Vysoká pec: Co to je, jak to funguje, historie jejího vzhledu

výroba surového železa redukcí tavení železných rud nebo aglomerovaných koncentrátů železné rudy ve vysokých pecích. D. p. je obor hutnictví železa (Viz Hutnictví železa).

Odkaz na historii. Litina byla známá ve 4.–6. př.n.l E. Proces vznikl jako výsledek rozvoje procesu bloomery – “přímé” výroby železa v pevném stavu přímo ze železné rudy jeho redukcí v nízkých pecích nebo šachtových pecích (vysokých pecích) na dřevěné uhlí. První vysoké pece se objevily v Evropě v polovině 14. století a v Rusku kolem roku 1630, poblíž Tuly a Kaširy. Na Uralu byla první litina získána v roce 1701 a v polovině 18. století. Díky rozvoji uralské metalurgie se Rusko dostalo na první místo na světě, které si drželo až do začátku 1. století. Až do poloviny 19. stol. Jediným palivem v D.p. V roce 18 použil A. Derby uhelný koks při vysokopecní tavbě.

Hlavní etapy ve vývoji D.p.: použití parního dmychadla (I.I. Polzunov, 1766), proudové topení (J. Neilson, 1829), vynález regeneračního cihelného ohřívače vzduchu (E. Cowper, 1857). V roce 1913 se v Rusku vytavilo 4,2 milionu tun železa. т litina a obsadila 5. místo na světě. V roce 1940 se v SSSR vytavilo 15 milionů. т litina (3. místo na světě) a od roku 1947 byl Sovětský svaz na druhém místě za Spojenými státy. V roce 1970 obsadil SSSR první místo na světě. Tavení železa v SSSR v roce 1 činilo 1971 mil. т. M.A.Pavlov, M.K.Kurako a I.P. Bardin sehráli hlavní roli ve vývoji D.p. D.P. v SSSR se vyznačuje použitím vysoce mechanizovaných a automatizovaných jednotek a vyspělé techniky.

Zdrojové materiály (náboj) v D.p. jsou: železná ruda (Viz Železné rudy), manganová ruda (Viz Manganové rudy), aglomerát, pelety, jakož i palivo a tavidla. Tavený aglomerát (přes 90 %), který obsahuje 50-60 % Fe s bazicitou (viz bazicita) 1,1-1,3, je široce používán ve vsázce vysokých pecí v SSSR; Použití tavených pelet se rozšiřuje. Nejdůležitější vlastnosti vsázkových materiálů obsahujících železo, které určují technické a ekonomické ukazatele vysokopecního tavení, jsou: obsah železa, složení hlušiny, množství škodlivých nečistot, dále granulometrické složení, pevnost a vytěžitelnost. Hlavním palivem v D.p. Rozšiřuje se tavení s náhradou části koksu plynným, kapalným nebo pevným palivem vháněným do nístěje vysoké pece. Jako tavidla se používá vápenec a někdy dolomit.

Hlavní druhy litiny, tavené ve vysokých pecích: surové železo používané pro výrobu oceli v ocelářských jednotkách; slévárna, používaná pro litinové odlitky; speciální litiny. Vedlejší produkty D. p.: Vysokopecní plyn [spalné teplo 3,6-4,6 MJ/m3 (850–1100 kcal/m3 )] po očištění od prachu se používá k ohřevu náporem v ohřívačích vzduchu, dále v továrních kotelnách, koksochemických, aglomeračních a některých dalších provozech; vysokopecní struska se používá především v průmyslu stavebních hmot; vysokopecní prach, vynášený z pece a zachycený systémem čištění plynu, obsahující 30-50 % Fe, se po své předběžné aglomeraci (hlavně aglomerací) vrací do vsázky vysoké pece (viz Aglomerace).

Prodejna vysokých pecí (obr. 1) provoz s plným metalurgickým cyklem má zpravidla minimálně 3 vysoké pece s horkovzdušnými ohřívači a systémem čištění plynu. Zásoba vsázky (koks na 6-12 ч, aglomerát nebo ruda, stejně jako tavidla na 1-2 dny provozu pece) jsou skladovány v bunkrech nadjezdu (společné pro všechny vysoké pece). Na mnoha hutních provozech je součástí vysokopecní dílny tzv. rudný dvůr, kde se skladuje hlavní zásoba železné rudy, která se nakladači rud skládá na hromady. Tvorba stohu a sběr materiálů z něj se provádí s ohledem na průměrování rud. Vysokopecní dílna disponuje také stroji na odlévání železa.

Vysoká pec (obr. 2) je šachtová pec kruhového průřezu; vyzděné žáruvzdorným zdivem (horní část šamotovými cihlami, spodní část – převážně uhlíkovými bloky). Aby se zabránilo vyhoření zdiva a aby byl plášť pece chráněn před vysokými teplotami, používají se chladničky, ve kterých cirkuluje voda. Plášť pece a vysoká pec jsou podepřeny sloupy instalovanými na základu.

Vsázka je přiváděna do hrdla pece přes kontejnery, méně často pásovými dopravníky. Nádoby jsou vykládány do pece přes přijímací násypku a zavážecí zařízení instalované na hrdle pece. Vzduch (výfuk) z dmychadel je přiváděn do pece přes ohřívače vzduchu (ve kterých je ohříván na 1000-1200°C) a dmýchací zařízení instalovaná po obvodu pece. Přídavné palivo (zemní plyn, topný olej nebo uhelný prach) je také přiváděno přes dmýchací trubice.

Tavicí produkty jsou vypouštěny do železných a struskových pánví odpichovými otvory umístěnými ve spodní části pece. Vysokopecní plyn vznikající v peci je odváděn plynovými průduchy umístěnými v kupole pece (obr. 3).

Vzdálenost mezi osou litinového odpichového otvoru a spodní hranou velkého nakládacího kužele ve spuštěném stavu se nazývá užitečná výška vysoké pece a odpovídající objem se nazývá užitečný objem vysoké pece. Výkonné vysoké pece v SSSR mají užitečný objem 2000-3000 m 3 a patří mezi největší na světě. Směrnice pro 9. pětiletku počítají s výstavbou vysokých pecí o kapacitě 5000 tis. m 3 .

Základní chemické procesy ve vysoké peci – spalování paliva a redukce Fe, Si, Mn a dalších prvků. Část koksu se používá pro redukční procesy, ale hlavní množství jde dolů do pece a hoří spolu s palivem vstřikovaným do dmýchadel. Plyny s t 1600-2300 °C, obsahující 35-45 % CO, 1-12 % H₂ a 45-65 % N₂při stoupání v peci ohřívejte sestupnou vsázku, zatímco CO a H₂ částečně oxidován na CO₂ a H₂O. Plyny vycházející z pece mají t 150-300 °С.

Spalování na dmychadlech. Na dmýchacích trubicích vysoké pece vznikají spalovací centra, tzv. oxidační zóny, ve kterých vířivý pohyb plynů vede k cirkulaci kousků koksu. Spalování koksu se vyvíjí na kontaktním povrchu pevné a plynné fáze. V tomto případě se kyslík spojuje s uhlíkem za vzniku komplexů C_хО_у, které se následně rozpadají. Ve zjednodušené formě je celkový proces spalování uhlíku v tuhém palivu v dmýchacích trubkách redukován na exotermickou reakci 2C + O₂ = 2CO. Při vstřikování zemního plynu nebo topného oleje, jehož hlavní složkou jsou uhlovodíky (například metan), dochází k reakci s uvolňováním CO a H₂; V tomto případě je podstatná část tepla uvolněného při spalování C absorbována a v důsledku toho se snižuje spalovací teplota na dmýchacích trubicích. Aby k tomu nedocházelo, je nutné zvýšit teplotu tryskání a obohatit ji kyslíkem. Pozitivním efektem vstřikování uhlovodíkových paliv je zvýšení koncentrace vodíku v plynu a tím zlepšení jeho redukční schopnosti.

Restaurování železa a dalších prvků. Ve vysoké peci se Cu, As, P, stejně jako Fe, redukují a téměř úplně přecházejí do litiny. Zcela se redukuje i Zn, který následně sublimuje, mění se na plyny a ukládá se v pórech zdiva, což způsobuje jeho destrukci. Ty prvky, které tvoří silnější sloučeniny s kyslíkem než Fe, jsou částečně redukovány nebo nejsou redukovány vůbec: V je redukován o 75-90 %, Mn o 40-75 %, Si a Ti v malých množstvích, Al, Mg a Ca nejsou redukovány.

Redukce oxidů Fe vstupujících do vysoké pece₂O₃ a Fe₃O₄ probíhá postupnou eliminací kyslíku podle reakcí:

Oxid železnatý FeO se redukuje na Fe plyny (nepřímá redukce) a uhlík (přímá redukce).

Vyšší oxidy manganu MnO₂, Mn₂O₃ a Mn₃O₄ jsou redukovány plyny za uvolňování tepla. Následně je MnO redukován na Mn pouze uhlíkem se spotřebou tepla přibližně 2x větší než při redukci Fe. Si je také redukován pouze o C při vysokých teplotách endotermickou reakcí:

SiO₂ + 2C + Fe = FeSi + 2CO.

Stupeň výtěžnosti Si a Mn závisí především na spotřebě koksu; S každým procentem zvýšení obsahu Si v litině se spotřeba koksu zvyšuje o 5-7 %, což zvyšuje množství horkých plynů v peci, což způsobuje přehřívání šachty. Obohacení foukání kyslíkem, zajišťující vysoké zahřátí pece, snižuje množství vznikajících plynů a následně i teplotu v šachtě pece.

Síra ve vysokopecním procesu. S se přivádí do vysoké pece převážně koksem a přechází do plynů ve formě par (SO₂H₂S atd.), ale většina zůstává ve vsázce (ve formě FeS a CaS); V tomto případě se FeS rozpouští v litině. K odstranění S z litiny je nutné jej přeměnit na sloučeniny, které jsou v litině nerozpustné, například na CaS:

FeS + CaO = CaS + FeO.

Toho je dosaženo tvorbou kapalných strusek se zvýšeným obsahem CaO ve vysoké peci. Regenerační prostředí má na tento proces příznivý vliv, protože snižuje obsah FeO ve strusce. Stupeň odsíření je poměrně vysoký a pouze v některých případech se litina dodatečně odsíří mimo vysokou pec pomocí různých činidel.

Tvorba litiny a strusky. Fe redukované ve vysoké peci je částečně nauhličováno v pevném a poté v kapalném stavu. Obsah C v litině závisí na teplotě litiny a jejím složení. Struska se skládá z neredukovaných oxidů SiO₂, A.I.₂O₃ a CaO (90–95 %), MgO (2–10 %), FeO (0,1–0,4 %), MnO (0,3–3 %) a také 1,5–2,5 % S (převážně ve formě CaS). K charakterizaci strusek se obvykle používá index zásaditosti CaO/SiO.₂ nebo (CaO + MgO)/SiO₂. Zásaditost CaO/SiO₂ pro různé podmínky tání kolísá mezi 0,95-1,35 %. Při tavení litiny za použití koksu s vysokým obsahem S (doněcký koks) pracují se struskami s horní hranicí zásaditosti a snaží se zajistit obsah MgO ve strusce 6-8 % i více a zlepšit její tekutost.

Provoz vysoké pece začíná jeho foukáním. V tomto případě se topeniště a ramena zatíží koksem a šachta se zatíží tzv. foukací náplní. Do plně zatížené pece se přivádí snížené množství ohřátého dmychadla, koks se vznítí a materiály začnou padat. K prvnímu uvolnění litiny a strusky dochází po 12.-24 ч, po kterém se postupně zvyšuje množství tryskání a zatížení rudy (poměr hmotnosti rudy k hmotnosti koksu v nástřiku) a několik dní po foukání ve vysoké peci dosahuje normální produktivity.

Nepřetržitý provoz (kampaň) vysoké pece od zafoukání do vyfouknutí (zastavení kvůli větší opravě) trvá 5-6, v některých případech 8-10 let i více, během nichž je pec 1-2krát odstavena za účelem tzv. střední opravy k výměně opotřebovaného zdiva šachty. Tavení litiny ve výkonných pecích v jedné kampani dosahuje 5-8 milionů. т litina a další.

Řízení provozu (chodu) vysoké pece spočívá v regulaci (v souladu s jakostí surovin a druhu tavené litiny) složení vsázky, množství, teploty a vlhkosti foukání, jakož i množství krmiva nebo pořadí nakládání jednotlivých složek vsázky a úroveň vsázky. Postup vysoké pece je řízen měřicími přístroji, které zaznamenávají hlavní parametry zatížení, tryskání, kychtového plynu a teploty zdiva pece na různých úrovních.

Rozšířilo se tavení se vstřikováním přídavných druhů paliva, obohacování výbuchu kyslíkem a práce se zvýšeným tlakem kychtových plynů. S rostoucím tlakem v horní části se tlakový rozdíl mezi spodní a horní částí vysoké pece zmenšuje; to vede k rovnoměrnějšímu vybíjení náplně, zlepšuje proces regenerace plynů a snižuje odstraňování prachu.

D.p. se vyznačuje vysokým stupněm automatizace. V moderní vysoké peci probíhají všechny operace vsázky automaticky: výběr složek vsázky s proséváním jemných částic, vážení, doprava do vysoké pece a vkládání do pece podle daného programu. Automaticky je udržována optimální úroveň vsázky a rozložení vsázkových materiálů na vysoké peci, tlak vysokopecního plynu, spotřeba chladicí vody, teplota a vlhkost dmychadla, jakož i obsah kyslíku a spotřeba zemního plynu. Spínání ohřívačů vzduchu a řízení jejich topného režimu je automatizované. Automatické analyzátory zajišťují nepřetržitý záznam složení vysokopecního plynu a otřesu. Zavádějí se systémy pro automatickou regulaci dmýchání a dodávky zemního plynu, a to jak pro celkový průtok, tak pro jednotlivé dmýchací trubice.

Nové vysoké pece jsou vybaveny centralizovanými monitorovacími a řídicími systémy, které zajišťují průměrování přístrojových ukazatelů a výpočet komplexních ukazatelů provozu pece. Probíhají práce na komplexní automatizaci vysokých pecí včetně řízení tepelného režimu vysoké pece pomocí počítače.

Výkon vysoké pece závisí především na kvalitě surovin a stupni jejich přípravy k tavení. Klíčové ukazatele: denní produktivita vysoké pece v т a spotřeba koksu na 1 т litina. V SSSR je produktivita vysokých pecí někdy charakterizována koeficientem využití užitečného objemu (CUV), tedy poměrem užitečného objemu k m 3 na každodenní tavení surového železa v т. Kapacita vysoké pece s kapacitou 3000 m 3 – 7000 т litiny za den. V roce 1970 bylo průměrné kipo 0,597 (v některých případech 0,43–0,45). Spotřeba koksu na jednotku taveného surového železa má velký ekonomický význam kvůli vysokým nákladům na koks. Použití přídavného paliva umožňuje snížit spotřebu koksu o 8-20% a tím snížit náklady na litinu. V SSSR při tavení surového železa z dobře připravené vsázky bohaté na železo byla spotřeba koksu 550–600 kg/ta v některých továrnách – ne více než 450-500 kg/t.

Zdokonalování technologie vysokých pecí je zaměřeno na zlepšení přípravy surovin pro tavení, zvýšení kapacity (objemu) vysokých pecí, zavádění progresivní technologie a automatického řízení vysoké pece.

lit.: Sborník prací o teorii vysokopecního tavení, sestavil M. A. Pavlov, v. 1, M., 1957; Leonidov N.K., Zlepšení konstrukcí vysokých pecí, M., 1961; Vysokopecní proces podle nejnovějších výzkumů. [So. [Umění.]. Ke 100. výročí narození akademika. M. A. Pavlova, M., 1963; Výroba vysokých pecí. Příručka, ed. I. P. Bardina, sv. 1-2, M., 1963; Gottlieb A.D., Vysokopecní proces, 2. vyd., M., 1966.

V. G. Voskoboinikov, A. G. Michalevič.

Rýže. 2. Vysoká pec: 1 – ochranné segmenty hrdla pece; 2 – velký kužel; 3 — přijímací nálevka; 4 – malý kužel; 5 — dávkový distributor; 6 – trychtýř velkého kužele; 7 – šikmý most; 8 — přeskočit; 9 — vzduchová tryska; 10 – litinový odpichový otvor; 11 – struskový otvor.

Rýže. 3. Provoz vysoké pece.

Rýže. 1. Moderní vysoká pec: 1 – vysoká pec; 2 – litinový odpichový otvor; 3 – nosiče surového železa; 4 — výstupy plynu; 5 – slévárenské dvory; 6 — ohřívače vzduchu; 7 – komín; 8 — kanály studeného a horkého vzduchu; 9 — kontrolní bod; 10 — sběrač prachu; 11 — zařízení na čištění jemných plynů; 12 — skipový kladkostroj; 13 — nadjezd bunkru; 14 – znečištěné a čisté plynovody; 15 — výtah; 16 – aglomerační závod.

Velká sovětská encyklopedie. — M.: Sovětská encyklopedie. 1969-1978.

Vysoká pec je tavicí pec používaná k tavení kovových rud, především železa a mědi.

První vysoké pece: historie vzhledu

První vysoké pece se objevily v západní Evropě kolem poloviny 14. století.

Již ve starověku se lidé naučili získávat železo v sýrárnách. Pro tyto účely zcela postačovaly tavitelné rudy nalezené na povrchu země. Již ve středověku však rapidně vzrostla potřeba železa a vyvstala potřeba využívat žáruvzdorné rudy.

K extrakci železa z takové rudy byla zapotřebí velmi vysoká teplota tavení. Teplota může být zvýšena zvýšením výšky pece nebo zvýšením foukání. Tak byla sýrová pec nahrazena novou tavicí pecí zvanou stukofen. Vyšší a mnohem dokonalejší štuk byl začátkem na cestě k vytvoření vysoké pece. Navzdory tomu, že se proces získávání železa z rudy nezměnil, došlo k jasnému pokroku. Uzavřená šachta ve stukofenu umožnila koncentrovat teplo a díky výšce dosahující 3,5 m se tavba stala rovnoměrnější a ucelenější a zvýšila se míra využití rudy.

Časem žáruvzdorné rudy vyžadovaly silnější tryskání. Do konce 14. století byly tavicí pece zdokonaleny o hydromotory, které poháněly kožené měchy. Díky tomu zesílilo foukání, které ovlivnilo celý proces. Teplota v peci se tak zvýšila, že když se železo z rudy redukovalo, většina se začala měnit na litinu. To řemeslníky zprvu nemile překvapilo, protože nový kov se nedal kovat, nedal svařit, byl křehký a nehodí se z něj vyrábět odolné nástroje nebo ostré zbraně.

První vysoká pec se objevila v roce 1630 ve městě Tula.

Teplota vysoké pece

Nejvyšší teplota trouby je v horní části topeniště. Tam se vyvíjí až do 2250 °C. Jak se pohybujete nahoru, teplo klesá a nahoře dosahuje 270 °C. V různých výškách ve vysoké peci se ustavuje určitá teplota, díky které dochází k chemickým procesům přeměny rudy na kov. Na konci dne nemůžete zvednout litinu holýma rukama. Jeho teplota je 1400 °C.

Výbušný přívod do vysoké pece

Foukání – Přívod vzduchu speciálními foukacími stroji do průmyslových pecí, pecí atd. aby se urychlily procesy v nich probíhající.

Moderní nucený provoz výkonných vysokých pecí vyžaduje zásobovat je tryskáním o odpovídajícím tlaku a teplotě. První dva z těchto parametrů zajišťují dmychadla a poslední provoz ohřívačů vzduchu.

Vysokopecní ohřívač (možnosti názvu: ohřívač vzduchu, regenerátor, cowper) je zařízení pro ohřev vzduchu (studený dmychadlo vycházející z dmychadla) před jeho přivedením do vysoké pece. Zavedení ohřívačů vzduchu se stalo nejefektivnějším způsobem úspory paliva (koksu) v celé historii výroby vysokých pecí.

Princip činnosti vysoké pece

Nejprve se litina taví ze železných rud ve speciálních pecích zvaných vysoké pece. Proto se proces výroby litiny ze železných rud nazývá vysokopecní proces.

Vysoká pec má velké množství speciálních zařízení a mechanismů, které zajišťují kontinuitu procesu. Většina mechanismů funguje automaticky. Můžete se podívat na schéma výše!

Směs rudy, koksu a tavidla se připravuje v určitém poměru pro plnění do vysoké pece. Tato směs se nazývá směs. Speciální výtah – skip pohybující se po nakloněných drahách – přivádí vsázku do horní části vysoké pece, odkud vstupuje do pece přes zavážecí zařízení.

Pro udržení intenzivního spalování naloženého koksu je potřeba velké množství vzduchu. Vzduch je do pece přiváděn speciálními otvory ve spodní části pece, které se nazývají otvory dmychadel. Aby vzduch prorazil vysoký sloupec vsázky a pronikl do všech částí topeniště a také aby bylo zajištěno dostatečné množství kyslíku pro shoření veškerého paliva, je do topeniště vháněn vzduch pod tlak 1-2 ati. Vzduch se ohřívá na teplotu 600-800°, protože vstřikování velkého množství studeného vzduchu snižuje teplotu uvnitř pece, v důsledku čehož se proces tavení rudy zpomaluje.

Vzduch se ohřívá v ohřívačích vzduchu, které jsou postaveny vedle vysoké pece. Ohřívače vzduchu jsou ohřívány vysokopecním (pecním) plynem získaným při tavení litiny. Vysokopecní plyn se předběžně čistí od prachu ve speciálních zařízeních na čištění plynu. Produkty spalování z ohřívačů vzduchu jsou odváděny komínem.

Tekutá litina vyrobená v peci je spouštěna do její spodní části, odkud je periodicky vypouštěna otvorem zvaným litinový odpichový otvor. Ve speciálních velkokapacitních pánvích se litina z vysoké pece dopravuje do oceláren ke zpracování na ocel nebo do licího stroje na výrobu surového železa.
Gang, tavidla a palivový popel tvoří v peci tekutou strusku, která má nižší měrnou hmotnost než litina, a proto se nachází nad tekutou litinou. Struska je odváděna z pece odpichovým otvorem strusky a posílána ke zpracování a dalšímu využití jako stavební materiál nebo na skládku strusky.

Vysoká pec pracuje kontinuálně na protiproudém principu: výchozí materiály jsou nakládány shora, postupně klesají dolů, mění se na litinu a strusku a plyny zahřáté ve spodní zóně pece stoupají vzhůru, aby se setkaly s výchozími materiály. Pec má vnější ocelový plášť, nazývaný plášť, a vnitřní zdivo neboli vyzdívku. Vyzdívka musí stabilně odolávat opotřebení třením průběžně klesajících sloupců surovin, odolávat vysokým teplotám, aniž by došlo k roztavení nebo deformaci. K vyzdívce se proto používají kvalitní šamotové cihly.