дутье  в доменном производстве применили  в 1829 г. 
Несмотря на сравнительно невысокий нагрев дутья (150⁰ С), показатели работы печи значительно улучшились: относительный расход горючего уменьшился на 30%, производительность печи возросла, появилась возможность увеличить количество дутья. При этом расход горючего на нагрев дутья был намного ниже полученной экономии. Впоследствии применение более нагретого дутья (350–400⁰С) на коксовых доменных печах позволило уменьшить относительный расход кокса на 25 – 35 %. В настоящее время дутье нагревают от 1100 – 1200⁰ С и выше. За всю историю существования доменного производства ни одно мероприятие не дало такого снижения расхода горючего, как применение нагретого дутья.

Увлажнение дутья:

Естественная влажность  воздуха колеблется в значительных пределах как в течении суток, так и по временам года. Колебания влажности дутья вызывают изменения в тепловом и температурном режиме горна и в ходе восстановления, что нередко приводит к расстройствам хода печи, ухудшая технико- экономические показатели. Устранить колебания естественной влажности можно двумя способами: осушением дутья и увлажнением дутья в таких пределах, чтобы влажность его была несколько выше естественной, но постоянной во времени.

Обогащение дутья кислородом:

При обогащении дутья  кислородом изменяются следующие показатели:

1. Уменьшается расход дутья на единицу сжигаемого у фурм углерода.

2. Уменьшается количество  горнового газа на единицу  сжигаемого у фурм углерода.

3. Повышается концентрация  оксида углерода в горновом  газе.

4. Значительно возрастает  температура в зоне горения.

При обогащении дутья кислородом снижается перепад давления газов между горном и колошником вследствие уменьшения выхода горнового газа на единицу сжигаемого углерода и скорости движения газов в столбе шихтовых материалов.

Вдувание в горн природного газа и других добавок к дутью:

При вдувании природного газа в количестве 70 – 90 м³ на 1 т чугуна расход кокса уменьшается на 10 – 14 %. Экономия кокса при вдувании природного газа достигается за счет:

1. Увеличения непрямого  и уменьшения прямого восстановления.

2. Замены части углерода кокса углерода природного газа.

3. Уменьшения прихода  серы в печь и выхода шлака  вследствие уменьшения расхода  кокса, вызываемого первыми двумя  факторами.

Комбинированное дутье:

Комбинированным принято  называть дутье, включающее добавки  как в виде окислителей (кислород, пар), так и восстановителей (природный газ, коксовый газ, мазут пылеугольное топливо и др.). Наибольшее распространение получило сочетание обогащения дутья кислородом с вдуванием природного газа. Основной положительный эффект при вдувании природного газа состоит в значительном сокращении расхода кокса, а при обогащении дутья кислородом – в увеличении производительности печи. Но достижение возможного эффекта при вдувании природного газа ограничивается его отрицательными сторонами – увеличением количества горнового газа с понижением температуры в горне, а достижение возможного эффекта обогащенного кислородом дутья ограничивается, наоборот, чрезмерным повышением температуры в горне.

Повышение давления газа:

Идея работы доменной печи на повышенном давлении газов была выдвинута с целью улучшения восстановительной способности газов. Однако положительное действие повышенного давления проявляется не в улучшении восстановительной способности газов, а в улучшении газодинамического режима доменной печи, при котором возможно значительное повышение производительности и снижение расхода кокса. Повышение давления газа внутри доменной печи достигается путем пережима струи газа при помощи специального дроссельного устройства, установленного в газопроводе очищенного от пыли газа. Положительное действие повышенного давления газа заключается в том, что с увеличением давления уменьшается объем газа и его скорость, вследствие чего уменьшаются подъемная сила газа и перепад давления газа между горном и колошником. Это позволяет увеличивать массовое количество дутья, не превышая его критического объема.

2 КОНСТРУКЦИЯ ДОМЕННОЙ  ПЕЧИ

 

Профиль печи представляет собой внутреннее очертание рабочего пространства в вертикальном сечении, проходящим через ось печи, с  такими элементами как:

• колошник, верхняя цилиндрическая часть, куда при помощи засыпного аппарата загружаются проплавляемые материалы, а от его боковых сторон по газоотводам (газоотводящая система)  удаляются колошниковые газы.  Газоотводы  выведены высоко вверх, для того, чтобы выносимая из печи рудная и коксовая мелочь могла частично осесть и возвратиться в печь. Для предотвращения  зарастания пылью, газоотводам придают угол наклона не менее 50°. Газоотводы  размещены симметрично для равномерного отбора газов из печи. Колошник - это место, где формируется после загрузки уровень засыпи материалов и осуществляется контроль распределения газового потока;
• шахта расположена под колошником, в ней в определённой последовательности идут процессы подготовки материалов, восстановление из окислов руды железа и др. элементов, науглероживание железа и плавление образовавшегося сплава. Шахта представляет собой расширяющийся книзу усеченный конус. Это необходимо для увеличения объема материалов  с ростом их температуры и для того, чтобы облегчить движение материалов к горну;
• распар – самая широкая часть доменной печи, где происходят все основные процессы плавления компонентов шихты;
• заплечики представляют собой форму усеченного конуса, данная форма необходима для уменьшения объема материалов, связанным с плавлением шихты и более быстрым движением расплава и шлака по сравнению с движением кусков кокса;
• горн необходим для сбора продуктов плавки- чугуна и шлака, а также для ввода в печь дутья и организации процессов горения. В нижней части горна на высоте 0,5 м от лещади расположены отверстия для выпуска чугуна - чугунные летки.  В средней части горна расположены отверстия для выпуска шлака.
• засыпной аппарат при скиповой загрузке состоит из  двух конусов- большого и малого; газового затвора- межконусное пространство, заключенное в металлический кожух. Вместе с малым конусом газовый затвор устраняет потери газа при открытом большом конусе. Шихта из скипа загружается в воронку малого конуса и при опускании его попадает в воронку большого конуса. Большой конус опускает шихту в печь при закрытом малом конусе.
• фундамент доменной печи передает нагрузку от печи и связанных с ней устройств на грунт. Фундамент выполнен из огнеупорного бетона и  обладает прочностью и термической устойчивостью.

рабочее пространство доменной печи футеруют шамотным кирпичом, кроме горна, для которого используют углеродистые блоки. Для повышения стойкости кладки футеровку печи (2/3 высоты шахты, распар, заплечики, горн) охлаждают, используя водяное охлаждение. Для этого между металлическим кожухом и огнеупорной кладкой установлены водоохлаждаемые холодильники.  Водой охлаждают и арматуру фурменных приборов и шлаковых леток. Футеровка колошника с внутренней стороны защищена от ударного и истирающего воздействия кусков шихты металлическими плитами.

 Рассмотрим устройство доменной печи  (рисунок 2.1)

                  

                                   

Рисунок 2.1 -  Доменная печь

 

1-колошник, 2-шахта, 3-распар, 4-заплечики, 5-горн, 6-большой конус, 7-кольцевая труба для дутья, 8-воздухоподводящий рукав, 9-воздушная фурма, 10-чугунная летка, 11-шлаковая летка, 12- рабочая площадка, 13- колонна печи, 14-футеровка, 15-металлическая защита колошника, 16-металлическая одежда печи, 17-наружные холодильник, 19-лещадь, 20-кольцевая водораспределительная труба;  21-штуцер для печи; 22-резервуар для сбора воды из холодильников, 24- воронка для сбора воды их холодильников, 25-желоб для чугуна и шлака, 26-перегородка для отделения шлака, 27- перевал, 28- желоб для отвода шлака, 29-желоб для чугуна, 30- фундамент печи, 31- водосборная труба.

Полной высотой печи принято считать от уровня оси чугунной до уровня верха опорного кольца на колошнике, несущего чашу засыпного аппарата.

Полезная площадь печи и полезный объем печи - от уровня оси чугунной летки до уровня основания большого конуса засыпного аппарата в опущенном положении. Является  важной характеристикой доменной печи, данный показатель определяет количество материалов, находящихся в печи.

Полная высота горна исчисляется от уровня оси чугунной летки до нижней кромки заплечиков.

Вертикальный разрез доменной печи и ее составляющие представлены в Приложении 1 и Приложении 2.

 

3 ТЕПЛОВАЯ РАБОТА ДОМЕННОЙ  ПЕЧИ

 

В доменной печи шихта  двигается сверху вниз, а раскаленные  газы двигаются снизу вверх. Таким образом, осуществляется противоток газа и шихты. Характер теплообмена между газом и кусками шихты зависит от соотношения из водяных эквивалентов. Водяным эквивалентом газа (шихты) называют произведение расхода газа (шихты) на его (ее) теплоёмкость.

Соотношение между водяными числами газа и шихты оказывает  существенное влияние на теплообмен в шахтных печах.

Если водяной эквивалент газового потока больше водяного эквивалента  потока шихты, т.е. Wг > Wш, то температура шихты достигает начальной температуры теплоносителя (газа) Т 'г, а теплоноситель выходит из теплообменника с температурой Т''г.