Инновационное оборудование доменного производства

М. Ю. Ткачёв, В. А. Сидоров






                ИННОВАЦИОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА




Учебное пособие















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 669.02/.09 + 669.162.2
ББК 34.323
     Т48

Рекомендовано учёным советом ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет» в качестве учебного пособия для студентов образовательных учреждений высшего профессионального образования (протокол № 2 от 29.05.2020 г.)



Рецензенты:
доктор технических наук, заведующий кафедрой наземных транспортно-технологических комплексов и средств ГОУ ВПО «ДонНАСА» (г. Макеевка) Пенчук Валентин Алексеевич;
доктор технических наук, профессор кафедры основ проектирования машин ГОУ ВПО «ДонНТУ» (г. Донецк) Ченцов Николай Александрович;
кандидат технических наук, заведующий кафедрой машин металлургического комплекса ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ» (г. Алчевск)
Вишневский Дмитрий Александрович


            Ткачев, М. Ю.


Т48 Инновационное оборудование доменного производства : учебное пособие / М. Ю. Ткачёв, В. А. Сидоров. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 156 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-1380-0

         Рассмотрены перспективные направления развития и совершенствования технологических процессов доменного производства. Показано назначение, конструкция, принцип действия, достоинства и недостатки новых машин и агрегатов доменного производства.
         Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 15.04.02 «Технологические машины и оборудование» (профиль «Инжиниринг и технический менеджмент металлургического оборудования»), а также преподавателей образовательных организаций высшего профессионального образования.

УДК 669.02/.09 + 669.162.2
                                                ББК 34.323







ISBN978-5-9729-1380-0

    © Ткачёв М. Ю., Сидоров В. А., 2023
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            Оглавление



ВВЕДЕНИЕ................................................4
1.ОСНОВЫ ТЕОРИИ.........................................6
1.1. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ.......6
Вопросы для самоконтроля...............................18
1.2. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК................................19
Вопросы для самоконтроля...............................28
1.3. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА.....................................29
Вопросы для самоконтроля...............................48
1.4. ЗАГРУЗОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА ДОМЕННОЙ ПЕЧИ..............49
Вопросы для самоконтроля...............................58
1.5. ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛИ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ..................59
Вопросы для самоконтроля...............................73
1.6. ГИДРОПРИВОД МАШИН ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА..........74
Вопросы для самоконтроля...............................83
1.7. ПЫЛЕУГОЛЬНОЕ ТОПЛИВО..............................84
Вопросы для самоконтроля...............................94
1.8. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА......95
Вопросы для самоконтроля..............................106
2. ПРАКТИКУМ..........................................107
2.1. ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ «СЕВЕРЯНКА»........................107
Контрольные вопросы...................................111
2.2. ДОМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО ЯПОНИИ.....................112
Контрольные вопросы...................................119
2.3. ДОМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО КИТАЯ......................120
Контрольные вопросы...................................125
2.4. ДОМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО АМЕРИКИ....................126
Контрольные вопросы...................................128
2.5. ДОМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО ЗАПАДНОЙ ЕВРОПЫ............129
Контрольные вопросы...................................131
2.6. ДОМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО РОССИИ.....................132
Контрольные вопросы...................................137
2.7. ОБОРУДОВАНИЕ ИНОСТРАННЫХ ФИРМ-ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ.......138
Контрольные вопросы...................................142
2.8. ОБОРУДОВАНИЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ЗАВОДОВ...............143
Контрольные вопросы...................................145
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................146
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................148

3

            ВВЕДЕНИЕ



     Как показывает практика, общемировой рост потребления основного конструкционного материала (стали) не может быть удовлетворен ее производством из дефицитного металлолома. Поэтому получение железа из руды посредством доменной плавки по-прежнему останется, в ближайшее время, исходным технологическим процессом в цепочке металлургических переделов, несмотря на то, что его возникновение относят обычно к середине XIV в. Более того, предшествующий ему процесс получения железа сыродутным способом уходит корнями во II тысячелетие до н. э.
     XXI век характеризуется внедрением в высокоэнергоемкой металлургической промышленности инновационных технологий, реализующего их оборудования, новых конструкций, достижений научно-технической революции, высокоинтеллектуальных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). Предприятия наиболее развитых стран мира имеют значительную степень автоматизации и механизации основных и вспомогательных технологических операций. Использование опыта мировых государств - лидеров в вопросах успешного внедрения инноваций в производство с целью повышения конкурентоспособности сегодня является актуальной задачей.
     Среди комплекса дисциплин, формирующих профессиональные компетенции обучающихся по направлению подготовки 15.04.02 «Технологические машины и оборудование» (профиль «Инжиниринг и технический менеджмент металлургического оборудования»), дисциплина «Инновационное металлургическое оборудование» (часть 1) занимает одно из центральных мест и является базой для многих других дисциплин учебного плана. Целью освоения дисциплины является формирование у студентов системы теоретических знаний относительно назначения, конструкции, принципа действия, технико-экономической эффективности применения новых машин и агрегатов в доменном производстве, а также подготовка будущего магистра к практической деятельности в области разработки и проектирования перспективного инновационного металлургического оборудования.
     Задачей дисциплины является рассмотрение вопросов назначения, устройства, принципа действия и технико-экономической эффективности применения инновационных машин и агрегатов доменных цехов.
     В результате освоения дисциплины студент должен знать: перспективные направления дальнейшего развития и совершенствования технологических процессов доменного производства; назначение, конструкцию, принцип действия, достоинства и недостатки новых машин и агрегатов доменного производства, а

4

также уметь: генерировать новые технические решения, предназначенные для использования в инновационных разработках; анализировать и сопоставлять показатели эффективности применения различных комплексов технологического оборудования при производстве чугуна; обоснованно выбирать конструкции металлургических машин, определять условия эксплуатации механического оборудования и направления совершенствования конструкций основных металлургических машин и агрегатов доменного цеха; обосновывать перспективы их дальнейшего совершенствования и развития.
     Настоящее учебное пособие можно использовать для проведения лекций и практических занятий. Все материалы практикума прошли методическую апробацию при подготовке инженеров-механиков по направлению подготовки 15.04.02 «Технологические машины и оборудование» (профиль «Инжиниринг и технический менеджмент металлургического оборудования») в рамках учебной дисциплины профессионального цикла «Инновационное металлургическое оборудование» (часть 1).
     Учебное пособие содержит 8 лекций для изучения основ теории рассматриваемой предметной области, после каждой из которых приведены вопросы для самоконтроля, а также материал практикума в виде содержания 8 практических занятий.

5

            1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ


            1.1. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ


    В определенный исторический момент человек открыл для себя металлы. Сначала, в самородной форме, затем стало возможным получать металлы из руд. Искусство извлечения металлов из руд получило название «металлургия».
    На планете Земля металлы выполняют особую роль - это основа современной цивилизации. Компьютерные системы, скоростные поезда, автомобили, суда и корабли в океане, самолеты и вертолеты в небе, космическая и строительная техника, энергетика, финансовая система и др. - их невозможно представить без металлов, которым придается определенная форма. Металлы можно обрабатывать, ковать, сжимать, снимать стружку, но первым этапом является получение литой заготовки из руды. Первым расплавленным металлом была медь, вернее ее сплавы - бронзы. Технология производства металлов требовала поиска ответов на многие вопросы.
    Основой содержания данной лекции являются материалы книги Склярова Андрея Юрьевича «Металлы - дар небесных богов» [1]. В этой работе последовательно раскрыты вопросы, стоявшие перед первыми металлургами, поиск ответов на которые актуален и сейчас. Сложность процессов, протекающих в доменной или сталеплавильной печи, кислородном конвертере (основных металлургических агрегатах современности) легче понять, вспоминая самые первые опыты плавления металлов.
    Вопрос первый - как узнать, что в камне, лежащем под ногами или глубоко в земле, присутствует необходимый нам металл? История знает много случаев, когда самородные металлы (золото, серебро, медь и др.) просто лежат под ногами и за ними необходимо лишь нагнуться. Так, Никитовское месторождение ртути было открыто в 1879 году горным инженером Аркадием Васильевичем Миненковым, обнаружившим вкрапления ярко-красного минерала (киновари), в обломках песчаника, используемого при строительстве жилых домов. Крупнейшее в мире месторождение железной руды под Курском (Курская магнитная аномалия) было обнаружено по отклонению магнитной стрелки в 1773 году.
    Издревле считается, что растущие по соседству рябина, крушина и лещина скрывают драгоценные камни, а переплетенные корни сосны, ели и пихты - золотые россыпи. Гальмейные фиалки растут над месторождениями цинковых руд. Заросли качима (перекати-поле) растут над медными рудами. Широко распространенный в южноуральских степях цветок грудница мохнатая помогает геологам в поисках месторождений никеля. В Южной Африке по полному отсут-

6

ствиюрастительности были открыты месторождения платины. По распространению мелколепестника овальнолистного открыты запасы серебряной руды в штате Монтана (США).
    Долгое время считалось, что существует 7 металлов: золото, серебро, ртуть, медь, железо, олово, свинец. Золото и серебро, не меняющиеся при воздействии воздуха, влаги и высокой температуры, получили название благородных. Другие металлы, под действием воды и воздуха теряли металлический блеск, покрываясь налетом, после прокаливания превращались в рыхлые, порошкообразные «земли» или «окалины» (оксиды) - их назвали неблагородными. Исторически сложилось деление металлов на черные и цветные. К черным металлам относится железо и его сплавы - сталь, чугун. Цветные металлы - легкие (алюминий, магний, титан), тяжелые (медь, свинец, олово, никель, цинк), благородные (золото, серебро, платина).
    Металлы можно получать из камней, которые совсем не похожи на металл -из руды. Либо куски руды случайно оказались в костре, либо человек стал экспериментировать целенаправленно в поиске этого знания. После открытия полезного свойства таких камней, человек начал специально искать (рис. 1) и добывать металлосодержащие руды. У многих народов считалось, что ветка орешника обладает способностью указывать на скрытые в земле подземные руды, золото и др. Этим способом в древней Европе нашли более 150 месторождений золота, угля, серебра и др.


Рисунок 1 - Поиск руды с помощью лозоходства (средневековая гравюра)

7

     По цвету, рудные минералы не совпадают с цветом того металла, который они содержат. Цвета оксидов: меди - красного или черного; магния - белого; хрома - темно-зеленого; марганца - серо-зеленого; железа - красного или бурого и др. Это самая большая загадка первых металлургов (рис. 2).

б)

д)

ж)

з)

и)

к)

Рисунок 2 (начало) - Металлические руды:
а) малахит; б) свинец в чистом виде; в) медно-сульфидная руда; г) бурый железняк;
д) красный железняк; е) шеелит - минерал вольфрамата кальция; ж) магнитный железняк з) арсенопирит; и) пирит; к) халькопирит;

8

а⁾

в)

л)                                   м)

п)

Рисунок 2 (окончание) - Металлические руды:
л) борнит - минерал, содержащий медь; м) галенит; н) пиролюзит - диоксид марганца;
о) магнетит; п) касситерит - сырье для выплавки олова; р) азурит

р)

    Древний металлург должен был знать руды, и какой металл можно было из них получить. Химического анализа, знаний геологов и минералогов не было. Все приходилось определять самостоятельно - на вкус, запах и цвет. Находки археологов показывают, что древние металлурги прекрасно ориентировались в минералах. В. И. Кузнецов, исследовавший горные выработки, отмечал: «древние горняки и рудознатцы действовали с большим знанием дела: они шли по жиле и выбирали все линзы и скопления медной руды, не останавливаясь на малозначительных вкраплениях. Осведомленность по тем временам поразительная, ведь никаких специальных научных знаний по геологии и горному делу не существовало. Уже в седой древности люди умели искусно вести своего рода геологическую разведку и с этой целью исследовали труднодоступные горные хребты».

9

    Такая уверенность подтверждается и устройством древних шахт (рис. 3). Заброшенные шахты быстро разрушаются и оказываются засыпанными. Первые шахты могли использовать самые легкодоступные и богатые залежи руд. Часто в этих местах добыча руды возобновлялась на более высоком технологическом уровне. Возникает вопрос - откуда появляется уверенность, что на глубине ЮОметров нас ждет искомая руда, необходимая для выплавки необходимого нам металла?

а⁾ б⁾

в⁾ г⁾

Рисунок 3 - Древние шахты:
а) Микаэль Теллингер у древней шахты; б) гробница KV13 - древняя шахта; в) древний рудник в Каргалах; г) прямоугольная древняя шахта уходит на глубину около 1ОО метров


     Вопрос второй - температурный режим в печи. Если температура низкая -руда не расплавится, химические реакции не начнутся. Более высокая температура приводит к расплавлению металла и смешиванию его со шлаком. Эту желанную температуру необходимо было достичь и контролировать. В костре это сделать нельзя - мешает постоянный поток холодного воздуха. Согласно графику (рис. 4) из книги [2] температуру плавления меди 1О83,4 ОС или золота 1О64,4 ос можно получить в замкнутом объеме - тигле (рис. 5).

10

    Сразу возникают несколько вопросов:
    -  в каком виде поместить туда руду;
    -  какое топливо использовать;
    -  как создать восстановительную атмосферу.


Рисунок 4 - Температурный уровень термообработки изделий и извлечения металлов из руд

    Вопрос третий - подготовка шихты. Мало подобрать правильную руду и раздробить ее на одинаковые мелкие кусочки (для более удачной плавки) - надо подобрать флюсы (добавки) и получить шихту. Шихта - это смесь материалов для получения металла, включает измельченную руду и флюсы - материалы для снижения температуры плавления пустой породы и превращения ее в легко текучий шлак.


11