Доменная печь

[Введите текст]

Чугун выплавляют в шахтных печах. Процесс доменной плавки непрерывный. Сверху в печь загружают сырые материалы (офлюсованный агломерат, кокс), а в нижнюю часть через фурмы подают нагретый воздух и жидкое, газообразное или пылевидное топливо. Полученные от сжигания топлива газы проходят через столб шихты и отдают ей свою химическую и тепловую энергию. Опускающаяся рудная шихта нагревается, восстанавливается и плавится. Часть кокса расходуется в печи на восстановление железа и других элементов, а также на науглероживание железа, но большее его количество достигает фурм, где и сгорает.

Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество шихты и дутья. Современная доменная печь ежесуточно расходует около 23 000 т. шихты, 18 000 т. дутья, 1700 т. природного газа и выдаёт 12 000 т. чугуна, 4000 т. шлака и 27 000 т. колошникового газа. Таким образом, в большой доменной печи ежеминутно выплавляется около 9 т. чугуна. Для обеспечения непрерывной подачи и выпуска столь большого количества материалов необходимо, чтобы конструкции печи были просты, надёжны и позволяли работать без простоев печи в течение длительного времени.

Устройство печи.

Внутреннее очертание вертикального разреза доменной печи называют её профилем, в котором различают колошник, шахту, распар, заплечики и горн. При конструировании диаметр и высоту этих элементов выбирают главным образом на основании анализа данных работы фактических печей. Для примера приведены размера для доменной печи N 5 ОАО «Северсталь» объёмом 5500 м³. Доменная печь снаружи заключена в металлический кожух толщиной 20−25 мм в верхней части и 35−40 мм в нижней, состоящий из ряда цилиндрических и конических поясов. Кожух выполняют цельносварным. С внутренней стороны кожуха находится огнеупорная футеровка, охлаждаемая холодильниками. Во многих случаях верхняя часть печи от распара до колошника опирается на так называемое мараторное кольцо, которое лежит на колоннах, а нижняя часть опирается на фундамент. Материал на колошник подают при помощи двух скипов, движущихся сверху вниз по наклонному мосту, либо же при помощи транспортёра.

Основной частью колошникового устройства является засыпной аппарат. Он, как правило, бывает двух типов. Первый состоит из большого и малого конусов с приёмной воронкой. Для обеспечения равномерного распределения шихты в межконусном пространстве малый конус и его воронка вращаются вокруг своей оси при помощи специального устройства. Скип опрокидывается на колошнике, и шихта сначала выгружается в приёмную воронку, затем при опускании малого конуса — в межконусное пространство и при опускании большого конуса — в доменную печь. Наличие двух поочерёдно опускающихся конусов обеспечивает герметизацию колошника при загрузке шихты.

1. ВИДЫ ПЕЧЕЙ

В металлургии применяют кузнечные, шахтные, доменные и многие другие печи играют важную роль в современной промышленности. Благодаря такому разнообразию печей можно получить множество разных металлов, которые используется в производстве машин, самолетов, бытовой технике и других отраслях.

Доменная печь, цилиндрическая плавильная печь. Ее используют для выплавки из руд металлов, преимущественно железа и меди. Руда смешивается с коксом и флюсом (при выплавке стали это известняк). К нижней части печи подведен трубопровод горячего сжатого воздуха, который нагнетается в печь и создает там температуру, необходимую для восстановления оксидных руд до металлов. Расплавленный металл опускается на дно печи и выводится из нее через специальное отверстие. Отходы, или шлак, плавают поверху расплава и удаляются из печи.

В индукционной печи нагревание осуществляется посредством выделения тепла от прохождения тока через металл в тигле. Ток возникает под действием электромагнитного поля индуктора. Индукционные печи используются в ювелирном производстве, в литейных цехах для плавки чугуна, стали, меди, алюминия, латуни, цинка и др.

Электрическая дуговая плавильная печь. В печах этого типа источником тепла служит электрическая дуга постоянного или переменного тока, которая возникает между металлом и графитовыми электродами. В процессе плавки в печи начинает выполняться покачивание металла в целях его равномерного перемешивания. Дуговая печь применяется для плавления чугуна, стали, цветных металлов, сплавов железа (так называемые «ферросплавные» печи) и др. Дуговая печь довольно сложна в эксплуатации, на ее строительство требуются значительные затраты. Чугун, выплавляемый в дуговых печах, является более дорогим, чем ваграночный.

Газовые плавильные печи позволяют точно регулировать температуру внутри нагревательной камеры и снижать тепловые потери благодаря качественным изоляционным материалам. Внутри газовой печи создается оптимальная газо-воздушная смесь, выделяющая при горении максимум энергии. Эта смесь нагревает плавильный тигель из особого жаростойкого сплава. Такие печи используются не только для плавления, но и для нагревания металлов (алюминия, меди, свинца, олово, драгоценных металлов) до 1400 °C.

Плавильная печь сопротивления. Данная разновидность электрической печи работает по принципу теплового действия электрического тока в проводнике. В качестве проводника можно использовать нагреватель, передающий тепло нагреваемому телу (печи сопротивления косвенного действия), или нагреваемое тепло (печи сопротивления прямого действия). В печах сопротивления применяются толстые нихромовые пластины. И хотя такие пластины часто выходят из строя и требуют замены, себестоимость плавления при помощи такого оборудования является сравнительно низкой.

Муфельные печи как и газовые, муфельные печи подходят для выплавки и нагревания металла.

2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Конструкция печи

Устройство современной доменной печи.

Для работы доменной печи необходимы большие количества руды, топлива (каменного угля), известняка и воды (для охлаждения). Руду взрывают, извлекают, дробят и превращают в мелкий порошок. При обжиге образуется оксид железа, проявляющий магнитные свойства, благодаря чему из водной взвеси его отделяют от пустой породы магнитной сепарацией. Магнитный оксид брикетируют обкаткой в барабане, затем слегка спекают до получения окатышей, пригодных для доменного процесса. Таким способом из бедной руды (-20% оксида железа) получают почти чистый Fe304, который совместно с известняком и коксом используется для выплавки чугуна в доменной печи.

При достаточно высокой температуре оксид железа реагирует с моноксидом углерода (СО), давая диоксид углерода (СОг) и металлическое железо. Доменная (шахтная) печь устроена так, чтобы реакция могла протекать непрерывно. На практике сверху вниз по шахте печи непрерывно продвигаются углерод и оксид железа, а навстречу им снизу движется воздух. Углерод в виде кокса играет двоякую роль: при сгорании он нагревает печь и образует газ СО, который восстанавливает оксид железа до металла. В верхней части печи из нее отводится диоксид углерода, а в нижней — выпускается жидкий металл. Обычно печь работает непрерывно до ее остановки для ремонта внутренней кирпичной кладки (футеровки).

Доменная печь должна обеспечивать непрерывную загрузку топливом, рудой и флюсом сверху, непрерывную подачу воздуха и периодический отвод жидких продуктов снизу. Печь должна быть достаточно высокой, чтобы успевали протекать необходимые химические реакции. Воздух вдувается в печь через фурмы, расположенные в ее нижней части, и поднимается сквозь шихту вверх. Восстановленное губчатое железо и шлак плавятся на уровне «заплечиков», в самой широкой части печи, а жидкость накапливается в горне, ниже фурм. В горне периодически пробивают заделанные глиной летку для выпуска металла и (несколько выше) шлаковую летку. Доменная печь дает почти столько же шлака, сколько и чугуна. Затвердевая, шлак превращается в темный стекловидный материал, который в прошлом накапливался в больших шлаковых отвалах возле предельных металлургических заводов. В наши дни шлак идет на изготовление заполнителя для бетона, железнодорожного балласта, шлаковаты и противоюзового покрытия автомобильных дорог.

Восстановление оксида железа до губчатого железа и разложение известнякового флюса происходят в шахте — основной части доменной печи в процессе медленного оседания шихты. Шихта начинает разогреваться в колошнике — верхнем конце шахты. Диоксид углерода и азот непрерывно отводятся по широкому газоходу из колошника. Поскольку при нормальной работе доменной печи давление газов в колошнике выше атмосферного, верхний конец печи нельзя просто открывать для загрузки, иначе упадет давление газов и из печи, будут выдуваться наружу тонкоизмельченные компоненты шихты. Для предотвращения этого предусмотрен двухконусный шлюзовой засыпной аппарат. Нижний конус поднимают так, чтобы он газоплотно закрывал загрузочное отверстие, а затем опускают верхний для загрузки. После этого снова поднимают верхний конус, герметизируя вход в печь, и, опустив нижний, пропускают порцию шихты (колошу) в колошник.

Современная доменная печь представляет собой крупное сооружение. Высота печи, производящей 1000 т чугуна в сутки, составляет около 30 м, а диаметр на уровне заплечиков — около 8 м. Печь устанавливается на бетонном фундаменте, на котором в стальном кожухе выводится кладка из огнеупорного кирпича. Нижняя часть этой конструкции охлаждается водой.

Футеровка доменной печи выполняется комбинированной из огнеупорного кирпича двух размеров: нормального (230 мм) и полуторного (345 мм) с перевязкой швов в радиальном и вертикальном направлениях. Применяют также большемерные огнеупоры, в том числе углеродистые в зависимости от принятой конструкции кладки.

Конструктивными элементами кладки доменной печи являются:

— лещадь;

— горн (в том числе металлоприемник и фурменная зона);

— заплечики;

— распар;

— шахта;

— колошник;

— купол печи, который иногда вместо огнеупорной футеровки защищают плитами с охлаждением или торкретированием огнеупорным бетоном.

По вспомогательным объектам различают футеровку восходящих газопроводов и свечей, нисходящих газопроводов, пылеуловителей, тракта горячего дутья и фурменных рукавов.

Для различных проемов (фурменных отверстий, чугунных и шлаковых леток, а также деталей воздухопроводящих магистралей) применяют специальный арочный кирпич.

Толщину футеровки доменной печи определяют проектом печи в зависимости от материалов и условий работы с учетом специальных стандартов и инструкций. При этом учитывают, что тепловое и химическое воздействие на кладку возрастает от верха печи к низу, а механические нагрузки, наоборот, преобладают главным образом в верхних 2/3 высоты шахты и имеют свой максимум в цилиндрической части колошника, где кладка испытывает максимальное ударное воздействие от падающих с засыпного аппарата шихтовых материалов.

В связи со многими исследованиями доменного процесса и условиями службы конструкций доменных печей и их футеровки в доменном производстве получили применение новые виды огнеупоров, увеличивающих длительность кампаний доменных печей. Вместе с этим изменилась технология сооружения кладки. Она сооружается из различных видов огнеупоров с распределением их по горизонтам печи, в соответствии с процессами, происходящими в ней по высоте профиля. К таким видам относятся: карбидокремниевые, нитридные и другие огнеупоры. Они обладают высокой прочностью и теплопроводностью, повышенной стойкостью к воздействию шлаков и истирающим воздействиям шихты и газовых пылевых потоков.

Наиболее стойкими из них являются карбидокремниевые, с успехом применяемые в нижних горизонтах доменной печи в зарубежной практике. Они отличаются высокой плотностью — 2,3−2,6 г/см3 и пониженной пористостью — 13,6−15,4%, причем различные марки их имеют различные свойства по пределу прочности, термическому расширению, модулю упругости и другие в зависимости от содержания SiO2 (от 1,3 до 7,3%) и Al2O3 (от 0,3 до 0,5%).

Футеровка доменной печи этим видом огнеупоров особенно важна для распара и низа шахты, поскольку в них происходит наибольший износ футеровки от воздействия на нее процессов различного характера, присущих доменной плавке.

Фундамент печи. Современная печь вместе со всеми сооружениями и металлоконструкциями, футеровкой (огнеупорной кладкой) и находящимися в ней шихтовыми материалами и продуктами плавки может иметь массу свыше 30 тыс. т. Эта масса должна быть равномерно передана грунту. Нижнюю часть фундамента — подошву делают в виде массивной бетонной плиты толщиной до 4 м. На подошву опираются колонны, поддерживающие металлические конструкции печи (кожух). Верхняя часть фундамента (пень) представляет собой монолитный цилиндр из жароупорного бетона, на котором находится горн печи.

Горн доменной печи — нижняя часть доменной печи, цилиндрическая по внутреннему очертанию и коническая (иногда цилиндрическая) по наружной форме. Горн оснащен устройствами для выпуска чугуна и шлака (чугунными и шлаковыми летками) и приборами (фурмами) для вдувания нагретого (на кауперах) до 1100−1400 °С, обогащенного кислородом до 23−25%, воздуха. Горн доменной печи — наиболее ответственная часть её конструкции. Здесь скапливается до 1000 т. и больше расплавленных продуктов плавки — чугуна и шлака. На дно горна оказывает давление весь столб шихты массой 9−12 тыс. т. Давление горновых газов составляет 0,4−0,5 МПа, а их температура в очагах горения кокса достигает 1700−2100 °С. Внутри горна непрерывно движутся и обновляются кокс, жидкие чугун и шлак, горновые газы. По сути это мощный непрерывно движущийся реактор. В связи с этим к конструкциям горна предъявляются жесткие требования по прочности, герметичности и огнеупорности. Основные конструктивные элементы горна — кожух, холодильники, чугунная и шлаковая летка, фурменные приборы.

Чугунная лётка — это канал прямоугольной формы шириной 250−300 мм с высотой 450−500 мм. Канал делают в огнеупорной кладке горна на высоте 600−1700 мм от поверхности лещади. Каналы для шлаковых лёток выкладывают на высоте 2000;3600 мм. Канал чугунной летки закрыт огнеупорной массой. Открывают чугунную лётку путём высверливания бурильной машиной отверстия диаметром 50−60 мм. После выпуска чугуна и шлака (на современных больших доменных печах выпуск чугуна и шлака осуществляется через чугунные лётки) отверстия забивают с помощью электрической пушки.

Носок пушки входит и в неё из пушки под давлением подают лёточную огнеупорную масса. Шлаковая лётка на доменной печи защищена водоохлаждаемыми элементами, которые в совокупности называют шлаковыми стопорами и рычажной конструкции с пневматическим приводом, управляемым дистанционно.

Доменные печи большого объёма (3200−5500 м3) оборудованы четырьмя чугунными лётками, работающими попеременно, и одной шлаковой лёткой. Выпуск чугуна и шлака из доменной печи включает в себя следующие операции:

1) открытие чугунной лётки (в необходимых случаях в шлаковой);

2) обслуживание, связанное непосредственно с вытеканием чугуна и шлака;

3) закрытие чугунной лётки (если шлак выпускали через шлаковую, то и шлаковой);

4) ремонт лётки и желобов.

2.2 Описание технологического процесса

Чугун выплавляется из железных руд в специальных печах, называемых доменными. Отсюда процесс получения чугуна из железных руд называется доменным процессом. Доменная печь имеет большое количество специальных устройств и механизмов, обеспечивающих беспрерывность процесса. Большинство механизмов работает автоматически.

Смесь из руды, кокса и флюса подготовляется в определенной пропорции для загрузки в доменную печь. Такая смесь называется шихтой. Специальный подъемник — скип 1 перемещающийся по наклонным путям, доставляет шихту к верхней части доменной печи, откуда она через засыпной аппарат 2 поступает в печь 3.

Для поддержания интенсивного горения загружаемого кокса необходимо большое количество воздуха. Воздух подается в печь через специальные отверстия 4 в нижней части печи, которые называются фурменными отверстиями. Чтобы воздух пробил высокий столб шихты и проник во все части печи, а также чтобы имелось достаточное количество кислорода для сгорания всего топлива, воздух вдувают в печь под давлением в 1−2 атм. Воздух подогревается до температуры 600−800 °С, так как вдувание большого количества холодного воздуха снижает температуру внутри печи, в результате чего процесс плавки руды замедляется. Подогрев воздуха осуществляется в воздухонагревателях 7, которые строятся рядом с доменной печью. Воздухонагреватели отапливаются доменным (колошниковым) газом, получающимся при выплавке чугуна. Доменный газ предварительно очищается от пыли в специальных газоочистительных устройствах 8. Продукты сгорания из воздухонагревателей удаляются через дымовую трубу 9.

Полученный в печи жидкий чугун опускается в нижнюю ее часть, откуда периодически выпускается через отверстие 5, называемое чугунной леткой. В специальных ковшах большой емкости чугун от доменной печи отвозится в сталеплавильные цехи для переработки в сталь или к разливочной машине для получения чугунных чушек.

Пустая порода, флюсы и зола топлива образуют в печи жидкий шлак, который имеет меньший удельный вес, чем чугун, и поэтому располагается над жидким чугуном. Шлак выпускается из печи через шлаковую летку 6 и направляется для переработки и дальнейшего использования в качестве строительного материала или в шлаковый отвал.

Доменная печь работает беспрерывно по принципу противотока: исходные материалы загружаются сверху, постепенно опускаются вниз, превращаясь в чугун и шлак, а газы, нагревшиеся в нижней зоне печи, поднимаются кверху — навстречу исходным материалам.

Печь имеет наружную стальную оболочку, которая называется кожухом, и внутреннюю кладку, или футеровку. Футеровка должна устойчиво сопротивляться износу от трения беспрерывно опускающихся столбом исходных материалов, выдерживать действие высоких температур, не расплавляясь и не давая деформаций. Поэтому для футеровки применяется высококачественный огнеупорный (шамотный) кирпич.

2.3 Устройство ТСУ

Верх печи называется колошником. Шихту загружают через засыпной аппарат. К колошнику прикреплены газоотводные трубы, через которые отводят колошниковый газ. Под колошником находится шахта, заканчивающаяся цилиндрической частью — распаром — это самая широкая часть доменной печи. Под распаром находятся заплечики.

Нижняя часть печи называется горном. В верхней части горна расположены фурменные отверстия, через которые в печь подают воздух. Ниже фурменных отверстий имеются две шлаковые летки для выпуска шлака. На самом нижнем уровне на поду горна (лещади 20) находится отверстие для выпуска чугуна — чугунная летка. Нагретый воздух подводится к фурмам посредством кольцевого воздухопровода.

Полная высота современных доменных коксовых печей превышает 30 м. Суточная производительность крупных доменных коксовых печей составляет более 3000 т чугуна в сутки.

2.4 Применение печи

На протяжении многих веков железо добывалось в сыродутных печах способом, открытым еще в глубокой древности. Пока на поверхности земли в изобилии встречались легкоплавкие руды, этот способ вполне удовлетворял потребности производства. Но в средние века, когда спрос на железо стал возрастать, в металлургии все чаще пришлось использовать тугоплавкие руды. Для извлечения из них железа требовалась более высокая температура «плавки». В то время знали только два способа ее повышения:

1) увеличение высоты печи;

2) усиление дутья.

Так постепенно к XIII веку из сыродутной печи образовалась более высокая и более усовершенствованная плавильная печь, получившая название штукофена, то есть «печи, выделывающей крицу». Штукофены были первой ступенью на пути к доменной печи. Впервые они появились в богатой железом Штирии, затем в Чехии и других горнопромышленных районах. В этих печах можно было достичь более высокой температуры и обрабатывать более тугоплавкие руды. Шахта штукофена имела форму двойного усеченного конуса, суживавшегося по направлению к колошнику (так называли верхнюю, открытую часть печи, через которую порциями (колошами) загружались руда и уголь) и ко дну. В стенке имелось одно отверстие для фурмы (трубы, через которую в печь с помощью мехов нагнетался воздух) и для вытаскивания крицы. Процесс переделки руды в железо происходил в штукофенах совершенно так же, как в сыродутных печах, но налицо был прогресс — закрытая шахта хорошо концентрировала тепло, а благодаря ее высоте (до 3,5 м) плавка шла равномернее, медленнее и полнее, так что руда оказывалась более использованной. Независимо от намерений плавильщиков, в штукофенах получались сразу все три вида железного сырья: чугун, который стекал как отброс вместе со шлаком, ковкое железо в крицах и сталь, тонким слоем покрывавшая крицу. Сталью и чугуном в металлургии называют собственно сплав химического железа с углеродом. Разница между ними заключается в количестве углерода; так, в мягком кричном (сварном) железе его не более 0, 04%, в стали — до 1,7%, в чугуне — более 1,7%. Несмотря на то, что количество углерода варьируется в таких незначительных пределах, по своим свойствам железо, сталь и чугун очень отличаются друг от друга: железо представляет собой мягкий металл, хорошо поддающийся ковке, сталь, напротив, очень твердый материал, прекрасно сохраняющий режущие качества; чугун твердый и хрупкий металл, совершенно не поддающийся ковке. Количество углерода заметно влияет и на другие свойства металла. В частности, чем больше его в железе, тем легче оно плавится. Чистое железо — достаточно тугоплавкий металл, а чугун плавится при гораздо более низких температурах.)

Преимущества штукофена были, однако, недостаточны для всех тугоплавких руд. Требовалось более сильное дутье. Человеческих сил для поддержания температуры оказалось уже недостаточно, и для приведения в действие мехов стали употреблять водяное колесо. Вал водяного колеса снабжали посаженными на него в разбивку кулачками, которые оттягивали крышки клинчатых кожаных мехов. Для каждой плавильной печи имелось два меха, работавших попеременно. Появление гидравлических двигателей и мехов надо относить к концу XIV века, так как уже в XV веке многие плавильни в связи с этим передвинулись с гор и холмов вниз — в долины и на берега рек. Это усовершенствование явилось исходным моментом для крупнейшего сдвига в технике металлургии, так как привело к открытию чугуна, его литейных и переделочных свойств.

Литье чугуна требовало некоторых изменений в устройстве печи; появились так называемые блауофены (поддувные печи), представлявшие собой следующий шаг к доменной печи. Они отличались большей высотой (5−6 м), чем штукофены, и допускали непрерывность плавки при весьма высокой температуре. Правда, мысль о том, что процесс выделки железа можно разделить на две стадии (то есть в одной печи непрерывно выплавлять чугун, а в другой — переделывать этот чугун в железо), пришла не сразу. В блауофенах получали одновременно и железо, и чугун. Когда плавка заканчивалась, шлак выпускали через отверстие, расположенное ниже фурмы. После охлаждения его измельчали и отделяли корольки чугуна. Крицу вытаскивали большими клещами и ломом, а затем обрабатывали молотом. Наиболее крупные крицы весили до 40 пудов. Кроме того, из печи вытаскивали до 20 пудов чугуна. Одна плавка длилась 15 часов. На извлечение крицы требовалось 3 часа, на подготовку печи к плавке — 4−5 часов. Наконец пришли к идее двухступенчатого процесса плавки. Усовершенствованные блауофены превратились в печь нового типа — доменную, которая предназначалась исключительно для получения чугуна. Вместе с ними был окончательно признан переделочный процесс. Сыродутный процесс стал повсеместно вытесняться двухступенчатым способом обработки железа. Сначала из руды получали чугун, потом, при вторичной переплавке чугуна, железо. Первая стадия получила название доменного процесса, вторая кричного передела. Древнейшие домны появились в Зигерланде (Вестфалия) во второй половине XV века. Конструкции их отличались от блауофенов тремя чертами: большей высотой шахты, более сильным воздуходувным аппаратом и увеличенным объемом верхней части шахты. В этих печах достигалось значительное повышение температуры и еще более длительная ровная плавка руды. Сначала строили домны с закрытой грудью, но вскоре открыли переднюю стенку и расширили горн, получив домну с открытой грудью. Такая доменная печь при высоте 4, 5 м давала в день до 1600 кг чугуна.

Перерабатывали чугун в железо в кричном горне, сходном по устройству с сыродутной печью. Операция начиналась с загрузки древесного угля и подачи дутья. После того как древесный уголь разгорался вблизи сопла, клали чугунные чушки. Под действием высокой температуры чугун плавился, капля за каплей стекал вниз, проходил через область против фурм и терял здесь часть углерода. В результате металл загустевал и из расплавленного состояния переходил в тестообразную массу малоуглеродистого железа. Эту массу ломами подымали к соплу. Под воздействием дутья происходило дальнейшее выгорание углерода, и вновь осевший на дно горна металл быстро делался мягким, легко сваривающимся. Постепенно на дне образовывался ком — крица весом 50−100 кг и больше, которая извлекалась из горна для проковки под молотом с целью уплотнения его и выдавливания жидкого шлака. Весь процесс занимал от 1 до 2 часов. В сутки в кричном горне можно было получить около 1 т металла, причем выход готового кричного железа составлял 90−92% веса чугуна. Качество кричного железа было выше сыродутного, так как в нем содержалось меньше шлака.

3. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПЕЧИ

Расчет статей прихода тепла

1) Тепло, вносимое шихтой, кДж

Qш=GЧdшЧCшЧtш (1)

где G — емкость доменной печи, кг;

Dш — доля металла в шихте (Dш =0,97−0,99);

Сш — теплоемкость шихты (=0,469кДж/кг-К);

tш — температура шихты (tш =20 0С)

Qш=110 000Ч0,99Ч0,459Ч20=1,21 482 ГДж

2) Тепло, вносимое электрическими дугами, ГДж

Qч=зэлЧWэл Ч (2)

где зэл — используемая в печи электроэнергия, кДж

3) Тепло экзотермических реакций, МДж

CCO2 1 100 000,074=8140

CCO 1 100 000,053=5830

SiSiO2 1 100 000,092=10 120

MnMnO 1 100 000,0249=2739

Fe Fe2O3 1 100 000,0098=1078

Fe FeO 110 000Ч0,0248=2728

Fe Fe2O3 (в дым) 1 100 000,2211=24 321

Итого:Qэкз=54 956 МДж =54,956 ГДж

4) Тепло шлакообразования: SiO2(CaO)SiO2, МДж

Qшл=GЧ0,1 474 (3)

Qшл=1 100 000,01474=1621,4 МДж=1,6214 ГДж Расчет статей расхода тепла

1) Физическое тепло чугуна, кДж

Qч=dч G [cчтв tпл, ч +Lч+ cчж (tч-tпл, ч)] (4)

где dч — выход чугуна (dcm=0,91−0,97);

cчтв — удельная теплоемкость чугуна в интервале температур 0 — 1500 0С (cчтв =0,7 кДж/(кг К);

cчжудельная теплоемкость чугуна в интервале температур 1500−1600 0С (cчж =0,837 кДж/(кг К);

Lч — скрытая теплота плавления чугуна (Lч=272,16 кДж/кг);

(tч-tпл, ч) — интервал температур плавления чугуна (1600−1500 0С)

Qч=0,9 711 0000(0,71 500+272,16+0,837 100) =150 005 262,0 кДж =150,5 262 ГДж

2) Физическое тепло чугуна, теряемого со шлаком, кДж

Qч.ш=dшл G [cчтв tпл, ч +Lч+ cчж (tч-tпл, ч)] (5)

где dч — доля шлака (dч=0,005−0,008)

Qч-шл=0,611 0000(0,71 500+272,16+0,837 100)=927 867,6 кДж =0,927 867 ГДж

3) Физическое тепло шлака, кДж

Qшл=dшл=dшлG (сшлtшл+Lшл) (6)

где сшл-удельная теплоемкость шлака при температуре 1700 0С;

Lшл — скрытая теплота плавления шлака (Lшл=209,35 кДж/кг);

tшл — температура шлака (1700 0С)

Qч=0,611 0000(1,251 700+209,35)=1 540 671 кДж =1,540 671 ГДж

5) Тепло, уносимое частицами Fe2O3, кДж

QFe2O3=dFe203G (c Fe 203tyx+LFe203) (8)

где сFe203-удельная теплоемкость Fe2O3 при температуре 1500 (сFe203=1,23 кДж/кгК));

LFe203-скрытая теплота плавления FeO (Lшл 209,3 кДж/кг);

dFe 203- доля Fe2O3, уносимая с дымом

QFe2O3 = 0,05 110 000 (1,23 1,5 + 209,35)=11 298 925кДж=11,98 925 ГДж

6) Потери тепла теплопроводностью через футеровку. Потери тепла через стены печи составляют, ГДж

Qтепл=4,896 ГДж (9)

100 000 кг — 4,896

110 000 кг — X

ГДж

7) Потери тепла теплопроводностью через свод печи, ГДж

100 000 кг — 4,293

110 000 кг — x

(10)

8) Потеря тепла через подину печи составляют, ГДж

Qтепл= 1,205

100 000 кг — 1,205

110 000 кг — X

ГДж (11)

9) Подсчитываем общие потери тепла теплопроводностью через футеровку печи. Они выражаются суммой потери тепла через стены свод и подину печи

Qтепл=Qтепл1+Qтепл2+Qтепл3 (12)

Qтепл=5,38+4,72+1,32=11,42 ГДж

10) Потери тепла в период в межплавочного простоя, ГДж

Qмп=(Qтепл+Qохл+0,5Qyx) kнтn/те (13)

где kн — коэффициент неучтенных потерь, kн=1,1−1,2;

тр=9504 сек; Тп=2160 сек; Qохл=12 ГДж ГДж

12) Расход электроэнергии найден и управления теплового баланса периода расплавления доменной печи

Qприх=Qрасх (14)

Qч+Qч+Qэкз+Qшл=Qч+Qч-шл+Qшл+Qyx+Q203+Qтепл+Qмп

1,21 482+Qд+52,28+1,6214=150,5 262+0,927 867,6+1,5406+71+0,32 450+11,298 925+58,58+54,92ГДж+Qд=181,0831 ГДж

Qд=181,0831−54,92=126,16 ГДж Результаты расчета теплового баланса печи сводим в таблицу 1

доменный печь чугун выплавка Таблица 1 — Тепловой баланс периода расплавления доменной печи

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения курсового проекта на тему «Доменные печи» мною рассмотрены следующие разделы: обзор и краткая характеристика существующих видов печей, применяемых на современном этапе для получения жидкого расплава общее описание и конструктивные особенности доменной печи; области применения доменной печи и перспективы развития доменной плавки расчет теплового баланса печи и статьи прихода и расхода тепла охрана труда и техника безопасности при работе на доменных печах. В первом разделе рассмотрены конструкции различных металлургических печей, дана краткая характеристика принципов работы и конструктивные особенности каждого из видов печей. Во втором разделе курсового проекта дано подробное описание технологического процесса плавки металла в доменной печи. Так, мною рассмотрены принципы загрузки шихты в печь для поддержания непрерывности процесса плавки, способы бесперебойной подачи воздуха для интенсификации процесса горения топлива и, как следствие, повышения температуры плавления металла. Также мною охарактеризован процесс подачи жидкого металла из печи, рассмотрены способы разделения жидкого чугуна и шлака в процессе выдачи готового расплава через летку. Мною описаны способы футеровки доменной печи, а также требования, предъявляемые к огнеупорам. Рассмотрены способы добычи и обогащения шихтовых материалов для доменной плавки, в частности магнитная сепарация и брикетирование (окомкование и агломерация бедных руд). Дано подробное описание процессов, протекающих в столбе шихты при плавке чугуна и восстановлении оксида железа до губчатого железа. Даны параметры современного доменного агрегата и его характеристика. Описаны требования, предъявляемые к фундаменту доменной печи в процессе строительства агрегата. Мною дано определение и назначение основных технологических узлов печи (горн, чугунная лётка, шлаковая лётка, скип, фурменные отверстия, воздухонагреватели).

В третьем разделе курсового проекта дана краткая историческая характеристика развития процессов плавки чугуна, а также оценена перспектива развития данного способа получения чугуна из бедных руд.

В четвертом разделе проведен полный расчет теплового баланса печи. Произведен расчет следующих параметров: температура и влажность дутья, вид восстановителя (топлива), степень обогащения дутья кислородом, расход топливной добавки, давление дутья и колошникового газа, расход железорудных материалов, полезно используемое тепло, коэффициент использования тепла, количество тепла, выделяющегося на 1 кг суммарного углерода, коэффициент использования энергии горючего.

В заключительном разделе рассмотрены эксплуатация печи и техника безопасности при работе на доменной печи, санитарно-гигиенические нормы, предъявляемые к производственным зданиям помещениям и рабочим местам.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Кабанов И. А. Новая технология изготовления и монтажа листовых конструкций доменной печи, Киев 1981.

2. Кулинок Е. А. Кладка доменных и мартеновских печей, М., 1994.

3. Леонидов Н. К., Арутгонов Н. Б. Доменное производство, М., 1983.

4. Миллер В. Я. Новые решения стальных конструкций доменных печей, Строительное проектирование промышленных предприятий, 1986.

5. Сорокин Л. А. Совместная работа стальных конструкций и кладки доменных печей 1995.