Будова доменної печі.

Доменна піч є піччю шахт­ного типу.Внутрішній обрис стін,які обмежують робочий простір доменної печі, називають її профілем. Верхня частина печі називається колошником 3. У колошнику є засипний апарат 1, до якого підводять газовідвідні труби 2. Засипний апарат при­значений для завантаження в піч сировинних матеріалів, що подаються на колошник за допомогою похилого скіпового під­йомника, а газовідводи —для відведення колошникового (домен­ного) газу.

Нижче молошника розміщено шахту 4. Це найбільша за об’є­мом частина печі, яка має форму зрізаного конуса, що розши­рюється донизу. Така форма дає змогу сировинним матеріалам опускатися до низу печі і одночасно розпушуватись. У шахті відбувається підготовка сировинних матеріалів до плавки,

Рис. 34. Розріз доменної печі. Рис.35.Схема повітронагрівника.

відновлення заліза та інших елементів з оксидів руди, навуглецьовування заліза і плавлення утвореного сплаву (чавуну).

У нижній частині шахта закінчується циліндричним розпа­ром 5. Тут плавляться і перетворюються на шлак порода руди, флюси і зола палива.

Під розпаром містяться заплечики 6, які мають форму зрі­заного конуса, що розширюється догори. Тут об’єм завантаже­них у піч сировинних матеріалів різко зменшується, оскільки утворюються рідкі продукти плавлення. У твердому стані зали­шається тільки паливо і частина флюсу. У заплечиках закінчу­ється процес шлакоутворення.

Нижня частина доменної печі називається горном 7. У верх­ній частині його по обводу розміщено фурми 8, через які в піч вдувається повітря, попередньо нагріте в повітронагрівниках. Нижче фурмених отворів є шлакова льотка 9 для випускання шлаку. Дно горна називається подом 10. Під спирається на фундамент 11 печі. На рівні поду є чавунна льотка 12, через яку випускають рідкий чавун. Отже, верхня частина горна призначе­на для спалювання в ній палива, а нижня—для збирання ча­вуну і шлаку.

Відстань від осі чавунної льотки до граничного рівня заси­пання сировинних матеріалів на колошнику називається корис­ною висотою печі, а відповідний об’єм робочого простору — корисним об’ємом печі.

Для кладки доменної печі застосовують вогнетривку шамот­ну цеглу 14, а також вуглецеві вогнетриви. Кладка печі вміщена в стальний кожух 15 і охолоджується водою за допомогою спе­ціальних холодильників 13.

Повїтронагрівники. Для зменшення витрати палива і збіль­шення продуктивності доменної печі повітря (дуття), що по­дається до неї, спочатку нагрівається в спеціальних повітрона­грівниках. На рис. 35 показано схему найбільш поширеного повітронагрівника. Він являє собою башту діаметром 6—9 м і заввишки до 40 м, яка закінчується сферичним куполом. Кожух 5 повітронагрівника виготовляють з листової сталі і обкладають зсередини шамотною цеглою 4. У середині повітронагрівний по­ділений вертикальною стінкою на камеру згоряння 3 і простір з вогнетривкою насадкою 2, яка має ряд каналів. У камеру зго­ряння крізь пальник 6 подаються очищений колошниковий газ і потрібна для його спалювання кількість повітря. Газоподібна суміш згоряє в камері і частково під куполом повітронагрівника. Продукти згоряння проходять крізь насадку донизу, нагрівають її до 1100—1200° С і видаляються каналом 8 у димову трубу. Насадка нагрівається протягом 2 год, після чого подачу газу і повітря в камеру припиняють, перекривають канал 8 шибером і від турбоповітродувки каналом 7 подають холодне повітря, призначене для нагрівання. Холодне повітря проходить знизу вгору каналами розжареної насадки, нагрівається за рахунок її тепла до 1000—1100°С і через трубопровід / подається до фурм доменної печі під тиском 0,25—0,30 Мн/м² (2,5—3,0 ат). Повітря нагрівається протягом 1 год, після чого повітронагрівний знову переключається для нагрівання газом.

Для безперебійного забезпечення доменної печі гарячим дут­тям треба, щоб одночасно працювали три повітронагрівники (два — на газі, один— на дутті). Тепер розроблено устаткування для підвищення температури дуття до 1200—1250° С. На 1 т ча­вуну, що виплавляється, витрачається 3000—4000 м^г підігрітого повітря.

Доменний процес

Рух сировинних матеріалів і газів у доменній печі. У до­менній печі відбувається зустрічний рух двох потоків: згори до­низу— потік сировинних матеріалів (шихти) і знизу вгору — потік газів, які утворюються в результаті згоряння палива. Гарячі гази, проходячи навколо сировинних матеріалів, нагрівають їх і відновлюють залізо та деякі інші елементи з їх сполук, а потім відводяться через колошник. Відновлене залізо навуглецьовується, плавиться і перетворюється на чавун, в якому розчиняються інші відновлені елементи: кремній, марганець і фос­фор. Частково в чавуні розчиняються і сірчисті сполуки. Невід- новлені оксиди пустої породи руди, золи палива і флюсу роз­плавляються і утворюють шлак.

Відновлення заліза з руди. Завдяки кисню повітря, який вдувається крізь фурми доменної печі, відбувається спалювання вуглецю палива за реакцією

С + = СО₂ +

Температура в горні доменної печі в зоні фурм досягає 1800° С, а в міру наближення до колошника поступово знижуєть­ся до 150—200°С (температура відхідних газів). Під час руху димових газів угору вуглекислий газ ССЬ натрапляє на вільний вуглець розжареного палива і при температурі 1000° С утворює окис вуглецю за реакцією

СO₂ + С = 2СО-Q.

Відновлення заліза з руди відбувається від дії на неї окису вуглецю (непряме відновлення) і частково водню, що утворюєть­ся від розкладання вологи дуття. Окис вуглецю є сильним від­новником і тому, натрапляючи на оксиди заліза, ще у верхніх горизонтах печі, де температура невисока, починає відновлювати їх. З підвищенням температури, в нижчих зонах печі, відновні реакції посилюються І відбуваються в такій послідовності:

3 O₃ + C0 = 2Fe₃0₄ + + Q;

Fe₃O₄ + СО = 3FeO + - Q;

FeO + СО = Fe + + Q.

Вуглекислота,.що утворилася в результаті непрямого відновлен­ня, виноситься з колошниковим газом.

Пряме відновлення заліза з руди відбувається за допомогою твердого вуглецю і проходить особливо активно в більш низьких і гарячих зонах доменної печі (при температурі 950—1000° С). Передусім за реакцією

2СО → + С + Q,

що проходить при низьких і помірних температурах, утворюється твердий вуглець. У вигляді сажі він осідає в порах і тріщинах руди або агломерату, а при температурі, вищій за 950° С (при опусканні сировинних матеріалів у нижню зону печі), відновлює залізо за реакцією

FeO + C =Fe + CO —Q.

Відновлення кремнію. Кремній міститься в пустій породі руди у вигляді кремнезему. Відновлюється кремній за допомо­гою твердого вуглецю при температурі 1450° С за реакцією

Si + 2C = Si + 2CO — Q.

Отже, при відновленні кремнію поглинається тепло.

Відновлення марганцю з його вищих оксидів до закису від­бувається під дією окису вуглецю при помірних температурах (500—900° С) за реакціями:

2Mn + СО = + C + Q;

3 +CO = 2 O₄ + C +Q;

O₄ + CO = ЗМnО + C + Q.

Відновлення марганцю з закису проходить за рахунок твер­дого вуглецю при високих температурах (таких, що перевищують 1100° С) за реакцією

МnО + С =Мn +CO—Q.

Відновлення фосфору.

Фосфор, що надходить у плавку разом з шихтовими матеріалами, є шкідливою домішкою. При високих температурах (близько 1500° С) фосфорно-кальцієва сіль розпадається за реакцією

• + 3SI + 5С = ЗСаО • Si + 5СО+2Р- Q.

Відновлений фосфор майже весь переходить у чавун і тільки незначна його частина — в шлак. Вміст фосфору в переробних чавунах допускається такий: до 0,07%—у бесемерівських (_Див далі); 0,15—0,30%—у мартенівських і 1,6—2,0% —у томасів­ських.

Видалення сірки.

Сірка надходить у плавку також з ших­товими матеріалами. Частина сірки окислюється при згорянні палива в зоні фурм. У верхній частині доменної печі сірка пере­ходить у газ S0₂. Залізо з FeS відновлюється за допомогою вапна і твердого вуглецю за реакцією

FeS + CaO + С = Fe + CO+ CaS — Q.

Таким чином, при достатній кількості вапна і високій темпе­ратурі в горні більша частина сірки, що є шкідливою домішкою, видаляється з металу і переводиться в шлак. Деяка частина її переходить у чавун у вигляді сірчистого заліза. Вміст сірки в ча.- вунах допускається до 0,03—0,05%.

У доменній печі можуть відновлюватися також хром, титан, кобальт, ванадій та інші елементи в разі наявності їх у шихті.

Навуглецьовування заліза і утворення чавуну.

Відновлене в доменній печі залізо являє собою твердий і пористий про­дукт- так зване губчасте залізо. Внаслідок взаємодії з окисом вуглецю губчасте залізо навуглецьовується і утворюється кар­бід заліза (цементит):

3Fe + 2СО = C + С0₂.

Утворення цементиту можливе також внаслідок взаємодії губчастого заліза з твердим вуглецем у зоні високих темпе­ратур:

3Fe + С = C.

Вуглець, потрапляючи в метал, знижує температуру його плавлення. Тому навуглецьоване залізо при температурі 1150— 1200° С переходить у рідкий стан і краплинами стікає до горна печі. На шляху переміщення краплинок заліза відбувається до­даткове насичення його вуглецем і розчинення в ньому віднов­лених марганцю, кремнію, фосфору та інших елементів. У резуль­таті на поді горна доменної печі збирається рідкий чавун.

Шлакоутворення в доменній печі відбувається в дві стадії. Первинний шлак (найбільш легкоплавкий) утворюється при тем­пературі близько 1200° С і являє собою евтектику з глинозему,кремнезему і вапна. У другій стадії процесу шлакоутворення пер­винний шлак, стікаючи до горна доменної печі і попутно підігрі­ваючись потоком висхідних гарячих газів, поступово змінює свій хімічний склад до заданого внаслідок розчинення в ньому золи коксу, флюсів і решток пустої породи залізної руди. Вибір відповідного процесу шлакоутворенню і хімічного скла­ду шлаку істотно впливає на якість виплавдюваного чавуну. Склад шлаку вибирають залежно від складу останнього.

Навчальне питання 4. Поняття про переробний i ливарний чавуни та лигатуpу.

Продуктами доменної плавки є чавун, шлак і колошнико­вий газ.

Чавун випускають з доменної печі 6—10 раз на добу в чавуновізні ковші. У ковшах рідкий чавун подається або до стале­плавильного, цеху для переробки на сталь, або на розливальну машину для виливання чушок. Залежно від хімічного складу і призначення чавуни поділяють на переробні, ливарні і феро­сплави.

Переробний чавун використовується для вироблення сталі. Залежно від способу переробки на сталь його поділяють на мартенівський, бесемерівський і томасівський.

Ливарний чавун застосовується для виготовлення литва і є найважливішим конструкційним матеріалом.

Феросплавами називають такі чавуни, в яких поряд з елементами, що входять до їх складу в звичайних кількостях, одного з елементів (наприклад, марганцю, кремнію та ін.) дуже багато. До феросплавів належать феромарганець (70—80% Мп) і феросиліцій (9—13% Бі), що застосовуються як розкислювачі при плавленні сталі, а також інші феросплави, які використо­вуються для легування сталей.

Хімічний склад виплавлюваних чавунів регламентовано Дер­жавними загальносоюзними стандартами (ГОСТами).

Доменний шлак випускають з печі через шлакову льотку по окремому жолобу в шлаковізні ковші. У середньому на 1 т чаву­ну, що виплавляється, утворюється 0,6 т шлаку. Він дуже цін­ний для народного господарства. Використовують шлак як сировину для виробництва цементу, цегли, щебінки та інших будівельних матеріалів; з нього виливають бруківку для шляхів і виготовляють шлакову вату, яку використовують як ізоляцій­ний матеріал.