ДОМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО

ДОМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО производство
чугуна восстановит, плавкой жел. руд или окускованных железорудных концентратов
в доменных печах. Д. п.- отрасль чёрной металлургии.

Историческая справка. Чугун был
известен за 4-6 вв. до н. э. Д. п. возникло в результате развития сыродутного
процесса - "прямого" получения железа в твёрдом состоянии непосредственно
из жел. руды путём восстановления её в низких горнах или шахтных печах
(домницах) с помощью древесного угля. Первые доменные печи в Европе появились
в сер. 14 в., а в России - ок. 1630, вблизи Тулы и Каширы. На Урале первый
чугун получен в 1701, а в сер. 18 в. благодаря развитию уральской металлургии
Россия вышла на 1-е место в мире, к-рое удерживала до нач. 19 в. До сер.
18 в. единств, топливо в Д. п.- древесный уголь. В 1735 А. Дерби применил
в доменной плавке кам.-уг. кокс.

Осн. этапы развития Д. п.: применение паровой
воздуходувной машины (И. И. Ползунов, 1766), нагрев дутья (Дж. Нилсон,
1829),
изобретение кирпичного воздухонагревателя регенеративного типа (Э. Каупер,
1857).
В 1913 в России было выплавлено 4,2 млн. т
чугуна и она занимала
5-е место в мире. В 1940 в СССР было выплавлено 15 млн. т чугуна
(3-е место в мире), а с 1947 Сов. Союз уступал только США. В 1970 СССР
вышел на 1-е место в мире. Выплавка чугуна в СССР в 1971 составила 89,3
млн. т. Большую роль в развитии Д. п. в СССР сыграли М. А. Павлов,
М.
К. Курако, И. П. Бардин. Д. п. в СССР характеризуется применением
высокомеханизированных и автоматизированных агрегатов и передовой технологии.

Исходными материалами (шихтои) в
Д. п. являются: железная руда, марганцевая руда, агломерат, окатыши,
а
также горючее и флюсы. Широкое применение в шихте доменных печей
СССР получил офлюсованный агломерат (св. 90%), к-рый содержит 50-60% Fe
при основности 1,1-1,3; расширяется применение офлюсованных окатышей.
Важнейшие свойства железосодержащих шихтовых материалов, определяющие технико-экономич.
показатели доменной плавки: содержание железа, состав пустой породы, кол-во
вредных примесей, а также гранулометрич. состав, прочность и восстановимость.
Осн. горючим в Д. п. служит кам.-уг. кокс. Получает распространение
плавка с заменой части кокса газообразным, жидким или твёрдым топливом,
вдуваемым в горн доменной печи. В качестве флюсов используется известняк,
иногда доломит.

Основные виды чугуна, выплавляемого в доменных
печах: передельный чугун, используемый для произ-ва стали в сталеплавильных
агрегатах; литейный, идущий для чугунных отливок; специальные чугуны. Побочные
продукты Д. п.: доменный газ [теплота сгорания 3;6-4,6 Мдж/м³(850-1100
ккал/м³)]
после очистки от пыли используется для нагрева дутья в воздухонагревателях,
а также в заводских котельных установках, коксохимич., агломерац. и нек-рых
др. цехах; доменный шлак находит применение гл. обр. в пром-сти строит,
материалов; колошниковая пыль, выносимая из печи и улавливаемая системой
газоочистки, содержащая 30-50% Fe, возвращается в шихту доменных печей
после её предварит, окускования (гл. обр. путём
агломерации).

Доменный цех (рис. 1) з-да с полным металлургич.
циклом имеет, как правило, не менее 3 доменных печей с воздухонагревателями
и системой газоочистки. Запас шихты (кокса на 6-12 ч, агломерата
или руды, а также флюсов на 1-2 суток работы печей) хранится в бункерах
эстакады (общей для всех доменных печей). На мн. металлургич. з-дах в состав
доменного цеха входит т. н. рудный двор, где хранится осн. запас железных
руд, укладываемых в штабеля рудными перегружателями. Формирование штабеля
и забор из него материалов производятся с учётом усреднения руд. В доменном
цехе имеются также машины для разливки чугуна.

Доменная печь (рис. 2) представляет собой
шахтную печь круглого сечения; футерована огнеупорной кладкой (верхняя
часть шамотным кирпичом, нижняя -преим. углеродистыми блоками). Для предотвращения
разгара кладки и защиты кожуха печи от высоких темп-р используют холодильники,
в к-рых циркулирует вода. Кожух печи и колошниковое устройство поддерживаются
колоннами, установленными на фундаменте.

Шихта подаётся на колошник печи скипами,
реже ленточными конвейерами. Скипы разгружаются в печь через приёмную воронку
и засыпной аппарат, установленный на колошнике. Воздух (дутьё) от
воздуходувных машин подаётся в печь через воздухонагреватели (в к-рых нагревается
до 1000-1200°С) и фурменные приборы, установленные по окружности горна.
Через
фурмы вводится также дополнит. топливо (природный газ, мазут или угольная
пыль).

Рис. 1. Современный доменный цех: 1
- доменная печь; 2 - чугунная лётка; 3 - чугуновозы;
4
-газоотводы;
5 -литейные дворы; 6 - воздухонагреватели; 7 - дымовая труба;
8 - воздухопроводы холодного и горячего дутья; 5-пункт управления;
10 - пылеуловитель; 11-аппараты тонкой газоочистки;
12 - скиповой
подъёмник; 13- бункерная эстакада; 14- газопроводы грязного
и чистого газа; 15 - лифт; 16 - агломерационная фабрика.

Рис. 2. Доменная печь: 1 - защитные сегменты
колошника; 2 - большой конус; 3 - приёмная воронка; 4
- малый конус; 5 - распределитель шихты; 6 - воронка
большого конуса; 7 - наклонный мост; S - скип; 9 - воздушная фурма;
10
-чугунная лётка; 11 - шлаковая лётка.

Продукты плавки выпускаются в чу-гуновозные
и шлаковые ковши через лётки, расположенные в нижней части горна. Образующийся
в печи колошниковый газ отводится через газоотводы, расположенные в куполе
печи (рис. 3).

Расстояние между осью чугунной лётки и
нижней кромкой большого загрузочного конуса в опущенном состоянии наз.
полезной высотой доменной печя, а соответствующий объём - полезным объёмом
доменной печи. Мощные доменные печи в СССР имеют полезный объём 2000-3000
м³и
являются одними из крупнейших в мире. Директивы по 9-му пятилетнему плану
предусматривают стр-во доменных печей объёмом 5000 м³.

Основные химические процессы в доменной
печи - горение топлива и восстановление Fe, Si, Mn и др. элементов. Часть
кокса расходуется на процессы восстановления, но осн. кол-во опускается
в горн и сгорает вместе с вдуваемым топливом у фурм. Газы с t 1600-2300°С,
содержащие 35-45% СО, 1-12% Нпо печи, нагревают опускающуюся шихту, при этом СО и Нокисляются до СОимеют t 150-300°С.

Горение у фурм. У фурм доменной печи возникают
очаги горения, наз. окислит, зонами, в к-рых вихревое движение газов приводит
к циркуляции кусков кокса. Горение кокса развивается на поверхности контакта
твёрдой и газообразной фаз. При этом кислород соединяется с углеродом в
сложные комплексы СВ упрощённом виде суммарный процесс горения углерода твёрдого топлива у
фурм сводится к экзотермич. реакции 2С + Оприродного газа или мазута, в к-рых гл. составляющей являются углеводороды
(напр., метан), протекает реакция с выделением СО и Нэтом поглощается значит. часть тепла, выделяемого при сжигании С, а следовательно,
понижается темп-ра горения у фурм. Во избежание этого необходимо повышать
темп-ру дутья и обогащать его кислородом. Положит, влияние вдувания углеводородных
топлив - в повышении концентрации водорода в газе и улучшении благодаря
этому его восстановит. способности.

Восстановление железа и др. элементов.
В доменной печи Си, As, P, подобно Fe, восстанавливаясь, почти полностью
переходят в чугун. Полностью восстанавливается и Zn, к-рый затем возгоняется,
переходит в газы и отлагается в порах кладки, вызывая её разрушение. Те
элементы, к-рые образуют более прочные соединения с кислородом, чем Fe,
восстанавливаются частично или совсем не восстанавливаются: V восстанавливается
на 75-90% , Мп на 40-75%, Si и Ti в небольших кол-вах, Al, Mg и Са не восстанавливаются.

Восстановление поступающих в доменную печь
окислов Fепутём последоват. отщепления кислорода по реакциям:

3Fe= 2Fe(H

Закись железа FeO восстанавливается до
Fe газами (косвенное восстановление) и углеродом (прямое восстановление).

FeO+CO (H(H

Высшие окислы марганца МnOМnгазами с выделением тепла. В дальнейшем МnО восстанавливается до Мn только
углеродом с затратой тепла примерно в 2 раза большей, чем при восстановлении
Fe. Si также восстанавливается только С при высоких темп-pax по эндотермич.
реакции:

SiO

Степень восстановления Si и Мп зависит
в основном от расхода кокса; на каждый процент повышения содержания Si
в чугуне расход кокса увеличивается на 5-7%, что увеличивает кол-во горячих
газов в печи, вызывая перегрев шахты. Обогащение дутья кислородом, обеспечивая
высокий нагрев горна, уменьшает кол-во образующихся газов, а следовательно,
и темп-ру в шахте печи.

Сера в доменном процессе. S вносится в
доменную печь в основном коксом и переходит в газы в виде паров (SOHCaS); при этом FeS растворяется в чугуне. Для удаления S из чугуна необходимо
перевести её в соединения, нерастворимые в чугуне, напр. в CaS:

FeS + CaO = CaS + FeO.

Это достигается образованием в доменной
печи жидкоподвижных шлаков с повыш. содержанием СаО. Восстановит. среда
благоприятно влияет на этот процесс, т. к. снижает содержание FeO в шлаке.
Степень обессеривания достаточно высока, и только в нек-рых случаях чугун
дополнительно обессеривается вне доменной печи различными реагентами.

Образование чугуна и шлака. Восстановленное
в доменной печи Fe частично науглероживается в твёрдом, а затем в жидком
состояниях. Содержание С в чугуне зависит от темп-ры чугуна и его состава.
Шлак состоит из невосстановившихся окислов SiOи СаО (90-95%), MgO (2-10%), FeO (0,1-0,4%), МnО (0,3-3% ), а также 1,5-2,5%
S (гл. обр. в виде CaS). Для характеристики шлаков пользуются обычно показателем
основности СаО / SiOCaO/SiOПри выплавке чугуна на коксе с повыш. содержанием S (донецкий кокс) работают
на шлаках с верхним пределом основности и стремятся обеспечить содержание
MgO в шлаке 6-8% и более, улучшая его жидкоподвижность.

Работа доменной печи начинается с её задувки.
При этом горн и заплечики загружаются коксом, а шахта - т. н. задувочной
шихтой. В полностью загруж. печь подаётся нагретое дутьё (уменьшенное кол-во),
кокс воспламеняется, и начинается опускание материалов. Первый выпуск чугуна
и шлака производится через 12-24 ч, после чего кол-во дутья и рудная
нагрузка (отношение массы руды к массе кокса в подаче) постепенно увеличиваются,
и через неск. дней после задувки доменная печь достигает нормальной производительности.

Непрерывная работа (кампания) доменной
печи от задувки до выдувки (остановки на капит. ремонт) продолжается 5-6,
а в нек-рых случаях 8-10 лет и более, в течение к-рых печь 1-2 раза останавливается
на т. н. средний ремонт для замены изношенной кладки шахты. Выплавка чугуна
на мощных печах за одну кампанию достигает 5-8 млн. m чугуна и более.

Рис. 3. Работа доменной печи"

Управление работой (ходом) доменной печи
заключается в регулировании (в соответствии с качеством сырых материалов
и видом выплавляемого чугуна) состава шихты, кол-ва, темп-ры и влажности
дутья, а также величины подачи или последовательности загрузки отд. компонентов
шихты и уровня засыпи. Ход доменной печи контролируется измерит. приборами,
регистрирующими осн. параметры загрузки, дутья, колошникового газа, темп-ру
кладки печи на разных горизонтах.

Получили распространение плавка с вдуванием
дополнит. видов топлива, обогащением дутья кислородом и работа с повыш.
давлением колошниковых газов. При повышении давления на колошнике уменьшается
перепад давлений между низом и верхом доменной печи; это обусловливает
более ровный сход шихты, улучшает восстановит. работу газов, уменьшает
вынос пыли.

Д. п. характеризуется высокой степенью
автоматизации. На совр. доменной печи автоматически осуществляются все
операции шихтоподачи: набор компонентов шихты с отсевом мелочи, взвешивание,
транспортировка на колошник и загрузка в печь по заданной программе. Автоматически
поддерживаются оптимальный уровень засыпи и распределение шихтовых материалов
на колошнике, давление колошникового газа, расход воды на охлаждение, темп-pa
и влажность дутья, а также содержание в нём кислорода и расход природного
газа. Автоматизировано переключение воздухонагревателей и управление режимом
их нагрева. Автоматич. анализаторы обеспечивают непрерывную регистрацию
состава колошникового газа и дутья. Внедряются системы автоматич. регулирования
подачи дутья и природного газа как по общему расходу, так и по отд. фурмам.

Новые доменные печи оснащаются системами
централизованного контроля и управления, к-рые обеспечивают усреднение
показателей приборов и подсчёт комплексных показателей работы печи. Ведутся
работы по комплексной автоматизации Д. п., в т. ч. управления тепловым
режимом доменной печи с помощью ЭВМ.

Показатели работы доменной печи зависят
гл. обр. от качества сырых материалов и степени подготовки их к плавке.
Осн. показатели: суточная производительность доменной печи в т и
расход кокса на 1 m чугуна. В СССР производительность доменных печей иногда
характеризуется коэфф. использования полезного объёма (кипо). т. е. отношением
полезного объёма в м³ к суточной выплавке передельного
чугуна в m. Производительность доменной печи объёмом 3000 м³-7000
m
чугуна в сутки. В 1970 ср. кипо составил 0,597 (в нек-рых случаях 0,43-0,45).
Расход кокса на единицу выплавляемого чугуна имеет большое экономич. значение
вследствие высокой стоимости кокса. Применение дополнит. топлива позволяет
уменьшить расход кокса на 8-20% и снизить благодаря этому себестоимость
чугуна. В СССР при выплавке передельного чугуна из хорошо подготовленной
богатой железом шихты расход кокса 550-600 кг/т, а на нек-рых з-дах
- не более 450-500 кг/т.

Совершенствование Д. п. направлено на улучшение
подготовки сырых материалов к плавке, увеличение мощности (объёма) доменных
печей, внедрение прогрессивной технологии, автоматич. управления ходом
доменной печи.

Лит.: Сборник трудов по теории доменной
плавки, сост. М. А. Павлов, т. 1, М., 1957; Леонидов Н. К., Усовершенствование
конструкций доменных печей, М-, 1961; Доменный процесс по новейшим исследованиям.
[Сб. ст.]. К 100-летию со дня рождения акад. М. А. Павлова, М., 1963; Доменное
производство. Справочник, под ред. И. П. Бардина, т. 1 - 2, М., 1963; Готлиб
А. Д., Доменный процесс, 2 изд., М., 1966.

В.Г. Воскобойников, А.Г.Михалевич.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я