Технологическая и аппаратурная схемы производства чугуна. Конструкция и принцип работы доменной печи

План

Введение…………………………………………………………………………...3
Технологические и аппаратные схемы производства чугуна…………………..4
Конструкция и принцип работы доменной печи………………………………..8
Заключение……………………………………………………………………….14
Список литературы………………………………………………………………15

Введение

Черная металлургия - ведущая отрасль народного хозяйства, от которой
существенно зависит благополучие страны. С позиций сегодняшнего дня,
когда новым технологиям уделяется первейшее внимание, посмотрим, какие
изменения произошли в XX веке в металлургических технологиях.
Установившаяся технология производства чугуна, стали и проката к началу
XX века принципиально сохранилась до настоящего времени, хотя
агрегатное оформление стало другим. Доменная печь за первые 50 лет XX
века приобрела современный профиль, ее объем возрос от нескольких сотен
кубических метров до 1-2 тысяч, а за следующие 50 лет до 5 и более тысяч
куб. м. За это время доменная печь получила современную систему загрузки,
подготовленное сырье, высокую температуру дутья с добавкой кислорода,
природного газа и других заменителей кокса, повышенное давление.
Основным сталеплавильным агрегатом была мартеновская печь, работали
бессемеровские и томасовские конвертеры, появились электрические печи. В
XX столетии мартеновские печи, бессемеровские и томасовские конвертеры
были заменены кислородными конвертерами и дуговыми печами. В мире
примерно две трети стали выплавляют в конвертерах, а одну треть в дуговых
электропечах. В России и других странах СНГ еще сохранились
мартеновские печи.
Целью данной работы является изучение технологии производства
чугуна. В работе будут рассмотрены методики производства чугуна в
доменной печи.

Технологическая и аппаратурная схемы производства чугуна.
Чугун - сплав железа с углеродом (2-6)%, содержащий вредные
примеси серы, фосфора, кремния.
Различают чугуны белые (передельные) - сырье для передела в сталь,
серые (литейные) и специальные (ферромарганец - Mn - до 70%,
ферросилициум - Sn - до 12%) - используются для раскисления стали. Чугун
получают в результате доменного процесса. Исходным сырьем служат
железная руда (магнитный железняк, красный железняк, бурый железняк),
кокс, флюсы. Подготовленные специальным образом к доменному процессу,
эти компоненты называются шихтой. Подготовка сырья к доменному
процессу обусловлена во многом экономической, а не технологической
необходимостью.
Исходным сырьем для получения чугуна являются железные руды,
металлический лом и флюсы.
Железная руда - порода, содержащая различные количества железа в
виде химических соединений с кислородом, серой и другими веществами.
Чаще всего чугун получают из магнитного железняка Fe304,
содержащего до 72% железа, и красного железняка 2Fe203-3H20,
содержащего до 70% железа в виде Fе2О3.
Кроме того, чугун получают также из руд, содержащих, помимо
железа, легирующие примеси - хром, никель, титан, марганец и др.
К руде в процессе плавки для понижения температуры плавления
пустой породы с целью отделения ее от металла прибавляют флюсы или
плавни.
Флюсы бывают основными и кислыми. В качестве флюсующих
материалов, образующих сплав с кремнеземом и глиноземом, служат породы,
содержащие СаС03 и MgC03, если пустой породой в руде является известняк,
флюсом служат кремнеземистые породы (кислый флюс). Введенные в шихту
доменной печи флюсы, образуя с пустой породой руды сплав, отделяются от

металла в виде шлаков. В среднем выход шлаков составляет 60-80% от
выплавленного чугуна.
При производстве чугуна топливом служат в основном кокс,
термоантрацит, природный газ. Чугун представляет собой сплав железа с
углеродом (более 2%). В чугун входят полезные (Si, Мл) и вредные (Р, S)
примеси. Выплавляют чугун в доменных печах, представляющих собой
вертикальную металлическую шахту, футерованную внутри огнеупорным
кирпичом с высоким содержанием глинозема.
Доменная печь состоит из колошника, шахты, распара, горна с подом.
Внизу горна имеется летка для выпуска чугуна, над ней - отверстие для
выпуска шлаков. Топливо горит у фурм, подающих воздух, нагретый в
воздухонагревателях. В начале горения выделяется С02, который затем
переходит в СО, расходуемый частично на восстановление железа. Выйдя из
домны, СО проходит газоочиститель и используется в качестве горючего газа
для нужд завода и для подогрева воздуха, поступающего в фурмы через
специальные воздухонагреватели (кауперы).
Загружают домну шихтой (рудой, флюсом, топливом) чередующимися
слоями - колошами. В настоящее время шихта доменных печей на три
четверти состоит из агломерата, а на некоторых заводах в домны загружают
офлюсованный агломерат. Применение офлюсованного агломерата вместо
обычного - важное средство увеличения производительности домен и
снижения удельного расхода кокса. В процессе работы шихта внутри печи
опускается вниз, а домну сверху наполняют новыми порциями шихты.
Горячие газы из горна движутся по шахте вверх, нагревают сырье и удаляют
из него влагу. Руда, опускаясь вниз, восстанавливается окисью углерода и
твердым углеродом до закиси железа FeO, а в дальнейшем - в железо.
Железо, насыщаясь углеродом, переходит в карбид железа, который,
растворяясь в железе, понижает температуру сплава.
Одновременно с восстановлением железа восстанавливаются кремний,
фосфор, марганец и другие примеси, которые частично входят в состав

чугуна. Шлак, благодаря тому, что он легче чугуна (плотность чугуна
(7,8)103 кг/м3, шлаков от 2,3 o 103 до 3 o 103 кг/м3), образует слой над
чугуном, предохраняющий его от окисления и охлаждения, так как он нагрет
до более высокой температуры, чем металл.
Жидкий чугун выпускают в ковши, откуда его выливают в формы или
миксеры (сборники-смесители, где сплав сохраняется некоторое время в
жидком состоянии).
Полученные в печах чугуны разделяют на литейные и передельные.
Литейные чугуны применяют для производства чугунных отливок,
передельные - для производства стали.
Помимо обычных чугунов, в доменных печах выплавляют также
ферросплавы. К доменным ферросплавам относят: ферросилиций,
ферромарганец и др.
Для отливки изделий чугун плавят в вагранках, пламенных и
электрических печах. Вагранка представляет собой печь шахтного типа,
футерованную огнеупорным кирпичом. Она состоит из колошника для
загрузки шихты, шахты, формы для дутья, горна, копильника (в некоторых
типах печей). В вагранку подают чушковый чугун, а также частично
чугунный и стальной лом. Топливом служит кокс, который слоями
загружают в вагранку. Чтобы часть серы не перешла в чугун, в шихту
добавляют известняк, связывающий серу в CaS.
Расплавленный при температуре 1380-1420° С жидкий чугун
выпускают через летку в футерованные огнеупором литейные ковши для
разливки чугуна по формам, изготовляемым из формовочного песка со
связками.
В последние годы применяют прогрессивные способы литья чугуна:
под давлением, центробежным способом в оболочковые формы. Залитый в
форму чугун находится в ней до момента полного перехода в твердое
состояние, вначале расширяясь, а впоследствии давая усадку около 1 %.

Отливку под давлением производят на специальных установках,
состоящих из котла с расплавленным металлом, разъемных форм, механизма
давления и раскрытия форм.
Центробежный способ литья основан на принципе действия
центробежных сил на металл, залитый во вращающуюся форму. Таким
способом можно отливать различные изделия -трубы, кольца, втулки,
сплошные и биметаллические.
Отечественными учеными и практиками разработан способ
бесслитковой прокатки тонкого чугунного листа. Чугун, расплавленный в
вагранках, прокатывают в ленту между валками с последующим отжигом в
течение 2-3 ч при температуре 980-1050° С. При этих условиях чугунный
лист приобретает некоторую пластичность, позволяющую пробивать в нем
отверстия, разрезать ножницами, загибать и др.

Конструкция и принцип работы доменной печи.

Доменная печь — устройство для производства чугуна
восстановительной плавкой железных руд или концентратов.
Основное оборудование доменного цеха — доменная печь — это
круглая шахтная печь, футерованная огнеупорной кладкой.
Для защиты кожуха печи от разгара используют холодильные
устройства. Кожух печи и колошниковое устройство установлены на
фундаменте и удерживаются колоннами.
Исходный материал для плавки называется шихтой и состоит из
железной руды, марганцевой руды, агломерата, окатышей. Шихта на
колошник печи подается скипами или ленточным конвейером. Через
приемную воронку скипы разгружаются в печь. Воздух подается через
воздухонагреватели, продукт плавки выходит через летки в ковши,
находящиеся в нижней части.
Современные доменные печи оснащены системой централизованного
управления и контроля, обеспечивающей регистрацию показателей приборов
и комплексных показателей работы доменной печи — расхода кокса на 1 т
чугуна и суточной производительности доменной печи в тоннах.
Доменная печь представляет собой непрерывно работающий агрегат,
состоящий из следующих зон:
 Горячее дутьё.
 Зона плавления (заплечики и горн).
 Зона восстановления FeO (распар).
 Зона восстановления Fe2O3 (шахта).
 Зона предварительного нагрева (колошник).
 Загрузка железорудных материалов, известняка и кокса.
 Доменный газ.
 Столб железорудных материалов, известняка и кокса.
 Выпуск шлака.
 Выпуск жидкого чугуна.

 Сбор отходящих газов.

Внутреннее очертание вертикального разреза доменной печи называют
профилем печи.
Рабочее пространство печи включает:

 колошник;
 шахту;
 распар;
 заплечики;
 горн.

Рис. 1 Устройство доменной печи
Колошник.
Верхняя (узкая) часть печи называется колошником. Колошник имеет
засыпной аппарат для загрузки шихты (руды, топлива, флюсов) и
газоотводные трубы, по которым из доменной печи отводятся газы,
называемые доменными или колошниковыми. Часть печи между
колошником и распаром называется шахтой.
Часть печи, обращенная усеченным конусом вверх и поддерживающая
шихту в распаре вместе с шихтой и колошником, носит название заплечиков.
В этой части печи происходит довольно резкое сокращение объема

загружаемых материалов в результате выгорания кокса и образования
жидких продуктов плавки.
Шахта.
На долю шахты приходится большая часть общей высоты и объема
печи. Профиль шахты, представляющий собой усеченный конус,
расширяющийся к низу, обеспечивает равномерное опускание и разрыхление
шихтовых материалов.
Значительная высота шахты позволяет осуществлять тепловую и
химическую обработку материалов поднимающимися горячими газами.
Распар.
Это средняя цилиндрическая часть рабочего пространства печи,
имеющая самый большой диаметр. Распар создает некоторое дополнительное
увеличение объема печи и устраняет возможные задержки шихтовых
материалов.
Заплечики.
Это часть профиля печи, расположенная ниже распара и
представляющая собой усеченный конус, обращенный широким основанием
к распару. Обратная конусность заплечиков соответствует уменьшению
объема проплавляемых материалов при образовании чугуна и шлака.
Горн.
Нижняя часть печи, имеющая форму цилиндра, в которой
скапливаются продукты плавки — жидкий чугун и шлак, — называется
горном. В горне имеются радиально расположенные на одинаковом
расстоянии друг от друга отверстия (10—16, в зависимости от размера
домны).
В эти отверстия вставлены из красной меди, бронзы или алюминия
трубы с двойными стенками. Эти отверстия носят название фурмы.
Через фурмы вдувается вентилятором или воздуходувными машинами
нагретый в воздухонагревателях (кауперах) горячий воздух. Фурмы
охлаждаются водой, циркулирующей в пространстве между стенками труб.

Принцип работы доменной печи выражается в нескольких физико-
химических операциях. Наличие этих операций определяется температурной
областью самой печи и загруженностью материала.
Выделяют такие процессы:
 процесс разложения известняка, в результате которого образуется угольный
ангидрид и окись кальция;
 восстановление железа и прочих элементов;
 науглероживание железа;
 металлоплавление;
 возникновение и плавление шлака;
 сгорание топлива и прочие.

Воздухонагреватель доменной печи — аппарат, в котором происходит
предварительный нагрев воздуха. Затем этот воздух подается в печь.
Раннее оборудование для выплавки чугуна не имело такого элемента,
как воздухонагреватель. Разработка устройства позволила намного
уменьшить затраты топлива.
Принцип работы доменной печи основан на сложных физико-
химических процессах.
Выделяют такие операции:
- сгорание топлива;
- восстановление железа;
- разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид;
- насыщение железа углеродом;
- плавка металла;
- плавление шлака и др.
Главные материалы, с помощью которых возможна выплавка чугуна:

 топливо – кокс;
 железная руда – сырьё, из которого выплавляют чугун;
 флюс – спецдобавки из песка, известняка и некоторых других материалов.

В печи шихта попадает в виде мелкопородных сплавленных кусков –
окатышей или агломератов. В качестве рудного вещества могут выступать
марганцевые руды или различные вариации железняка. Сырьё засыпают в
колошник слоями, чередуя с пластами флюса и кокса.
Шлак всплывает на поверхности раскалённого чугуна. Примеси
сливают до того, как жидкий металл застынет.

Рис. 2 Загрузка шихты и кокса в доменную печь
Подача сырья, как и работа печи, должна быть непрерывной.
Постоянство процесса обеспечивают специальные транспортёры. Попадая
через описанные элементы в горн, шихта проходит через ряд
технологических процессов.
Сгорающий кокс даёт требуемую температуру, которая не должна
опускаться ниже 2000 градусов. Горение способствует соединению
кислорода и каменного угля. Параллельно образуется углекислый газ. Под
влиянием высокой температуры последний становится оксидом углерода.
Благодаря этому восстанавливается железо.
Чугун становится таковым после того, как железо пройдёт через
расплавленный кокс. Чтобы результат стал возможным, железо должно

насытиться углеродом. К чугунам относят сплавы, в составе которых на
долю углерода приходится 2-5%.
После того, как готовый металл накопился в горне, его выпускают
через летки. Через верхнее отверстие сначала выпускают шлак, а после –
через нижнее – чугун. Последний сливается по каналам в ковши и
отправляется на последующую обработку.
Заключение

Конечными продуктами доменной плавки являются чугун, шлак,
колошниковый газ и колошниковая пыль. Чугун представляет собой
многокомпонентный сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием,
фосфором и серой. В чугуне также содержится незначительные количества
водорода, азота и кислорода. В легированном чугуне могут быть хром,
никель, ванадий, вольфрам и титан, количество которых зависит от состава
проплавляемых руд. В зависимости от назначения выплавляемые в доменных
печах чугуны разделяют на три основных вида: передельный, идущий на
передел в сталь; литейный, предназначенный для получения отливок из
чугуна в машиностроении; доменные ферросплавы, используемые для
раскисления стали в сталеплавильном производстве.
Домна – металлургическое оборудование, позволяющее получить
чугун посредством переработки железной руды в промышленных масштабах.
Особенность технологии обеспечивает не только высокое качество
получаемой продукции, но и экономный расход кокса. В процессе
производства можно контролировать условия плавки, применяя для этого
компьютеризированные системы и получая продукт со строго заданными
свойствами.
Список литературы

1. Булгаков В.П., Булгаков Г.В. Исследование минералогического
состава окалино-углеродистых брикетов в процессе
восстановления//«Черная металлургия», 1998г. №7
2. Гуляев А.П. Металловедение // М.: Металлургия - 1996 - 544с.
3. Еланский Г.Н., Линчевский Б. В., Кальменев А. А. Основы
производства и обработки металлов. Москва 2005 г.
4. Кнорзов Б.В. Технология металлов. Москва. Металлургия, 1978 г.
5. Материаловедение под ред. Б.Н. Арзамасова // М.:
Машиностроение - 2001 - 384с.
6. Теория и практика работы современных промышленных печей.-
Москва-Ленинград: Госэнергоиздат. 1963г.
7. Товаровский И. Г. Доменная плавка. 2-е издание.-
Днепропетровск: «Пороги», 2009.-768 с.
8. https://kazedu.com/referat/106561/1
9. https://bestpechi.ru/domennaya-pech