книги из ГПНТБ / Бельский, В. И. Промышленные печи и трубы учеб. пособие

ГЛАВА VI

ПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

§ 19. ДОМЕННЫЕ ПЕЧИ

Элементы доменной печи и основы доменного процесса

Доменная печь относится к шахтным печам и служит для вы­ плавки чугуна из железных руд (рис. 67). Верхняя цилиндриче­ ская часть печи называется колошником и служит для приемки материалов и отвода газов. Расположенная ниже коничес­ кая часть печи называется шахтой. Цилиндрическая часть печи, расположенная ниже шахты, носит название распар и соединяет верхнюю коническую часть с нижней обратной конической ча­ стью печи — заплечиками. Расширяющаяся конусообразная форма шахты способствует опусканию материалов, а суживаю­ щаяся форма заплечиков соответствует уменьшению объема материалов вследствие их плавления. Нижняя цилиндрическая часть печи называется горном. В верхней части горна — фурмен­ ной зоне — вводится в печь дутье и происходит сгорание кокса, а в нижней — металлоприемнике — скапливаются расплавлен­ ный чугун и шлак.

Чугуном называют сплав железа с углеродом, в котором со­ держится от 2 до 4,3% углерода и незначительное количество примесей: кремния, марганца, серы и фосфора.

Железо содержится в руде в количестве 35—70% в виде окислов: Fe20 3, Fe30 4 и FeO.

При выплавке чугуна из руды протекают сложные химиче­ ские процессы, заключающиеся в том, что находящееся в руде железо освобождается от химически связанного с ним кислоро­ да, т. е. восстанавливается. Одновременно железо освобождает­ ся от пустой породы и части вредных примесей (серы, фосфора), содержащихся в руде, и поглощает некоторое количество углеро­ да, марганца и кремния.

Исходные материалы — кокс, руда и известь, служащая плавнем (флюсом) для пустой породы, называемые шихтой,— загружают в печь сверху через колошник. Опускаясь вниз на­ встречу поднимающимся продуктам горения, они постепенно

щие слои кокса и руды; при этом углерод кокса вступает в реак­ цию с окислами железа и восстанавливает их по формулам:

3Fe20 3 -[- С = 2Fe30 4 -f- СО;

Ре30 4 + С = 3FeO + СО;

FeO + С = Fe + СО.

165

Одновременно углекислый газ, образовавшийся от сгорания

Окись углерода в свою очередь является восстановителем желе­ за по формулам:

3Fe20 3 -і- СО -- 2Fe30 4 -f- С02; Fe30 4 4- СО = 3FeO -f С02;

FeO + СО = Fe 4- С02.

Восстановленное железо поглощает некоторое количество углерода и других примесей (марганца, кремния) и образует чу­ гун. Чугун и пустая порода с известью в зоне высоких темпера­

Шлак — побочный продукт, іш г его количество составляет до 60% веса выплавленного чугу­ на; он используется как деше-

166

вый строительный материал для приготовления шлаковой ваты, цемента, бетона, кирпича и др.

Отходящие из печи газы содержат значительное количество окиси углерода, являются горючими с теплотворностью 3560— 4190 кДж/м3 [850—1000 ккал/м3]. В связи с тем что они выносят из печи значительное количество пылевидной руды, так называе­ мой колошниковой пыли, их перед использованием пропускают через пылеуловитель и газоочистку, где пыль оседает.

Очищенный доменный газ используют как топливо для коксо­

воздух перед подачей в доменную печь подогревают до темпе­ ратуры 900—1200°С в воздухонагревателях регенеративного типа.

Каждая доменная печь оборудуется тремя-четырьмя воздухо­ нагревателями, через один из которых подается подогреваемый воздух, а три (два) других в это время находятся на разогреве. Нагрев насадки воздухонагревателей ведется за счет сжигания

вних смеси коксо-доменного пли природного газа. Для создания

впечи давления, достаточного для преодоления сопротивления

Схема доменной печи показана на рис. 68.

Шихтовые материалы хранят в бункерах, откуда их подают в колошник с помощью наклонного подъемника '. По наклонно­ му мосту подъемника проложены два рельсовых пути, по кото­ рым движутся навстречу друг другу две вагонетки — скипы. До­ стигнув верхнего положения, скип опрокидывается и материалы высыпаются в приемную воронку печи. В это время в скип, на­ ходящийся в нижнем положении, засыпают материалы из бун­ керов, после чего опорожненный скип опускают, а загруженный поднимают. Вся работа по загрузке печи автоматизирована.

Величина доменной печи характеризуется полезным объ­ емом ее рабочего пространства. В Советском Союзе наиболее распространены печи объемом 2000 м3. В настоящее время строятся печи объемом 3200 м3 и подготовляется строительство доменной печи объемом 5000 м3.

Отношение полезного объема печи к ее суточной производи­ тельности — называется коэффициентом использования полез-

1 В печи объемом 5000 мг шихта в приемную воронку подается кон­ вейерами.

167

ного объема печи (КИПО). Величина КИПО колеблется в сред­

Конструкция доменной печи

Доменная печь заключена снаружи в сплошной стальной ко­ жух с толщиной листов до 40—60 мм, футерованный изнутри ог­ неупорными изделиями и расположенный на фундаменте (рис. 69).

Часть фундамента, которая возвышается над землей, называ­ ется пнем. Так как в пне раз­ виваются температуры выше 200° С, то верхнюю часть его выполняют из жаростойкого бетона.

На пне выкладывают ле­ щадь. Кладка лещади эксплуа­ тируется в очень тяжелых ус­ ловиях, так как подвергается действию высокой температу­ ры (порядка 1400—1550° С) и гидростатического давления чугуна, шлака и массы шихты. Помимо этого, чугун проника­ ет в швы кладки. Если при этом кирпич не будет достаточ­ но хорошо зажат соседними кирпичами, то он, имея мень­ шую объемную массу, чем чу­ гун, всплывет. Этим самым ослабляется зажим соседних

Рис. 69. Доменная печь объе­ мом 3200 м?

3— периферийные углеродистые бло­

отводы; 24 — нисходящий газопровод

169

кирпичей, что может повлечь разрушение лещади. Поэтому ле­ щадь выкладывают из высокоогнеупорных материалов (высо­ коглиноземистого кирпича) с очень тонкими швами между от­ дельными кирпичами (или блоками).

Для понижения температуры кладки лещади по периферии внутри кожуха помещают холодильники — чугунные плиты с за­ литыми внутри их змеевиками, по которым циркулирует вода. Снизу лещади в современных печах располагают чугунные пли­ ты с трубами, охлаждаемыми вентиляторным воздухом.

Для улучшения передачи тепла от кладки лещади к холо­ дильникам нижнюю часть лещади и периферию ее в верхней части выкладывают из графитированных или углеродистых бло­ ков, имеющих большую теплопроводность, чем шамотный и вы­ сокоглиноземистый кирпич, а зазор между кладкой и холодиль­ никами заполняют углеродистой массой. Высота лещади дости­ гает 5000 мм.

Кладка металлоприемника подвержена действию высоких температур (1500—1700° С) и разъедающему действию чугуна и шлака, поэтому ее также выкладывают из высокоогнеупорных

плитовыми холодильниками. Нижнюю часть футеровки металло­ приемника выполняют из углеродистых блоков.

чугуна, предохраняющий ее от разрушения чугуном (при выпу­ ске последнего через летку) и шлаком. В месте прохода чугун­ ной летки углеродистые блоки заменяют кладкой из высокоглнноземистого кирпича. Летку выкладывают в виде прямоуголь­ ного канала размером 200X300 мм н заключают в специальную металлическую раму. Чугунную часть летки во время работы печи закрывают пробкой из огнеупорной массы, забиваемой при помощи механизма, называемого электропушкой. Для выпуска чугуна в пробке пробивают электробуром отверстие.

Шлаковые летки (обычно их две) располагают на высоте 1800—2600 мм от лещади. Шлаковая фурма конической формы охлаждается водой и имеет отверстие для выпуска шлака диа­ метром 65 мм.

Фурма входит в медный холодильник, поверх которого име­ ется еще один чугунный холодильник со змеевиком (рис. 70). Отверстие шлаковой летки закрывают специальным стопором.

Кладка фурменной зоны подвергается действию высокой тем­ пературы (1600—1700° С) и химическому воздействию капель шлака и чугуна, стекающих в металлоприемник; она выполняет­ ся из шамотного кирпича марки ША с тонкими швами. Толщина футеровки фурменной зоны колеблется от 1250 до 345 мм.

Конструкция воздушных фурм аналогична устройству шлако­

170

вых, только отверстие для вставки сопла, подающего воздух, больше отверстия для выпуска шлака (диаметр 175—200 мм). Конец воздушной фурмы несколько выступает из футеровки внутрь печи, чтобы отвести поток газа от футеровки.

Заплечики подвергаются действию высокой температуры, истиранию кусками руды и кокса и разъеданию каплями шлака. Их выполняют из шамотного кирпича марки ША с тонкими шва­ ми. Во всех современных печах применяют тонкостенные запле­ чики с футеровкой толщиной 345 мм, охлаждаемой плитовыми холодильниками. Благодаря интенсивному охлаждению заплечи­

ков на их поверхности образуется слой шлака с большим содер­ жанием углерода — гарннсаж, защищающий кладку от воздей­ ствия жидких продуктов плавки.

Распар бывает тонкостенный — с футеровкой толщиной 345 мм и толстостенный — с футеровкой толщиной 1380—690 мм. Футеровка тонкостенного распара аналогична футеровке запле­ чиков, а толстостенного — футеровке шахты.

Температура в шахте изменяется от 1000 до 1100° С в ниж­ ней части, до 200—350° С — в верхней части. В связи с этим для кладки шахты применяют менее огнеупорный кирпич марки ШБ, чем для низа доменной печи. Кладка шахты в основном подвер­ гается истирающему действию опускающихся кусков шихты. Помимо этого, в верхней части шахты в зоне температур 300—

углерод со временем претерпевает полиморфные превращения (переходя из одной модификации в другую), сопровождающиеся увеличением объема, что влечет за собой разрушение кладки.

171

Аналогичное действие на кладку оказывает содержащийся в некоторых железных рудах цинк. Отлагаясь в кладке и соеди­ няясь в дальнейшем с окисью или двуокисью углерода, он пере­ ходит в окись цинка (Z n+C 02 = Z n0+ C 0, Zn+CO = ZnO-[-C), что сопровождается увеличением объема.

В связи с этим для футеровки шахты применяют высокопроч­ ный кирпич, хорошо сопротивляющийся истиранию. При этом

до 2000 м3 основывается на широком металлическом кольце, на­ зываемом моратором, опирающемся на колонны. В печах объ­ емом 2700, 3200 и 5000 м3 распар (шахта) опирается на консоль вертикального холодильника. Толщина футеровки шахты 750— 920 мм. В нижней части шахта охлаждается аналогично горну и заплечикам плитовыми вертикальными холодильниками или в старых печах горизонтальными холодильниками, закладыва­ емыми в кладку. Колошниковую часть кладки шахты предохра­ няют от разрушения ударами загружаемых материалов сталь­ ными защитными сегментами. Колошниковое устройство служит для равномерной загрузки шихты в печь и отвода газов.

Засыпной аппарат состоит из приемной воронки, куда засы­ пают материал, малого конуса, закрывающего снизу приемную воронку, и большого конуса, прилегающего к чаше, прикреплен­ ной на фланце опорного кольца шахты. Малый конус закреплен на полой штанге, внутри которой проходит штанга большого конуса. При загрузке сначала опускают малый конус и материал из приемной воронки высыпается на большой конус, затем ма­ лый конус поднимают, закрывая отверстие приемной воронки, а большой конус опускают, высыпая материалы в печь. Двойной запор сделан для того, чтобы во время засыпки газы не выбива­ лись наружу. Опускание и подъем конусов производят при по­ мощи рычагов — балансиров, соединенных с тросом конусной лебедки. Приемная воронка состоит из неподвижной и вращаю­ щейся частей. Последняя для равномерного распределения ма­ териалов по окружности печи поворачивается вместе с малым конусом на определенный угол после загрузки каждой очередной порции материалов. Работа засыпного устройства автоматизи­ рована и связана с работой скипового подъемника. Колошнико­ вый газ, имеющий температуру 150—300° С, уходит в газоотводы через четыре отверстия в куполе печи.

Воздухонагреватели

Воздухонагреватель доменной печи представляет собой ци­ линдрический кожух высотой 35—55 м и диаметром 8—10,5 м с днищем и куполообразным верхом, сваренный из листовой ста­ ли толщиной 20 мм (рис. 71). В связи с необходимостью приме­

172

нения в верхней части высокотемпературных воздухонагревате­ лей усиленной теплоизоляции кожух имеет в верхней части не­ сколько больший диаметр, чем внизу. Изнутри кожух футеруют шамотным, а у высокотемпературных воздухонагревателей в верхней части — высокоглиноземистым кирпичом. Внутри возду­ хонагревателя размещается камера горения, служащая для сжи­ гания газа. Остальное пространство заполняется насадкой, ана­ логичной насадке регенераторов со сплошными каналами (см. рис. 36,е). В воздухонагревателях печей объемом 3200 и 5000 м3 насадка предусмотрена из специальных фасонных кирпичей с отверстиями. В воздухонагревателях доменных печей объемом 5000 м3 камера горения вынесена наружу в самостоятельном ко­ жухе, а в воздухонагревателе все внутреннее пространство заня­ то насадкой.

Насадка поддерживается массивной чугунной поднасадоч­ ной решеткой с отверстиями, соответствующими каналам насад­ ки. Решетка лежит на поднасадочных чугунных колоннах. Воз­ духонагреватель крепят к фундаменту мощными болтами, чтобы воздух, подаваемый в него под большим давлением, не мог вы­ гнуть нижнее плоское днище.

Смесь доменного и коксовального газов подается горелкой вместе с необходимым для горения воздухом в камеру горения. Продукты горения поднимаются в подкупольное пространство и отсюда опускаются вниз через насадку, нагревая ее. Пройдя насадку, охлажденные до 150—250° С газы уходят из поднаса­ дочного пространства через два дымовых клапана в боров, сое­ диняющий воздухонагреватели с дымовой трубой.

После того как насадка нагреется до требуемой температу­ ры, горелку выключают, дымовые клапаны перекрывают, а ши­ беры холодного и горячего дутья, соединяющие воздухонагрева­ тель с воздухопроводами холодного и горячего дутья, открыва­ ют. Холодный воздух поступает через патрубок холодного дутья в поднасадочное пространство, проходит снизу вверх насадку, постепенно нагреваясь за счет аккумулированного насадкой тепла, тем самым охлаждая ее, и поступает в подкупольное пространство, откуда через камеру горения и штуцер горячего дутья подается в прямой воздухопровод горячего воздуха, сое­ диняющий воздухонагреватели с кольцевым воздухопроводом доменной печи. Как только насадка охладится до определенной температуры, подачу холодного воздуха в воздухонагреватель прекращают, и повторяется цикл нагрева насадки.

Наружную сторону стены камеры горения выкладывают из того же кирпича, что и стены воздухонагревателя; внутри каме­ ру горения футеруют в один кирпич высокоглиноземистым кир­ пичом.

Для уменьшения потерь тепла через кожух кладку стен воз­ духонагревателя изолируют снаружи диатомитовым или легко­ весным шамотным кирпичом. Между кожухом и кладкой остав-

173