Projektování a provoz vysoké pece

Účelem vysoké pece je provádět procesy tavení feroslitin a litiny. K výrobě těchto materiálů se používají suroviny železné rudy. Historie vzniku názvu takového zařízení sahá až do 14. století. Termín „doména“ pochází ze slova blowing. První kamna se objevila v Evropě a poté, po 16. století, přišla do Ruska.

Konstrukce vysoké pece je následující: pec je instalována na základu a ocelový plášť pokrývá vnější stranu. Základ je poměrně vysoký, tepelně odolná část se nazývá pahýl; Pouzdro má obvykle tloušťku 4 až 6 cm uvnitř, podél stěn jsou ohnivzdorné výrobky. Na vrcholu základu je hřeben, který je vystaven hydrostatickému tlaku roztavené hmoty a vysokým teplotám. Hromady cejnů umístěné uvnitř pláště obklopují speciální chladničky. Představují je litinové desky s cívkami, kterými cirkuluje voda.

Zařízení nepostradatelné v metalurgii železa

Výroba vysokých pecí je jedním z obtížných úkolů v oblasti metalurgie. Ale zároveň tento design pochází z více než jednoho století. S rozvojem vědeckotechnického pokroku se konstrukce pece mírně měnila, začaly se přidávat prvky a díly, které umožňovaly velmi urychlit výrobní proces. Kromě toho bylo mnoho obtížně ovladatelných režimů v moderních pecích automatizováno.

Provoz vysokých pecí je důležitou součástí moderního železářského a ocelářského průmyslu. V moderní výrobě se používají pouze zařízení s vysokou úrovní produktivity. Pokročilé vysoké pece jsou navíc vybaveny automatizačními systémy. Úlohou automatizace je regulovat, řídit a zaznamenávat hlavní charakteristiky tavicích operací. Moderní pec může řídit úroveň nalévání vsázky, dodávku rudy, teplotu foukání a tlak plynu.

Produktivita takových pecí roste, dalo by se říci, v souladu s dobou. Vylepšení tavícího systému umožňuje několikanásobné zvýšení produktivity zařízení.

Schéma vysoké pece poskytuje vizuální představu o tom, jak to funguje. Zde můžete pozorovat, jak se mění konstrukce zařízení v oblastech s vysokou teplotou. Také s přihlédnutím k diagramu můžete vidět, kam se nalévají složky surovin a na jakou úroveň.

Procesy ve vysoké peci probíhají v přesně stanoveném pořadí. Samotná pec má vertikální tvar, srovnatelný s šachtovým typem. Výška se může mírně lišit, ale nepřesahuje 35 m Průměr konstrukce je obvykle 2,5 – 3 krát menší. Proces probíhá v určitém pořadí. Nejprve se obnoví železo. Pak se obnovují další prvky – fosfor, síra a další. Vzniklá struska, která již výrazně změnila své složky, stéká dolů a hromadí se v oblasti ohniště. Právě chemické složení strusky určuje složení litiny.

Princip činnosti zařízení

Princip činnosti vysoké pece je vyjádřen v několika fyzikálních a chemických operacích. Přítomnost těchto operací je dána teplotní oblastí samotné pece a zatížením materiálu. Obecně lze rozlišit následující procesy:

• proces rozkladu vápence, jehož výsledkem je tvorba anhydridu kyseliny uhličité a oxidu vápenatého;
• obnova železa a dalších prvků;
• nauhličování železa;
• tavení kovů;
• tvorba a tavení strusky;
• spalování paliva a další.

Ohřívač vzduchu pro vysokou pec je zařízení, ve kterém se předehřívá vzduch. Tento vzduch je pak přiváděn do pece. Dřívější zařízení na tavení litiny nemělo takový prvek jako ohřívač vzduchu. Vývoj zařízení umožnil výrazně snížit náklady na palivo.

Vsázka v moderním pojetí je směs koksu, aglomerátu železné rudy a tavených surovin. Před procesem tavení prochází vsázka speciální přípravou. Nejprve se rozdrtí, poté prosévá. Po prosévání jsou velké kusy odeslány k opětovnému drcení.

Výsledkem procesu spalování je zvýšení teploty. Nejvyšší teplota může dosáhnout více než 2000 stupňů Celsia. Procesy probíhají pod tlakem horkých plynů. Při stoupání se tyto plyny ochladí na 300-400 stupňů v blízkosti kokoshnik.

Účel pecí

Výroba surového železa ve vysokých pecích je významným odvětvím železářského a ocelářského průmyslu. Tato práce vyžaduje nejen nutnost použití speciálního vybavení, ale také pečlivé dodržování určitých technologií. Tavení se provádí ve vysoké peci z odpadních hornin a rudných hmot. Rudnou látkou může být červená, hnědá, jizvová, magnetická železná ruda nebo manganové rudy.

Redukce železa je jednou z hlavních fází výroby litiny. V důsledku tohoto procesu železo ztvrdne. Dále se ponoří do páry, která podporuje rozpouštění uhlíku v žehličce. Tak vzniká litina. Právě v horké části pece se začíná tavit samotná litina, která pomalu stéká dolů do spodní části.

Princip činnosti vysoké pece závisí na typu tohoto objemného zařízení. Existují koksovny a pece na dřevěné uhlí. První pracují na koksu, druzí, respektive na dřevěném uhlí. Šachtová pec je navržena pro nepřetržitý provoz. Tvar tohoto zařízení jsou dva kužely, složené se širokými stranami na základně. Mezi těmito kužely je část pece, která má válcový tvar – pára.

Průmyslová vysoká pec, nazývaná tavírna, je navržena tak, aby převáděla zpracovávaný materiál z jednoho stavu do druhého. Pevné skupenství tedy postupně vlivem teploty překračující bod tání přechází do kapalného skupenství. Materiál přivedený do kapalného stavu může být v zavěšené poloze, dále v krystalizátoru, kelímku, důlní kovárně nebo lázni na ohništi. Průmyslové vysoké pece se používají k výrobě kovů z rud. Právě v nich probíhají procesy tavení barevných kovů a oceli, tavení skla a další.

Opravy vysokých pecí lze provádět několika způsoby. Větší opravy se provádějí podle potřeby nebo v souvislosti s plánovanými většími opravami. V tomto období je pozastaven nepřetržitý proces práce. Velké opravy jsou rozděleny do tří typů kategorií. V první kategorii oprav musí být tekuté tavicí produkty zcela uvolněny z pece a musí být provedena důkladná kontrola všech zařízení. Druhá kategorie označuje průměrnou opravu s výměnou některých prvků. Třetí kategorie oprav zahrnuje výměnu plnicích zařízení a seřízení ochrany vysoké pece.

Vysoké pece byly po několik staletí hlavními jednotkami pro zpracování materiálů železné rudy a přestože byly používány ve staré Číně, jsou stále aktuální. Vysoké pece jsou velké šachtové tavicí jednotky určené pro tavení litiny a feroslitin. Princip činnosti je založen na protiproudu vzhůru se pohybujících horkých redukčních plynů a naložené vsázky a klíčovou vlastností je kontinuita tavícího procesu.

Jejich design samozřejmě v průběhu let prošel různými změnami. Vysoké pece byly modernizovány, zdokonalovány a vyráběny z různých materiálů, avšak princip jejich činnosti byl, je a zůstává nezměněn. A i přes vysokou úroveň moderních technologií zůstane vysokopecní proces v nadcházejících desetiletích stále jednou z hlavních výrobních metod v železářském a ocelářském průmyslu.

Historie vysoké pece

Železo (Fe) je čtvrtým nejrozšířenějším prvkem na Zemi. Ale na naší planetě se nenachází v čisté elementární formě, snad s výjimkou jako součást padlých meteoritů. Lidé jej proto začali získávat redukcí z rud obsahujících železo, což jsou oxidy a oxid uhličité soli oxidu Fe. A protože elementární vazba mezi Fe a O₂ poměrně trvanlivé, museli první vynálezci za pomoci pokusů a omylů vytvořit první a možná ne zcela efektivní tavicí jednotky a použít dřevěné uhlí, které bylo v dávných dobách jediným zdrojem energie, k získání vysokých teplot.

Vzhledem k úrovni moderní techniky je těžké pochopit, jak bylo možné použít vysokou pec bez výkonných skipových kladkostrojů, četných přístrojů a senzorů a bez zemního plynu a práškového uhlí. Ve světě se však dochovalo poměrně velké množství vysokých pecí ze 17.-19. století. Většina z nich jsou předměty historického dědictví a jsou exponáty skanzenů. Úplně první vysoké pece ale vznikly v Číně, o čemž svědčí litinové výrobky, jejichž výroba sahá až do 5. století před naším letopočtem.

Čína

Četné litinové artefakty nalezené v různých letech v Číně a rané tibetské spisy naznačují, že právě na území moderní Číny byl poprvé vynalezen a zvládnut vysokopecní proces. Vznik vysoké pece a počátek výroby litiny v Číně jsou navíc spojeny s kulturou království Shang Shung.

Dnes není možné s jistotou určit, jaká byla struktura vysoké pece ve starověké Číně. Je známo pouze to, že rané stavby měly hliněné stěny a jejich dům měl tvar dvou komolých kuželů spojených velkými základnami. Nízký výkon dmychadel omezoval možné zvýšení výšky šachty pece, proto byly pece vysoké 2 metry. Pozůstatky největších celků dosahující téměř 10 metrů výšky byly nalezeny v provinciích Guangdong a Sinchuan. Z některých zdrojů je také známo, že:

• v roce 500 před naším letopočtem E. místní řemeslníci se naučili přivést teplotu vystavení náloži na 1130°C;
• do roku 300 před naším letopočtem E. trhací železo se začíná ve Střední říši hojně používat k výrobě zbraní, nástrojů a zemědělského nářadí;
• V 11. století kvůli rostoucím objemům tavení železa v říši písní začalo masivní kácení stromů. A dřevěné uhlí, jediné palivo tehdejší vysoké pece, se začalo nahrazovat živičným kamenem.

Středověká Evropa

Ve 12. a 13. století se ve Štýrsku (dnešní Rakousko) používala sýrová pec (stukofen) k získávání železných kovů chemickou redukcí železa z rudy. Fungovala téměř stejně jako vysoká pec, což nám umožňuje považovat ji ne-li za prototyp, tak za jeho předchůdce.

Blíže do 5. století byly vysoké pece stavěny ve Švýcarsku, Švédsku, Vestfálsku a Anglii. Jejich výška dosahuje 1,0 metrů a na údržbu se již používají nejrůznější mechanizační prostředky. A přestože přívod vzduchu byl realizován klínovými měchy ovládanými hydraulickým pohonem, stále to nemohlo zajistit vysokou intenzitu tavení a denní produktivita vysoké pece byla v té době v lepším případě 1,2. XNUMX tuny.

Existuje několik hypotéz o tom, jak se výroba vysokých pecí objevila v Evropě. Podle jedné verze mohla být technologie ukradena Číňanům, podle druhé mohla být převzata od národů, které obývaly území jižně od Kaspického moře. Všichni historici se ale shodují, že cisterciáci významně přispěli k rozvoji výroby vysokých pecí v Evropě. Mniši tohoto katolického řádu se aktivně zapojovali do hospodářské činnosti a byli nejlepšími hutníky ve středověku. I v primitivních vysokých pecích té doby dokázali cisterciáci dosáhnout vysoké účinnosti při tavení rudy na surové železo, o čemž svědčí zbytky strusky s velmi nízkým obsahem železa nalezené při vykopávkách.

Moderní scéna

Další vznik a rozvoj vysokopecní výroby se datuje již do 18.-20. století. A významnou roli v tom sehrály velké vědecké a technologické úspěchy. Mezi nimi:

• přijetí patentu na koksovatelné uhlí mladším A. Derbym v roce 1735;
• vytvoření univerzálního parního stroje D. Wyattem v roce 1784;
• vývoj v roce 1828 D. Nelsonem technologie pro zahřívání vysokých pecí před jejich přiváděním do vysoké pece;
• vynález v roce 1850 nabíjecího zařízení typu „trychtýřový kužel“ pro nakládání náboje;
• Bessemer získal patenty v období 1867. 1871 na tavení litiny s vysokým tlakem uvnitř pece a na technologii provozu vysoké pece pomocí dmýchání obohaceným kyslíkem.

Parní elektrárny a bloky se začaly hojně využívat pro vytápění a zásobování vysokých pecí a také umožnily výrazně snížit spotřebu uhlí a nahradit ho antracitem. Ale i přes četné inovace koks byl a zůstává hlavním palivem pro vysoké pece. Právě jeho využití se stalo klíčovým faktorem pro hutnictví a základem průmyslové revoluce 19. století a koksové vysoké pece fungují dodnes.

Vysoké pece se používaly i k tavení zinku. Na rozdíl od pecí, které taví železo, jsou poněkud nižší, nemají žáruvzdornou vyzdívku v bočních stěnách a jsou zcela utěsněné. Ale kvůli vysokým nákladům se zinkové vysoké pece téměř nikdy nepoužívají.

V důsledku četného vývoje a zavedených nápadů prošla výroba vysokých pecí obrovskými kvalitativními změnami a nárůst výroby železa a oceli vedl ke vzniku vysoce výkonných vysokých pecí.

Schéma vysoké pece

Nyní se pokusme podrobněji porozumět tomu, co je vysoká pec. Ostatně je zajímavé, co se skrývá za mohutnou vyzdívkou a četnými technickými plošinami, které vysokou pec obklopují po celém obvodu.

Vysoká pec je šachtová tavicí jednotka s nepřetržitým provozem, ve které všechny procesy výměny tepla, tavení a redukce probíhají v proudu kusových materiálů vsázky a redukčních plynů pohybujících se k sobě. Jednotky se mohou lišit velikostí pracovního prostoru, úrovní produktivity a velikostí, ale obecně mají všechny identický design. Typická konstrukce vysoké pece zahrnuje takové prvky, jako je víko, hřídel, pára, osazení, nístěj a příruba.

Koloshnik

Tato válcová část je umístěna v horní části trouby. Vsázka je nakládána a rozváděna skrz ni, takže pec zažívá nárazy a abrazivní účinky železnorudných materiálů, koksu a tavidla padajícího z velkého kužele. A jako zařízení má komplexní vícepodlažní strukturu, která zahrnuje nakládací zařízení, systém výstupu plynu s ventily, minicyklony a potrubní systém pro vyrovnávání tlaku.

Moje

Jedná se o objemově největší a nejméně odolnou část pece, která má tvar komolého kužele. Právě v dole probíhají hlavní fyzikální a chemické procesy interakce mezi pevnými materiály vsázky a plyny. A jeho výrazná výška je dána tím, že při pohybu materiálů by mělo docházet k největší nepřímé redukci oxidů železa a toho je dosaženo dlouhým pobytem materiálů v dole. Při nedostatečné výšce přecházejí materiály do spodní části pece slabě redukované a pro zajištění vysoké plynové propustnosti vsázkové kolony po celou dobu tavení se šachta rozšiřuje shora dolů.

Raspar

Válcová část pece, která má největší průměr a zajišťuje plynulý přechod hřídele do osazení. V profilu vysoké pece se pára nachází v souladu se začátkem fáze tvorby strusky. Díky svým širokým rozměrům je snížena rychlost pohybu plynu v zóně tvorby strusky a je zabráněno zamrzání vsázky, protože v okamžiku, kdy se materiály železné rudy přeměňují na těstovitou hmotu, klesá propustnost vrstvy vsázky a dochází k zamrzání vsázky. hydrodynamický odpor se zvyšuje.

Ramena

Tato část trouby má tvar obráceného komolého kužele. To umožňuje nasměrovat toky plynu ze spalovací zóny do „rudného hřebene“ a zpomaluje rychlost pohybu vsázkového sloupce směrem dolů.

Horn

Představuje spodní válcovou část vysoké pece a skládá se ze dvou částí: zóny trysky a kovového přijímače. V zóně dmýchací trubice jsou otvory a zařízení, kterými je do vysoké pece pod tlakem přiváděn ohřátý vzduch. A v kovovém přijímači, který shromažďuje tekutou litinu a strusku, jsou otvory pro jejich uvolnění.

Leschad

Toto je ohniště kovového přijímače. S ohledem na hmotnostní a rozměrové parametry a princip činnosti vysoké pece je příruba jedním z jejích nejkritičtějších prvků. Zažívá značné hydrostatické tlakové a teplotní namáhání, a proto je vyroben z uhlíkového a vysokohlinitého materiálu a má speciální typ chlazení.

Nadace

Vysoká pec je unikátní stavba s kolosální hmotou. Někdy na 1 m 3 jejího užitečného objemu může dosáhnout až 12. 15 tun hmotnostního zatížení vytvořeného konstrukcí samotné pece, zatížené vsázkou a taveninou. Aby se takové zatížení přeneslo na zem rovnoměrně, aby se minimalizovalo sedání a tepelné stárnutí, je základ vysoké pece postaven ve dvou vrstvách: spodní část je masivní základ, horní část je pařez.

Podešev je vyrobena z betonu třídy ne nižší než 400 a štěrkové výplně. Jeho konzolové části jsou vyztuženy ocelí. Pařez je vyroben z ohnivzdornějších materiálů a je uzavřen ve válcovém plášti, na jehož vrcholu je vytvořeno sklo šamotového žáruvzdorného materiálu.

Konstrukční rozměry typických vysokých pecí

Rozměry profilu

Užitný objem pece, m3