Печи черной металлургии: Учебное пособие для вузов.
Свинолобов Н.П., Бровкин В.Л.
Днепропетровск, 2004 г.
1. Технологические цепочки в металлургии
Промышленная печь – устройство для тепловой обработки материалов.
Для лучшего запоминания особенностей тех или иных печей желательно уяснить место этих печей в основных технологических цепочках металлургических предприятий. Основная, но не самая совершенная технологическая цепочка металлургического предприятия, представлена на рис. 1.1. На этом рисунке прямоугольниками обозначены основные типы (группы) печей, а овалами и кружочками – название используемого или образующегося материала. Для удобства пользования на схеме не показаны некоторые шихтовые материалы, используемые в ферросплавной, агломерационной, доменной, литейной и сталеплавильной печах, такие как: скрап, бой шамотного кирпича, плавиковый шпат, боксит, песок, марганцевая руда и некоторые другие. Эта цепочка технологии является общей (полной), но на конкретном металлургическом предприятии могут отсутствовать отдельные типы печей. Чаще всего отсутствуют печи для подготовки сырья. Так, коксовая печь обычно принадлежит коксохимическому заводу, а ферросплавная печь – ферросплавному заводу. Попутно отметим, что печи для подготовки сырьясвязаны с обработкой пылевидных материалов и поэтому являются самыми неблагополучными с экологической точки зрения. Технологическая цепочка постоянно совершенствуется с целью исключения из неё комплекса коксовых и доменных печей. Это происходит на базе так называемой бескоксовой металлургии или технологии прямого получения железа (металлизованного сырья). Бескоксовая металлургия подразумевает включение в технологическую цепочку печи металлизации сырья. Структурно эта печь, можно сказать, замещает доменную печь (рис. 1.2). Кроме того, с введением установок непрерывного литья заготовок, из технологической схемы удаляется нагревательный колодец. Роль методической печи, как основного элемента схемы, падает до уровня вспомогательной подогревательной печи. Современные заводы в мире создаются на основе схемы, подобной той, которая представлена на рис. 1.2. Металл, полученный по этой схеме, более качественный и немного дешевле. Качество выше из-за отсутствия кокса, вносящего в сталь серу и фосфор. Дешевизна достигается за счёт исключения из технологической цепочки отдельных структурных элементов. Возникает вопрос: для чего изучать печи традиционной схемы, если эти схемы мало перспективны в техническом плане? Во-первых, в мире ещё достаточно много печей, работающих по традиционной схеме. Во-вторых, существует множество мини-заводов, не имеющих возможности организовать полную технологическую цепочку и использующих под свои конкретные цели элементы традиционной схемы. Исходя из современной технологической цепочки, можно перечислить продукты промежуточной обработки, являющиеся товаром на металлургическом рынке: известняк, концентрат железа и руда, бентонит, окатыши, металлизованные окатыши, концентраты ферросплавного производства (концентрат хрома, марганца и т.д.), ферросплавы (феррохром, ферромарганец и т.д.), заготовка, прокат (лист, труба, уголок, швеллер и т.д.). В долгосрочном плане известны тенденции с перемещением печей для подготовки сырья (экологически грязные производства) в беднейшие страны, а электросталеплавильных, нагревательных и термических печей – в богатые, развитые 2.4.1. Агломерационная печь (агломашина) Агломерационная печь – печь, предназначенная для получения агломерата. Агломерат – это спеченные в куски мелкие материалы (рудная мелочь, пылевидные руды и флюсы). Окускование в агломерационной печи происходит, главным образом, в результате образования жидких легкоплавких химических соединений, связывающих при остывании отдельные зёрна в куски. Известно несколько способов агломерации: 1) с просасыванием воздуха в слое сверху вниз; 2) во вращающихся печах; 3) во взвешенном состоянии; 4) с подачейвоздуха снизу. Наибольшее распространение получил первый способспекания – на колосниковой решетке с просасыванием воздуха через слой шихты. Для справки: колосниковая решетка – решетка из чугунных колосников, имеющих сквозные отверстия для подводавоздуха и предназначенная для поддержания слоя горящего топлива в топке. С использованием колосниковой решеткипроцессагломерации может быть периодическим (агломерация в чаше) и непрерывным (на конвейернойленте агломашины).
На металлургических заводах агломерация осуществляется преимущественно в агломерационных машинах ленточного типа, представляющих собой непрерывную цепь спекательных тележек с решётчатым дном из колосниковых решеток. Типовая схемаагломашины представлена на рис. 2.6. Принцип работыагломашины следующий. На спекательные тележки через питатели укладывается "постель" высотой 30-35 мм из части годного агломерата крупностью 10-25 мм и на неё шихта, состоящая из мелкой руды,
2.4.2. Обжиговая печь для производства окатышей
Окатыши – это продуктобжига железорудных концентратов, получаемый в виде гранул (комков, шариков) диаметром 10-20 мм. процесс производства окатышей является процессомокускования и состоит из двух стадий: 1) получение сырых (мокрых) окатышей; 2) упрочнение сырых окатышей (подсушка и обжиг). Обычно весь двухстадийный процесс называют окомкованием. Вторая стадия окомкования несколько похожа на процесс агломерации. Но в отличие от агломерациипроходит при подводеэнергии вне слоя шихты и при пониженной температуре слоя. При окомковании возможно спекать очень тонкие фракцииконцентратов (менее 0,07 мм), что было затруднено при агломерации. К преимуществам окомкования надо отнести и высокую прочность окатышей, не разрушающихся при перевозке от горно-обогатительного комбината. С другой стороны, Агломерат надо понимать шире, чем окускование, так как при агломерации удаляется сера и частично мышьяк, разлагаются карбонаты, и получается пористый офлюсованный материал. В целом с теплотехнической точки зрения технологииагломерации и окомкования достаточно совершенны.Обжиг окатышей осуществляется в шахтных печах, в машинах конвейерного типа и в комбинированных установках разнообразных конструкций. Наименее распространены шахтные печи, хотя они дешевы в строительстве, почти не имеют движущихся механических узлов, просты по конструкции и имеют низкий расход топлива (15-25 кг у.т./т окатышей).нцентрата, коксика, известняка и извести. Высота шихты 250-350 мм.
3.1. Доменная печь
Доменная печь – шахтная печь для выплавки чугуна из железной руды. Производительность печи зависит от ее размеров. Наиболее мощные доменные печи имеют объем 2000-5000 м3. Их высота составляет 32-37 метров, диаметр – 11-16 метров.
Схема доменной печи приведена на рис. 3.1. печь состоит из следующих элементов по высоте: колошник, шахта, распар, заплечики, горн и лещадь. На колошнике формируется уровень засыпкиматериалов и распределение материалов по сечению шахты. Шахта предназначена для подогрева шихты до температуры плавления. Кроме того, в шахте происходят и процессывосстановления железа. Распар – самая широкая часть печи, в которой происходят основные процессы плавления. Ниже распара – заплечики, служащие для перегрева и передачирасплава и шлака из распара в горн. горн опирается на лещадь – кладку из огнеупорного кирпича. горн нужен для сбора продуктовплавки – чугуна и шлака. На границе заплечиков и горна расположены фурмы, через которые подается горячее дутье, а иногда и топливо (природный газ). Дутье представляет из себя воздух, обычно обогащенный кислородом. Принцип работыдоменной печи следующий. По скиповому подъёмнику шихта подаётся в приёмную воронку верха печи. В составшихты входят офлюсованный агломерат, кокс, руда, известняк, возможна загрузка окатышей. С помощью поочерёдной работы малого и большого конусовколошникашихта засыпается в шахту.
В процессеработы печи шихта постепенно опускается вниз и нагревается за счёт теплоты движущихся вверх газов, образовавшихся в горне при горении кокса. Горновой газ имеет температуру 1900-2100 °С, состоит из СО, Н2 и N2 и при движении в слое шихты не только нагревает её, но и восстанавливает оксиды железа (FeO, Fe2O3 и Fe3O4) до Fe. Высокая температурагорнового газа обязана, в частности, высокой температуре подогрева воздуха (1000-1200 °С) в доменных воздухонагревателях. Уходящий из печи газ имеет температуру 250-300 °С и называется колошниковым. После очистки колошникового газа от пыли он будет называться доменным. Доменный газ является низкокалорийным топливом с низшей теплотой сгорания от 3,5 до 5,5 МДж/м3. состав доменного газа сильно зависит от обогащения дутьякислородом и от подачи природного газа: 24-32 % СО, 10-18 % СО2, 43-59 % N2, 0,2-0,6 % СН4, 1,0-13,0 % Н2. В основном газ используется для нагрева насадки доменных воздухонагревателей, а также в смеси с коксовым или природным газом – для отопления нагревательных, термических и некоторых других печей. В нижней части доменной печи восстановленное железо плавится и стекает в виде чугуна в горн, где постепенно накапливается. Расплавленные окислы железа, марганца, кремния и др. образуют вместе с известью жидкотекучий шлак. Шлак располагается (плавает) над чугуном в силу того, что плотностьшлака меньше плотности чугуна. Из горначугун и Шлак периодически выпускают через чугунную и шлаковую лётки, соответственно. Если шлака образуется сравнительно немного, то чугун и Шлаквыпускают вместе через одну чугунную лётку с отделением друг от друга на разливочной площадке. температуравыпуска жидкого чугуна составляет
1420-1520 °С.