Часть доменной печи

Доменная печь – это сложный агрегат, где происходит восстановление железа из руды. Основные элементы конструкции включают колошник, шахту, распар, заплечики и горн. Каждый из них выполняет свою функцию, обеспечивая непрерывный процесс выплавки чугуна.

Верхняя часть печи, колошник, служит для загрузки шихты – смеси руды, кокса и флюсов. Здесь же отводятся газы, образующиеся в процессе плавки. Температура в этой зоне достигает 200–300°C, что позволяет подсушивать материалы перед их опусканием вниз.

Ниже расположена шахта, где начинается нагрев и восстановление оксидов железа. Температура постепенно повышается до 1000–1200°C, а руда взаимодействует с оксидом углерода, выделяющимся из кокса. В результате образуется твердое железо, которое затем плавится в более горячих зонах.

В распаре и заплечиках температура достигает 1400–1600°C. Здесь железо окончательно восстанавливается и смешивается с углеродом, образуя чугун. Одновременно отделяются шлаки, которые всплывают на поверхность расплава.

В горне накапливаются жидкие чугун и шлак. Через специальные летки их периодически выпускают из печи. Воздух, подаваемый через фурмы, поддерживает горение кокса, обеспечивая необходимую температуру – до 2000°C в зоне горения.

Конструкция шахты доменной печи: слои и материалы

Шахта доменной печи состоит из нескольких слоёв, каждый из которых выполняет конкретную функцию и требует особых материалов. Основные элементы включают кожух, огнеупорную футеровку и систему охлаждения.

Кожух и несущая конструкция

Кожух изготавливают из высокопрочной стали толщиной 30–50 мм. Он обеспечивает механическую прочность и защищает внутренние слои от деформации. Для снижения тепловых нагрузок кожух оснащают рёбрами жёсткости и компенсаторами расширения.

Огнеупорная футеровка

Футеровка шахты работает в условиях высоких температур (до 2000°C) и химически агрессивной среды. Применяют многослойную кладку:

• Внешний слой – шамотный кирпич (Al₂O₃ 30–40%) для теплоизоляции.
• Основной слой – высокоглинозёмистый кирпич (Al₂O₃ 50–70%) или карборунд (SiC) в зонах максимального нагрева.
• Внутренний слой – углеродистые блоки в нижней части шахты для защиты от шлаков и расплава.

Толщина футеровки варьируется от 800 мм в верхней части до 1200 мм в распаре. Для увеличения срока службы используют медные холодильники, встроенные в кладку.

Система охлаждения

В шахте применяют комбинированное охлаждение:

• Кессонные плиты – чугунные или медные панели с циркулирующей водой.
• Рядовые холодильники – трубчатые элементы, установленные между рядами кирпича.

Расход воды достигает 5–7 м³/ч на 1 м² поверхности. Температуру охлаждающей жидкости поддерживают в пределах 30–50°C для предотвращения образования накипи.

Принцип работы колошникового устройства

Колошниковое устройство расположено в верхней части доменной печи и отвечает за равномерное распределение шихты. Оно состоит из вращающейся воронки и распределительного аппарата, которые синхронизируют подачу материалов.

Загрузка шихты происходит через скиповый подъёмник. После попадания в приёмную воронку шихта перемещается в распределительный аппарат. Вращение воронки на 60° обеспечивает равномерное распределение материалов по сечению печи.

Герметичность колошникового устройства поддерживается с помощью двухконусного затвора. Нижний конус опускается только после закрытия верхнего, что предотвращает утечку колошникового газа. Давление в системе регулируется автоматически.

Для предотвращения заклинивания механизмов используется система охлаждения. Водяные рубашки устанавливаются в зонах повышенного трения. Температура контролируется датчиками каждые 30 минут.

Износ конусов проверяют дважды в смену. Зазор между конусами не должен превышать 8 мм. При увеличении зазора до 12 мм требуется плановая замена уплотнительных колец.

Назначение и устройство фурменных аппаратов

Фурменные аппараты подают горячее дутьё в горн доменной печи, обеспечивая горение кокса и восстановление оксидов железа. Их конструкция должна выдерживать температуру до 2000°C и давление до 4 атм.

• Основные элементы:
  • Фурменная головка с медным водоохлаждаемым наконечником
  • Воздушный патрубок для подачи дутья
  • Сопловой узел с регулируемым сечением
  • Система крепления к кожуху печи

Медные наконечники имеют двойные стенки для циркуляции воды. Толщина стенки составляет 15-25 мм, а скорость охлаждающей воды – не менее 2 м/с. Угол наклона сопла – 12-15° к горизонту.

1. Порядок монтажа:
   1. Проверить соосность фурмы с горном
   2. Установить термокомпенсационные прокладки
   3. Затянуть крепёжные болты с моментом 150-200 Н·м
   4. Подключить систему охлаждения

Зазор между фурмой и кладкой печи заполняют огнеупорной мастикой на основе карборунда. При эксплуатации контролируют температуру выходящей воды – превышение 60°C сигнализирует о нарушении теплообмена.

Как работает зона распара в доменной печи

Зона распара расположена между заплечиками и горном доменной печи. Здесь температура достигает 1400–1600°C, что обеспечивает плавление руды и образование жидкого чугуна.

Физико-химические процессы

В зоне распара происходят ключевые реакции восстановления железа из оксидов. Углерод кокса взаимодействует с оксидом железа, выделяя CO и восстанавливая металл до жидкого состояния. Одновременно плавятся пустая порода и флюсы, образуя шлак.

Тепловой режим

Температурный градиент в зоне строго контролируется. Перегрев выше 1600°C приводит к разрушению футеровки, а недостаточный нагрев – к неполному восстановлению железа. Оптимальный тепловой баланс поддерживается регулировкой дутья и состава шихты.

Критически важно: равномерное распределение газового потока по сечению печи. Локальные перекосы вызывают «прогары» футеровки и снижают КПД процесса.

Шлак, как менее плотный материал, скапливается над чугуном, защищая его от окисления. Периодический выпуск обоих продуктов через летки завершает цикл работы зоны распара.

Охлаждение печи: система рубашек и холодильников

Конструкция охлаждающих элементов

Рубашки и холодильники в доменной печи изготавливают из медных или стальных труб с высокой теплопроводностью. Медные элементы устанавливают в зонах максимального нагрева – фурменной области и заплечиках. Стальные используют для менее нагруженных участков, например, распара.

Толщина стенок трубок варьируется от 8 до 12 мм в зависимости от тепловой нагрузки. Внутренний диаметр выбирают в диапазоне 40-60 мм для обеспечения оптимальной скорости циркуляции воды (1,5-2 м/с).

Схема подачи охлаждающей воды

Систему проектируют по принципу параллельных контуров. Каждый холодильник получает автономный подвод воды через индивидуальные регулировочные вентили. Это позволяет точно контролировать расход в каждом элементе.

Температуру на выходе поддерживают в пределах 45-55°C. Превышение 60°C приводит к образованию накипи и снижению эффективности охлаждения. Для контроля используют термопары, установленные на выходных патрубках.

При остановке печи продолжают циркуляцию воды минимум 6 часов для постепенного охлаждения футеровки. Резкий перепад температур вызывает растрескивание огнеупорной кладки.

Раз в квартал проверяют состояние внутренней поверхности труб ультразвуковой дефектоскопией. Трещины глубиной более 3 мм требуют замены элемента.

Выпуск чугуна и шлака: механизм летки

Летка – ключевой элемент доменной печи, через который выпускают чугун и шлак. Она расположена в нижней части горна и работает под высокими температурами и давлением.

Конструкция летки

Основные компоненты летки:

• Леточный канал – отверстие диаметром 50–80 мм, футерованное огнеупорными материалами.
• Пробойник – механический или гидравлический инструмент для пробивки затвердевшего чугуна.
• Леточная глина – быстротвердеющая смесь для герметизации канала после выпуска.

Процесс выпуска

Перед выпуском пробойником пробивают застывший чугун в канале. Чугун и шлак стекают по желобу в ковши или грануляционные установки. После завершения летку герметизируют глиной, чтобы предотвратить утечку газов.

Для увеличения срока службы летки используют охлаждаемые медные плиты и регулярно проверяют износ огнеупорной футеровки. При сильном износе канал расширяется, что приводит к неравномерному выпуску.