Устройство доменной печи: конструкция, схема, принцип работы

Доменная печь представляет собой непрерывно действующий агрегат шахтного типа для выплавки чугуна методом восстановительной плавки железорудного сырья. Конструкция печи сформирована вертикальным металлическим кожухом, выложенным изнутри огнеупорной футеровкой. Основная функция печи — эффективное противоточное взаимодействие шихтовых материалов и горячих восстановительных газов.

Конструктивные элементы доменной печи для производства передельного чугуна и их функциональное назначение

Печь состоит из пяти основных зон, различающихся по профилю и условиям работы: колошник, шахта, распар, заплечики и горн. Колошник является верхней частью, служащей для загрузки шихты и отвода колошникового газа. Диаметр колошника обычно составляет 0,5–0,6 от диаметра распара.

Шахта представляет собой усеченный конус, расширяющийся книзу для компенсации увеличения объема шихты при нагреве и плавлении. Угол наклона стен шахты составляет 82–85 градусов к горизонтали. Футеровка шахты выполняется из шамотного кирпича или высокоглиноземистых огнеупоров толщиной 400–800 мм.

Распар является наиболее широкой частью печи, где завершается плавление материалов. Диаметр распара современных печей достигает 16–18 метров. Конфигурация распара минимизирует подвешивание шихты и обеспечивает плавный переход материала в зону активного взаимодействия с газами.

Заплечики имеют обратную коническую форму с углом наклона 78–80 градусов. В этой зоне происходит окончательное плавление и стекание жидких продуктов плавки в горн. Заплечики испытывают максимальные термические и эрозионные нагрузки, поэтому футеруются углеродистыми блоками или карбидокремниевыми плитами.

Горн представляет собой нижнюю цилиндрическую часть печи, аккумулирующую жидкий чугун и шлак. Вместимость горна составляет 1800–3000 тонн для печей большого объема. Горн оснащен двумя рядами фурм: воздушными для подачи горячего дутья и чугунными со шлаковыми для выпуска продуктов плавки.

Система подачи дутья и топливно-энергетический комплекс доменного агрегата

Горячее дутье подается через фурмы, расположенные по периметру горна в количестве 30–42 штук. Температура дутья достигает 1100–1250 °C после нагрева в воздухонагревателях (кауперах). Давление дутья составляет 0,35–0,45 МПа для печей большого объема.

Воздухонагреватели работают в циклическом режиме: нагрев насадки сжиганием доменного газа с последующим аккумулированием тепла. Каждый агрегат оборудован 4–6 кауперами, обеспечивающими постоянную температуру дутья. Насадка кауперов выполняется из высокотемпературного шамота или динаса.

Система вдувания пылеугольного топлива (ПУТ) монтируется в фурменные очаги. Вдувание угольной пыли снижает расход кокса на 30–40%. Норма расхода ПУТ составляет 150–250 кг на тонну чугуна в зависимости от теплотворной способности угля.

Газодинамика и процессы теплообмена в шахте доменной печи

Основной принцип движения газов — встречное движение шихты вниз и газов вверх. Скорость газов в распаре достигает 3–5 м/с, что обеспечивает оптимальный теплообмен. В колошнике скорость газов снижается до 1–2 м/с.

Коэффициент теплоотдачи от газов к шихте составляет 250–350 Вт/(м²·К) в зоне распара. Продольный профиль температур имеет S-образную форму с перегибом в зоне начала размягчения шихты. Температура в зоне фурм достигает 1800–2000 °C.

Сопротивление слоя шихты в шахте колеблется от 0,15 до 0,25 МПа. Гранулометрический состав кокса (40–80 мм) и окатышей (10–20 мм) оптимизирует газопроницаемость столба. Перепад давления между колошником и горном не превышает 0,1 МПа.

Химические реакции восстановления и шлакообразования в профиле печи

Процесс восстановления железа протекает в три стадии: от гематита Fe₂O₃ до магнетита Fe₃O₄, затем до вюстита FeO и до металлического железа. Температура начала интенсивного восстановления составляет 800–900 °C. В зоне колошника при 200–400 °C удаляется гигроскопическая влага.

Реакции непрямого восстановления оксидом углерода (CO) преобладают до температуры 900 °C. Прямое восстановление углеродом кокса начинается при температуре выше 1100 °C. Степень использования CO в печи достигает 40–45%.

Формирование первичного шлака происходит при 1300–1400 °C в зоне распара. Основность шлака CaO/SiO₂ составляет 1,05–1,20 для передельного чугуна. Вязкость шлака при температурах выпуска (1450–1550 °C) не превышает 5–10 Пуаз.

Типы применяемых шихтовых материалов и требования к их качеству

Основными компонентами шихты являются железорудные окатыши (60–70% от рудной части) и агломерат (30–40%). Содержание железа в окатышах должно быть не менее 65%. Кусковая руда используется ограниченно из-за низкого содержания Fe и высокой пористости.

Кокс выступает как топливо, восстановитель и разрыхлитель шихтового столба. Зольность кокса не должна превышать 10–12%, а прочность M40 (остаток на барабане после испытаний) — не менее 76%. Диаметр кусков кокса составляет 40–80 мм.

Флюсы (известняк, доломит) вводятся для корректировки основности шлака. Расход известняка составляет 100–200 кг на тонну чугуна. Влажность шихты перед загрузкой не должна превышать 3–5%.

Технические характеристики современных доменных печей большого объема

Полезный объем печей классифицируется на малые (до 1000 м³), средние (1000–2000 м³) и большие (более 2000 м³). Максимальный полезный объем современных агрегатов достигает 5580 м³ (печь №5 завода в Чанцзяне, Китай). Суточная производительность печи объемом 3000 м³ составляет 7000–8000 тонн чугуна.

Удельный расход кокса варьируется от 390 до 510 кг/т чугуна в зависимости от качества сырья и технологии. Суммарный расход энергоносителей достигает 5000–6000 МДж/т. КПД печи составляет 70–85%, при этом 30–40% тепла теряется с колошниковым газом.

Давление в горне поддерживается на уровне 0,30–0,45 МПа. Разрежение на колошнике составляет 200–400 Па. Частота выпусков чугуна — 8–12 раз в сутки при температуре 1420–1480 °C. Содержание кремния в передельном чугуне не превышает 0,8%.

Каков принцип работы доменной печи?

Доменная печь работает по принципу противотока. Сверху загружаются шихта (кокс, железорудные материалы, флюсы), а снизу подается горячий воздух, обогащенный кислородом. Кокс сгорает, образуя тепло и восстановительный газ (CO), который поднимается вверх, восстанавливая железо из руды. Расплавленный чугун и шлак скапливаются в нижней части — горне.

Из каких основных элементов состоит доменная печь?

Основные элементы: колошник (верхняя часть для загрузки шихты), шахта (сужающаяся средняя часть, где идет восстановление), распар (цилиндрическая часть, где плавятся материалы), заплечики (сужающаяся часть к низу) и горн (нижняя часть с летками для выпуска чугуна и шлака). Также конструкция включает фурменные устройства для вдувания воздуха и систему охлаждения.

Для чего нужны фурмы в доменной печи?

Фурмы — это водоохлаждаемые медные устройства, расположенные в нижней части печи (горне). Через них в печь подается нагретый до 900–1200°C воздух или кислород, необходимый для горения кокса. Именно возле фурм происходит самое интенсивное горение, обеспечивающее высокую температуру (до 2000°C) и образование восстановительных газов.

Что такое «продукты плавки» и как их извлекают из домны?

Продуктами плавки являются жидкий чугун и жидкий шлак. Чугун выпускают через специальное отверстие — чугунную летку (обычно 4-6 раз в сутки) по желобу в ковши. Шлак, который легче чугуна, удаляется через верхнюю шлаковую летку или вместе с чугуном в отдельных ковшах. Разделение происходит благодаря разной плотности.

Почему доменная печь работает непрерывно?

Доменная печь является агрегатом непрерывного действия, так как процесс восстановления железа и плавления требует поддержания стабильного теплового режима. Остановка печи приведет к остыванию и застыванию шихты и жидких продуктов, что может вызвать «козел» (застывшую массу) и потребовать сложного ремонта. Печь работает без остановок от задувки до капитального ремонта — от 5 до 15 лет.