Доменная печь – это вертикальная шахтная печь для выплавки чугуна из железной руды. Ее высота достигает 35 метров, а суточная производительность – 10 000 тонн чугуна. Основные части печи: колошник, шахта, распар, заплечики и горн. Каждая зона выполняет свою функцию в процессе плавки.
Сверху через колошник загружают шихту: железную руду, кокс и флюсы. Горячий воздух (дутье) подается через фурмы в горн при температуре 1000–1300°C. Кокс сгорает, создавая восстановительную среду и обеспечивая нагрев. Руда постепенно опускается вниз, превращаясь в чугун и шлак.
Готовый чугун выпускают через чугунную летку каждые 3–4 часа, а шлак – через шлаковую. Для устойчивой работы важно поддерживать баланс между загрузкой шихты и расходом дутья. Современные печи работают непрерывно 10–15 лет между капитальными ремонтами.
- Основные компоненты доменной печи и их назначение
- 1. Шахта
- 2. Распар
- 3. Заплечики
- 4. Горн
- 5. Фурменные устройства
- 6. Воздухонагреватели
- Как загружаются и подготавливаются шихтовые материалы
- Процесс горения кокса и восстановления железа
- Формирование шлака и его удаление из печи
- Процесс формирования шлака
- Удаление шлака из печи
- Выпуск чугуна и контроль его качества
- Система газоотвода и использование колошникового газа
Основные компоненты доменной печи и их назначение
1. Шахта
2. Распар
Распар расположен ниже шахты и имеет цилиндрическую форму. Здесь температура достигает 1200–1400°C, что способствует активному восстановлению оксидов железа. Углерод кокса взаимодействует с кислородом руды, образуя CO и CO₂.
3. Заплечики
Заплечики сужаются к низу, ускоряя движение шихты. В этой зоне завершается процесс восстановления железа, а пустая порода и флюсы образуют шлак. Температура здесь превышает 1500°C.
4. Горн
Горн – нижняя часть печи, где скапливаются расплавленные чугун и шлак. Через фурменные устройства вдувают горячий воздух (до 1300°C), поддерживая горение кокса. Чугун выпускают через чугунную летку, а шлак – через шлаковую.
5. Фурменные устройства
Фурмы подают нагретый воздух в горн, обеспечивая горение кокса. Воздух предварительно нагревают в воздухонагревателях до 1000–1300°C, что снижает расход топлива.
6. Воздухонагреватели
Эти устройства подогревают воздух для фурм, используя тепло отходящих газов. Типичная доменная печь имеет 3–4 воздухонагревателя, работающих попеременно.
Как загружаются и подготавливаются шихтовые материалы
Шихтовые материалы загружают в доменную печь через колошниковый аппарат, предварительно подготовив их к плавке. Основные компоненты – железорудное сырьё (агломерат, окатыши), кокс и флюсы – проходят несколько этапов обработки.
- Дробление и сортировка – руду измельчают до фракции 5-30 мм для равномерного плавления.
- Окомкование – мелкие частицы спекают в окатыши диаметром 10-15 мм.
- Сушка – влажность материалов снижают до 1-3%, чтобы избежать взрывов пара в печи.
- Дозирование – компоненты смешивают в соотношении: 55-60% железорудного сырья, 30-35% кокса, 5-10% флюсов.
Готовую шихту подают на колошник скипами или ленточным конвейером. Загрузка происходит слоями: сначала кокс, затем рудная часть. Это обеспечивает равномерное распределение газового потока и стабильность температурного режима.
Контроль качества включает:
- Химический анализ сырья на содержание железа, серы и фосфора.
- Проверку механической прочности кокса (не менее 50 кг/см²).
- Измерение гранулометрического состава.
Процесс горения кокса и восстановления железа
Кокс сгорает в нижней части доменной печи при температуре 1200–1400°C, выделяя тепло и образуя оксид углерода (CO). Этот газ поднимается вверх, взаимодействуя с железной рудой.
Восстановление железа происходит в три стадии. Сначала оксиды железа (Fe₂O₃) превращаются в магнетит (Fe₃O₄) при 400–600°C. Затем магнетит восстанавливается до вюстита (FeO) при 600–900°C. На последнем этапе вюстит преобразуется в чистое железо (Fe) при температурах выше 900°C.
Кислород из оксидов железа соединяется с CO, образуя углекислый газ (CO₂). Часть CO₂ реагирует с раскалённым коксом, снова превращаясь в CO, что поддерживает восстановительный процесс.
Для эффективной работы печи важно поддерживать соотношение кокса и руды 1:3. Избыток кокса увеличивает расход топлива, а недостаток замедляет восстановление.
Шлак, образующийся при плавлении пустой породы, стекает вниз и отделяется от чугуна благодаря разной плотности. Температура в зоне плавления достигает 1500°C.
Формирование шлака и его удаление из печи
Шлак образуется в доменной печи при плавке руды в результате взаимодействия оксидов пустой породы с флюсами. Основные компоненты шлака – оксиды кремния, алюминия, кальция и магния. Температура плавления шлака должна быть ниже температуры чугуна, чтобы обеспечить его отделение.
Процесс формирования шлака
Флюсы (известняк или доломит) добавляют в шихту для снижения температуры плавления пустой породы. В зоне распара (температура 1400–1500°C) оксиды кремния и алюминия вступают в реакцию с оксидом кальция, образуя легкоплавкие силикаты и алюмосиликаты. Оптимальная основность шлака (CaO/SiO₂) – 1,0–1,2.
Для контроля состава шлака регулярно анализируют его химический состав. При отклонениях корректируют количество флюсов или меняют состав шихты. Например, при повышенной вязкости шлака увеличивают долю известняка.
Удаление шлака из печи
Шлак выпускают через шлаковую летку, расположенную выше чугунной. Открытие летки производят с помощью бурильной машины, а поток регулируют диаметром отверстия. Для предотвращения застывания шлака в желобе используют газовые горелки.
Перед выпуском проверяют уровень шлака в печи с помощью зондов или термопар. Частота выпусков – каждые 1,5–2 часа. После выпуска летку закрывают огнеупорной массой на основе глины и кокса. Отделенный шлак направляют в грануляцию или переработку для использования в строительстве.
Выпуск чугуна и контроль его качества
Чугун выпускают через чугунную летку, расположенную в нижней части доменной печи. Перед выпуском проверяют температуру и химический состав металла, чтобы избежать брака.
- Температура чугуна: должна быть в пределах 1400–1500°C. При отклонениях корректируют подачу дутья или состав шихты.
- Химический анализ: проводят спектрометрическим методом. Основные контролируемые элементы – углерод (3,5–4,5%), кремний (0,3–1,5%), сера (не более 0,07%).
- Визуальный осмотр: оценивают цвет и текучесть струи. Темно-красный оттенок и плавное течение указывают на нормальное качество.
После выпуска чугун разливают в ковши или изложницы. Для предотвращения окисления поверхность покрывают слоем шлака или графита.
Контроль качества включает:
- Замер температуры каждые 20–30 минут.
- Отбор проб для лабораторного анализа каждую партию.
- Проверку формы и поверхности слитков на трещины и раковины.
При обнаружении отклонений корректируют параметры плавки: увеличивают подачу флюсов, изменяют соотношение руды и кокса или регулируют температуру дутья.
Система газоотвода и использование колошникового газа
Колошниковый газ образуется при выплавке чугуна и содержит до 30% оксида углерода (CO), 3–12% водорода (H₂) и 55–60% азота (N₂). Его температура на выходе из печи достигает 150–300°C. Для безопасного отвода газа применяют систему газоотвода, включающую колошниковый затвор, газопроводы и очистные установки.
Основные этапы обработки колошникового газа:
| Этап | Описание | Параметры |
|---|---|---|
| Очистка от пыли | Газ пропускают через циклоны и скрубберы, удаляя до 99% твердых частиц. | Остаточная пыль: ≤10 мг/м³ |
| Охлаждение | Температуру снижают до 40–50°C в теплообменниках. | Тепло утилизируют для подогрева дутья. |
| Компрессия | Газ сжимают до 0.8–1.2 МПа для транспортировки. | Расход энергии: 0.1–0.15 кВт·ч/м³ |
Очищенный газ используют как топливо для воздухонагревателей, ТЭЦ или химического синтеза. Его теплотворная способность – 3.5–4.5 МДж/м³. Для повышения эффективности смешивают с природным газом в соотношении 1:1.
При проектировании газоотвода учитывайте:
- Диаметр газопроводов – не менее 1.2 м для снижения потерь давления.
- Материалы – сталь с жаростойким покрытием.
- Автоматические клапаны для регулировки давления.
