Доменная печь: устройство доменной печи и схема доменного производства

Краткое описание технологии выплавки чугуна в доменном производстве

В этой статье расскажу о самом главном элементе современного производства ферросплавов и чугуна, о доменной печи. Она является основным оборудование доменного цеха, поэтому думаю каждому интересно узнать о составляющих доменной печи и принципе действия.

В качестве сырья используется железная руда, а основным продуктом доменного производства является чугун, который нашел свое применение в различных сфера деятельности: автомобильное производства, изготовление сантехники, чугунной посуды и др.

Кстати, вызвать эвакуатор в алматы круглосуточно для автомобиля можно тут.

Понятие доменной печи и плавки

Современная цивилизация неразрывно связана с развитием техники производства, невозможной без совершенствования орудий труда и материалов, используемых для их изготовления.

Среди всех материалов природного происхождения или созданных человеком, самое значимое место занимают черные металлы – сплав железа и углерода с присутствием других элементов.

Читайте также: Теплопроводность сталей: общее понятие и некоторые значения

Сплавы, в составе которых часть углерода составляет 2 – 5%, относятся к чугунам, при наличии углерода менее 2% сплав относится к сталям. Для плавки металлов используется специальная технология доменного производства.

Доменная плавка – это процесс производства чугуна из железной руды, перерабатываемой в доменных печах или, как их еще называют, домнах.

Основными материалами, необходимыми в процессе такого производства, являются:

• топливо, в виде получаемого из каменного угля кокса;
• железная руда, являющаяся непосредственным сырьем для производства;
• флюс – специальные добавки из известняка, песка, а также других материалов.

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.

Применяется дополнительное топливо, что снижает расход кокса и себестоимость чугуна. Усовершенствование конструкции доменной печи направлено на увеличение ее мощности (объема), улучшение подготовки сырья, внедрение новых прогрессивных, высокопроизводительных технологий.

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.

Читайте также: Анализ сплавов на основе железа: стали и цветных металлов

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.

Классификация чугунов

Существуют несколько видов классификации чугунов.

1. По содержанию элементарного углерода делятся на:
   доэвтектический (2,14-4,3 %);
2. эвтектический (4,3%);
3. заэвтектический (4,3-6,67%).
4. По видам углерода, и цвету излома:
   Белый (С > 3%, в форме карбида). Его применение ограничено производством изделий, не подвергающихся большим нагрузкам, из-за значительной хрупкости. Но при добавлении легирующих присадок, содержащих хром, никель, ванадий, алюминий повышаются его эксплуатационные параметры;
5. Серый (С -2,5%, в форме перлита) обладает хорошей износостойкостью и понижает силу трения. Применяется при изготовлении деталей промышленного оборудования, подвергающихся циклическим нагрузкам. При добавлении специальных присадок, имеющих в составе Mo, Ni, Cr, B, Cb, Sb улучшается стойкость при использовании в агрессивных средах;
6. Половинчатый (С – 3,5-4,2%, в форме графита и карбида и наличие следовых количеств цементита и ледебурита). Такой вид нашел свое применение при производстве изделий, подвергающихся постоянному трению.
7. По физическим параметрам, согласно ГОСТ 1412-54 и 1215-59, различают марки чугуна:
   Ковкий (КЧ), представляет собой его белую разновидность после специального обжига. При этом доля углерода находится на уровне 3,5%, и он представлен в форме Fe2O3 или зернистого перлита, с графитовыми включениями. В качестве присадок для повышения устойчивости к трению обычно добавляют Mg, Te, B. Следует отметить, данная марка никогда не подвергается ковке, в прямом смысле этого слова;
8. Высокопрочный (ВЧ), образуется путем вкрапления в металлическую решетку шарообразных включений углерода и введении в состав магния, кальция, селена, иттрия. Характеризуется улучшенными механическими, теплопроводными пластическими параметрами.
9. По специфическим свойствам:
   Износостойкий;
10. Антифрикционный;
11. Коррозионностойкий;
12. Жаростойкий;
13. Немагнитный.
14. По шкале твердости Бринелля:
    Мягкий (НВ менее 149);
15. Умеренной твердости (НВ 149-197);
16. Улучшенной твердости (НВ 197-269);
17. Твердый (НВ более 269).
18. По значению временного сопротивления при растяжении:
    Обыкновенной прочности (менее 20 кгс/мм2);
19. Улучшенной прочности (20-38 кгс/мм2);
20. Максимальной прочности (более 38 кгс/мм2).
21. По магнитным характеристикам:
    Ферромагнитный — обладающий магнитными свойствами, из-за высокого содержания в металлической матрице феррита и цементита;
22. Паромагнитный – обладающий малой магнитной проницаемостью, содержащий в своем составе присадки из хрома, меди и алюминия.

Маркировка

По Гостам, все существующие марки обозначаются 2 буквами и 2 числами, при этом числа отражают значения временного сопротивления (кгс/мм2) и относительного удлинения (%). К примеру, цифры в марке КЧ-30-6, показывают временное сопротивление — 30 кгс/мм2 и относительное удлинение — 6 %.

Путем введения в состав специальных добавок, модифицируют состав сплава. Тогда к названию марки прибавляется буква М.

Составляющие доменной печи

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.

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.

Читайте также: Использование припоя для пайки алюминия, меди, стали

Дополнительные элементы доменной печи

В процессе работы требуются вспомогательные устройства и механизмы, обеспечивающие качественную плавку чугуна. Необходимыми являются устройства для подъема и загрузки исходного сырья в печь.

Доменная печь требует постоянного обслуживания, особенно при выпуске шлака и чугуна. Для этого приспособлены литейные дворы, которые оборудованы мостовыми кранами.

Нагрев воздуха для работы печи, высокая температура плавки при меньшем количестве воздуха обеспечивают воздухонагреватели. К примеру, в печь, имеющую полезный объем 2000 м³, такое оборудование должно подавать в минуту 3800 м³ воздуха, температура которого составляет 1200 градусов.

Пар, образующийся за счет поступления воздуха в воздухонагреватель, должен быть постоянно влажным. Значение этого показателя регулируется при помощи автоматической системы.

Сжатый воздух, который необходим для сжигания топлива, поступает в печь благодаря воздуходувным машинам. Его давление на колошнике у современных печей достигает 25 МПа. Очистка колошникового газа происходит посредством газоочистителя.

Историческая справка

По­яв­ле­ние соб­ст­вен­но до­мен­но­го произ-ва от­но­сят к сер. 14 в. Д. п. воз­ник в ре­зуль­та­те эво­лю­ции сы­ро­дут­но­го про­цес­са по­лу­че­ния пла­сти­че­ской низ­ко­уг­ле­ро­ди­стой же­лез­ной мас­сы (т. н. крич­но­го же­ле­за) не­по­сред­ст­вен­но из же­лез­ной ру­ды пу­тём вос­ста­нов­ле­ния её в низ­ких сы­ро­дут­ных гор­нах (яма, фу­те­ро­ван­ная ог­не­упор­ной гли­ной, или ка­мен­ный очаг), ра­бо­тав­ших на ес­теств. тя­ге. То­п­ли­вом слу­жил дре­вес­ный уголь. По­сле окон­ча­ния про­цес­са сы­ро­дут­ный горн раз­би­рал­ся, по­лу­чен­ный ме­талл из­вле­кал­ся и спец. мо­ло­та­ми пе­ре­ра­ба­ты­вал­ся в за­го­тов­ку или из­де­лие. По­сте­пен­ное уве­ли­че­ние вы­со­ты сы­ро­дут­ных гор­нов и мощ­но­сти воз­ду­хо­дув­ных средств спо­соб­ст­во­ва­ло по­вы­ше­нию темп-ры про­цес­са, что обу­сло­ви­ло уве­ли­че­ние рас­тво­ри­мо­сти уг­ле­ро­да в ме­тал­ле и сни­же­ние темп-ры его плав­ле­ния. Т. о., на­ря­ду с кри­цей по­лу­чал­ся не­же­ла­тель­ный ме­тал­лич. про­дукт в жид­ком со­стоя­нии (чу­гун), а сы­ро­дут­ный горн пре­вра­тил­ся в вер­ти­каль­ную шахт­ную печь, по­лу­чив­шую назв. «вы­со­кая печь» (нем. Hochofen, франц. Haut four­neau) или до­мен­ная (дуть­е­вая) печь (от слав. «дме­ние» – ду­тьё, англ. blast fur­nace). Пер­вые до­мен­ные пе­чи, пред­на­зна­чен­ные толь­ко для про­из-ва чу­гу­на, поя­ви­лись в Ев­ро­пе в сер. 14 в., в Рос­сии – ок. 1630 (близ г. Ту­ла). На Ура­ле пер­вый чу­гун по­лу­чен в 1701. При пре­вы­ше­нии вы­со­ты пе­чи 16–18 м при­ме­няв­ший­ся дре­вес­ный уголь те­рял свою проч­ность, рас­сы­пал­ся на мел­кие час­ти­цы и тем са­мым де­лал не­воз­мож­ным нор­маль­ное дви­же­ние га­зов вверх сквозь слой ших­ты. Важ­ным фак­то­ром, обу­сло­вив­шим рост про­из-ва чу­гу­на и, со­от­вет­ст­вен­но, уве­ли­че­ние раз­ме­ров и про­из­во­ди­тель­но­сти до­мен­ной пе­чи, ста­ло изо­бре­те­ние А. Дер­би (см. Дер­би) в 1735 спо­со­ба про­из-ва ка­мен­но­уголь­но­го кок­са, став­ше­го осн. то­п­ли­вом Д. п. Боль­шое зна­че­ние для раз­ви­тия Д. п. име­ло при­ме­не­ние па­ро­вой воз­ду­хо­дув­ной ма­ши­ны (1762, И. И. Пол­зу­нов; 1769, Дж. Уатт); воз­ду­хо­наг­ре­ва­те­ля с ог­не­упор­ной на­сад­кой (1857, Э. Кау­пер); оф­лю­со­ван­но­го аг­ло­ме­ра­та (1945–50, Маг­ни­то­гор­ский ме­тал­лур­гич. ком­би­нат); тех­но­ло­гии с вду­ва­ни­ем в горн при­род­но­го га­за и ки­сло­ро­да (1958–70; «За­по­рож­сталь», Но­во­ли­пец­кий ком­би­нат) и др. Зна­чит. вклад в раз­ви­тие Д. п. вне­сли отеч. ме­тал­лур­ги М. А. Пав­лов, М. К. Ку­ра­ко, И. П. Бар­дин и др.

Назначение доменной печи и принцип работы

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 древесноугольные.

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.

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.

Читайте также: Для чего нужна доменная печь? Конструкция доменной печи, принцип работы и устройство

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.

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.

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.

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.

Основные физико-химические процессы

: го­ре­ние то­п­ли­ва, вос­ста­но­вит. и га­зо­ди­на­мич. про­цес­сы, те­п­ло­об­мен, об­ра­зо­ва­ние чу­гу­на, шла­ко­об­ра­зо­ва­ние. Осн. ко­ли­че­ст­во кок­са опус­ка­ет­ся в горн и сго­ра­ет вме­сте с до­пол­ни­тель­но вду­вае­мым то­п­ли­вом (га­зо­об­раз­ным, жид­ким или пы­ле­вид­ным) у фурм; в уп­ро­щён­ном ви­де сум­мар­ный про­цесс го­ре­ния сво­дит­ся к ре­ак­ции: 2C+O2=2CO. Га­зы с темп-рой 1600–2300 °C, со­дер­жа­щие 35–45% СО, 1–12% Н2 и 45–65% N2, под­ни­ма­ясь, на­гре­ва­ют опус­каю­щую­ся ших­ту (темп-pa вы­хо­дя­щих из пе­чи га­зов со­став­ля­ет 100–300 °C). Часть кок­са рас­хо­ду­ет­ся на вос­ста­нов­ле­ние по­сту­паю­щих в до­мен­ную печь Fe2O3 и Fe3O4 (со­дер­жа­щих­ся в же­ле­зо­руд­ных ма­те­риа­лах) по ре­ак­ци­ям:

По­ми­мо ок­си­дов же­ле­за поч­ти пол­ностью вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся ок­си­ды Ni, Cu, As, P и со­от­вет­ст­вую­щие эле­мен­ты пе­ре­хо­дят в чу­гун; ок­сид цин­ка так­же пол­но­стью вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся, цинк воз­го­ня­ет­ся и от­ла­га­ет­ся в по­рах фу­те­ров­ки, вы­зы­вая её час­тич­ное раз­ру­ше­ние. Эле­мен­ты, об­ра­зую­щие бо­лее проч­ные со­еди­не­ния с ки­сло­ро­дом, чем Fe, вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся из ок­си­дов час­тич­но (V – 75–90%, Мn – 40–80%, Si и Ti в не­боль­ших ко­ли­че­ст­вах) или со­всем не вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся (Al, Mg и Са). S (вред­ная при­месь) по­па­да­ет в до­мен­ную печь в осн. с кок­сом и пе­ре­хо­дит боль­шей ча­стью в шлак (в ви­де FeS, MnS, CaS), в ма­лой сте­пе­ни (до 5%) в чу­гун (FeS) и в га­зо­вую фа­зу. Об­ра­зо­вав­шее­ся же­ле­зо по­гло­ща­ет С в твёр­дом со­стоя­нии, что спо­соб­ст­ву­ет сни­же­нию темп-ры плав­ле­ния на­уг­ле­ро­жен­но­го про­дук­та и бо­лее пол­но­му на­сы­ще­нию его уг­ле­ро­дом. Со­дер­жа­ние С в чу­гу­не за­ви­сит от темп-ры чу­гу­на, его со­ста­ва и др. Шлак со­сто­ит из ок­си­дов: SiO2, Al2O3, СаО, MgO (в сум­ме 90–95%), FeO (0,3–1,0%).

Д. п. – эко­ло­ги­че­ски безо­пас­ный, вы­со­ко­тех­но­ло­гич­ный энер­го- и ре­сур­сос­бе­ре­гаю­щий про­цесс; рас­ход энер­го­но­си­те­ля со­став­ля­ет 16–17 ГДж/т чу­гу­на, а с учё­том ис­поль­зо­ва­ния вто­рич­ных энер­го­ре­сур­сов – 12–13 ГДж/т чу­гу­на; рас­ход наи­бо­лее де­фи­цит­но­го ком­по­нен­та ших­ты (ка­мен­но­уголь­но­го кок­са) – 300–350 кг/т чу­гу­на, при этом ис­поль­зу­ет­ся 100–150 кг за­ме­ни­те­лей кок­са.

Продукты доменного производства

Продуктами доменной плавки являются:

• чугун;
• шлак;
• доменный (колошниковый) газ.

Чугун

Чугун является основным продуктом доменного производства, а шлак и доменный газ – побочными.

Выплавляемые в доменных печах чугуны в зависимости от способа дальнейшего использования делятся на три группы:

• передельные идущие на передел в сталь;
• литейные предназначенные для получения отливок из чугуна в машиностроении;
• специальные (ферросплавы), используемые для раскисления стали в сталеплавильном производстве.

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.

Предельный чугун предназначается для переработки в сталь.

Такой чугун характерен тем, что углерод в нем (2,2—4%) находится в химически связанном состоянии.

Поверхность излома чугуна имеет белый цвет.

В зависимости от состава и способа переработки различают:

• мартеновский чугун, содержащий фосфора от 0,15 до 0,30% и серы до 0,07%;
• бессемеровский, содержащий фосфора 0,07% и серы до 0,069%;
• томасовский, содержащий фосфора 1,6% и серы до 0,08%.

Передельный чугун подразделяют на три вида:

• Передельный коксовый (марки М1, М2, М3, Б1, Б2).
• Передельный коксовый фосфористый (МФ1, МФ2, МФ3).
• Передельный коксовый высококачественный (ПВК1, ПВК2, ПВК3).

Литейный чугун после выпуска из доменной печи разливают в чушки и в холодном виде направляют на машиностроительные заводы, где для отливки деталей машин его вторично подвергают расплавлению в специальных печах-вагранках.

Литейный коксовый чугун выплавляют семи марок: ЛК1-ЛК7.

Каждую марку подразделяют на три группы по содержанию марганца, пять классов по содержанию фосфора и на пять категорий по содержанию серы.

Особую группу составляют фосфористые чугуны, содержащие до 2% Р, в зависимости от содержания фосфора применяются различные технологии передела таких чугунов в сталь.

Этот вид чугунов предназначен для производства литых изделий в чугуноплавильных цехах. Характерной особенностью этих чугунов является высокое содержание кремния (2,75 – 3,75% Si), а в некоторых случаях и фосфора. Объясняется это тем, что эти элементы придают расплавленному чугуну высокую жидкоподвижность или способность хорошо заполнять литейную форму.

Читайте также: Оцинковка автомобиля — для чего она нужна и как выполнить в домашних условиях

Литейный чугун применяется после переплава на машиностроительных заводах для получения фасонных отливок.

Литейный чугун применяется для изготовления литых изделий:

• труб;
• радиаторов;
• водопроводной арматуры;
• станин;
• блоков;
• шестерен и т. п.

Такой чугун в изломе имеет серый цвет. В нем часть углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. В сером чугуне обычно содержится кремния 1,25-4,25%, углерода 2,5—4%, марганца 0,5—1,3%, фосфора 0,1— 1,2% и небольшое количество серы.

Марганец придает чугуну твердость и хрупкость.

Кремнии, наоборот, снижает твердость чугуна, благодаря чему отливки из такого чугуна легко поддаются механической обработке.

Фосфор делает чугун жидкоплавким, хорошо заполняющим тонкие сечения форм.

Отливки из чугуна, содержащего повышенное количество фосфора, хорошо сопротивляются истиранию, но вместе с тем обладают повышенной хрупкостью.

Сера придает чугуну густоплавкость и понижает его механические свойства.

Специальные чугуны (ферросплавы).

Это сплавы железа с повышенным содержанием кремния, марганца и других элементов, используемые в качестве раскислителей или присадки в сталеплавильном и чугунолитейном производствах.

К ним относятся:

• ферромарганец (70 – 75% Mn и до 2% Si);
• ферросилиций (9 – 13% Si и до 3% Mn);
• зеркальный чугун (10 – 15% Mn и до 2% Si).

В последние годы выплавка ферросплавов в доменных печах сократилась в виду неэкономичности передела. Более выгодно выплавлять ферросплавы в электропечах.

Шлак

Шлак — побочный продукт, он является очень дешевым строительным материалом высокого качества и идет на изготовление цемента, бетона, кирпича, на грунтовку дорог.

Количество получаемого при плавке шлака очень велико (примерно 60% веса выплавляемого чугуна).

Шлаки бывают основные и кислые.

Кислый шлак имеет высокую прочность. Если его в жидком виде продуть паром или воздухом, получится шлаковая вата, являющаяся хорошим изолятором.

Привет студент

Первобытный способ получения железа заключался в нагреве легковосстановимой руды на древесном угле в открытых горнах. Кислород, связанный с железом, соединялся с углеродом топлива, спекшаяся железная масса опускалась на дно горна и, взятая оттуда, освобождалась путем быстрой проковки от задержавшихся в ней шлаков. Ком извлекаемого из горна железа носил название крицы, а самый способ назывался сыродутным или кричным.

Впоследствии сыродутный способ был усовершенствован введением сначала ручного и затем механического дутья. Таким образом железо вырабатывалось до конца средних веков.

Стремление к более полной утилизации тепла повело к устройству закрытых горнов, а стремление к усилению тяги — к увеличению высоты трубы над горном.

Таким образом, горн постепенно начал принимать вид доменной печи. В самом процессе получения железа также начали возникать изменения: под влиянием высоких температур закрытого горна все чаще и чаще наблюдались случаи расплавления крицы, и на дне горна вместо кома железа получалась масса расплавленного чугуна.

Так постепенно сыродутный способ начал переходить в современный доменный.

Так как по мере увеличения температуры печей случаи расплавления крицы учащались, то начали пытаться отливать расплавленную крицу в простую форму и подвергать ее обработке под молотом. Эти попытки были неудачны: чугун и в холодном, и в нагретом состоянии разрушался под молотом.

Впоследствии были найдены способы переработки чугуна в железо, и доменный процесс производства чугуна получил широкое распространение.

Устройство доменной печи. На фиг. 1 представлена схема устройства доменной печи. В шахте 2 печи происходит процесс восстановления железа, в распаре 3 и заплечиках 4 восстановленное железо и пустая порода расплавляются, в горне 5 происходит накопление чугуна и шлаков. Часть железа восстанавливается твердым углеродом в нижних зонах печи.

На фиг. 2 представлен несколько упрощенный вертикальный разрез доменной печи. Надписи на чертеже вполне объясняют его.

Различают полную и полезную высоту печи. Полной высотой печи называют расстояние от пода печи до верха кладки, полезной — расстояние от лещади (пода) до уровня засыпи.

Размер полезной высоты зависит от прочности применяемого горючего: чем прочнее горючее, тем больше может быть полезная высота печи.

Рыхлое топливо под тяжестью вышележащих слоев шихты превращается в мелочь и вследствие этого оказывает большое сопротивление проходу газов; это обстоятельство заставляет при рыхлом топливе уменьшать высоту печи. Поэтому печи, работающие на коксе, всегда выше печей, работающих на древесном угле.

Основным размером доменной печи является полная высота. По полной высоте печи определяют диаметр распара; для печей, работающих на коксе, он обычно равен 0,25 высоты, По диаметру распара определяют диаметры колошника и горна.

Если через D обозначим диаметр распара, через d — диаметр горна и через d, — диаметр колошника, то

Высота доменных печей, работающих на коксе, доходит в настоящее время до 35 м.

Футеровку доменной печи делают из огнеупорного кирпича. Кожух печи делают из котельного железа толщиной 15—20 мм. Шахта печи стоит на опорном кольце и опирается на колонны, другая часть — горн и заплечики опираются непосредственно на фундамент. Охлаждение нижней части шахты, горна и заплечиков производят при помощи холодильников с толстыми трубками, по которым циркулирует вода.

На фиг. 3 представлен (схематически) разрез горна и заплечиков. Лещадь (под) печи выложена из кирпичей, имеющих сужение кверху; это сужение имеет целью устранить возможность всплывания кирпичей в расплавленном чугуне; толщина кладки подины достигает 2,5 м.

Летка для выпуска чугуна имеет обычно прямоугольное сечение шириной 200—250 мм и высотой 400—500 мм; летку забивают глиной, в которой при выпуске чугуна пробивают отверстие диаметром 50—60 мм.

Шахта опирается на колонны. Как горн, так и заплечики охлаждают, как было указано ранее, холодильниками.

На фиг. 4 представлено устройство фурменного прибора. Фурма 1 укреплена в бронзовой коробке 2. В чугунной коробке 3 залита спиральная трубка 4Г по которой циркулирует охлаждающая вода. По трубке 5 охлаждающая вода подводится к фурме и бронзовой коробке; через сопло 6 воздух подводится к фурме; кольцевая труба 7 подводит воздух (труба выложена внутри огнеупорным материалом); чугунный рукав 8 подводит воздух к соплу; рукав имеет внутри огнеупорную футеровку.

Количество фурм в больших печах достигает 17, диаметр отверстия фурмы составляет 150—200 мм. Материалом для фурм служит обычно медь.

На фиг. 5 показана схема современного устройства двойного колошникового затвора. Сырые материалы загружают в воронку 1 при опускании конуса 2 они попадают на большой конус 4. Когда на большом конусе будет загружена вся руда или кокс, большой конус опускается и материалы загружаются в печь.

Материалы подаются на верх печи ка колошниковую площадку по наклонному рельсовому пути в специальных опрокидывающихся вагончиках — скиповых тележках.

Для правильного распределения шихты по сечению печи малая воронка 1 поворачивается после загрузки каждой скиповой тележки на 60°.

Конус 2 поднимается и закрывает воронку1 конус 4 опускается, и сырые материалы загружаются в печь; после этого конус 4 поднимается и разобщает воронку 3 с шахтой.

Конус 4 привешен на цельной железной штанге, конус 2—на полой штанге, через которую проходит штанга конуса 4.

На фиг. 6 показано общее устройство доменной печи и воздухонагревателя — каупера для подогрева поступающего в печь воздуха.

Доменный процесс. Загруженные в печь сырые материалы попадают в верхнюю зону шахты. Здесь происходит их сушка и нагрев приблизительно до 200°; на фиг. 7 эта зона обозначена буквой а.

Опускаясь вниз и нагреваясь до 350—450°, руда теряет химически связанную с ней влагу. Эта зона обозначена на фиг. 7 буквой б.

Загруженное в доменную печь топливо, опускаясь вниз, постепенно нагревается и поступает в раскаленном состоянии в горн, где сгорает за счет кислорода воздуха, нагретого до 500—850°, подаваемого в домну через фурмы под давлением— 1,5—1,8 am. Углерод топлива энергично сгорает против фурм, образуя углекислый газ СО2, который затем восстанавливается и образует окись углерода СО по реакции

Полученная окись углерода СО является восстановителем, т. е. веществом, которое отнимает кислород от окислов.

Опускаясь, руда продолжает нагреваться потоком восходящих газов и восстанавливается. При этом протекают следующие реакции:

Таким образом, реакции восстановления протекают без затраты тепла. Этот процесс начинается при температурах, близких к 400°С, и заканчивается приблизительно при 900°. При температурах выше 950—1000° С закись железа восстанавливается твердым углеродом по реакциям

На фиг. 7 зона, где протекает этот процесс, обозначена буквами в и г.

Образовавшийся при восстановлении железа углекислый газ С03, поднимаясь в верхние зоны доменной печи, при температуре выше 900° встречает раскаленный углерод и вновь превращается в окись углерода СО по уравнению

Восстановителем окислов железа в доменной печи, кроме окиси углерода, является и твердый химически чистый углерод, который образуется в шахте доменной печи вследствие распада окиси углерода при 400—600° по уравнению

Это распадение окиси углерода на углекислый газ и углерод происходит в присутствии руды. Получающийся в виде тонкой сажи углерод осаждается на поверхности кусков руды, проникает через поры внутрь них, растворяется в восстановленном уже железе и при температуре выше 1000° восстанавливает остающуюся еще не восстановленной закись железа. При доменном процессе восстановленное и расплавленное железо обычно содержит до 3,5—4,0% общего углерода, но в некоторых специальных чугунах количество углерода может доходить до 6% (в зависимости от содержания Si, Mn, Cr, S и Р).

Железо, содержащее свыше 2% углерода, называется чугуном; следовательно, в результате доменного процесса восстановленное железо переходит в чугун.

Одновременно с плавлением железа и переходом его в чугун происходит воздействие углерода на находящиеся в руде Мn и Si. Марганец может находиться в руде в виде окислов МnО2, Мn2О3, Мn3О4 и МnО; его восстановление происходит в результате реакций:

Дальнейшее восстановление Мn идет под действием твердого углерода по уравнению

Кремний восстанавливается по уравнению

Эта реакция протекает при температуре около 1450°; поэтому для получения высококремнистого чугуна необходимо обеспечивать более высокую температуру в печи, чем при выплавке передельного чугуна.

Восстановленные Мn и Si растворяются в расплавленном чугуне.

Наряду с процессом восстановления железа при 600—900° происходит разложение известняка, вводимого в качестве флюса, на окись кальция и углекислый газ. Этот процесс может быть выражен уравнением

Пустая порода руды сплавляется с окисью кальция флюса, образуя шлак, который периодически выпускают из печи.

В горне печи шлак растворяет золу кокса и, соприкасаясь с чугуном, поглощает из него серу. Реакция поглощения шлаком серы может быть выражена уравнением FeS (сернистое железо)+CaO = CaS (сернистый кальций) + FeO.

Соединение CaS нерастворимо в чугуне, а соединение FeS хорошо растворяется в чугуне.

Процесс освобождения чугуна от серы протекает тем лучше, чем выше температура горна. Вместе с тем с повышением температуры в горне и заплечиках (зона д) увеличивается и восстановимость кремния и марганца

Так как увеличение содержания в чугуне кремния способствует при осты-зании выделению части углерода в виде графита, то серые (графитистые) чугуны можно получать при горячем ходе печи. Фосфор всегда восстанавливается в доменном процессе в результате реакции

Фосфор в условиях доменной плавки почти полностью переходит в чугун.

На фиг. 8 дана кривая, показывающая приблизительную величину температуры в различных зонах доменной печи при нормальном ходе процесса. Кривая показывает, что в области шахты повышение средних температур (от колошника к распару) происходит сравнительно медленно, быстрый рост температур начинается с распара.

Высокие температуры в верхних зонах печи нежелательны, так как, если температура в верхних зонах доменной печи будет слишком высока, плавление руды может начаться прежде полного восстановления железа из окислов, и невосстановленные окислы железа могут вступить в химическое соединение с кремнеземом руды. В результате такого процесса образуются жидкоплавкие силикаты, стекающие вниз в виде шлака черного цвета. Для восстановления железа из его силикатов требуется создать особые условия работы печи, а именно: повысить температуру дутья или увеличить расход горючего. Для избежания возможности перехода железа в шлак необходимо стремиться к тому, чтобы на большей части высоты печи держалась умеренная температура и чтобы переход от умеренных температур к высоким происходил как можно быстрее; при таких условиях железо до плавления успеет полностью восстановиться, а пустая порода будет своевременно расплавлена.

Горячее дутье и его влияние ка ход доменного процесса.

Тепло, выделяемое сгорающим в доменной печи топливом, расходуется не только на плавление шихты, но и на нагрев воздуха, вводимого в доменную печь. При холодном дутье повышение температуры в горне может быть достигнуто лишь увеличением

количества сжигаемого топлива при соответственном увеличении количества вдуваемого воздуха. В результате увеличивается количество получающихся при сгорании углерода горячих газов, которые, поднимаясь вверх, повышают температуру вышележащих зон печи.

В целях экономии топлива и получения более высоких температур в зоне горна и заплечиков прибегают к подогреву дутья до 500—850°.

Горячее дутье введено в доменный процесс в 1820 г.; вдуваемый в домну воздух подогревали в чугунных трубах, проходивших через топки, в которых сжигался каменный уголь. Несмотря на большой расход топлива на подогрев воздуха, доменный процесс в целом стал требовать меньше горючего, чем при холодном дутье.

В 1832 г. для подогрева воздуха начали применять доменный газ (как топливо), используя таким образом теплотворную способность входящих в состав этих газов окиси углерода и водорода.

С 1857 г. для подогрева вдуваемого в доменные печи воздуха начали применять воздухоподогреватели с кирпичной насадкой.

Схема устройства воздухоподогревателя представлена на фиг. 9. Сжигаемый воздухоподогревателем газ впускают через отверстие 1, а через отверстие 2 впускают воздух; отверстие 3 служит для выхода продуктов сгорания; отверстие 4 — для впуска холодного воздуха, а отверстие 5 — для выхода подогретого воздуха.

Во время нагрева воздухоподогревателя (каупера) отверстия 5 и 4 остаются закрытыми; газ подводится к отверстию 1, смешивается с воздухом и сгорает: продукты сгорания поднимаются по широкому каналу, опускаются но мелким выложенным огнеупорным кирпичом каналам насадки и уходят через отверстие 3 в дымоход.

Когда кирпичная насадка воздухоподогревателя нагрета до 800—1000°, впуск доменного газа прекращается; отверстия 1,2 и 3 закрывают, открывают отверстия 4 и 5. Через отверстие 4 поступает воздух, который, проходя через каналы, нагревается до 500—850° и через отверстие 5 направляется к фурмам доменной печи.

Для нормальной работы доменной печи необходимо иметь три одновременно действующих воздухоподогревателя. Переключение воздухоподогревателей производится примерно через час. Высота воздухоподогревателей доходит до 40 м, диаметр — до 8 м.

В настоящее время имеется тенденция к применению дутья, обогащенного кислородом. Применение обогащенного кислородом дутья повышает производительность домны, уменьшает расход топлива на единицу веса выплавляемого чугуна, уменьшает количество азота в доменных газах и, как следствие, повышает их теплотворную способность, допускает применение низкосортного топлива и облегчает выплавку высококремнистых и высокомарганцевых чугунов.

Продукты доменного производства.

Продуктами доменного производства являются чугун, шлак и доменный газ.

Чугун. Основным продуктом доменного производства является чугун. Различают следующие сорта чугуна.

1. Литейный, идущий на чугунные отливки после переплавки его в вагранках. Литейный чугун серого цвета и мягок. Углерод, входящий в состав этого чугуна, находится преимущественно в свободном состоянии — в виде графита.

Так как примесь кремния к чугуну способствует выделению углерода в виде графита, то для получения литейного чугуна содержание кремния в нем должно быть от 1,25 до 4,25%, а количество марганца, препятствующего выделению углерода в форме графита, допускается обычно не более 1,30%. Для получения кремнистого чугуна необходимо вести процесс выплавки при горячем ходе печи.

2. Передельный чугун, идущий на переработку в сталь.

а) Мартеновский чугун, служащий для получения стали в пламенных регенераторных печах, содержит от 1,5 до 3,51% марганца и от 0,30 до 1,5% кремния; получается он при среднегорячем ходе печи.

б) Бессемеровский чугун, идущий на изготовление стали в конвертерах, содержит кремния от 0,9 до 2,0% и марганца от 0,6 до 1,5%; получается он при горячем ходе печи.

в) Томасовский чугун, идущий на переплавку в сталь в томасовских конвертерах; основной примесью в нем является фосфор — до 2,0%; марганца не более 1,3%; кремния около 0,5%.

3. Специальные чугуны (предназначаются для раскисления стали).

Из всех сортов чугуна наиболее дорогими являются специальные чугуны, так как получение их требует наибольшего расхода горючего.

Химический состав чугунов приведен в табл. 1

Шлак. Доменный шлак представляет собой сплав пустой породы с флюсом и золой кокса.

По составу шлаки разделяют на кислые и основные; первые содержат больше кремнезема и меньше извести, чем вторые.

Основные шлаки применяют в цементном производстве и при изготовлении кирпича.

Для приготовления цемента измельченный шлак смешивают с известью, спрессовывают в кирпичи, обжигают и затем тонко измельчают; полученная таким образом порошкообразная масса является готовым цементом.

Для производства кирпичей тонко измельченный шлак смешивают с известковым молоком. Из полученного теста формуют кирпичи; сформованный кирпич окончательно затвердевает на воздухе и идет в употребление без обжига.

Доменный газ. В состав доменного газа входит 8 — 16% СО2; 26 — 32% СО; 0,1 — 4,5% Н2; 0,2 — 0,4% СН4 и 56 — 63% N.

В связи с большим количеством входящих в состав доменного газа горючих веществ колошниковые газы применяют на металлургических заводах в качестве топлива.

Так как газы, выходящие из доменных печей, увлекают за собой частицы пыли, то перед использованием их в качестве горючего их подвергают очистке. Использование неочищенного доменного газа в воздухоподогревателях ведет к быстрому зарастанию ячеек и снижению к. п. д. воздухоподогревателей. Использование неочищенных доменных газов в двигателях внутреннего сгорания совершенно нецелесообразно, так как ведет к быстрой порче двигателей.

Материальный и тепловой баланс доменной печи.

В табл. 2 и 3 приводятся примеры материального баланса доменной печи на 1000 кг литейного чугуна и теплового баланса на 1 кг литейного чугуна.

Работа доменной печи.

Выстроенная вновь или подвергнутая капитальному ремонту доменная печь должна быть тщательно высушена. Для этого на лещади устанавливают временные колосники, на которых сжигают дрова или каменный уголь.

После сушки доменную печь начинают загружать топливом, к которому прибавляют постепенно увеличивающиеся порции руды и флюса, доводя таким образом до нормального содержание руды в загрузке.

Смесь сырых материалов, загружаемых в домну, состоящая из руды, флюсов и топлива, носит название шихты. Шихту загружают порциями, называемыми колошами.

Обычно производимая механически загрузка состоит из следующих операций:

1) загрузки вагонеток — скипов сырыми материалами;

2) подъема скипов на колошник домны;

3) опрокидывания скипов в загрузочную воронку;

4) опускания и подъема конусов.

Наклонный подъемник для подачи скипов на колошник домны виден на фиг. 6 справа.

Для правильного ведения доменного процесса необходимо постоянное наблюдение за работой домны, которое в настоящее время осуществляется посредством соответствующих приборов. Наблюдению подвергают температуру

в различных поясах доменной печи, состав и количество доменного газа, объем и температуру дутья. Одновременно ведут весовой учет сырых материалов, а также учет количества получаемого чугуна.

Выпуск шлака и чугуна производят по мере их накопления. Чугун выпускают обычно через 4—5 час., шлак — через 1 — 1,5 час. (в зависимости от качества руды).

Шлак выпускают или в ковш, в котором его отвозят в отвал, или же из ковша заливается в бассейн с водой, где шлак гранулируется.

Чугун из ковша разливают в непрерывно движущиеся формы. Движение форм может происходить по принципу конвейера.

Залитый в формы чугун охлаждается, формы опрокидываются, и чугун попадает непосредственно в вагоны. Все эти операции механизированы и автоматизированы.

На фиг. 10 представлена схема устройства разливочной машины: из ковша 1 жидкий чугун заливают в движущиеся на транспортере формы 2. У конца 3 транспортера остывший чугун выпадает из форм непосредственно в вагон 4.

Формы перед заливкой чугуна обрызгивают известковым молоком; вода, испаряясь, охлаждает формы, а оставшаяся на внутренней части известь предохраняет от прилипания к форме расплавленного чугуна.

Для хранения поступающего из домны жидкого чугуна, предназначенного к переделу в сталь, его сливают в ковши большой емкости, называемые смесителями — миксерами. На фиг. 11 показан миксер цилиндрической формы. Из ковша 1 чугун поступает в миксер 2, который поворачивают при помощи гидравлического цилиндра 3. Ковш 4 принимает чугун из миксера. Миксер делают из клепаного железа и футеруют огнеупорным материалом. Емкость миксеров достигает 2000 т. В миксерах большой емкости чугун остывает весьма медленно. Для поддержания чугуна в жидком состоянии миксеры иногда подогревают с помощью доменного газа или газа коксовальных печей.

При хранении в миксерах чугун, выпускаемый из доменных печей в разное время, смешивается. Так как химический состав чугуна, выпускаемого из домны в разное время, не всегда одинаков, чугун постоянного состава получают выдерживая его в миксерах. Это очень важно для облегчения процессов передела чугуна в сталь. Кроме того, при наличии в чугуне некоторого количества марганца чугун во время длительной выдержки в миксерах теряет часть серы, что улучшает его качество. Марганец, вступая в реакцию с серой, образует сернистый марганец MnS, который вследствие плохой растворимости в жидком чугуне уходит в шлак. Производительность современной доменной печи достигает 1500 т и более в сутки. Время пребывания шихты в печи или переработки сырья в чугун колеблется в пределах от 6 до 10 час.

Коэфициент использования объема доменной печи. Работу доменной печи как со стороны технической, так и экономической можно в целом охарактеризовать коэфициентом использования объема. Коэфициентом использования объема называют величину полезного объема печи в м6, приходящегося на 1 т суточной производительности домны.

В настоящее время коэфициент использования достигает приблизительно 0,65.

Коэфициенты использования являются характерными для данной домны лишь при условии равенства технико-экономических показателей, если не учитывать размеры домны, Некоторые средние экономические показатели для доменных печей разного объема, находящихся в одинаковых условиях, приведены в табл. 4. Из данных этой таблицы видно, что экономически выгодно строить доменные печи больших размеров.

Приведенные данные объясняют, почему наша металлургия стала на путь строительства крупных доменных печей.

Доменное производство чугуна в России всегда стояло на большой высоте. В XVIII в. сибирские домны были самыми большими и лучшими в Европе. На исходе XVIII в. России принадлежали мировые рекорды не только по размерам, выработки, но и по экономическим показателям.

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Пароль на архив: privetstudent.com

Подготовка руды для производства чугуна

Для нормальной работы доменной печи она должна загружаться кусковым материалом оптимальных размеров. Слишком крупные куски руды и других материалов не успеют должным образом прореагировать, и часть материала уйдет бесполезно. Слишком мелкие куски слишком плотно прилегают друг к другу, не оставляя необходимых проходов для прохождения газов, что затрудняет работу печи.

Оптимальными считают размер кусков шихты 30-80 мм. Более крупные куски измельчают до оптимального размера.

С другой стороны, при дроблении материалов и при добыче руды наряду с крупными кусками образуется мелочь, также не пригодная к плавке. Такие материалы окусковывают до нужных размеров методами агломерации и скатывания.

Кроме агломерации и скатывания производят обогащение руды. Обогащением называют предварительную обработку руды без изменения химического состава основных минералов и их агрегатного состояния. Обогащение руды производят для повышения содержания в ней железа. При этом из руды удаляется значительная часть пустой породы. При обогащении руд применяют различные методы: промывание руды, метод флотации, гравитационный метод и магнитное обогащение.

Восстановительная плавка (SR)

Восстановительная плавка (SR) связана с производством жидкого металла из руды без кокса. В процессе SR используется две установки: в первой установке руда нагревается и восстанавливается газами, образуемыми во второй установке, которая является плавильной печью – газификатором, в которую поставляются уголь и кислород. Затем частично восстановленная руда плавится во второй установке, а жидкий расплавленный чугун или (в некоторых случаях) жидкая сталь образуется во второй установке. Технология плавления – восстановления дает возможность использовать широкий диапазон углей для производства чугуна.

Доменная печь: устройство доменной печи и схема доменного производства

Изготовление доменных печей – это ресурсозатратный и дорогой процесс, который нельзя поставить на поток. Так как домны применяются исключительно в промышленности, их проектирование и сборка осуществляются под конкретный металлургический комплекс, включающий в себя многие объекты и узлы внутренней инфраструктуры. Такая ситуация наблюдается не только в РФ, но и в других странах мира, имеющих собственные объекты металлургии.

Стоимость изготовления и монтажа доменной печи достаточно высокая, что связано со сложностью выполнения работ. Примером может случить большой доменный комплекс №7 под названием «Россиянка», установленный в 2011 году. Его стоимость составила 43 млрд. рублей, к производству были привлечены лучшие инженеры РВ и стран зарубежья.

Комплекс включает в себя следующие узлы:

• приемное устройство для руды;
• приточные станции бункерной эстакады и центрального узла;
• бункерная эстакада;
• компрессорная станция (установлена на литейном дворе);
• установка для вдувания пылеугольного топлива;
• утилизационная ТЭЦ;
• центр управления и административный корпус;
• литейный двор;
• домна;
• воздухонагревательные блоки;
• насосная станция.

Новый комплекс обеспечивает производство более 9450 тонн чугуна в сутки, полезный объем печи равен 490 куб.м, а рабочей – 3650 куб.м. Конструкция домны обеспечивает безотходное и экологически чистое производство чугуна, в качестве побочных продуктов получают доменный газ для ТЭЦ и шлак, используемый в дорожном строительстве.

Читайте также: 3Б153 станок круглошлифовальный универсальныйСхемы, описание, характеристики

Как сделать доменную печь своими руками?

Нюансы

Производство чугуна является высокорентабельным бизнесом, но наладить изготовление черного металла без серьезных финансовых инвестиций невозможно. Доменная печь своими руками в «кустарных условиях» – это просто нереализуемо, что связано со многими особенностями:

• крайне высокая стоимость домны (такие расходы могут себе позволить исключительно крупные комбинаты);
• сложность конструкции, несмотря на то, что чертеж доменной печи можно найти в свободном доступе (выше схемы), собрать полноценный агрегат для производства чугуна не получится;
• физлица и ИП не могут заниматься деятельностью по изготовлению чугуна, на это просто никто не выдаст лицензию;
• залежи сырья для черной металлургии практически исчерпаны, окатышей или агломерата в свободной продаже нет.

Но в домашних условиях можно собрать имитацию печи (мини-доменную печь), при помощи которой можно плавить металл.

Но работы эти требуют максимального внимания и крайне не рекомендуются при отсутствии опыта. Зачем может потребоваться изготовление подобной конструкции? Чаще всего – это обогрев для теплицы или дачи с максимально эффективно используемым топливом.

Инструменты и материалы

Для изготовления конструкции в домашних условиях, надо приготовить:

• металлическая бочка (можно заменить на трубу с большим диаметром);
• два отрезка трубы круглого сечения с меньшим диаметром;
• отрезок швеллера;
• листовая сталь;
• уровень, ножовка по металлу, рулетка, молоток;
• инвертор, набор электродов;
• кирпичи, глиняный раствор (необходимы для фундамента конструкции).

Все работы надо проводить только на улице, так как процесс достаточно грязный и требующий наличия свободного пространства.

Пошаговая инструкция

1. На приготовленной заготовке в виде бочки срезается верх (его следует оставить, так как он понадобиться дальше).
2. Из стали вырезается круг с диаметром, меньшим чем диаметр бочки, в нем делается отверстие для трубы.
3. Труба аккуратно приваривается к кругу, внизу сваркой крепятся отрезки швеллера, которые будут придавливать топливо во время работы печи.
4. Крышка печи изготавливается из отрезанного ранее дна бочки, в котором делается отверстие для закладного люка с дверкой. Также необходимо сделать дверку, через которую будут удаляться остатки золы.
5. Печь обязательно устанавливается на фундамент, так как в процессе работы она очень сильно нагревается. Для этого сначала устанавливается бетонная плита, затем выкладывается несколько рядов из кирпича, образующих углубление в центре.
6. Для отвода продуктов сгорания монтируется дымоходная труба, диаметр прямой части будет больше, чем диаметр корпуса печи (требуется для лучшего отвода газов).
7. Отражатель не является обязательным элементом конструкции, но его использование позволяет повысить КПД печи.

Особенности конструкции

Особенностями такой самостоятельно изготовленной печи являются:

• уровень КПД хороший;
• есть возможность работы в автономном режиме до 20 часов;
• в печи происходит не активное горение, а тление с постоянным выделением тепла.

Главным отличием «бытовой» доменной печи будет ограничение доступа воздуха к камере сгорания, то есть тление дров или угля будет происходит при низком уровне кислорода. По схожему принципу работает и промышленная домна, но бытовая применяется только для отопления, плавить металл в ней нельзя, хотя температура внутри камеры будет достаточной.

Литература и источники

• Бабарыкин Н. Н. Теория и технология доменного процесса. — Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. — С. 15. — 257 с.
• Карабасов Ю. С., Черноусов П. И., Коротченко Н. А., Голубев О. В. Металлургия и время: энциклопедия. Т. 6. Металлургия и социум. Взаимное влияние и развитие. — Москва: Изд. Дом МИСиС, 2014. — 224 с. — ISBN 978-5-87623-536-7.
• Толковый металлургический словарь. Основные термины / Под ред. В. И. Куманина. — М.: Рус. яз., 1989. — 446 с. — ISBN 5-200-00797-6.
• Ефименко Г. Г., Гиммельфарб А. А., Левченко В. Е. Металлургия чугуна. — Киев.:Выща школа, 1988. — 352 с.
• Ферсман А. Е. Занимательная геохимия. — М.: Детгиз, 1954. — 486 с.
• Рамм А. Н. Современный доменный процесс. — Москва.:Металлургия, 1980. — 303 с.
• Товаровский И. Г. Доменная плавка. 2-е издание.- Днепропетровск: «Пороги», 2009.-768 с.
• Андронов В. Н. Экстракция черных металлов из природного и техногенного сырья. Доменный процесс. — Донецк: Норд-Пресс, 2009.-377 с. — .
• Г. Н. Еланский, Б. В. Линчевский, А. А. Кальменев Основы производства и обработки металлов. Москва 2005 г.

Основной принцип

Принцип работы домны заключается в непрерывности металлургического процесса на весь срок эксплуатации печи до очередного капремонта, который производится раз в 3-12 лет; общий срок службы домны может превышать 100 лет. Доменная печь шахтная: сверху в нее периодически погружают порциями (колошами) шихту из руды с известняковым флюсом и кокс, а снизу также периодически выпускают расплавленный чугун и сливают расплав шлака, т.е. столб исходных материалов в шахте домны постепенно оседает, превращаясь в чугун и шлак, а сверху его наращивают. Однако путь черной металлургии к этой вроде бы несложной схеме был долог и труден.

Доменный процесс

Общая схема доменной печи с обслуживающими системами дана на рис. Литейный двор – принадлежность небольших доменных печей, дающих в основном литейный чугун. Большие домны дают свыше 80% переделочного чугуна, который чугуновоз с разливочной площадки тут же увозит в конверторные, мартеновские или электроплавильные цеха для передела в сталь. Из литейного чугуна отливают в земляные формы-опоки, как правило, болванки – чушки – которые отправляются производителям металлоизделий, где переплавляются для отливки в изделия и детали в печах-вагранках. Чугун и шлак традиционно выпускаются через отдельные отверстия – летки, но домны новой постройки все чаще снабжаются общим летком, разделенным на чугунный и шлаковый жароупорной плитой.

Общая схема устройства доменной печи

Примечание: болванки сырого железа без избытка углерода, полученного из чугуна и предназначенного для передела в высококачественную конструкционную или спецсталь (второй-четвертый переделы) называются слябами. В металлургии профессиональная терминология разработана не менее детально и точно, чем в морском деле.

В настоящее время запасов угля и коксовых печей при домнах, похоже, вовсе не осталось. Современная доменная печь работает на привозном коксе. Коксовый газ – смертельно ядовитый убийца экологии, но он же ценнейшее химическое сырье, которое нужно использовать немедленно, еще горячим. Поэтому коксохимическое производство давно уже выделилось в отдельную отрасль, а кокс металлургам поставляют транспортом. Что, кстати, гарантирует стабильность его качества.

Как работает домна

Непременное условие успешной работы доменной печи – избыток углерода в ней в течение всего доменного процесса. Термохимическую (выделена красным) и технико-экономическую схему доменного процесса см. на рис; выплавка чугуна в доменной печи происходит след. образом. Новую домну или реконструированную после капремонта 3-го разряда (см. ниже) заполняют материалами и разжигают газом; также разогревают один из кауперов (см. далее). Затем начинают дуть воздух. Сразу же усиливается горение кокса, повышающее температуру в домне, начинается разложение флюса с выделением углекислого газа. Его избыток в атмосфере печи при достатке вдуваемого воздуха не дает коксу догореть полностью, и в больших количествах образуется монооксид углерода – угарный газ. Он в данном случае не яд, а энергичный восстановитель, жадно отнимающий кислород у окислов железа, составляющих руду. Восстановление железа газообразным моноокислом, вместо менее активного твердого свободного углерода – принципиальное отличие домны от домницы.

Принцип работы домны

Для получения чугуна необходимы следующие ингредиенты: шихта (руда, флюс, кокс), высокая температура, постоянная подача воздуха для обеспечения непрерывного горения.

Читайте также: Бур для бурения под дорогой. Как выполнить горизонтальное бурение своими руками.

Термохимические реакции

Восстановление железа из окислов путем ступенчатой химической реакции:

Доменная печь. устройство, принцип работы и предназначение

Данный прекурсор представляет смесь, включающую одновременно сыпучие и жидкие компоненты, а также микродобавки. Отличается шихта для стекла исключительными требованиями к дозировке составляющих, а также однородности химического и гранулометрического состава. Среди элементов, входящих в состав шихты могут присутствовать:

Это только сыпучие компоненты. Жидкими составляющими стекольной шихты выступают вода или мазут. В качестве микродобавок применяют оксид кобальта, селен. Их вводят, как заранее подготовленную смесь с наполнителем.

Стекольная шихта для производства хрусталя

Отдельно стоит рассмотреть оборудование для загрузки стекольной шихты. Оно представляет целую станцию, состоящую из ряда узлов:

Когда загрузчик полностью заполнен, шихта переводится в карманный отдел плавильной печи.

Посмотрите интересное видео о том, как производят стекло:

Как сделать доменную печь своими руками?

Нюансы

Производство чугуна является высокорентабельным бизнесом, но наладить изготовление черного металла без серьезных финансовых инвестиций невозможно. Доменная печь своими руками в «кустарных условиях» – это просто нереализуемо, что связано со многими особенностями:

• крайне высокая стоимость домны (такие расходы могут себе позволить исключительно крупные комбинаты);
• сложность конструкции, несмотря на то, что чертеж доменной печи можно найти в свободном доступе (выше схемы), собрать полноценный агрегат для производства чугуна не получится;
• физлица и ИП не могут заниматься деятельностью по изготовлению чугуна, на это просто никто не выдаст лицензию;
• залежи сырья для черной металлургии практически исчерпаны, окатышей или агломерата в свободной продаже нет.

Но в домашних условиях можно собрать имитацию печи (мини-доменную печь), при помощи которой можно плавить металл.

Но работы эти требуют максимального внимания и крайне не рекомендуются при отсутствии опыта. Зачем может потребоваться изготовление подобной конструкции? Чаще всего – это обогрев для теплицы или дачи с максимально эффективно используемым топливом.

Инструменты и материалы

Для изготовления конструкции в домашних условиях, надо приготовить:

• металлическая бочка (можно заменить на трубу с большим диаметром);
• два отрезка трубы круглого сечения с меньшим диаметром;
• отрезок швеллера;
• листовая сталь;
• уровень, ножовка по металлу, рулетка, молоток;
• инвертор, набор электродов;
• кирпичи, глиняный раствор (необходимы для фундамента конструкции).

Все работы надо проводить только на улице, так как процесс достаточно грязный и требующий наличия свободного пространства.

Пошаговая инструкция

1. На приготовленной заготовке в виде бочки срезается верх (его следует оставить, так как он понадобиться дальше).
2. Из стали вырезается круг с диаметром, меньшим чем диаметр бочки, в нем делается отверстие для трубы.
3. Труба аккуратно приваривается к кругу, внизу сваркой крепятся отрезки швеллера, которые будут придавливать топливо во время работы печи.
4. Крышка печи изготавливается из отрезанного ранее дна бочки, в котором делается отверстие для закладного люка с дверкой. Также необходимо сделать дверку, через которую будут удаляться остатки золы.
5. Печь обязательно устанавливается на фундамент, так как в процессе работы она очень сильно нагревается. Для этого сначала устанавливается бетонная плита, затем выкладывается несколько рядов из кирпича, образующих углубление в центре.
6. Для отвода продуктов сгорания монтируется дымоходная труба, диаметр прямой части будет больше, чем диаметр корпуса печи (требуется для лучшего отвода газов).
7. Отражатель не является обязательным элементом конструкции, но его использование позволяет повысить КПД печи.

Особенности конструкции

Особенностями такой самостоятельно изготовленной печи являются:

• уровень КПД хороший;
• есть возможность работы в автономном режиме до 20 часов;
• в печи происходит не активное горение, а тление с постоянным выделением тепла.

Главным отличием «бытовой» доменной печи будет ограничение доступа воздуха к камере сгорания, то есть тление дров или угля будет происходит при низком уровне кислорода. По схожему принципу работает и промышленная домна, но бытовая применяется только для отопления, плавить металл в ней нельзя, хотя температура внутри камеры будет достаточной.

Строение домны

Производство чугуна — энергоемкий процесс, характеризующийся выделением большого количества тепла. Чтобы понять, что такое домна, стоит представить высокую конструкцию, достигающую 35 метров. Вес загруженной доменной печи может составлять 30 тысяч тонн. Такое сооружение требует основательного фундамента. Он закладывается в виде монолитного бетонного основания высотой до четырех метров. В месте, где планируется расположение горна печи, фундамент закладывается из огнеупорного бетона. Все конструкция печи поддерживаются колоннами.

Горн расположен в нижней части конструкции, на него приходится самый большой вес: выплавленный металл, шлаки и, собственно, вся домна. Печь разгружается через горн, и через него же с помощью специальных отверстий подается горячий воздух. К этой части домны предъявляются самые высокие требования по материалам изготовления, герметичности, огнеупорности, износостойкости.

Выше горна располагается рабочая поверхность, в которой происходит процесс технологического восстановления железной руды, еще выше расположена загрузочная шихта. Это упрощенное, схематичное описание устройства доменной печи, на самом деле это сложное высокотехнологичное сооружение со строго определенными функциями. Для чего нужна домна? В первую очередь для выплавки чугуна.

Роль черной металлургии в промышленности

Как уже говорилось, продукция черной металлургии является основой для тяжелой промышленности.

Предприятия черной металлургии основную массу готовой продукции выпускают в виде литого и передельного чугуна, мартеновской и конвертерной стали, а также готового проката, стальных и чугунных труб.

Передельный чугун в дальнейшем подвергается плавке и обезуглероживанию для получения сталей с различным содержанием углерода.

Большая часть стали производится в виде слитков, которые, в дальнейшем, подвергают ковке и прокатке для получения профиля различного сечения:

• заготовки;
• листовой прокат;
• сортовой прокат;
• бесшовные трубы;
• специальные виды.

Стальной профиль сортового проката используют непосредственно в конструкциях (мосты, перекрытия зданий, железнодорожные рельсы). Наиболее распространен сортовой прокат для непосредственного использования:

Все перечисленные наименования сортового проката выпускаются в широком диапазоне стандартизированных размеров.

Классические стальные трубы сварной конструкции получают из листового проката.

К специальным видам проката относят такие сложные элементы, как:

• оси и колеса железнодорожной техники;
• зубчатые колеса различного назначения.

Фасонное литье чугуна применяется для станин машин самого различного назначения (метало- и деревообрабатывающие станки).

Передельные предприятия занимаются переработкой передельного чугуна, металлического лома, отходов металлургического производства. В настоящее время более половины продукции металлургического процесса составляет передельный металл, полученный переплавкой и очисткой металлического лома.

Предки доменных печей — штукофены

В средние века людям нужны были разные металлы. Оружие и инструменты изготовляли из стали, гибкой и твердой, а обычное железо шло на предметы домашней утвари. Сыродутные печи применялись для получения нужного металла с очень давних пор, на протяжении тысячелетий, и они вполне удовлетворяли потребностям до тех пор, пока не истощились запасы легкоплавких руд. Высокой температуры добивались путем увеличения высоты (так усиливалась тяга), воздух качали и ручными мехами. Однако со временем европейцам пришлось переходить на менее качественное сырье, что послужило стимулом к прогрессу. Штукофены стали тем изобретением, после которого появилась первая домна. Это была печь закрытого типа, работавшая по определенному циклу. В нее требовалось загрузить руду, уголь, затем происходил нагрев с поддувом (ручных усилий не хватало, поэтому использовался привод от водяных колес), после чего нужно было дождаться охлаждения и извлечь металл, отделяя его от окалины и других малопригодных побочных продуктов, именуемых крицей. Главное достоинство штукофенов заключалось в лучшей концентрации тепловой энергии за счет закрытости объема в течение рабочего цикла, обусловленной уменьшением его утечки в атмосферу.

Виды металлургического производства

Черная металлургия является трудоемким и затратным производством, которое нуждается в обеспечении большим количеством сырья и энергии.

Главными факторами размещения предприятий черной металлургии являются:

Для отрасли характерна высокая степень концентрации производства. В развитых странах наиболее часто встречающаяся форма размещения отрасли – уже не изолированные металлургические центры, а полноценные металлургические районы. Располагаются они возле самых крупных месторождений железных руд в своем регионе.

Рис. 3. Месторождения железной руды.

В настоящее время существует три основных типа производства:

• Металлургия полного цикла. Производство включает в себя абсолютно все технологические этапы, которые осуществляются на одной общей территории. Комбинаты полного цикла располагаются рядом с сырьевым источником и топливными базами.
• Металлургия неполного производства. Один из технологических процессов выделен в самостоятельное отдельное производство. Предприятия неполного цикла располагаются вблизи от источников вторсырья и потребителями готовой продукции.
• Малая металлургия. Включает в себя отдельные металлургические цеха, которые входят в состав крупных машиностроительных комплексов. Главный фактор размещения малой металлургии – это потребители ее продукции.

Металлургические базы: характеристики и размещение

Металлургические предприятия, пользующиеся общими ресурсами – топливом и рудой, обеспечивающие страну нужным объемом металла называются металлургическими базами. Старейшая из них расположена на Урале. Она еще с XVIII века выплавляет наибольший объем чугуна, стали в России и по сей день остается лидером.

Следующие позиции занимают Центральный и Северный район, а также Сибирь и Дальний Восток. Кроме того, за пределами основных, расположены другие центры черной металлургии – «Северсталь» (Череповец) комбинат полного цикла, а также передельного типа – в Поволжье, на Северном Кавказе.

Уральская черная металлургия использует привозное топливо – кузнецкий, карагандинский уголь, а ископаемые, добываемые в Кизеловском бассейне, могут применяться лишь в смеси.

Поставки сырья осуществляются из Казахстана, а также с Курской магнитной аномалии. Собственная сырьевая база представлена, перспективно развивающимися, Качканарским и Бакальским месторождением.

На Урале много железной руды, которая содержит легирующие компоненты, а также в месторождении «Полуночное» имеются залежи марганцевых руд.

Ведущая роль в этом районе у предприятий полного цикла, при этом сохранились и развиваются мелкие заводы.

Предприятия неполного цикла преимущественно расположены на западных склонах. Особенность региона в том, что только там производят выплавку природно-легированных металлов и чугуна на древесном угле.

Центральная металлургическая база пользуется привозным топливом. Добыча руды преимущественно осуществляется в Курской, Белгородской области. Большая часть стали, чугуна выплавляется Новолипецким комбинатом – в одном из самых крупных и технологически развитых в России.

Черная

Черная металлургия — это отрасль металлургии, которая занимается производством сплавов из железа, марганца и хрома.

В природе железо встречается в руде в форме карбонатов, гидроксида и оксида. Поэтому первый этап производства в чёрной металлургии — это освобождение железа из руды при помощи доменной печи при температуре более +1000 С. При необходимости на данном этапе производится изменение свойств металла.

Черная металлургия включает такие направления, как:

• добычу и обогащение нерудного сырья;
• производство чёрных металлов;
• производство труб из стали и чугуна;
• коксохимическую промышленность;
• вторичную обработку сырья.

Производимая на металлургических комбинатах продукция бывает:

• основной, то есть конечным продуктом, готовым для эксплуатации;
• побочной, то есть продуктом, который получается при производстве основной продукции;
• попутной, то есть продукцией, оставшейся после производства основной и побочной, которая используется либо как вторсырье, либо как есть.

Азбука производства

Доменная плавка – это процесс производства чугуна из железной руды, перерабатываемой в доменных печах или, как их еще называют, домнах.Основными материалами, необходимыми в процессе такого производства, являются:

• топливо, в виде получаемого из каменного угля кокса;
• железная руда, являющаяся непосредственным сырьем для производства;
• флюс – специальные добавки из известняка, песка, а также других материалов.

В доменные печи железная руда попадает в виде сплавленных между собой кусков мелкой породы – агломератов или окатышей, в виде рудных комков. Исходное сырье загружают в колошник доменной печи послойно, чередуя со слоями кокса и с послойным добавлением флюса.

Всплывший на поверхности раскаленного чугуна шлак, сливается до того, как металл застынет. Загружаемый для плавки чугуна материал из железной руды, кокса и флюса, называют шихтой.

Доменная печь, имеющая в профиль сходство с башней с широким основанием, внутри выкладывается огнеупорным материалом – шамотом.

Устройство доменной печи. (Для увеличения нажмите)

Основными элементами конструкции являются:

• заплечики;
• распар;
• колошник;
• шахта
• горн.

Распар — это самая широкая часть доменной печи. В нем плавится пустая порода руды и флюса, в результате чего из них получается шлак. Для предотвращения воздействия высоких температур на кладку и кожух печи, применяются холодильные установки с циркулирующей водой.

Доменная шахта строится в форме расширяющего внизу конуса – такое устройство домны позволяет шихте свободно опускаться во время процесса плавки. Образование чугуна, который в процессе плавки спускается в горн, происходит в распаре и заплечиках. Для удержания находящейся в распаре и шахте твердой шихты, заплечики имеют форму конуса, с расширением к верху.

Доменный процесс

Современные печи для плавки чугуна обеспечивают примерно 80 % от общего количества чугуна, с разливочных площадок он сразу подается в электроплавильные либо мартеновские цеха, где и происходит переделка черного металла в сталь с требуемыми качествами.

Из чугуна получают чушки, отправляемые затем производителям для отливки их в вагранках. Для слива шлака и чугуна используются специальные отверстия, называемые летки. Однако в современных печах применяются не отдельные, а один общий леток, разделяемый специальной жароупорной плитой на каналы для подачи чугуна и шлака.

Как работает домна?

Доменный процесс полностью зависит от избытка углерода в полости печи, он заключается в термохимических реакциях, протекающих внутри при загрузке всех компонентов и их нагреве.

Температура в доменной печи может составлять 200-250°С непосредственно под колошником и до 1850-2000°С в активной зоне – распаре.

При подаче в печь горячего воздуха и розжиге кокса в домне повышается температура, начинается процесс разложения флюса, в результате чего повышается содержание углекислого газа.

При понижении столба материала в шихте происходит восстановление монокисла железа, в нижней части столба из FeO восстанавливается чистое железо, стекающее в горн.

По мере стекания железо активно контактирует с углекислым газом, происходит насыщение металла и придание ему требуемых свойств. Общее содержание углерода в железе может составлять от 1,7%.

Основные марки чугуна

Чугун – сплав железа с углеродом. Содержание последнего элемента не должно быть меньше 2,14%. Помимо этого, присутствуют и другие элементы, такие как кремний, фосфор, сера и др. Углерод обычно находится или в связанном состоянии (цементит), или же в свободном (графит). Чугун можно поделить на следующие виды:

• Литейный – имеет маркировку Л1-Л6 и ЛР1-ЛР7.
• Передельный чугун – маркируется как П1 и П2. Если материал предназначается для отливок, то это ПЛ1 и ПЛ2. Металл с большим содержанием фосфора обозначается как ПФ1,ПФ2, ПФ3. Помимо этого, есть и высококачественный передельный чугун – ПВК1, ПВК2 и ПВК3.
• Серый – СЧ10, СЧ15, СЧ20,СЧ25, СЧ30 и СЧ35.
• Ковкий чугун – КЧ30-6, ЧК45-7,КЧ65-3 и др. Если после букв стоят цифры, то они обозначают временное усилие на разрыв.
• Легированный чугун, имеющий специальные свойства, обозначается буквой «Ч»;
• Антифрикционный (серый) – АЧС.

Можно говорить о том, что любой вид чугуна имеет свое дальнейшее назначение. К примеру, передельный используется для переделки в сталь и для производства отливок. В это же время марки ПЛ1 и ПЛ2 отправятся в литейный цех, а П1 и П2 будут использованы в сталеплавильном производстве.

Общая характеристика

Металлургический комплекс относится к базовым отраслям индустрии. Данная отрасль занимается производством чугуна, стали и проката. Кроме того, она включает в себя:

• добычу, обогащение руд;
• получение вспомогательного и нерудного сырья;
• вторичный передел;
• изготовление огнеупоров;
• коксование угля.

Продукция черной металлургии широко распространена в различных сферах экономики. Однако наибольшее значение она имеет для металлообрабатывающей и машиностроительной индустрии, железнодорожного транспорта, строительства. Также данная отрасль тесно связана с химической и легкой промышленностью.

Рис. 1. Машиностроение.

Железо как химический чистый металл не отличается высокими конструкционными параметрами. Чтобы обеспечить ему повышенную прочность и вместе с тем пластичность, к нему добавляют другие элементы. Чугун представляет собой сплав железа с углеродом, который получают в доменной печи. Сталь – это также сплав железа с углеродом, но с другой его концентрацией, а также с другими элементами. Выплавляют сталь в мартеновских печах.

Черная металлургия России имеет богатую историю. Поначалу железные руды плавили в сыродутных горнах и печах-домницах. Заводское производство железа стало возможным в 17 веке, когда в Туле был построен первый завод с доменной печью.

К началу ХХ столетия черная металлургия была хорошо развита в нескольких странах: Германии, США, Великобритании, Люксембурге и Бельгии. Однако со временем доля этих стран значительно снизилась. В настоящее время подавляющую часть металлургической продукции выпускают развитые страны, которые специализируются на производстве качественной стали и сложных видов проката, в то время как развивающиеся страны выпускают стали и чугун низких марок.

Рис. 2. Металлургический комбинат в Люксембурге.

История металлургии

Металлургия начала развиваться ещё в эпоху каменного века. Есть несколько исторических вех её развития. Согласно археологическим раскопкам, наши древние предки уже в 6 в. до н.э. активно использовали железо, попавшее на Землю в составе метеоритов. Люди постепенно осваивали обработку серебра и олова.

В эпоху бронзового века (5500 лет назад) люди научились получать из горных пород олово и медь, из которых у них случайно вышла бронза. Во времена железного века (1200 лет назад) из руды стали извлекать железо. Его главными добытчиками считают древних римлян, преуспевших в искусстве ковки, а четь изобретений технологий металлообработки и добычи принадлежит китайцам.

Независимо от того, в каком уголке земного шара развивалась металлургия, все люди пользовались классическим сыродутным методом, с помощью которого осуществлялась выплавка меди и свинца.

Далее последовала эпоха, называемая этапом цементации. Железо стали закаливать, оно превратилось в металл гораздо прочнее бронзы. Однако процесс освоения людьми этой технологии занял около тысячи лет.

В период Средневековья высота плавильных печей уже составляла три метра, а работали они с применением энергии, получаемой через воду. Эти печи назывались штукофенами и стали стимулом для того, чтобы чёрная металлургия вышла на очередной виток развития. В эпоху Возрождения появились новые виды печей, которые назвали блауофенами. После них появились доменные печи громадных размеров. Они работали 24 часа в сутки, выпуская до полутора тысяч тонн чугуна отменного качества.

В конце XIX, начале XX века появились новые технологии производства металлов. Речь идёт о бессемеровском, томасовском и, наконец, мартеновском способах. Они помогли людям в разы увеличить производственные объёмы с выпуском металлов от шести тонн в час. Спустя 50 лет появились безостановочная разливка стали и метод кислородного дутья. На современном этапе учёные активно развивают разные технологии обогащения руд и производства стали в электрических печах.

В состав чёрной металлургии входят следующие основные подотрасли:

• добыча и обогащение руд чёрных металлов (железная, хромовая и марганцевая руда);
• добыча и обогащение нерудного сырья для чёрной металлургии (флюсовыхизвестняков, огнеупорных глин и т. п. );
• производство чёрных металлов (чугуна, углеродистой стали, проката, металлических порошков чёрных металлов);
• производство стальных и чугунных труб;
• коксохимическая промышленность (производство кокса, коксового газа и пр.);
• вторичная обработка чёрных металлов (разделка лома и отходов чёрных металлов).

Стоимость на примере КПД №7

Изготовление доменных печей – это ресурсозатратный и дорогой процесс, который нельзя поставить на поток. Так как домны применяются исключительно в промышленности, их проектирование и сборка осуществляются под конкретный металлургический комплекс, включающий в себя многие объекты и узлы внутренней инфраструктуры. Такая ситуация наблюдается не только в РФ, но и в других странах мира, имеющих собственные объекты металлургии.

Стоимость изготовления и монтажа доменной печи достаточно высокая, что связано со сложностью выполнения работ. Примером может случить большой доменный комплекс №7 под названием «Россиянка», установленный в 2011 году. Его стоимость составила 43 млрд. рублей, к производству были привлечены лучшие инженеры РВ и стран зарубежья.

Комплекс включает в себя следующие узлы:

• приемное устройство для руды;
• приточные станции бункерной эстакады и центрального узла;
• бункерная эстакада;
• компрессорная станция (установлена на литейном дворе);
• установка для вдувания пылеугольного топлива;
• утилизационная ТЭЦ;
• центр управления и административный корпус;
• литейный двор;
• домна;
• воздухонагревательные блоки;
• насосная станция.

Новый комплекс обеспечивает производство более 9450 тонн чугуна в сутки, полезный объем печи равен 490 куб.м, а рабочей – 3650 куб.м. Конструкция домны обеспечивает безотходное и экологически чистое производство чугуна, в качестве побочных продуктов получают доменный газ для ТЭЦ и шлак, используемый в дорожном строительстве.

Металлургия в мире

Мировая металлургия сосредоточена в 98 странах мира, из которых руда добывается только в 50. Лидерами являются пять стран — это Китай, Бразилия, Россия, Австралия и Индия, который поставляют на мировой рынок пости 80 % сырья. Большая часть мировых запасов руд — это материал среднего и низкого качества, требующий обогащения в процессе производства. Руд высокого качества в мире очень мало. Например, запасы России как одного из лидеров металлургической промышленности составляют всего 12 % от мировых запасов.

Больше всего руды добывается в Китае, а полезного железа — в России.

Лидирующими компаниями, которые регулируют мировой процесс добычи и производства руды и металлов, являются компании Arcelor Mittal, Hebei Iron & Steel, Nippon Steel.

Arcelor Mittal — это компания, образованная благодаря слиянию предприятий Индии и Люксембурга. Ей принадлежат предприятия в 60 странах мира, в том числе российское «Северсталь-Ресурс» и украинское «Криворожсталь».

Hebei Iron & Steel Group — еще одна компания, образованная в результате слияния нескольких компаний. Но вляется не частным, а государственным предприятием, зарегистрированным в Китае. Здесь производится уникальный продукт — ультратонкий холоднокатанный лист и стальные плиты. Кроме добычи и производства, компания занимается исследовательской деятельность и инвестициями.

Nippon Steel и Sumitomo Metal Industries — японский лидер по производству стали. Доменные печи этой компании были установлены еще в 1857 году.

Определение

Металлургия — это направление в промышленности, которое занимается добычей сырья, производством сплавов, утилизацией отходов и производством продукции из полученных сплавов.

Металлургия, в зависимости от сырья, делится на чёрную и цветную. К первой группе относятся металлы, содержащие железо, хром и марганец. Ко второй — все остальные.

Процесс производства продукции из металлов включает такие этапы, как:

• добыча и подготовка руды;
• передел;
• утилизация.

Металлургическая промышленность включает процессы получения многих элементов периодической таблицы, кроме газов и галоидов.

Про науглероживание железа

Восстановленное в ДП железо поглощает в себя самые различные химические элементы и углерод в том числе. Как результат, образуется полноценный чугун. Как только он появляется в твердой форме, сразу же начинается его науглероживание. Сам процесс заметен при относительно невысоких температурах в 400-500 градусов. Кроме того, стоит отметить, что чем больше углерода в составе железа, тем ниже температура плавления. Однако когда металл находится уже в жидком состоянии, процесс протекает несколько интенсивней. Нужно понимать, что после того, как в чугуне будет окончательное количество углерода, изменить это уже будет невозможно. Такие элементы, как марганец и хром, способствуют увеличению содержания углерода, а кремний и фосфор уменьшают его количество.

Типы баз и факторы их размещения

Прежде чем рассмотреть основные металлургические базы в мире и в России, стоит кратко описать типы баз и факторы их размещения.

В металлургической промышленности выделяют 3 типа баз.

1. База, работающая с собственными рудой и углем.
2. База, работающая либо с собственной рудой и привозным углем, либо с привозной рудой и собственным углем.
3. Работающая недалеко от угольных бассейнов или недалеко от потребителя.

Факторам, влияющими на расположение металлургических центров, можно назвать:

• потребительский, к которому относится близость крупных машиностроительных комплексов — основных потребителей стали;
• экологический, к которому относятся устаревшие предприятия, использующие один из самых “грязных” способов производства — доменный процесс;
• транспортный, к которому относятся предприятия, использующие привозные руду и уголь, так как находятся вдали от их источников;
• топливный, к которому относятся предприятия, находящиеся недалеко от угольных бассейнов;
• сырьевой, к которому относятся предприятия, расположенные поблизости к местонахождениям руды.

Особенности

Не только металлы являются основой предприятий черной металлургии. Предприятия по добыче и переработке сопутствующих материалов, кокса, огнеупоров также входят в состав отрасли черной металлургии.

Можно выделить такие особенности черной металлургии, которые присущи именно ей, в отличие от производства цветных металлов:

• Более одной трети выпускаемой продукции (сталь и сплавы на основе железа, чугун) является основой всего машиностроения;
• Более четверти продукции используется в строительстве для создания элементов нагруженных и несущих конструкций.

Спецификой предприятий металлургического комплекса черной металлургии является то, что они, по большей части, составляют основу индустрии государства, являясь, вместе с тем, одними из самых высоких капитало- и материалоемкими.

Организация выработки металла на предприятиях черной металлургии отличается сильной региональной зависимостью. Для переработки руды и производства первичного металла (чугуна) требуются большое количество кокса, рудного сырья и электроэнергии. Подсчитано, что сырье и топливо составляют более 90% общих затрат на производство черного металла. Необходимость в транспортировке огромных масс рудного и топливного сырья диктует необходимость решать задачи рационального размещения предприятия. Наиболее часто предприятия черной металлургии концентрируются таким образом:

• Возле рудных месторождений. Требуется доставка топлива;
• Вблизи источников топлива (предприятия угледобычи). Остается вопрос поставки рудного сырья;
• На оптимальном расстоянии между источниками сырья и топлива.

Большинство комбинатов по производству черного металла сосредоточены вблизи залежей железных руд. Можно объяснить это тем, что изначально, в годы массового строительства металлургических предприятий, восстановление железа из обогащенного сырья производилось посредством древесного угля, добываемого непосредственно вблизи месторождений. При переходе на использование кокса стало выгоднее организовать его доставку, чем переносить металлургическое производство.

Можно заметить, что здесь не указана зависимость производства от электроэнергии, хотя потребность в ней чрезвычайно велика. Это объясняется тем, что передача электрической энергии даже на большие расстояния не сопоставима по сложности организации и стоимости с доставкой тяжелых и объемных материалов производства.

Предприятия вторичной переработки металлического лома черных металлов (передельная металлургия) сосредоточены вблизи крупных центров машиностроения. Сырье Сырьевая база является основой металлургического производства. В зависимости от типа металлургического предприятия, источники сырья могут быть разные. В частности, черная металлургия может делиться на такие отрасли:

• Предприятия полного цикла. Большинство стадий производственного цикла, обогащение руд, производство кокса, выплавка и прокат металла сосредоточены на одном объекте.
• Передельныеметаллургические предприятия. Одна из стадий, а это, в основном, производство сталей и сплавов, выделена в отдельную отрасль.
• Малая черная металлургия. Характеризуется тем, что цеха по производству металла входят в состав машиностроительных предприятий.

Сырьем черной металлургии для передельных и малых предприятий служит полуфабрикат для выработки стали – чугун, металлолом и прочие отходы основного металлургического производства. В данную группу производств входит изготовление ферросплавов, в состав которых входят различные легирующие добавки.

Добыча руды черных металлов

Добыча руды, ее обогащение, выплавка характеризуют предприятия полного цикла. Для черной металлургии характерно использование сырья с высоким процентным содержанием металла при больших объемах переработки. Добыча и обогащение руды требуют серьезных затрат электрической энергии и требовательны к наличию доступных водных ресурсов.

Принцип работы

Принцип работы доменной печи состоит в следующем: в приемную камеру загружается рудная шихта с коксом, известняковым флюсом. В нижней части осуществляется периодический выпуск чугуна/ферросплавов и отдельно расплава шлака. Так как при выпуске уровень материала в домне понижается, требуется одновременная загрузка новых партий шихты.

Процесс работы постоянный, горение поддерживается при контролируемой подаче кислорода, что обеспечивает большую эффективность.

Конструкция доменной печи обеспечивает непрерывный процесс переработки руды, срок эксплуатации домны составляет 100 лет, капитальный ремонт проводится каждый 3-12 лет.

Цветная

К цветной металлургии относятся все виды металлов, кроме железосодержащих. Сама отрасль делится на металлургию легких и тяжелых металлов, которые основываются на таких свойствах металла, как плотность и вес. Все виды металлов, используемых в цветной металлургии, можно разделить на:

• легкие, к которым относятся магний, алюминий, титан;
• тяжелые, к которым относятся олово, цинк, свинец, никель, медь;
• редкоземельные, к которым относятся эрбий, тербий, самарий, празеодим, неодим, лантан, диспрозий, церий, иттрий;
• искусственные, к которым принадлежат америций, технеций;
• малые, к которым относятся ртуть, кобальт, мышьяк, сурьма, кадмий, висмут;
• рассеянные, к которым принадлежат селен, германий, таллий, индий, галлий, цирконий;
• легирующие, к которым относятся ванадий, ниобий, тантал, молибден, вольфрам;
• благородные, к которым относятся платина, золото, серебро.

По сравнению с черной, цветная металлургия более энергозатратная. Это объясняется низким содержанием полезных веществ в цветных металлах и, как следствие, большим количеством отходов, требующих особенной утилизации и переработки химическими способами.

Добыча

Металлы получают путем извлечения из руд или вторсырья. Вся руда, содержащая ценные элементы, делится на богатую (более 55% ценных элементов), бедную (менее 50 %) и убогую (менее 25 %).

При добыче руды используются три основных метода:

• открытый;
• подземный;
• комбинированный.

Открытый метод — самый распространенный и экономичный. При таком методе предприятием организуется необходимая инфраструктура и разрабатывается месторождение карьерами.

Подземный метод используется в том случае, если породы лежат глубоко под землей. По сравнению с открытым, этот метод дороже из-за необходимости специального технического оснащения. Кроме этого, он актуальнее, чем другие методы, так как запасы железной руды, залегающей близко к поверхности, практически истощены. Таким способом добывается более 70% железной руды.

Комбинированный способ, как понятно из названия, сочетает в себе два вышеуказанных метода.

Заключение

Помимо рассмотренных нами, существуют и другие способы производства чугуна. К примеру, плавка в мартеновских печах. Но этот метод морально устарел, так как он слишком энергозатратный, хотя качество металла находится на хорошем уровне. Совсем другое дело – конвертерный способ, который, наоборот, только набирает популярность с каждым годом. К примеру, производство чугуна в России в конвертерах занимает около 30-45% от всего производства. Конвертерный метод обладает рядом существенных преимуществ, одно из них – высокая скорость плавки. Кроме того, из конвертера чугун переливается непосредственно в формы и используется по назначению. Стоит отметить, что остановить ДП невозможно, так как производство непрерывно. В крайнем случае имеет место консервация, при которой кокс тлеет в горне. Если же доменная печь останавливается, то проще построить новую, нежели запустить старую.

Источник https://34st.ru/oborudovanie/domennoe-proizvodstvo-chuguna.html

Источник https://met-lit.ru/instrument/princip-raboty-domennoj-pechi.html

Источник https://kaminia.ru/domennoe-proizvodstvo