Выплавка чугуна
Чугун выплавляют в печах шахтного типа - доменных печах. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива в печи..
Устройство доменной печи. Доменная печь (рис.1)имеет стальной кожух, выложенный внутри огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник, шахту, распар, заплечики, горн, лещадь. В верхней части колошника находится засыпной аппарат, через который в печь загружают шихту (офлюсованный агломерат и окатыши). Шихту взвешивают, подают в вагонетки подъемника, которые передвигаются по мосту к засыпному аппарату и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку распределителя шихты. При опускании малого конуса засыпного аппарата шихта попадает в чашу, а при опускании большого конуса - в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу. Для равномерного распределения шихты доменной печи малый конус и приемная воронка после очередной загрузки поворачиваются на угол, кратный 60о.
Рис.1.Схема доменной печи объемом 2700 м3 и её примерный
суточный баланс: 1-воздуховод, 2-шлаковая летка, 3-шлаковоз, 4-лещадь, 5-чугуновоз, 6-летка для чугуна, 7- фурменный прибор, 8-газоходы, 9-засыпное устройство
При работе печи шихтовые материалы, расплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство в печь подаются новые порции шихты в таком количестве, чтобы весь полезный объем печи был заполнен. Полезный объем печи - это объем, занимаемой шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании. Современные доменные печи имеют полезный объем 2000-5000 м3. Полезная высота доменной печи достигает 35м.
В верхней части горна находятся фурменные устройства, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух нагревают для уменьшения потерь тепла и снижения расхода кокса. Воздух поступает в доменную печь из воздухонагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка. Насадка выложена из огнеупорных кирпичей, так что между ними образуются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный от пыли доменный газ, который сгорает и образует горячие газы.
Газы, проходя через насадку, нагревают её и удаляются через дымовую трубу. Затем подача газа к горелке прекращается и через насадку пропускается воздух, подаваемый турбовоздуходувной машиной. Воздух, проходя через насадку, нагревается до температуры 1000-1200 оС и поступает к фурменному устройству, а оттуда через фурмы - в рабочее пространство печи. Доменная печь имеет несколько воздухонагревателей: в то время как в одних насадка нагревается, в других насадка отдает теплоту холодному воздуху. Нагревая его. После охлаждения насадки воздухом нагреватели переключаются.
Горение топлива. Вблизи фурм (рис.1)углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха. Сгорает. В результате горения выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий СО, СО2, Н2, N2,СН4 , и др. При этом в печи несколько выше уровня фурм развивается температура более 2000 оС. Горячие газы, поднимаясь отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до температуры 300-400оС у колошника. Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре » 570 оС начинается восстановление оксидов железа.
Восстановление железа в доменной печи. В результате взаимодействия оксидов железа с оксидом углерода и твердым углеродом кокса, а также водородом происходит восстановление железа. Восстановление газами называют косвенным, а твердым углеродом - прямым. Реакции косвенного восстановления - экзотермические (сопровождающиеся выделением теплоты), они происходят главным образом в верхних горизонтах печи. Реакции прямого восстановления - эндотермические (сопровождающиеся поглощением тепла), они протекают в нижней части печи, где температура более высокая.
Восстановление железа из руды в доменной печи происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте печи и повышения температуры в несколько стадий, от высшего оксида к низшему: