Доменна пещ: устройство, принцип на работа и производство на чугун

Доменна пещ: устройство, принцип на работа и производство на чугун — подробен преглед на строежа, процесите, материали и технологии за ефективно добиване на сурово желязо.

Автор: Leandro Alegsa

Доменната пещ е специален вид пещ за топене на желязо от руда. Доменните пещи са много големи. Височината им може да достигне 60 метра, а диаметърът - 15 метра. Доменната пещ е най-големият химически реактор. Доменните пещи се наричат още високи пещи.

Доменната пещ обикновено се изгражда от стоманен корпус и тухли от магнезиев оксид или друг огнеупорен материал в корпуса. Горещата пещ не може да разтопи тези тухли. Пещта се охлажда с вода, която тече в част от корпуса и тухлите.

Процесът на производство на желязо е прост. Желязната руда е основно железен оксид. Желязото се получава чрез отстраняване на кислорода. Така се получава сурово желязо, наречено чугун. Този процес на отстраняване на кислорода се нарича топене. В процеса на редукция се използва въглерод, като рудата се нагрява до висока температура. Въглеродът лесно отнема кислорода от рудата при високи температури.

Устройство на доменната пещ

Типичната доменна пещ има следните основни части:

  • Шахта (вертикална колона) — пространство за поступване на заряд (руда, кокс, флюс).
  • Фурми (туйери) — подова част за вкарване на горещ въздух (преднатопен въздух) и за изгаряне на кокса.
  • Варел или тяло на пещта — пространството, където протичат основните химични реакции и къде се формира стопеният чугун и шлака.
  • Под (купка) и легло — най-долната част, където се събира разтопеният чугун; оттук се извършва разливането чрез специални отвори (слягане/теглене).
  • Корпус от стомана и огнеупорна тухлена облицовка — устоява на високи температури и корозия; често се охлажда с вода през стените.
  • Системи за зареждане отгоре (бункери, колони за непрекъснато зареждане) и системи за извеждане и пречистване на доменния газ.

Принцип на работа

Доменната пещ работи по принципа на контра-течна обмяна: твърдият заряд (слоеве руда, кокс и флюс) се спуска надолу, докато горещият газ, образуван при изгаряне на кокса, се издига нагоре. Това позволява нагряване и химична редукция на рудата. Основните стъпки са:

  • Зареждане отгоре с редуващи се слоеве железна руда (често под формата на агломерат или пелети), кокс (като редуктиращ агент и гориво) и варовик (флюс, който свързва примесите).
  • Вкарване на предварително нагрят въздух през фурмите — той подпомага изгарянето на кокса и образува CO и CO2, които са редуктиращите газове.
  • По пътя надолу рудата се възстановява — кислородът се отнема от железните оксиди, първоначално химично от CO, а на по-ниските зони и директно от въглерода.
  • Образува се стопен чугун (богат на въглерод) и шлака (съставена от флюса и примеси като силициеви и алуминиеви оксиди), които се отделят по плътност — по-тежкият чугун се утаява долу, шлаката плува над него.
  • Разливане (теглене) — чугунът и шлаката периодично се изпускат през специални отвори и се отвеждат за по-нататъшна обработка.

Суровини и основни химични реакции

Основните суровини са:

  • Железна руда (руда, агломерат или пелети).
  • Кокс (като редуктор и гориво).
  • Флюс — най-често варовик (CaCO3), който образува шлака и понижава точката на топене на примесите.
  • Преднатопен въздух (горещ въздух), често с допълнителни горива като природен газ или прахообразен въглерод (PCI).

Някои ключови реакции (опростено):

  • C + O2 → CO2 (изгаряне на кокса)
  • CO2 + C → 2CO (образуване на редуциращ CO)
  • Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 (редукция на желязния оксид от CO)
  • CaO + SiO2 → CaSiO3 (образуване на шлак от флюс и примеси)

Температурите в различните зони на пещта варират — най-високи (до около 2000 °C) са района около фурмите, където се извършват изгарянето и топенето.

Производство на чугун и обслужване

Резултатите от доменната пещ са основно:

  • Чугун (pig iron) — суровото желязо, богато на въглерод, което подлежи на по-нататъшна обработка в стоманоплавилен процес.
  • Шлак — използва се в строителството (цимент, пътни основи) или за други промишлени цели.
  • Доменен газ — горивен газ, съдържащ CO, CO2 и N2, който често се пречиства и използва за енергия в завода.

Поддръжката включва редовна подмяна и ремонт на огнеупорната облицовка, контрол на температурата и налягането, мониторинг на състава на газа и ефективността на разлива. Съвременните доменни пещи могат да работят непрекъснато месеци, преди да е нужна по-голяма планова профилактика.

Екологични и технологични подобрения

Доменният процес е енергийно и въглеродно-интензивен, затова в последните десетилетия се внедряват редица мерки за подобряване на ефективността и намаляване на емисиите:

  • Възстановяване и използване на доменния газ за производство на електроенергия и отопление в завода.
  • Инжектиране на прахообразен въглерод (PCI) или природен газ за намаляване на нуждата от кокс.
  • Подобряване на енергийния коефициент чрез рекуперация на топлина и оптимизация на процеса.
  • Системи за пречистване на газове и преработка на прахови емисии, както и използване на шлаката като вторичен продукт.
  • Разработки в посока декарбонизация — използване на водород като редуктант и технологии за улавяне и съхранение на CO2.

Кратко обобщение

Доменната пещ е централният агрегат за получаване на чугун от железни руди. Тя комбинира сложна конструкция, високи температури и серия химични реакции, при които въглеродът служи за редукция на оксидите. Резултатът е стопено желязо и шлак, които след това се използват или преработват допълнително. Съвременните технологии целят повишаване на ефективността и намаляване на екологичния отпечатък на процеса.

Схема на доменната пещ1 . Гореща струя ("вятър") от пещите на Коупър 2. Зона на топене (бош) 3. Зона на редукция на железен оксид (барел) 4. Зона на редукция на железен оксид (комин) 5. Зона за предварително нагряване (гърло) 6. Подаване на руда, варовик и кокс7 . Отпадъчни газове8 . Колона от руда, кокс и варовик9 . Отстраняване на шлаката10 . Изтегляне на разтопения чугун11 . Събиране на отпадъчни газовеZoom
Схема на доменната пещ1 . Гореща струя ("вятър") от пещите на Коупър 2. Зона на топене (бош) 3. Зона на редукция на железен оксид (барел) 4. Зона на редукция на железен оксид (комин) 5. Зона за предварително нагряване (гърло) 6. Подаване на руда, варовик и кокс7 . Отпадъчни газове8 . Колона от руда, кокс и варовик9 . Отстраняване на шлаката10 . Изтегляне на разтопения чугун11 . Събиране на отпадъчни газове

Процес

Рудата, варовикът и въглеродът под формата на кокс се поставят на пластове в горната част на доменната пещ. В същото време горещ въздух, наречен "вятър", се вкарва във вътрешността на пещта. За вкарването на въздуха в пещта се използват специални дюзи, наречени "туиери". Дюзите се намират в долната част на пещта. Този процес се нарича "взривяване". Затова пещта се нарича "доменна". Коксът се възпламенява (запалва се) и изгаря. При това се образува въглероден оксид, тъй като няма достатъчно кислород, за да се получи въглероден диоксид. След това въглеродният оксид редуцира металния оксид до метал и прави въглероден диоксид. Този процес се използва за производството на желязо. Варовикът образува със скалата на желязната руда вещество, наречено шлака.

Долната част на пещта се нарича огнище. Когато тя се напълни с течно желязо и шлака, шлаката се отстранява. Това се нарича изпичане. Шлаката е по-лека от желязото и не се смесва с него. Тя плува върху желязото. Със специална бормашина се прави дупка в огнището на нивото на шлаката. Течната шлака се изхвърля през отвора в съд, наречен шлаков съд. След това желязото се източва от огнището. Това се нарича изчукване. На дъното се прави дупка и течният чугун излиза навън. Той се използва директно за производство на стомана, поставя се в специален вагон, наречен торпедо, или се прави на форми. Когато целият чугун е изваден, за затваряне на двата отвора се използва огнеупорна глина. Глината се втвърдява много бързо поради високата температура.

Чугунът съдържа около 4% въглерод и би бил твърде твърд и крехък за използване. Допълнителният въглерод трябва първо да се изгори. Чугунът се преработва в стомана чрез обезвъглеродяване (изгаряне на допълнителния въглерод). Модерен метод за обезвъглеродяване на чугуна и рафинирането му в стомана е основната кислородна пещ. В миналото е имало и други методи, като например конвертор на Бесемер, открита пещ и пещ за разтопяване.

Газовете се издигат нагоре и се събират в горната част на пещта. Тъй като газът съдържа много въглероден оксид, той е ценно гориво. Газът, който се събира на върха на доменната пещ, се нарича газ от доменната пещ. След това той се промива и изсушава, като се събират всички твърди частици, като сажди или руден прах. След това газът се изгаря в специални пещи, наречени пещи на Коупър или горещи доменни пещи, във въглероден диоксид. Топлината от изгарянето на доменния газ се използва за предварително загряване на въздуха за взривяване, "вятъра", който на свой ред се вкарва в самата доменна пещ.

Шлаката не е отпадък. Тя може да се използва по различни начини. Може да се направи на тухли и да се използва в строителството или да се смеси с бетон. Бетонът, който съдържа шлака от доменни пещи, е по-здрав от обикновения бетон и е почти чисто бял, докато обикновеният бетон е мръсно сив.

Обикновено една доменна пещ може да работи без прекъсване в продължение на 10 до 20 години. Това се нарича "кампания".

Химически пример

При температура 900-1600°C се извършва редукция с въглерод:

1.

3 {\displaystyle 3} {\displaystyle 3}

Fe2O3{\displaystyle Fe_{2}O_{3}}{\displaystyle Fe_{2}O_{3}}+ {\displaystyle +} {\displaystyle +}C{\displaystyle C} {\displaystyle C}

⟶ {\displaystyle \дълга права стрелка } {\displaystyle \longrightarrow }

2 {\displaystyle 2} {\displaystyle 2}

Fe3O4{\displaystyle Fe_{3}O_{4}}{\displaystyle Fe_{3}O_{4}}+ {\displaystyle +} {\displaystyle +}CO{\displaystyle CO} {\displaystyle CO}

2.

F e 3 O 4 + C {\displaystyle Fe_{3}O_{4}+C} {\displaystyle Fe_{3}O_{4}+C}

⟶ {\displaystyle \дълга права стрелка } {\displaystyle \longrightarrow }

3 {\displaystyle 3} {\displaystyle 3}

FeO{\displaystyle FeO}{\displaystyle FeO}+ {\displaystyle +} {\displaystyle +}C O {\displaystyle CO} {\displaystyle CO}

3.

F e O + C {\displaystyle FeO+C} {\displaystyle FeO+C}

⟶ {\displaystyle \дълга права стрелка } {\displaystyle \longrightarrow }

Fe{\displaystyle Fe}{\displaystyle Fe}+ C O {\displaystyle +CO} {\displaystyle +CO}

Сега вече е направено желязо.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява доменната пещ?


О: Доменната пещ е голяма пещ, използвана за топене на желязо от руда.

В: Колко големи могат да бъдат доменните пещи?


О: Доменните пещи могат да бъдат високи до 60 метра и с диаметър 15 метра.

В: Как се нарича още една доменна пещ?


О: Доменните пещи се наричат още високи пещи.

В: От какви материали са направени доменните пещи?


О: Обикновено доменните пещи са изградени от стоманен корпус и тухли, изработени от магнезиев оксид или други огнеупорни материали.

В: Как се охлажда доменната пещ?


О: Доменната пещ се охлажда с вода, която тече в част от корпуса и тухлите.

В: Какъв е процесът на топене и как се получава желязото?


О: Процесът на производство на желязо е топене, което включва отстраняване на кислорода от желязната руда. В процеса на редукция се използва въглерод, като рудата се нагрява до висока температура. Така се получава сурово желязо, наречено чугун.

Въпрос: Каква е ролята на въглерода в процеса на редукция при производството на желязо?


О: Въглеродът лесно отнема кислорода от рудата при високи температури.


обискирам
AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3