О РАБОТЕ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Задачей доменной печи является химическое восстановление и физическое превращение оксидов железа в жидкий расплав, называемый "горячим металлом". Доменная печь - это огромный стальной кожух, футерованный огнеупорным кирпичом, где железная руда, кокс и известняк подаются сверху, а подогретый воздух  - снизу.  Требуется 6 - 8 часов, чтобы сырые материалы опустились в нижнюю часть печи, где они в итоге превращаются в жидкий шлак и жидкое железо. Эти жидкие продукты выпускаются из печи с регулярными промежутками времени. Горячий воздух, который подается снизу печи, восходит вверх за 6 - 8 секунд, принимая участие в многочисленных химических реакциях. Единожды запущенная печь непрерывно работает от четырех до десяти лет только с короткими простоями на плановый ремонт.

Окислы железа могут поступать на рудный двор доменной печи в виде сырой руды, окатышей или агломерата. Сырая руда добывается из земли и сортируется по величине  кусков от 0.5 до 1.5 дюймов. Содержание железа в руде, представленной гематитом (Fe₂O₃) или магнетитом (Fe₃O₄), от 50% до 70%. Такая богатая железом руда может подаваться непосредственно в печь без какой-либо дальнейшей обработки. Железная руда с более низким содержанием железа, должна обогащаться, чтобы увеличить содержание железа. Окатыши производят из такой более бедной железной руды. Эту руду измельчают в пудру так, чтобы материал, называемый пустой породой, мог быть исключен. Оставшаяся богатая на железо пудра, окатывается в шарики и обжигается в печи для упрочнения. Окатыши, которые содержат 60%- 65% железа, сортируются по величине. Агломерат производится из хорошей сырой руды, небольшого количества кокса, отсортированного по величине измельченного известняка и прочих железосодержащих отходов завода. Подготовленные материалы дозируются, чтобы получить требуемых химсостав, а затем смешиваются. Смешанные материалы укладываются на аглоленту, которая представляет собой стальной конвейер, где зажигается сжигаемым газом и оплавляется благодаря теплу сгорающего кокса, находящегося  в кусках размером от 0.5 до 2.0 дюймов. Затем в доменной печи железная руда, окатыши и агломерат становятся жидким металлом, а из остающихся в них примесей, образуется жидкий шлак.

Кокс производится из смеси углей методом пиролиза. Уголь дробится накопил порошок, а затем отправляется в печь. Поскольку печь сильно нагревает уголь, из него удаляются летучие вещества, масла и смолы. Такой прокаленный уголь называется коксом, его удаляют  из печи после 18 - 24 часов. Кокс охлаждается и дробится на куски от 1 до 4 дюймов. Кокс содержит 90 - 93% углерода, немного золы и серы, но, по сравнению с сырым углем, он очень прочен. Прочные куски кокса являются замечательным энергоносителем и обеспечивают газопроницаемость столба шихты в доменной печи, что требуется для расплавления и восстановления  железной руды, окатышей и агломерата.

Наконец, такой материал для процесса получения железа, как  известняк. Известняк добывается из земли с помощью взрывчатых веществ. Затем измельчается до размеров от 0.5 до 1.5 дюймов, чтобы обеспечить свободное прохождение дутья в доменной печи.  Известняк может быть чистым, с высоким содержанием кальция, а также доломитизированным, содержащим магнезию или смесь двух видов известняка.

Известняк нужен для удаления серы и другие примесей. Оператор доменной печи может варьировать количеством подаваемых материалов для получения требуемого химсостава шлака, и создавать оптимальные свойства шлака, как, например, низкая температура плавления и высокая жидкоподвижность.

Все сырые материалы складируются на рудном дворе и подаются на эстокаду  перед подачей в печь. Эти материалы загружаются сверху, проходят через многочисленные химические и физические реакции, пока не опустятся вниз.

Железная руда, окатыши и агломератвосстанавливаются. Это означает, что кислород в железных окислах исключается серией химических реакций. Эти реакции происходят как указано ниже:

В то же время, когда окислы железа проходят через эти реакции, они также начинают размягчаться, а затем плавиться и просачиваются в виде жидкого железа через кокс в горн печи.

Кокс спускается к уровню горна печи, где в печь вводится подогретый воздух или горячее дутье. Кокс зажигается этим горячим потоком и непосредственно реагирует, генерируя тепло как указано ниже:

C + O₂ = CO₂ + Тепло

Имеет место и реакция  высокотемпературного восстановления углекислоты в угарный газ как указано ниже:

CO₂+ C = 2CO

Продукт этой реакции, угарный газ, необходим, чтобы восстановить железную руду, как указано выше.

Известняк опускается в печи, сохраняя твердость, пока не вступит в реакцию, как указано ниже:

CaCO₃ = CaO + CO₂

Эта реакция требует затрат энергии и начинается при температуре около 1600°F. CaO, образующийся в результате этой реакции, необходим для того, чтобы удалить серу из металла, что необходимо перед тем, как чугун станет сталью.  Реакция десульфурации приведена ниже:

FeS + CaO + C = CaS + FeO + CO

CaS становится компонентом шлака. Шлак также формируется из разных остаточных компонентов: кремнезема (SiO2), глинозема (Al2O3), магнезии (MgO) или кальцита(CaO), которые вносятся с железной рудой, окатышами, агломератом или коксом. Жидкий шлак затем также присачивается через слой кокса к дну печи, где находится сверху жидкого чугуна, так как плотность шлака меньше.

Другой продукт процесса получения чугуна,  помимо расплавленного железу и шлака, - это горячие запыленные газы. Эти газы выходят из верхней части печи и направляются на очистку, где из газа улавливается пыль и газ охлаждается. Доменный газ имеет высокую теплоту сгорания и может использоваться как топливо в воздухонагревателях, которые используется для подогрева дутья, вводимого в печь. Любой газ, не сгоревший в печах, отправляется в паровой котел и используется для выработки пара, который вращает турбину.

В общем, доменная печь - это реактор, где твердые тела опускается, а газы восходят. В этом реакторе протекают многочисленные химические и физические реакции, в результате которых образуется желаемый конечный продукт, который является жидким чугуном. Типичный химсостав жидкого чугуна следующий:

Есть также рудные дворы, которые могут также быть доками, где разгружаются корабли и баржи. Сырые материалы, складируемые на рудном дворе, - это необогащенная руда, различные виды окатышей, агломерат, известняк и возможно кокс. Эти материалы перегружаются на бункерную эстокаду мостовым перегружателем. Материалы могут также поставляться на бункерную эстокаду в вагонах или перегружаться из рудного двора в самоходные тележки, называемые "рудными транспортерами". Руда, окатыши, агломерат, кокс и известняк загружены в отдельные бункера хранения. Различные материалы взвешиваются согласно плану подачи, разработанному, для получения желаемой марки чугуна и химсостава шлака. Материалы взвешиваются в подбункерном помещении с помощью вагон-весов, которые доставляют шихту к скиповому подъемнику, который по наклонным рельсам направляется к загрузочному устройству печи.  Некоторые современные доменные печи работают не со скипами, а с автоматизированными конвейерными подъемниками, которые протянуты от эстокады до колошника.

На колошнике печи материалы удерживаются, пока не наберется «подача», состоящая из нескольких видов железосодержащей шихты, кокса и флюса (известняка). Точный график загрузки печи разрабатывается операторами, чтобы старательно контролировать газопроницаемость и химические реакции внутри печи. Материалы загружаются в доменную печь через два «конуса», которые попеременно опускаются, и распределяют материалы равномерно по периферии  горловины печи. Некоторые современные печи не имеют конусов, но вместо этого имеют 2 или 3 пневмозатвора, которые перераспределяют шихту на вращающийся конус, позволяющий изменить динамические углы откоса материалов, что дает возможность более точно размещать материалы внутри печи.

Также в верхней части доменной печи есть 4 газгольдера, куда поступает горячий грязный газ, выходящий из колошника печи. Каждые два газгольдера объединяются в 1 газовод. Два газовода затем соединяются в нисходящий газопровод. В верхней части подъема газгольдеров есть клапаны, которые в  экстренном случае могут выпустить газ и защитить верх печи от внезапных скачков давления газа. Газ спускается по нисходящему газопроводу к пылеуловителю, где наиболее крупные частицы пыли оседают, накапливаются и выгружаются в вагоны. Затем газ проходит через скруббер Вентури, который улавливает более мелкие частицы. Окончательно газ охлаждается в охладителе. Брызги воды уменьшают температуру горячего, но чистого газа. Некоторые современные печи оборудованы объединенными скруббером Вентури и охладителем. Очищенный и охлажденный газ готов для сжигания.

Чистый газопровод направляет горячее дутье от воздухонагревателей в печь. Это обычно 3 или 4 цилиндрических корпуса, расположенных в линию недалеко от доменной печи. Газ сгорает в нижней части воздухонагревателя, тепло поднимается и нагревает огнеупорную насадку внутри воздухонагревателя. Продукты сгорания газа после прохождения воздухонагревателя и разогрева кладки насадки, выбрасываются через высокую трубу.

Большие объемы воздуха, от 80,000 ft³/min до 230,000 ft³/min, генерируются  турбовентилятором и поступают через холодный воздухопровод к воздухонагревателям. Этот холодный поток воздуха затем входит внутрь воздухонагревателя, насадка которого заранее нагрета и тепло, аккумулированное в огнеупорном кирпиче, передается холодному потоку и нагревает его. Температура горячего дутья может быть от 1600°F до 2300°F в зависимости от проекта и состояния печи. Этот нагретый воздух затем выходит из воздухонагревателя в трубопровод горячего дутья и направляется в печь. Имеется также и клапан-смеситель, смешивающий холодный воздух и горячее дутье для того, чтобы контролировать температуру дутья и удерживать ее постоянной. Дутье поступает в трубу, расположенную вокруг нижней части доменной печи и называемую "колбаса".  Из трубы, горячий поток направляется в печь через насадки, называемые фурмами. Фурмы равномерно размещены по периферии печи. Их может быть от 14 штук на малой печи и до 40 на большой. Фурмы изготавливаются из меди и охлаждаются водой, так как температура непосредственно перед ними может достигать 3600°F - 4200°F.  Масло, смола, природный газ, пылеугольное топливо и кислород могут также вводиться в печь через фурмы для того, чтобы совместно с коксом высвободить дополнительную энергию, которая необходима для повышения производительности. Расплавленный металл и капли шлака проходят мимо фурм по мере их поступления в горн печи, который расположен непосредственно ниже уровня фурм.

Нижняя половина печи с «колбасой», фурмами и оборудованием для выпуска чугуна и шлака находится непосредственно под укрытием рабочей площадки и называется литейным двором. Выпуск чугуна и шлака из горна осуществляется через летки, которые плотно закупорены. Отверстия в глинистых пробках проделывают с помощью специальных машин. После открытия леток чугун и шлак стекают в глубокую канаву под названием «желоб». Желоб заканчивается перпендикулярно расположенным скиммером. Металл через скиммер поступает в чугуновозные ковши, расположенные на железнодорожной платформе. После того, как стек чугун, начинает стекать более легкий шлак. Скиммер наклоняется и шлак вытекает в шлаковозные чаши, также расположенные на железнодорожной платформе. Когда продукты плавки выпущены из печи, подается сигнал к «забитию» летки. Барабан специальной машины, который был заранее наполнен огнеупорной глиной, приводится в действие. Отверстие плотно закрывают. После выпуска чугун направляется в сталеплавильные цеха для выплавки стали, а шлак направляется в отвал. Рабочая площадка подготавливается к следующему выпуску чугуна, который может происходить через определенные промежутки времени (от 45 минут до нескольких часов). Важно следить за тем, чтобы уровень чугуна в горне был всегда ниже уровня фурм, иначе может произойти прогар медных фурм и сильное повреждение печи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 Доменная печь - это первая ступень в производстве стали. Первые доменные печи, появившиеся в 14-ом столетии, производили одну тонну чугуна в день. Оборудование доменных печей непрерывно совершенствуется. В настоящее время человек может получать  13000 тонн чугуна в день. Однако даже если совершенствуется оборудование и повышается производительность, процессы, протекающие внутри печи, все те же. Доменные печи будут существовать еще долго, они способны эффективно производить жидкий металл, составляя конкурунцию прочим способам получения железа.

ПРИМЕЧАНИЕ:

Данная статья была подготовлена Джоном Риккетсом (Ispat Inland, Inc).  Перевод Николаевой А.К.