Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Принцип работы и устройство

Главное действие процесса — вдувание подогретой топливовоздушной смеси в камеру с низким сводом, который отражает весь тепловой поток к плавильной ванне, на расплав.

Схема работы мартеновской печи проста: в плавильной камере происходит возгорание топлива. Полученные печные газы обеспечивают необходимую температуру для расплавки чугуна и превращения его в сталь с помощью окислительных процессов, которые происходят в плавильне. Окисление происходит за счет добавления в шихту (чугуна и смеси для образования шлака) извести и добавок (для придания материалу определенных свойств: жаропрочность, коррозионная стойкость и др.)

Мартеновская печь — симметрична в фронтальном разрезе конструкция. Рабочие компоненты горения поступают в плавильную камеру с разных сторон с определенным интервалом. Газовоздушные тракты, соответственно, поочередно работают то на подачу рабочей смеси, то на отвод продуктов сгорания.

Плавильная установка построена по следующей схеме. Ванна для получения стали находится над подиной (под), ее борта образуют откосы. Наверху находится свод, «боками» печи считаются фронтальная и задняя стены, головки газовоздушных трактов строятся слева и права от фронтальной части. Через расположенные на фронтоне окна закладывают исходную шихту и добавки (во время процесса плавления).

Через окна производят отбор металла, шлаков для анализа. Через эти же окна, согласно принципу работу печи, удаляют шлак, образующися при дефосфации. В каждом окне предусмотрены смотровые заслонки с «глазками». В задней части расположено сливное отверстие, которое забивается огнеупорами, стойкими к спеканию. Воздух и топливо для горения подается по каналам в головках.

Шлаковики, регенераторы и борова расположены в головках. Шлаковики (воздушные и газовые) устраивают для сбора оседающих частиц шлака, выделяющихся в процессе горении. Регенераторы (сеть каналов из огнеупорного кирпича, для предварительного подогрева поступающих топлива и воздуха до 1200 °С) расположены вверху головок. Разогрев регенератора до необходимого состояния происходит за счет передачи тепла от очищенных газов, которые прошели через шлаковики. Подогрев позволяет получить температуру в плавильной ванне порядка 1800-2000 °С. Газоотводные каналы (боровы) проходят в самом низу головок, а основной выход в дымоход находится под подом печи, средняя температура выходящих газов 1550 °С.

Циркуляция рабочих потоков (печные газы, воздух, топливо) осуществляется с помощью системы перекидных клапанов (дросселей). Отработанные газы передают свое тепло регенераторам. При смене стороны горения, холодные топливо и воздух, преодолевая горячие регенераторы, подогреваются. Таким методом происходит подготовка рабочих газовых потоков для горения, поддержания эффективной температуры.

Конструкция домны

Конструкция доменной печи как сооружения дана на рис:

Конструкция доменной печи

Вся домна собирается в стальном футляре с толщиной стенок от 40 мм. В жароупорный пень домны (цоколь, оголовок, навершие подземного фундамента) замуровывается лещадь (под) цилиндрического горна. Футеровка горна достигает толщины 1,3-1,8 м и неоднородна: осевая зона лещади футеруется высокоглиноземистым кирпичом, плохо проводящим тепло, а бока – графитированными материалами, обладающими довольно высокой теплопроводностью. Так нужно, поскольку термохимия расплава в горне еще не «успокоилась» и там выделяется некоторый избыток тепла против потерь на остывание. Если его не отвести вбок, на жароустойчивый пень, строение доменной печи потребует очередного ремонта более высокого разряда (см. ниже).

Расширяющаяся вверх часть домны – заплечики – футеруется уже графитированными блоками толщиной ок. 800 мм; такой же толщины шамотная футеровка шахты. Шамот, как и футеровка горна с заплечиками, не смачивается расплавленным шлаком, но ближе к последнему по химическому составу. Т.е., домна в работе минимально обрастает нагаром и лучше держит внутренний профиль, что упрощает и удешевляет очередной ремонт.

Горн и заплечики работают в самых тяжелых условиях, лишние весовые нагрузки для них опасны, поэтому шахта домны опирается своими плечами (кольцеобразным выносом) на прочное стальное кольцо – маратор – покоящееся на стальных колоннах, замурованных в пень. Таким образом, весовые нагрузки горна с заплечиками и шахты передаются на основание домны раздельно. Горячий воздух из кауперов задувается в домну из кольцевого трубчатого коллектора с теплоизоляцией через специальные устройства – фурмы, см. далее. Фурм в домне бывает от 4-х до 36 (в доменных печах-гигантах на 8000-10 000 тонн шихты и 5-6 тыс. тонн чугуна в сутки).

Разряды ремонта

Текущее состояние доменной печи определяется по химическому составу чугуна и шлака. Если содержание примесей подходит к пределу, назначается ремонт домны 1-го разряда. Из горна выпускают расплавы, глушат кауперы (см. далее) и оставляют домну на малом дыхании, с температурой внутри горна 600-800 градусов. Ремонт 1-го разряда включает в себя визуальный осмотр, ревизию механического состояния, измерение показателей профиля печи и взятие проб футеровки для химического анализа. Когда-то домну на малом дыхании осматривали люди в специальных защитных костюмах с автономными дыхательными приборами, ныне это делается дистанционно. После ремонта 1-го разряда домну можно вновь запускать без розжига.

Результатом ремонта 1-го разряда чаще всего (если только не проморгали плохую руду, флюс и/или бракованный кокс) назначается ремонт 2-го разряда, в ходе которого подправляется футеровка. Ее частичная или полная перекладка, рихтовка или замена колошникового аппарата осуществляются в порядке ремонта 3-го разряда. Он, как правило, приурочивается к технической реконструкции предприятия, т.к. требует полного останова, остывания печи, а затем ее перезагрузки, розжига и перезапуска.

Устройство домны

Конструкция домны очень сложная, это большой комплекс, который включает в себя следующие элементы:

зона горячего дутья;
зона плавления (сюда входят горн и заплечики);
распар, то есть зона, где происходит восстановление FeO;
шахта, где происходит восстановление Fe2O3;
колошник с предварительным нагревом материала;
загрузка шихты и кокса;
доменный газ;
зона, где находится столб материала;
выпуски для шлака и жидкого чугуна;
сбор для отходящих газов.

Высота доменной печи может достигать 40 м, вес – до 35 000 тон, вместимость рабочей зоны зависит от параметров комплекса.

Точные значения зависят от загрузки предприятия и его назначения, требований к объемам получаемого металла и прочих параметров.

Более подробный вариант устройства:

Разряды ремонта домны

Для поддержания рабочего состояния домны регулярно проводится капитальный ремонт (каждый 3-15 лет). Он разделяется на три вида:

Первый разряд включает в себя работы по выпуску продуктов плавления, осмотру оборудования, занятого в технологическом процессе.
Второй разряд – это полная замена элементов оборудования, подлежащего средним ремонтным работам.
Третий разряд требует полной замены устройства, после чего выполняется новая засыпка сырья с правкой колошников.

Системы и оборудование

Доменная печь – это не только установка для получения чугуна, но и многочисленные вспомогательные узлы. Это система подачи шихты и кокса, отвод шлака, расплавленного чугуна и газов, система автоматического управления, кауперы и многое другое.

Принципы работы печи остались такими же, как и столетия назад, но современные компьютерные системы и автоматизация производства сделали домну более эффективной и безопасной.

Кауперы

Современное устройство доменной печи предполагает использование каупера для нагрева подаваемого воздуха. Это установка циклического действия из жаростойкого материала, которое обеспечивает нагрев насадки до 1200°С.

Каупер включает при остывании насадки до 800-900°С, что позволяет обеспечить беспрерывность процесса, снизить расход кокса и повысить общую эффективность конструкции.

Ранее такое устройство не применялось, но начиная с 19 в. оно является обязательно частью домны.

Количество батарей кауперов зависит от размеров комплекса, но обычно их не менее трех, что делается с расчетом на возможную аварию и сохранение работоспособности.

Колошниковый аппарат

Колошниковый аппарат — эта часть является наиболее ответственной и важной, включающей в себя три газовых затвора, действующих по согласованной схеме. Цикл работы этого узла выглядит следующим образом:

Цикл работы этого узла выглядит следующим образом:

в исходном положении конус поднят, он преграждает выход, нижний конус опущен;
скип загружает в колошник шихту;
вращающаяся воронка поворачивается и пропускает сырье через окна на малый конус;
воронка возвращается в исходное положение, закрывая окна;
малый конус опускается, загрузка проходит в межконусное пространство, после чего конус поднимается;
большой конус принимает исходное положение, выпуская шихту в полость домны для переработки.

Скип

Скипы — это специальные подъемники шихты. При помощи таких подъемников калошей из скиповой ямы захватывается сырье, подаваемое наверх по наклонной эстакаде.

Затем калоши опрокидываются, подавая шихту в загрузочную область, и возвращаются вниз за новой порцией. Процесс этот сегодня осуществляется автоматически, для управления используются специальные компьютеризированные узлы.

Фурмы и летки

Сопло фурмы печи направлено в ее полость, через него можно наблюдать течение процесса плавки. Для этого через специальные воздуховоды монтируются гляделки с жаростойкими стеклами. На срезе давление может достигать значения в 2,1-2,625 МПа.

Летки используются для слива чугуна и шлака, сразу после выпуска они плотно запечатываются специальной глиной. Раньше использовались пушки, которые выстраивали пластичным глиняным ядром, сегодня применяются дистанционно управляемые пушки, которые могут подходить к конструкции вплотную. Такое решение дало возможность снизить травматичность и аварийность процесса, сделать его более надежным.

Как работает доменная печь

Из чего состоит доменная печь вполне понятно, однако нужно разобраться с тем, как именно она работает.

Технология работы:

Конструкция печь сделана таким образом, что происходит попадание шихты в полость чаши посредством засыпного устройства, напоминающего по виду небольшой конус, который расположен вверху.
После этого с чаши ресурс переходит на полость большого конуса, а далее шихта отправляется в печь

За счет такой системы газ из доменной печи не проникает в атмосферу вокруг завода.
Как только загружен малый конус и его воронка, чтобы принять сырье нужно повернуть конструкцию на угол в 60 градусов, что требуется для распределения шихты максимально равномерно.
Далее происходит работа металлургической печи, а шахта проходит процесс расплавления и спускания вниз, что позволяет освободить место для новой порции ресурса.
Особенно важно соблюдать постоянное заполнение полезного объема.
В современных доменных печах полезный объем может составлять 2000 – 50000 м2, а высота достигает порядка 35 м, что куда больше чем диаметр.. Конструкция именно такого плана продумана не просто так, так как принцип работы требует постоянного движения материала и газа навстречу друг другу, за счет чего и осуществляется грамотное производство без дефектов

Конструкция горна и лещади изготавливается из кирпичных блоков, в составе которых есть глинозем. Также могут использоваться углеродистые блоки, расположенные внутри стальных кожухов и охлаждающиеся водой, которая поступает по водопроводной системе из холодильника, сделанного специально для доменной печи. Такой профиль работы – это не Майнкрафт, здесь нужно быть осторожным. Большая печь или мини будет использоваться, решать вам. Но тот, кто изобрел ее продумал все до мелочей в разрезе, нужно следить за тем, чтобы фурма была исправна

Конструкция именно такого плана продумана не просто так, так как принцип работы требует постоянного движения материала и газа навстречу друг другу, за счет чего и осуществляется грамотное производство без дефектов. Конструкция горна и лещади изготавливается из кирпичных блоков, в составе которых есть глинозем. Также могут использоваться углеродистые блоки, расположенные внутри стальных кожухов и охлаждающиеся водой, которая поступает по водопроводной системе из холодильника, сделанного специально для доменной печи. Такой профиль работы – это не Майнкрафт, здесь нужно быть осторожным. Большая печь или мини будет использоваться, решать вам. Но тот, кто изобрел ее продумал все до мелочей в разрезе, нужно следить за тем, чтобы фурма была исправна.

Описание и процессы

Устройство доменной печи

1: Горячее дутьё
2: Зона плавления (заплечики и горн)
3: Зона восстановления FeO (распар)
4: Зона восстановления Fe₂O₃ (шахта)
5: Зона предварительного нагрева (колошник)
6: Загрузка железорудных материалов, известняка и кокса
7: Доменный газ
8: Столб железорудных материалов, известняка и кокса
9: Выпуск шлака
10: Выпуск жидкого чугуна
11: Сбор отходящих газов

Доменная печь представляет собой непрерывно действующий аппарат шахтного типа. Загрузка шихты осуществляется сверху через типовое загрузочное устройство, которое одновременно является и газовым затвором доменной печи. В домне восстанавливают богатую железную руду (на современном этапе запасы богатой железной руды сохранились лишь в Австралии и Бразилии), агломерат или окатыши. Иногда в качестве рудного сырья используют брикеты.

Схема доменного производства

1: железная руда + известняк
2: кокс
3: лента конвейера
4: колошник с аппаратом, предотвращающим уход доменного газа в атмосферу
5: слой кокса
6: слои известняка, оксида железа, руды
7: горячий воздух (с температурой около 1200 °C)
8: шлак
9: жидкий передельный чугун

10: шлаковый ковш
11: чугуновоз
12: циклон для очистки доменного газа от пыли перед сжиганием его в регенераторах 13

13: регенераторы (кауперы)
14: дымовая труба
15: подача воздуха в регенераторы (кауперы)
16: порошок угля
17: коксовая печь
18: резервуар для кокса
19: газоотвод для горячего колошникового газа

Доменная печь состоит из пяти конструктивных элементов: верхней цилиндрической части — колошника, необходимого для загрузки и эффективного распределения шихты в печи; самой большой по высоте расширяющейся конической части — шахты, в которой происходят процессы нагрева материалов и восстановления железа из оксидов; самой широкой цилиндрической части — распара, в котором происходят процессы размягчения и плавления восстановленного железа; суживающейся конической части — заплечиков, где образуется восстановительный газ — монооксид углерода; цилиндрической части — горна, служащего для накопления жидких продуктов доменного процесса — чугуна и шлака.

В верхней части горна располагаются фурмы — отверстия для подачи нагретого до высокой температуры дутья — сжатого воздуха, обогащенного кислородом и углеводородным топливом.

На уровне фурм развивается температура около 2000 °C. По мере удаления вверх температура снижается, и у колошников доходит до 270 °C. Таким образом в печи на разной высоте устанавливается разная температура, благодаря чему протекают различные химические процессы перехода руды в металл.

В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количество тепла.

C+O2=CO2+Q{\displaystyle \mathrm {C+O_{2}=CO_{2}+Q} }

Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода — главный восстановитель доменного процесса.

CO2+C=2CO{\displaystyle \mathrm {CO_{2}+C=2\,CO} }

Поднимаясь вверх, монооксид углерода взаимодействует с оксидами железа, отнимая у них кислород и восстанавливая до металла:

Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2{\displaystyle \mathrm {Fe_{2}O_{3}+3\,CO=2\,Fe+3\,CO_{2}} }

Полученное в результате реакции железо каплями стекает по раскаленному коксу вниз, насыщаясь углеродом, в результате чего получается сплав, содержащий 2,14 — 6,67 % углерода. Такой сплав называется чугуном. Кроме углерода в него входят небольшая доля кремния и марганца. В количестве десятых долей процента в состав чугуна входят также вредные примеси — сера и фосфор. Кроме чугуна в горне образуется и накапливается шлак, в котором собираются все вредные примеси.

Ранее шлак выпускался через отдельную шлаковую лётку. В настоящее время и чугун, и шлак выпускают через чугунную летку одновременно. Разделение чугуна и шлака происходит уже вне доменной печи — в жёлобе, при помощи разделительной плиты. Отделенный от шлака чугун поступает в чугуновозные ковши, либо в ковши миксерного типа и вывозится либо в сталеплавильный цех, либо в разливочные машины.

Автоматизация доменного производства

Основные направлениями автоматизации и контроля в доменном производстве:

Химический состав и физические свойства шихтовых материалов.
Загрузка шихтовых материалов.
Состояние верхней зоны печи (колошника)
Состояние шахты печи.
Параметры комбинированного дутья.
Состояние нижней зоны печи (горна)
Технико-экономические показатели плавки.
Воздухонагреватели

Доменный процесс

Современные печи для плавки чугуна обеспечивают примерно 80 % от общего количества чугуна, с разливочных площадок он сразу подается в электроплавильные либо мартеновские цеха, где и происходит переделка черного металла в сталь с требуемыми качествами.

Из чугуна получают чушки, отправляемые затем производителям для отливки их в вагранках. Для слива шлака и чугуна используются специальные отверстия, называемые летки. Однако в современных печах применяются не отдельные, а один общий леток, разделяемый специальной жароупорной плитой на каналы для подачи чугуна и шлака.

Как работает домна?

Доменный процесс полностью зависит от избытка углерода в полости печи, он заключается в термохимических реакциях, протекающих внутри при загрузке всех компонентов и их нагреве.

Температура в доменной печи может составлять 200-250°С непосредственно под колошником и до 1850-2000°С в активной зоне – распаре.

При подаче в печь горячего воздуха и розжиге кокса в домне повышается температура, начинается процесс разложения флюса, в результате чего повышается содержание углекислого газа.

При понижении столба материала в шихте происходит восстановление монокисла железа, в нижней части столба из FeO восстанавливается чистое железо, стекающее в горн.

По мере стекания железо активно контактирует с углекислым газом, происходит насыщение металла и придание ему требуемых свойств. Общее содержание углерода в железе может составлять от 1,7%.

Получение

Доменная печь изготовлена из восьми двойных листов кованого железа и тигля.

Ингредиенты	Процесс
Двойной лист кованого железа +Тигель

Строительствоправить

Высота доменной печи определяет количество руды, флюса и древесного угля, которые она может содержать, и, следовательно, максимальное количество руды, которое может быть расплавлено за один раз. Маленькая доменная печь имеет один блок высоты и требует минимум 4 огнеупорных кирпичных блока и 12 листов кованого железа. По величине максимальная доменная печь может иметь 5 блоков в высоту, и требует 20 огнеупорных кирпичных блоков и 60 листов кованого железа:

Схема постройки печи


Слой 3

Слой 2

Слой 1

Доменная печь минимального размера строится следующим образом:

Слой 3:

Огнеупорные кирпичи: в двух блоках над землей создайте «трубу», окружив центральный воздушный блок со всех четырех сторон.
Металлические листы: Поместите листы кованого железа или металлические листы из металла более высокого уровня по бокам дымохода. Примечание: листы не должны быть размещены сверху или снизу.

Слой 1:

Тигель: поместите тигель на землю под центральным воздушным блоком.

Слой 2:

Блок доменной печи: Поместите блок доменной печи между дымоходом и тиглем (⇧ Shift+ПКМ) под центральным воздушным блоком.

Меха: Разместите Меха стороне блока доменной печи, убедившись, что сторона с отверстием обращена к доменной печи.
Завершение: Поместите фурму в доменную печь.
Расширение: доменные печи могут увеличить общую емкость хранилища, добавив до четырех дополнительных слоев к существующей конструкции. Чтобы расширить доменную печь, просто добавьте дополнительный слой к дымоходу.

Применениеправить

Используется для выплавки чугуна. Для этого необходима фурма (положить в инвентарь доменной печи). Процесс выплавки следующий:

Сверху закинуть внутрь структуры равное количество древесного угля, флюса и железной руды (Лимонит, гематит или магнетит). На первом уровне структуры макс. вместимость 4, а каждый последующий уровень также увеличивает вместимость на 4. Структура максимального (5) уровня имеет вместимость на 20.

Важно: в процессе плавления руды древесный уголь будет потребляться, поэтому периодически его придется подкидывать. Можно подкинуть уголь заранее, тогда он будет потребляться по мере необходимости. Оптимальное количество — 3 штуки (проверено для структуры уровня 1-3)

Оптимальное количество — 3 штуки (проверено для структуры уровня 1-3).

Поджечь главный блок доменной печи при помощи воспламенителя или огнива. Текстура блока поменяется на «горящую».
Работающая доменная печь
Домна должна нагреться до температуры «белеет до блеска». Для этого необходимо использовать меха (ПКМ по ним).

Внимание: если угля станет слишком мало, то домна просто остынет и весь процесс придется начинать заново! Допустима нехватка 1 (2 при неполной загрузке печи) ед. угля к моменту достижения нужной температуры

По достижении необходимой температуры и при наличии фурмы, доменная печь начнет сливать расплавленный чугун в тигель под собой, при этом будет тратиться прочность фурмы (из расчета 1 кусок руды = 1 ед. прочности)
Забрать чугун из тигля можно с помощью глиняных форм

Как сделать доменную печь своими руками?

Нюансы

Производство чугуна является высокорентабельным бизнесом, но наладить изготовление черного металла без серьезных финансовых инвестиций невозможно. Доменная печь своими руками в «кустарных условиях» – это просто нереализуемо, что связано со многими особенностями:

крайне высокая стоимость домны (такие расходы могут себе позволить исключительно крупные комбинаты);
сложность конструкции, несмотря на то, что чертеж доменной печи можно найти в свободном доступе (выше схемы), собрать полноценный агрегат для производства чугуна не получится;
физлица и ИП не могут заниматься деятельностью по изготовлению чугуна, на это просто никто не выдаст лицензию;
залежи сырья для черной металлургии практически исчерпаны, окатышей или агломерата в свободной продаже нет.

Но в домашних условиях можно собрать имитацию печи (мини-доменную печь), при помощи которой можно плавить металл.

Но работы эти требуют максимального внимания и крайне не рекомендуются при отсутствии опыта. Зачем может потребоваться изготовление подобной конструкции? Чаще всего – это обогрев для теплицы или дачи с максимально эффективно используемым топливом.

Инструменты и материалы

Для изготовления конструкции в домашних условиях, надо приготовить:

металлическая бочка (можно заменить на трубу с большим диаметром);
два отрезка трубы круглого сечения с меньшим диаметром;
отрезок швеллера;
листовая сталь;
уровень, ножовка по металлу, рулетка, молоток;
инвертор, набор электродов;
кирпичи, глиняный раствор (необходимы для фундамента конструкции).

Все работы надо проводить только на улице, так как процесс достаточно грязный и требующий наличия свободного пространства.

Пошаговая инструкция

На приготовленной заготовке в виде бочки срезается верх (его следует оставить, так как он понадобиться дальше).
Из стали вырезается круг с диаметром, меньшим чем диаметр бочки, в нем делается отверстие для трубы.
Труба аккуратно приваривается к кругу, внизу сваркой крепятся отрезки швеллера, которые будут придавливать топливо во время работы печи.
Крышка печи изготавливается из отрезанного ранее дна бочки, в котором делается отверстие для закладного люка с дверкой. Также необходимо сделать дверку, через которую будут удаляться остатки золы.
Печь обязательно устанавливается на фундамент, так как в процессе работы она очень сильно нагревается. Для этого сначала устанавливается бетонная плита, затем выкладывается несколько рядов из кирпича, образующих углубление в центре.
Для отвода продуктов сгорания монтируется дымоходная труба, диаметр прямой части будет больше, чем диаметр корпуса печи (требуется для лучшего отвода газов).
Отражатель не является обязательным элементом конструкции, но его использование позволяет повысить КПД печи.

Особенности конструкции

Особенностями такой самостоятельно изготовленной печи являются:

уровень КПД хороший;
есть возможность работы в автономном режиме до 20 часов;
в печи происходит не активное горение, а тление с постоянным выделением тепла.

Главным отличием «бытовой» доменной печи будет ограничение доступа воздуха к камере сгорания, то есть тление дров или угля будет происходит при низком уровне кислорода. По схожему принципу работает и промышленная домна, но бытовая применяется только для отопления, плавить металл в ней нельзя, хотя температура внутри камеры будет достаточной.