Чугун выплавляют в доменных печах, представляющих собой шахтную печь. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, газообразными (СO, Н2) и твердым (С) восстановителями, образующимися при сгорании топлива в печи.

Процесс доменной плавки является непрерывным. Сверху в печь загружают исходные материалы (агломерат, окатыши, кокс), а в нижнюю часть подают нагретый воздух и газообразное, жидкое или пылевидное топливо. Газы, полученные от сжигания топлива, проходят через столб шихты и отдают ей свою тепловую энергию. Опускающаяся шихта нагревается, восстанавливается, а затем плавится. Большая часть кокса сгорает в нижней половине печи, являясь источником тепла, а часть кокса расходуется на восстановление и науглероживание железа.

Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество материалов. Современная доменная печь расходует около 20000 тонн шихты в сутки и выдает ежесуточно около 12000 тонн чугуна.

Для обеспечения непрерывной подачи и выпуска такого большого количества материалов необходимо, чтобы конструкция печи была проста и надежна в работе в течение длительного времени. Доменная печь снаружи заключена в металлический кожух, сваренный из стальных листов толщиной 25 – 40 мм. С внутренней стороны кожуха находится огнеупорная футеровка, охлаждаемая в нижней части печи с помощью закладываемых специальных холодильников – металлических коробок, внутри которых циркулирует вода. В связи с тем, что для охлаждения печи требуется большое количество воды, на некоторых печах применяют испарительное охлаждение, сущность которого состоит в том, что в холодильники подают воды в несколько раз меньше, чем при обычном способе. Вода нагревается до кипения и интенсивно испаряется, поглощая при этом большое количество тепла.

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

• колошник;
• шахту;
• распар;
• заплечики;
• горн.

Колошник

Это верхняя часть доменной печи, через которую осуществляется загрузка шихтовых материалов и отвод доменного или колошникового газа. Основной частью колошникового устройства является засыпной аппарат. На большинстве доменных печей установлены двухконусные загрузочные устройства. В обычном положении оба конуса закрыты и надежно изолируют внутреннее пространство печи от атмосферы. После загрузки шихты в приемную воронку малый конус опускается и шихта падает на большой конус. Малый конус закрывается. После того, как на большом конусе будет набрано заданное количество шихты, большой конус опускается при закрытом малом конусе и шихта высыпается в печь. После этого большой конус закрывается. Таким образом, рабочее пространство доменной печи постоянно герметизировано.

Шихтовые материалы обычно подаются на колошник печи с одной стороны. В результате, в воронке малого конуса образуется откос. Длительная Работа доменной печи с перекосом уровня шихты недопустима. Для устранения этого явления приемная воронка и малый конус сделаны вращающимися. После загрузки шихты воронка вместе с конусом поворачивается на угол кратный 60, благодаря чему после разгрузки нескольких подач неравномерность полностью устраняется. 0

На современных печах могут устанавливаться более сложные по конструкции засыпные аппараты. Вместо большого конуса устанавливается вращающийся желоб, угол наклона которого может регулироваться. Такая конструкция позволяет изменять место подачи материалов по диаметру колошника.

В процессе доменной плавки образуется большое количество газа, который отводится из колошниковой части печи. Такой газ называют колошниковым. Газ содержит горючие составляющие СO и Н2 и, поэтому, используется как газообразное топливо в металлургическом производстве. Кроме того, проходя через столб шихты, газ захватывает мелкие частицы железосодержащих материалов, образуя так называемую колошниковую пыль. Пыль улавливается в специальных газоочистителях и используется как добавка к шихте при агломерации или получении окатышей.

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

Это нижняя цилиндрическая часть печи, где осуществляются высокотемпературные процессы доменной плавки. В горне происходит горение кокса и образование доменного газа, взаимодействие между жидкими фазами, накопление жидких продуктов плавки (чугуна и шлака) и периодический их выпуск из печи. Горн состоит из верхней или фурменной части и нижней или металлоприемника. Подину металлоприемника называют лещадью .

В нижней части горна расположены чугунные и шлаковые летки, представляющие собой отверстия для выпуска чугуна и шлака. После выпуска чугуна летку закрывают специальной огнеупорной массой при помощи так называемой пушки, которая представляет собой цилиндр с поршнем. Перед открытием чугунной летки пушку заполняют леточной огнеупорной массой. После окончания выпуска чугуна пушку подводят к летке, и с помощью поршневого механизма леточная масса выдавливается из пушки и заполняет леточный канал. Для вскрытия чугунной летки служит специальная бурильная машина, которая рассверливает в леточной массе отверстие, по которому выпускают чугун.

Шлаковые летки располагаются на высоте 1500 – 2000 мм от уровня чугунной летки и закрываются с помощью шлакового стопора, представляющего собой стальной шток с наконечником. Выходящие из доменной печи чугун и шлак направляются по желобам в чугуновозные и шлаковозные ковши. В настоящее время шлак в основном выпускается вместе с чугуном и отделяется от чугуна специальным устройством на желобе печи.

Шлак, вытекающий из доменной печи через чугунную летку, отделяется от чугуна на желобе печи с помощью разделительной плиты и перевала, выпол-няющих роль гидравлического затвора. Чугун, имеющий высокую плотность, проходит в зазор под разделительной плитой, а более легкий шлак отводится в боковой желоб.

При необходимости поставки чугуна другим предприятиям его разливают в слитки (чушки) массой 30 – 40 кг на специальной разливочной машине.

В верхней части горна на расстоянии 2700 – 3500 мм от оси чугунной летки по окружности горна с равными промежутками устанавливаются воздушные фурмы, через которые подают в печь нагретое до 1100 – 1300 °С дутье, а также природный газ и другие топливные добавки (мазут, пылеугольное топливо). Каждая доменная печь обеспечивается дутьем от своей воздуходувки. Нагрев дутья осуществляется в воздухонагревателях регенеративного типа, когда под действием тепла сжигаемого газа вначале нагревается насадка воздухонагревателя из огнеупорного кирпича, а затем через нее пропускается воздух, забирающий тепло от насадки. В период нагрева насадки в камеру горения подается газ и воздух для его горения. Продукты сгорания, проходя через насадку, нагревают ее и уходят в дымоход. В период нагрева дутья холодный воздух поступает в нагретую насадку, нагревается, а затем подается в доменную печь. Как только насадка остыла настолько, что воздух не может быть нагрет до заданной температуры, его переводят на следующий воздухонагреватель, а остывший ставят на нагрев. Насадка воздухонагревателя охлаждается быстрее, чем нагревается. Поэтому блок воздухонагревателей доменной печи состоит из 3 – 4 аппаратов, из которых один нагревает воздух, а остальные разогреваются. Профиль доменной печи характеризуется диаметрами, высотами и углами наклона отдельных элементов. Размеры некоторых печей приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Размеры печей

Размеры, мм	Полезный объем печи, м3
	2000	3000	5000
Диаметр:
горна	9750	11700	14900
распара	10900	12900	16300
колошника	7300	8200	11200
Высота:
полная	32350	34650	36900
полезная	29200	32200	32200
горна	3600	3900	4500
шахты	18200	20100	19500

Размеры каждой части печи должны быть увязаны между собой и находиться в определенных соотношениях с размерами других частей печи. Профиль печи должен быть рациональным, при котором обеспечиваются важнейшие условия доменного процесса:

• плавное и устойчивое опускание шихтовых материалов;
• выгодное распределение встречного газового потока;
• благоприятное развитие процессов восстановления и образование чугуна и шлака.

Основными величинами, характеризующими размеры рабочего пространства, являются полезный объем печи и полезная высота. Они включают высоту и объем, заполненные материалами и продуктами плавки. При определении этих параметров за верхний уровень берется отметка нижней кромки большого конуса засыпного устройства в опущенном положении, а нижнем уровнем является уровень оси чугунной летки.

Шихтовые материалы в – доменную печь загружают сверху, снизу подают воздух для сжигания топлива. Про­дукты доменной плавки - жидкий чугун и шлак - вы­пускают снизу. Профиль внутреннего, плавильного про­странства доменной печи выбран таким образом, чтобы в нем происходило равномерное опускание загруженных материалов и равномерное распределение выделяющихся

Рис. 16. Профиль доменной печи:

1 - колошник; 2 - шахта; 3 - рас­пар; 4 - заплечики; 5 - горн

Рис. 17. Общий вид доменной пе­чи:

1 - летка для выпуска чугуна; 2 - фурменное устройство для подачи комбинированного дутья; 3 -ци­линдрическая часть колошника с защитными плитами; 4 - большой коиус колошника; 5 - малый конус колошника; 6 - устройство для вра­щения приемной воронки; 7 - при­емная воронка; 8 - скип; 9 - на­клонный мост; 10 - межконусное пространство; 11 - летка для вы­пуска шлака; 12 - площадка

Газов по сечению печи. Газы поднимаются снизу вверх. Профиль печи. На рис. 16 представлен профиль со­временной доменной печи . Верхняя часть печи называ­ется колошником (от слова колоша: так называли коро­ба, в которых перевозили уголь для загрузки в печь).

Через колошник печи, имеющий форму цилиндра, про­изводится загрузка шихты и отводятся газы. Ниже ко­лошника расположена UiaxTai представляющая собой усеченный конус, расширяющийся книзу. Такая форма шахты позволяет материалам расползаться в стороны и свободно опускаться вниз. Кроме того, расширение шах­ты устраняет уплотнение шихты. Наиболее широкая часть печи - распар - представляет собой короткий цилиндр, необходимый для создания плавного перехода от нижнего широкого основания шахты к сужающимся заплечикам - части печи, которая представляет собой усеченный конус с широкой частью вверху и узкой вни­зу. Если бы шахта непосредственно соединялась с запле­чиками, то в месте их соединения образовывался тупой угол, в котором задерживались опускающиеся сырые ма­териалы. Наличие распара сглаживает переход и устра­няет мертвое пространство. Заплечики приобрели сужа­ющуюся конусообразную форму потому, что в них про­исходит резкое сокращение объема загруженных матери­алов в связи с выгоранием кокса и образованием жидких продуктов плавки.

Нижняя часть печи представляет собой цилиндриче­ский горн, в котором накапливаются жидкие продукты плавки - чугун и шлак. В нижней части горна располо­жены отверстия - летки для выпуска чугуна, в верхней части горна находятся фурмы, через которые в печь по­дается воздух.

Рассмотрим более подробно устройство основных час­тей доменной печи, общий вид которой представлен на рис. 17.

Фундамент печи. Современная печь вместе со всеми сооружениями и металлоконструкциями, футеровкой и находящимися в ней шихтовыми материалами и продук­тами плавки может иметь массу до 30 тыс. т. Эта масса должна быть равномерно передана грунту. Нижнюю часть фундамента (подошву) делают в виде восьмиуголь­ной 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 и находится горн печи.

Горн (рис. 18) может быть разделен на три части. Нижняя, плоская часть горна - это лещадь, на которой находится жидкий чугун и шлак. Лещадь выдерживает ¦большое давление чугуна. Она выкладывается из углеро­дистых блоков снаружи, изнутри из крупноразмерного высокоглиноземистого кирпича, содержащего более 45% AI2O3. Общая толщина лещади достигает 5,5 м. Лещадь находится под воздействием высоких температур и гид­ростатическим воздействием жидкого чугуна. Жидкий

Рис. 18. Схема горна доменной печи:

I - бетонная подошва печи; 2- пень печи; 3- углеродистые блоки лещади горна; 4- высокоглиноземистый кирпич; 5 - чугунные плитовые холодиль­ники

Чугун проникает между кирпичами по швам и расклини­вает кладку. Происходит разрушение лещади, особенно сильное в первое время после начала работы. Для со­хранения лещади в печи поддерживают «мертвый слой» жидкого чугуна толщиной до 1000 мм, который не вы­пускают из печи. На крупных печах лещадь полностью выкладывают из углеродистых огнеупоров.

Вторая нижняя часть горна - от лещади до леток (металлоприемник) - служит копильником для рас­плавленного чугуна и шлака. Металлоприемник выкла­дывается из углеродистых блоков на углеродистой пасте. Фурменные проемы, чугунные и шлаковые летки выкла­дываются шамотным кирпичом. Внизу кладка имеет толщину до 1500 мм, в верхней части 325 мм. Кладка лещади и металлоприемника охватывается плитовыми холодильниками, представляющими собой металличес­кие плиты с трубами, по которым циркулирует вода.

Между лещадью и пнем в некоторых печах помещают металлические плиты с пазами для воздушного охлаж­дения. Снаружи плитовые холодильники и горн заключе­ны в металлический кожух из листов толщиной 40-50 мм. Для компенсации теплового расширения кладки нижней части горна между холодильниками и кладкой

Оставляют зазор ~100 мм, который заполня­ется плотно утрамбо­ванной углеродистой массой. В нижней час­ти горна на расстоя­нии 600-1700 мм от лещади располагаются отверстия - летки для выпуска чугуна и шла­ка. В печах с объемом до 2000 м3 делают одно отверстие, в более крупных печах - до че­тырех. Через чугунные

Чугун. Чугунная летка обрамляется стальной литой рамой, прикреп-

Ленной к кожуху печи (рис. 19). Проем рамы футеруется высокоглиноземистым кирпичом. Оставляют сквозной канал шириной 300 и высотой 400-500 мм, который за­бивают огнеупорной массой. Для выпуска чугуна в нем прорезают отверстие диаметром 50-80 мм. После вы­пуска чугуна канал летки вновь забивают огнеупорной массой.

Выше уровня чугунной летки на 1400-1800 мм рас­полагаются шлаковые летки, предназначенные для вы­пуска верхнего шлака. Шлаковые летки располагаются под углом 90° друг к другу и под углом 60° к чугунной летке. На печах среднего размера делают две, а на боль­ших печах одну летку для выпуска шлака.

Рис. 19. Устройство чугунной леткн: ЛеТКИ 18 20 раз B CyT-

/- футляр нз огнеупорной массы; 2- КИ ВЫПуСКаЮТ ЖИДКИЙ

Огнеупорная кладка; з - рама; 4 - хо­лодильник

В проем шлаковой летки устанавливается шлаковый прибор, схема которого приведена на рис. 20. Основные части шлакового прибора: медная водоохлаждаемая фурма, медный холодильник, чугунный холодильник с за­литым спиральным змеевиком для воды, чугунная водо­охлаждаемая амбразура, с помощью которой прибор

Крепится к кожуху печи. Конусную полость шлакового прибора набивают огнеупорной масой, в которой проре­зают отверстие для выхода шлака из печи. Шлаковая фурма закрывается металлической пробкой с помощью стопорного устройства. В крупных печах выпуск шлака происходит вместе с чугуном из одной летки.

Рис. 20. Схема шлакового прибора:

1 - чугунная водоохлаждаемая амбра­зура; 2 - чугунный холодильник; 3 - медный холодильник; 4 - медная во­доохлаждаемая фурма

Фурмы. В верхней ча­сти горна на расстоянии 2700-3500 мм от оси чу­гунной летки расположе­ны по окружности печи фурмы для подачи в печь горячего воздуха, при­родного газа, пылевид­ного или жидкого топли­ва. Число фурм зависит от размера печи и состав­ляет от 18 до 42. Воздух к печи подается в коль­цевой воздухопровод вну­тренним диаметром до 1650 мм, окружающий доменную печь. От возду­хопровода с помощью фурменных приборов ду­тье поступает в печь. Фурменный прибор (рис. 21) состоит из водоох- лаждаемой литой медной фурмы с внутренним диаметром до 200 мм, которая выступает внутрь печи из кладки на 300 мм. Фурма крепится в хо­лодильниках. Холодильники способствуют охлаждению кладки горна, находящейся в непосредственной близости к очагам горения, позволяют установить фурму в гнезде и устранить выдувание газа из печи. Холодильник дела­ется составным. Воздух к фурме подается по стальному футерованному соплу, которое подсоединено к подвиж­ному колену. При помощи тяг и пружин сопло прижима­ется к фурме. Для смены сопла или фурмы колено дол­жно быть оттянуто назад при помощи шарнирного сое-^ динения с переходным патрубком. Патрубок соединяется с фурменным рукавом, подсоединенным к кольцевому воздухопроводу. В торце фурменного прибора имеется гляделка для наблюдения за процессом сгорания топли­ва. При подаче в печь газа или мазута через фурму про­пускают трубки, по которым подают топливо. Каждый

Фурменный прибор оборудован устройством для измере­ния и регулирования расхода воздуха.

Заплечики. Кладку заплечиков выполняют в один кирпич толщиной 345 мм. Кладка охлаждается плитовы – ми ребристыми холодильниками. Как показывает опыт, огнеупорная кладка заплечиков подвергается интенсив­ному износу и быстро выгорает. На оголенных местах на поверхности холодильников образуется защитный слой

Рис. 21. Устройство фурменного прибора:

1 - медная воздушная фурма; 2, 3 - холодильники; 4 - сопло; 5 - подвижное колено; 6 - переходный патрубок к воздухопроводу

Из шлака и шихтовых материалов (гарнисаж), который и защищает холодильники от действия высокой темпе­ратуры и жидких продуктов плавки.

Распар. Стенки распара имеют значительную толщи­ну - до 690 мм, они выкладываются из шамотного кир­пича и охлаждаются мараторными холодильниками, в торцы которых залиты огнеупорные кирпичи. Кожух шах­ты опирается на массивное металлическое мараторное кольцо и передает на него давление кладки и конструк­ций верхней части печи. Кольцо опирается на колонны.

Шахта. Шахту выкладывают шамотным кирпичом. Ее толщин^ ЬГНк!>кНёЙ lIiiCTH зависит от способа охлаж- дения и может изменяться от 690 до 1020 мм, вверху тол­щина кладки 920 мм. Почти по всей высоте шахты на две трети от распара устанавливают холодильники в шахматном порядке. Между кожухом и кирпичной клад­кой или между кирпичами и холодильниками оставляют зазор 50-60 мм, заполненный шамото-асбестовой набив­кой для компенсации теплового расширения кладки шах­ты. Кладка шахты сильно изнашивается под влиянием потока раскаленных газов, несущего мелкие твердые ча­стицы материалов. В нижней части шахты и в распаре шамотный кирпич может разрушаться вследствие era взаимодействия со шлаком. В верхних и средних гори­зонтах шахты может происходить, разрушение кладки из-за отложения сажистого углерода по реакции 2СО = = С02 + С.

Разрушению кладки способствует также отложение в швах кладки оксида цинка, образующегося вследствие окисления цинка, испаряющегося при плавке. Средняя продолжительность кампании шахты 4-5 лет. Снару­жи кладка шихты заключена в прочный кожух. С по­мощью системы брызгал кожух поливают водой, которая стекает вниз в короба, приваренные внизу шахты.

Колошник. Футеровка колошника выполняется из стальных плит, предохраняющих конструкцию печи от ударов сырых материалов, засылаемых в печь. Между плитами и кожухом печи делают слой кладки из шамот­ного кирпича. Верхняя часть кожуха печи называется куполом. К нему крепится кольцо засыпного аппарата. Купольная часть изнутри футерована чугунными плита­ми с залитым в них кирпичом.

Кожух печи. Всю печь охватывает сварной кожух, выполненный из листов толщиной от 20 до 50 мм.

Назначение доменной печи - осуществление процессов выплавки ферросплавов и чугуна. Для производства этих материалов используется железорудное сырье. История происхождения названия такого оборудования уходит корнями в 14 век. Термин «доменная» возник от слова дутье. Первые печи появились в Европе, а затем, уже после 16 века, пришли в Россию.

Устройство доменной печи выглядит следующим образом: печь установлена на фундаменте, а снаружи ее покрывает стальной кожух. Фундамент достаточно высок, его поверхностная, жароустойчивая часть называется пнем. Кожух обычно имеет толщину от 4 до 6 см, внутри него, вдоль стенок, находятся огнеупорные изделия. На верхушке фундамента выложена лещадь, подвергающаяся гидростатическому давлению выплавляемой массы и воздействию высоких температур. Кладки лещади, находящиеся внутри кожуха, окружают специальные холодильники. Они представлены чугунными плитами со змеевиками, по которым осуществляется циркуляция воды.

Оборудование, незаменимое в черной металлургии

Производство доменных печей - одна из нелегких задач в области металлургии. Но в то же время эта конструкция насчитывает уже не одно столетие. С развитием научно-технического прогресса, конструкция печи немного видоизменилась, стали прибавляться элементы и детали, позволяющие намного ускорить производственный процесс. Кроме того, многие сложные для осуществления контроля режимы в современных печах автоматизировались.

Работа доменной печи - важная составная современной черной металлургии. В современном производстве применяется только оборудование с высоким уровнем производительности. Кроме того, прогрессивные доменные печи оснащены системами автоматики. Роль автоматики заключается в том, чтобы регулировать, контролировать и регистрировать главные характеристики рабочих операций по выплавке. Современная печь может контролировать уровень, на который засыпана шихта, подачу руды, температуру дутья и давление газа.

Производительность таких печей растет, можно сказать, в ногу со временем. Усовершенствования системы выплавки позволяют увеличить производительность оборудования в несколько раз.

Схема доменной печи дает визуальное понятие принципа ее работы. Здесь можно пронаблюдать, как меняется конструкция оборудования в местах повышенного температурного режима. Также, с учетом схемы, можно увидеть, где засыпаются составляющие сырья и до какого уровня.

Процессы в доменной печи происходят в строго установленном порядке. Сама печь имеет вертикальную форму, сравнимую с шахтным типом. Высота может немного отличаться, но не превышает 35 м. Диаметр сооружения, как правило, в 2,5 - 3 раза меньше. Процесс протекает в определенной последовательности. Сначала происходит восстановление железа. Затем восстанавливаются другие элементы - фосфор, сера и прочие. Образующийся шлак, уже существенно поменявший свои составные, стекает вниз и накапливается в области горна. Именно химическим составом шлака определяется состав чугуна.

Принцип работы оборудования

Принцип работы доменной печи выражается в несколько физико-химических операциях. Наличие этих операций определяется температурной областью самой печи и загруженностью материала. В целом, можно выделить 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.

Шихта в современном понимании - это смесь кокса, железорудного агломерата и офлюсованного сырья. Перед процессом плавки шихта проходит специальную подготовку. Сначала она дробится, затем просеивается. После просеивания крупные куски отправляются на повторное дробление.

Результатом процесса горения становится повышение температуры. Высшая температурная точка может достигать значения более 2000 градусов Цельсия. Процессы происходят под давлением горячих газов. При подъеме эти газы остывают до 300-400 градусов у кокошника.

Назначение печей

Производство чугуна в доменной печи является важной отраслью деятельности черной металлургии. Эта работа требует не только необходимости использования спецоборудования, но и тщательного следования определенных технологиям. Выплавка производится в доменной печи из пустых пород и рудного вещества. В роли рудного вещества может выступать красный, бурый, шпатовый, магнитный железняк или марганцевые руды.

Восстановление железа - один из основных этапов производства чугуна. В результате этого процесса железо обретает твердость. Далее его опускают в распар, который способствует растворению углерода в железе. Таким образом, происходит образование чугуна. Именно в горячей части печи начинает плавиться сам чугун, медленно стекая в нижнюю часть.

Принцип работы доменной печи зависит от вида этого громоздкого приспособления. Существуют печи коксовые и древесноугольными. Первые работают на коксе, вторые, соответственно - на древесном угле. Шахтная печь рассчитана на непрерывный принцип действия. Форма данного оборудования представляет собой два конуса, сложенных широкими сторонами основаниями. Между этими конусами расположена часть печи, обладающая цилиндрической формой - распар.

Индустриальная доменная печь, называемая плавильной, предназначена для перевода обрабатываемого материала из одного состояния в другое. Так, твердое состояние постепенно, под воздействием температуры, превышающей температуру плавления, переходит в жидкое. Материал, доведенный до жидкого состояния может находиться во взвешенном положении, а также в кристаллизаторе, тигле, горне шахты или ванне на подине. Индустриальные доменные печи применяются в целях производства металлов из руд. Именно в них проходят еще процессы выплавки цветных металлов и стали, варки стекла и прочих.

Ремонт доменных печей можно проводить несколькими способами. Основные ремонтные работы производятся по мере необходимости или в связи с плановым капитальным ремонтом. Именно в этот период непрерывный процесс работы приостанавливается. Капитальный ремонт делится на три вида разрядов. По первому ремонтному разряду надлежит выпускать из горна жидкие продукты плавки полностью и проводить тщательный осмотр всего оборудования. Второй разряд обозначает средний ремонт с заменой некоторых элементов. Третья категория ремонта подразумевает смену засыпных устройств и поправку колошниковой защиты.

Контрольная работа

по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов»

Вариант №10

Выполнил: студент

УРБАС, б-НФГДз-32

Шифр: 131720

Щербаков В. Г.

Проверил: Мельникова И.П.

Саратов, 2017

Задание №1. 3

1.1. Изобразите схему доменной печи. 3

1.2. Опишите сущность восстановительной плавки. 4

1.3. Укажите продукты, доменной плавки и технико-экономический показатели работы доменной печи. 11

Задание № 2. 12

2.1. Опишите явления, происходящие в металле при нагреве. 12

2.2. Изложите понятие температурного интервала обработки металлов давлением и принцип его определения по диаграмме. 14

2.3. Ориентировочно определите по диаграмме температурный интервал обработки для стали с содержанием углерода 0.5% …………………………………………………………………………………………………………15

Задание №3. 22

Изобразите схему ацетилено-кислородного пламени и опишите его строение. Укажите особенности сварки меди Разработайте процесс сварки обечайки (рис. 38 а, б) из меди марки М3р. Производство – штучное. Определите характе пламени газовой сварки, тип горелки и ее мощность. Выберите марку и диаметр присадочной проволоки. Укажите состав флюса и способ сварки (левый, правый). По размерам шва определите массу наплавленного металла. Установите расход присадочной проволоки с учетом потерь, кислорода, ацитилена, карбида кальция и время сварки изделия. Укажите методы контроля качества сварного шва.. 22

Задание № 4. 23

Приведите схемы обработки поверхностей 1, 2, 3 детали, чертеж которой дан на рис. 6. Для каждой схемы укажите название станка, инструмента и зажимных приспособлений. Приведите эскизы инструмента для обработки поверхности 3 и приспособления для закрепления заготовки при обработке поверхности 1. 23

Список литературы.. 24

Контрольное задание № 1

Изобразите схему доменной печи. Опишите сущность восстановительной плавки. Укажите продукты, доменной плавки и технико-экономический показатели работы доменной печи.

Доменная печь предназначена для выплавки чугуна.

Схема доменного процесса.

Суть этого процесса состоит в том, что в печи происходит восстановление оксидов железа, которые находятся в исходном материале - руде, продуктами сгорания топлива - водородом, оксидом углерода и твердым углеродом. Устройство доменной печи шахтного типа не отличается большой сложностью. Она состоит из нескольких деталей.

Конструкция печи

Верхняя часть доменной печи называется колошником. Он оборудован газоотводами, служащими для удаления колошникового газа. Сюда посредством специального засыпного аппарата загружается сырье.

Под колошником располагается шахта, имеющая вид усеченного конуса, расширяющегося книзу. Такая форма позволяет упростить процесс поступления в нее сырья из колошника. В шахте специальным образом подготавливается исходное сырье из окислов руды восстанавливается железо.

Самая широкая часть доменной печи носит название распар. Здесь плавится пустая порода флюса и руды, за счет чего из них получается шлак.

Следующая часть печи представляет собой усеченный конус, расширяющийся кверху. Называется она заплечики. В этом отделении конструкции заканчивается шлакообразование, оставляя в нем некоторое количество флюса и твердого топлива.

Горение поступившего сверху топлива происходит в горне. Он также служит для накопления чугуна и шлака, которые находятся в жидком состоянии.

Чтобы происходило сжигание топлива, необходим горячий воздух. Он поступает в печь от воздухонагревателей посредством кольцевого воздуховода, проходя через фурмы. Дно горна, носящее наименование лещадь, располагается на массивном фундаменте из железобетона. Здесь происходит накапливание шлака и чугуна. По окончании процесса плавки чугун и шлак выпускаются по специальным желобам через летки, предназначенные для этого, в ковши.

Принцип работы доменной печи

Схема доменной печи.

Конструкция доменной печи устроена таким образом, что шихта попадает в чашу через засыпное устройство, выполненного в виде небольшого конуса, расположенного вверху. Далее из чаши, попадая на большой конус при его опускании, шихта поступает в печь. Такая система не позволяет газу из доменной печи проникать в окружающую среду. После загрузки малый конус и воронка для приема сырья поворачиваются на угол, кратный 60 градусам. Это необходимо для того, чтобы шихта распределялась равномерно.

Металлургическая печь продолжает работать, шихта расплавляется и спускается дальше вниз, освобождая место для новых порций сырья. Полезный объем домны должен быть всегда полностью заполнен. Современная доменная печь может иметь полезный объем от 2000 до 50000 м³. Ее высота может достигать 35 м, что почти втрое больше ее диаметра. Такая конструкция придумана неслучайно: принцип работы доменной печи основан на движении материалов и газов навстречу друг другу, что позволяет увеличивать использование тепла до 85%.

Выплавка чугуна в промышленных масштабах невозможна без габаритных, сложных и мощных печей. Доменная печь – вертикальное сооружение шахтного типа, в котором железную руду переплавляют в полезный металл. Устройство доменной печи подразумевает непрерывную работу конструкции в течение 3-12 лет, вплоть до капитального ремонта.

Рисунок 1. Доменная печь

Устройство домны

Современная печь – это огромная конструкция весом до 35000 т и высотой до 40 м. Чтобы многолетняя выплавка без простоев была возможной, печь должна быть прочной и надёжной. Снаружи устройство покрыто стальным кожухом – основа облицована толстыми листами (до 4 см).

Изнутри расположена огнестойкая футеровка. Она нуждается в постоянном охлаждении, поэтому внизу монтируют металлоёмкости, в которых циркулирует вода. Поскольку жидкости нужно очень много, иногда применяют охлаждение испарением. Суть метода – в испарении кипящей воды, активно поглощающей при этом тепловую энергию.

Рисунок 2. Устройство доменной печи

Печь представляет собой сооружение, состоящее из множества элементов. Основные представлены:

• колошником ();
• распаром;
• шахтой;
• горном;
• заплечиками.

Колошник

Это верхний элемент, который служит для загрузки сырья (шихты) и отвода отработанных газов. Главная часть колошника – засыпной агрегат. В большинстве случаев аппараты для засыпки шихты двуконусные. Между засыпками оба конуса прикрыты. После подачи сырья меньший элемент опускается, и железная руда попадает в больший. Как только набирается необходимая порция, малый конус закрывается, из большого руда попадает в печь. После этого герметизируется и крупное устройство.

Более продвинутые домны имеют улучшенную конструкцию колошника. Роль большого конуса играет вращающийся желоб с регулируемым углом наклона. Благодаря этому возможна засыпка сырья с любой стороны.

Колошник служит и газоотводом. В процессе выплавки образуется огромное количество газа. Вместе с ним удаляется и железосодержащая пыль, которую улавливают газоочистители.

Рисунок 3. Схема доменного производства

Шахта

Шахта занимает большую часть печного пространства. Конструкция, расширяющаяся книзу, представляет собой усечённый конус. Благодаря этому подача шихты происходит равномерно. Доменная печь – сооружение вертикальное и достаточно высокое. Это необходимо для обеспечения хим- и термообработки сырья нагретыми газами.

Распар

Элемент в форме цилиндра расположен в средней части рабочей доменной зоны. Для распара характерен наибольший диаметр. Назначение конструкции – увеличение печного пространства и ликвидация ненужного сырья. Здесь образуется пустая порода.

Заплечики

Укороченный конусообразный вариант распара – усечённый компонент обращён широкой частью вверх. С помощью заплечиков снижают объём выплавляемой шихты при производстве чугуна.

Горн

Основная часть, в которой и происходит выплавка металлов. Здесь горит кокс и образуется газ, накапливается шлак и чугун и происходит регулярный выпуск жидкого металла из конструкции. Состоит горн из фурменной зоны и металлоприёмника. Через фурмы, посредством воздухонагревателя и кольцевого воздуховода, в печь поступает горячий воздух. Он необходим для горения топлива. Дно металлоприёмника называется лещадь.

Внизу горна находятся шлаковые и чугунные летки – отверстия, через которые проходит расплавленный металл. После выпуска чугуна отверстие закрывают с помощью поршневого механизма огнеустойчивой массой.

Шлаковые отверстия находятся на 1,5-2 м выше чугунных леток. Их закрывают с помощью стальных штопоров с наконечниками. От чугуна шлак отделяется посредством агрегата, расположенного на печном желобе. Обе составляющие подаются в специальные ковши.

Всё это гигантское сооружение имеет огромную массу. Такой вес необходимо передавать грунту равномерно. Поэтому домну устанавливают на массивном бетонном фундаменте, толщина подошвы которого может достигать 4 м. Подошва служит опорой колоннам, на которые, в свою очередь, опираются металлоконструкции. Верхнюю фундаментную часть выполняют из жаростойкого бетона в формате монолитного цилиндра.

Давление огромной массы на грунт компенсируется устройством мощного фундамента

В таблице представлена взаимосвязь размеров некоторых современных печей.

Дополнительные печные элементы

Функционирование печи требует работы вспомогательных устройств. Среди них:

• воздухонагреватели; крупные элементы башенного типа располагают рядом с печью; в них поступает колошниковый газ, который затем сгорает; благодаря этому образуется ещё более горячий газ, посредством сложной системы нагревающий воздух; последний – нагретый до температуры, как минимум, 1000 градусов – идёт в ход для выплавки чугуна;
• воздуходувные машины; сжатый воздух необходим для топливного горения; в печь воздух поступает благодаря устройствам, образующим давление порядка 25 МПа;
• устройства для подъёма и засыпки шихты;
• газоочистители для очистки колошниковых газов;
• прочие вспомогательные устройства – например, мостовые краны, которыми оборудованы литейные дворы.

Рисунок 4. Пример современной доменной печи

Современные печи оснащаются системами автоматики. Компьютеризация позволяет контролировать и регулировать основные параметры, связанные с функционированием домны. Под контролем уровень засыпки сырья, давление газа, температура дутья и т. п.

Современные домны даны на откуп автоматике. Компьютер контролирует основные производственные процессы

По какому принципу работает доменная печь?

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.

Рисунок 5. Производство чугуна с химической точки зрения

В самом общем смысле доменная плавка – это производство чугуна из железорудного сырья. 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.

Назначение флюса – отделение чугуна от примесей и пустой породы (шлака)

Шлак всплывает на поверхности раскалённого чугуна. Примеси сливают до того, как жидкий металл застынет.

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.

Рисунок 6. Схема домны

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.

Восстановление железа – один из важнейших производственных этапов. Без этого процесса невозможно обретение металлом необходимой прочности.

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

Доменная печь – одна из самых важных составляющих чёрной металлургии. В современных реалиях домны обычно «встроены» в металлургические комбинаты. Средняя печь способна ежедневно выдавать около 12000 т чугуна, расходуя при этом приблизительно 20000 т исходного сырья.