Vysoká pec je určena pro tavení surového železa ze železných rud a je nejdůležitější jednotkou v metalurgii železa. Základem technologických procesů probíhajících ve vysoké peci jsou procesy redukce oxidů železa.
Vysoká pec je vysoká kruhová šachta (obr. 109), spočívající na železobetonovém základu, umístěná zpravidla v hloubce 6 – 7 m. Nadzemní část základu je vyzděna žárobetonem.
Profil pracovního prostoru pece ve vertikálním řezu se skládá z kouřovodu (horní válcová část), šachty (horní kuželová část), páry (široká válcová část), osazení (spodní kuželová část) a nístěje (spodní válcová část) .
Vyzdívka pece je chráněna kovovými prstenci sestavenými ze segmentů před nárazy a abrazivním působením kusů vsázky padajících z velkého kužele plnicího zařízení. Dřík, rašple a ramena jsou vyzděny kvalitními šamotovými cihlami a topeniště a bok (pod pecemi) jsou vyzděny z vysokohlinitých cihel nebo uhlíkových bloků. Výstelka spodní části hřídele, stejně jako výstelka, ramena, topeniště a příruba jsou chlazeny vodními chladiči.
Zdivo šachty je uzavřeno v celosvařovaném ocelovém plášti. Níže, v úrovni přechodu šachty do parní komory, je plášť ukončen opěrným prstencem, který je podepřen sloupy se speciálními podpěrami, které přenášejí zatížení na nosnou základovou desku. Kovárna je také obklopena svařovaným ocelovým pláštěm.
Horký proud z ohřívačů vzduchu vstupuje do vložkovaného prstencového potrubí přes vložkované vzduchové potrubí. Z prstencového potrubí je vzduch veden do vyvložkovaných hadic a měděnými vodou chlazenými dmýchacími trubicemi umístěnými v horní části nístěje po obvodu vstupuje do vysoké pece. Trysky jsou vsazeny do kónických chladičů, které zapadají do střílen těsně přiléhajících k plášti pece.
Ve spodní části nístěje, ve výšce 600 – 1000 mm od příruby, je jeden nebo dva litinové odpichové otvory – kanály pro periodické uvolňování litiny a strusky. Struska se od litiny odděluje ve skluzu pomocí průchodu a přepážky (skimmeru). V intervalech mezi vypouštěním litiny se odpichový otvor ucpává žáruvzdornou hmotou pomocí speciálního zařízení – elektrické pístové pistole.
Ve výšce 1400 – 1600 mm od litinového odpichu jsou v určitém úhlu k sobě umístěny dva odpichové otvory, kterými se struska uvolňuje. Odpichový otvor strusky se skládá z duté měděné vodou chlazené přívodní trubky, která zapadá do kónického měděného chladiče vloženého do litinového chladiče s cívkou. Odpichový otvor strusky je uzavřen speciální zátkou s ocelovou zátkou.
Vysoká pec je plněna vsázkou shora přes speciální vsázkové zařízení. Skládá se z velkého kužele s nálevkou zakrývající horní část pece a malého kužele s otočnou přijímací nálevkou. Tato konstrukce plnicího zařízení umožňuje rovnoměrné rozložení materiálu po obvodu pece a eliminuje ztráty plynů do atmosféry. Vsázka je do vysoké pece zavážena vrstva po vrstvě.
Proces rozvoje vysokopecní výroby se ubírá směrem ke zvyšování obsahu železa v rudných surovinách, snižování spotřeby paliva a částečné nahrazování nedostatkového paliva, kterým je koks, zemním plynem (méně často topným olejem). Zvyšuje se i velikost vysokých pecí. Užitné objemy vysokých pecí dosahují 5000 m3.
Zvýšení obsahu železa v rudné surovině, vedoucí ke snížení množství strusky, snižuje náklady na fyzikální teplo pro ohřev a tavení složek strusky, vede k ohřevu dna pece a snižuje spotřebu paliva. Snížení spotřeby paliva zase zvyšuje účinnost a produktivitu pece.
V současné době se jako rudná část vsázky používá aglomerát – produkt obohacování železné rudy slinováním drcené železné rudy, koncentrátu železa, úletů a tavidel.
Velmi slibné je použití pelet, produktu peletizace a pražení koncentrátu železa.
Hlavním typem paliva ve vysoké peci je koks. Jako doplňkové palivo se používá zemní plyn, který je dodáván přes dmýchací trubice.
Horké plyny vznikající v oblasti dmýchací trubice v důsledku spalování padajícího koksu na CO a vstřikovaného zemního plynu na CO a H2, jsou profukovány (filtrovány) přes sloupec kusových materiálů pod tlakem vytvářeným dmychadly. Surová ruda a koks naložené přes zavážecí zařízení se postupně ohřívají a ztrácí vlhkost a těkavé látky. Při použití tavidel a surových rud dochází také k rozkladným procesům uhličitanů. Suroviny železné rudy se obnovují. Vyšší oxid Fe2О3 se postupně mění na železo prostřednictvím přechodných oxidů. Redukční proces se provádí téměř po celé výšce pece, ale končí nad úrovní dmýchadel před vstupem složek rudné suroviny do spalovací zóny. Redukčními činidly jsou plynné složky (CO a H2), oxiduje při redukci na CO2 a H2O.
Proces redukce železa se skládá z reakcí
Tento proces vyžaduje spotřebu uhlíku a absorbuje velké množství (156,64 MJ/mol) tepla.
Při vysokých teplotách dosahovaných po tavení a separaci složek rudné části vsázky na kov a strusku se do určité míry rozvíjejí endotermické procesy přímé redukce křemíku a manganu a také proces nauhličování železa. Tyto procesy se provádějí prouděním trysek litiny a strusky přes vrstvu koksu (koksové lože), který funguje jako filtr, který umožňuje průchod tavenin a plynů a blokuje cestu ještě neroztaveným nebo poloroztaveným kusům. rudné materiály.
Oxid uhelnatý, který vzniká reakcemi (101) a je hlavní horkou složkou vysokopecního (vrcholového) plynu, je odstraňován z pece při teplotě přibližně 650 K a následně je využíván pro ohřev ohřívačů vzduchu a ohřevu pecí. .
Pro odvod plynu jsou v kupole pece uspořádány čtyři boční stoupající výstupy plynu. Vertikální sekce výstupů plynu jsou ve dvojicích spojeny do dvou výstupů plynu, které se přeměňují v jeden výstup plynu směřující dolů, který vstupuje do primárního sběrače prachu shora podél osy. Vývody plynu jsou vyzděny šamotovými cihlami.
Přenos tepla ve vysokých pecích
Ve vysoké peci se vsázka pohybuje shora dolů a horké plyny se pohybují zdola nahoru. Dochází tak k protiproudu plynu a náboje. Povaha výměny tepla mezi plynem a kusy vsázky závisí na poměru jejich vodních ekvivalentů. Vodní ekvivalent plynu (náplně) je součinem průtoku plynu (náplně) a jeho (jeho) tepelné kapacity, tzn.
kde Wг и Wш — vodní ekvivalenty plynu a náplně, W/K;
Gг и Gш — spotřeba plynu a náboje, kg/s nebo m 3 /s;
сг и сш — tepelná kapacita plynu a vsázky, J/(kgK) nebo J/(m 3K).
Vztah mezi vodními čísly plynu a vsázky má významný vliv na přenos tepla v šachtových pecích. Charakteristická jsou dvě schémata protiproudé výměny tepla znázorněná na Obr. 110.
Pokud je vodní ekvivalent průtoku plynu větší než vodní ekvivalent průtoku vsázky, tzn. Wг > Wшpak teplota náplně dosáhne počáteční teploty chladicí kapaliny (plynu) Тг “ a chladicí kapalina opouští výměník tepla s teplotou Тг “.
V tomto případě lze při zachování konstantního součinitele prostupu tepla a poměru vodních ekvivalentů podél výšky šachtové pece určit teplotu vsázky na různých úrovních šachty pomocí přibližné rovnice B. I. Kitaeva:
kde je číselný koeficient závislý na Biotově kritériu;
— součinitel prostupu tepla na jednotku objemu vsázky, W/(m 3 K);
f — pórovitost vrstvy vsázky (zlomek jednotky), rovna poměru objemu neobsazeného kusy vsázky k celému objemu;
— čas od začátku nabíjení, nabíjení, s;
Н — výška vsázkových materiálů, m.
Když je vodní ekvivalent náplně větší než vodní ekvivalent plynu, tzn. Wш > Wг, plyny odevzdávají veškeré své teplo vsázce a jsou ochlazovány na teplotu vstupující vsázky Тш. Toto teplo však nestačí k zahřátí směsi na počáteční teplotu plynů. Vsázka po výměně tepla bude podchlazena, její teplota Тш bude nižší než teplota plynů vstupujících do dolu Тг.
Chcete-li určit teplotu plynu na různých úrovních dolu s tímto schématem výměny tepla, můžete použít druhou přibližnou rovnici B. I. Kitaeva:
K určení teploty vsázky použijte rovnici tepelné bilance:
Stanovení koeficientů prostupu tepla v šachtových pecích je velmi obtížné, protože tvar a velikost kusů vsázky jsou extrémně nejisté.
Tato složitost je prohloubena i tím, že vzdálenost mezi dílky je velmi nejistá. Přenos tepla z plynů na kusy vsázky se uskutečňuje třemi typy přenosu tepla: konvekcí, tepelnou vodivostí a sáláním, s proměnnou měrnou hodnotou každého typu přenosu tepla. Přenos tepla konvekcí má převládající význam, protože vzdálenost mezi kusy je velmi malá a tepelné záření je malé.
To vše si vyžádalo použití součinitelů prostupu tepla na jednotku objemu při výpočtech prostupu tepla v šachtových pecích [W/(m 3 K)] a na jednotku povrchu F [W/(m 2 K)], ve vzájemném vztahu následujícím vztahem:
kde F – průměrný specifický povrch kusů náboje (m2/m3).
Empirické rovnice lze použít k určení koeficientu přenosu tepla na jednotku plochy povrchu kusů. Jedna z těchto rovnic, kterou získal A. N. Chernyatin, má následující tvar
Nu = 0,53 0,34 Re 0,66, (105)
kde — tvarový koeficient, který zohledňuje ztrátu povrchu v bodech kontaktu mezi kusy. Na kusy rudy = 0,86.
A pomocí výrazů (104) a (105) můžete najít koeficienty F и , nezbytné pro výpočty pomocí rovnic (102) a (103).
V reálných provozních podmínkách vysoké pece jsou pozorovány odchylky stálosti poměru vodních ekvivalentů, způsobené vlivem fyzikálních a chemických procesů probíhajících v objemu pece.
Za provozních podmínek vysoké pece se svou výškou rozlišují tři teplosměnné zóny (obr. 111): 1) horní zóna, ve které dochází k výměně tepla za podmínek Wг > Wш a teplo plynu není plně využito; 2) střední zóna, ve které dochází k výměně tepla v důsledku exotermických reakcí, které v ní probíhají, a 3) spodní zóna (s Wг < Wш), ve kterém je pozorována nejintenzivnější výměna tepla.
Tato ustanovení vysvětlují řadu dobře známých ustanovení uplatňovaných v praxi. Například teplo ohřátého dmýchání je zcela využito ve spodní části pece, protože zde Wг < Wш a dochází k intenzivní výměně tepla; zavádění kyslíku do výbuchu nebo snížení specifické spotřeby koksu snižuje teplotu vršku v důsledku skutečnosti, že množství plynů a Wг.
Výkonnostní ukazatele vysokých pecí
Hlavním produktem vysokopecního tavení je surové železo, které se následně používá k výrobě oceli. Má následující složení: 3,7 – 4,3 % C, 0,3 – 1,0 % 51, do 2,0 % Mn, 0,02 – 0,06 % 5, zbytek tvoří železo.
Kvalitativní úroveň provozu vysoké pece je charakterizována poměrem jejího užitečného objemu (m 3 ) k denní tavbě surového železa (t) a nazývá se faktor využití užitečného objemu (UVU), který se obvykle pohybuje v rozmezí 0,43 až 0,75. Přibližné materiálové a tepelné bilance vysokopecního tavení jsou uvedeny v tabulce. 17 a 18.
A z tepelné bilance je zřejmé, že fyzikální teplo plynů se ve vysoké peci využívá velmi dobře, v tomto ohledu je vysoká pec velmi dokonalá jednotka. Chemicky vázané teplo uhlíku není plně využito, protože v peci musí být udržována redukční atmosféra, protože hlavním účelem vysoké pece je redukovat železo z jeho oxidů. V důsledku neúplné oxidace uhlíkové a vodíkové vlhkosti obsahuje vysokopecní plyn kromě CO také hořlavé plyny H2 a CH4. V tomto případě je suchý vysokopecní plyn charakteristický svou výhřevností kJ/m 3 . V důsledku toho 1 kg litiny s kychtovým plynem spotřebuje chemickou tepelnou energii 44772,684=11810 kJ, což je přibližně 44 % tepla získaného spalováním koksu a zemního plynu.
Aby se ušetřil drahý koks, ohřívá se ohřívač vysoké pece v ohřívačích vzduchu. Donedávna dosahovala teplota ohřevu odstřelu 873 – 973 K. V poslední době je díky zlepšení fyzikálně-chemických vlastností tavených materiálů možné použít vysokoteplotní odstřel (1723 – 1473 K). To umožnilo snížit spotřebu paliva (koksu) o 10–15 % i více, stejně tak částečně nahradit koks zemním plynem a zvýšit obsah kyslíku ve výbuchu. Použití těchto opatření umožnilo zvýšit produktivitu vysokých pecí.
Litina se taví ve vysokých pecích, což jsou šachtové jednotky. Proces tavení litiny je kontinuální. Materiály vsázky (aglomeráty, pelety, koks, tavidla) jsou do vysoké pece zaváženy shora a do spodní části pece je vháněn vzduch.Spalováním koksu dochází ke vzniku plynů skládajících se z oxidů uhlíku smíchaných s dusíkem a vodíkem. vytvořené ve spodní části pece. Stoupající proud plynu ohřívá pevné materiály vsázky, které při hoření koksu a tavení vsázky klesají. Při určitých teplotách začíná rozklad komplexních sloučenin a redukce železa z oxidů. Tento proces končí nauhličením železa, jeho tavením. Tavenina se hromadí ve spodní části pece a přechází do ní částečně redukovaný křemík, mangan a některé další prvky, ale i fosfor a síra. Tato tavenina je litina obsahující více než 92 % Fe; 3,5-4,3 % C, zbytek Mn, Si, P, S. Litina se periodicky uvolňuje z pece.
Vnitřní objem pece, omezený žáruvzdorným zdivem (vyzdívka), se obvykle nazývá užitečný objem. Největší vysoké pece mají užitný objem více než 5000 m3 a jejich produktivita dosahuje 12000 tun surového železa denně, tzn. Každou minutu se vytaví asi 9 tun litiny.
Celkový pohled a řez moderní vysokou pecí je na Obr. 6. Vnitřní obrys svislého řezu pracovního prostoru pece se nazývá její profil, který rozlišuje vršek, šachtu, páru, ramena a nístěj (obr. 7). Profil je zvolen tak, že naložené materiály jsou v peci rovnoměrně spouštěny a plyny stoupající zespodu jsou rovnoměrně distribuovány po vodorovné části pece.
Pod vrcholem je šachta, jejíž roztažení směrem dolů umožňuje materiálům volně padat dolů. Ramena mají naopak kónický tvar směrem dolů se zužující, vzhledem k tomu, že se v nich zmenšuje objem materiálů v důsledku tvorby tekutých tavicích produktů a výpalu koksu, mezi hřídelí a osazeními je nejširší válcová část – pára.
Založení pece. Hmotnost vysoké pece spolu s materiály v ní obsaženými může dosáhnout 30 tisíc tun. Pro rovnoměrné rozložení tlaku takové hmoty na zem je podzemní část základu (základna) vyrobena ve formě osmihranného vyztuženého betonová deska do tloušťky 4 m, a nadzemní část (pařez) je ze žáruvzdorného betonu. Základ základu podpírají ocelové sloupy, které podpírají ocelový prstenec obklopující vysokou pec. Tento prsten se nazývá maratory ring. Přebírá zatížení kovových konstrukcí pece.
