Vysoká pec: konstrukce a princip činnosti

Vysoká pec je vertikální tavicí konstrukce šachtového typu určená k redukci produktů spalování uhelného koksu (vodík, oxid uhelnatý nebo pevný uhlík) obsažených v železné rudě, peletách nebo aglomerátu oxidu železa za účelem výroby surového železa nebo litiny.

Charakteristickým rysem provozu takových konstrukcí je potřeba zajistit kontinuitu procesu tavení kovů po dobu 15-20 let (až do plánovaných velkých oprav). Tato specifičnost se vysvětluje tím, že při poklesu teploty nebo zastavení pece se všechny součásti uvnitř (roztavená litina, vsázka a struska) slinou do jediné hmoty, kterou nelze roztavit.

Vlastnosti zařízení vysoké pece

Bez ohledu na kapacitu a velikost mají všechny vysoké pece podobnou, relativně jednoduchou konstrukci sestávající z několika základních prvků.

Základ musí unést celkovou hmotnost samotné pece a taveniny v ní, která může dosahovat až desítek tisíc tun. Konstrukce se skládá ze dvou částí: spodní (podešev), což je betonová deska o tloušťce nejméně 4 m, a horní (pařez), pro jejíž výrobu se používá žáruvzdorný beton.

Hořák na spaliny

Kouřovod je válcový prvek umístěný v horní části pece, určený pro nakládání železné rudy, koksu a vsázky. Materiály podávané pomocí skipového kladkostroje vstupují do otočné nálevky s otvory ve spodní části, která přepouští naloženou vsázku do malého kužele a po návratu do původního stavu blokuje výstup vysokopecních plynů. Malý kužel klesá a sype zátěž do mezikuželového prostoru, odkud vstupuje do reverzně-kónické (konkávní) brány šachty pece, po které se zvedne a cyklus začíná znovu. Díky tomuto provoznímu schématu jsou naložené materiály rozmístěny ve vrstvách a opakují se tvar brány.

Moje

Největší část pece, kterou je v příčném řezu seříznutý kužel, rozšiřující se ve spodní části. Právě v této části pece dochází k fyzikální a chemické interakci mezi vkládanými materiály a plyny uvolňovanými při spalování koksu.

Napařte se

Největší prvek v průměru, válcového tvaru, ve kterém proces tvorby a tavení strusky začíná při teplotě asi 1400 °C. Šířka pařáku je dána nutností snížit rychlost proudění plynu, aby nedocházelo k zamrzání směsi nakládaných materiálů.

Ramena

Prvek ve tvaru dole se zužujícího komolého kužele, ve kterém při vyšších teplotách (v rozmezí 1600-1900°C) dochází k dalšímu tavení strusky a kovu.

Roh

Kovárna je umístěna ve spodní části vysoké pece a skládá se ze dvou součástí. V zóně dmýchací trubice jsou zařízení, která zajišťují tlakový přívod vzduchu obohaceného 23-25% kyslíku ohřátého na teplotu 1100-1400°C. Druhá součást, kovová jímka, je vybavena otvory (kohouty) pro uvolňování roztaveného železa a strusky.

Leščad

Příruba je spodní část kovového přijímače, která je vystavena nejvyššímu teplotnímu zatížení a tlaku, vyrobená z tepelně odolných uhlíkových nebo vysokohlinitých materiálů a vybavená chladicím systémem.

Zvenku jsou všechny prvky pece chráněny kovovým pláštěm z plechů z vysokopevnostní žáruvzdorné oceli o tloušťce 30-50 mm v oblasti topeniště, nístěje a ramen a 22-45 mm v oblasti kopule, vrchol a hřídel. Vnitřní část je obložena ohnivzdornými šamotovými, vysokohlinitými nebo uhlíkovými cihlami.

Suroviny a palivo

Na procesu tavení železa ve vysoké peci se podílejí následující komponenty:

• Rudné materiály, což jsou obohacené železné rudy obsahující malé množství odpadních hornin ve formě pelet nebo aglomerátů (ruda v surové formě se používá velmi zřídka a v malých množstvích). Přechod od rudy k upraveným surovinám umožnil zvýšit produktivitu výroby o 25–30 % při současném snížení spotřeby koksu o 15–20 %.
• Tavidla jsou speciální přísady obsahující oxidy hořčíku a vápníku. Díky zavádění tavidel do směsi se teplota tavení žáruvzdorného koksového popela a odpadní horniny rudné části sníží na 1300-1400°C. Obvykle se jako tavidlo při tavení používá obyčejný nebo dolomitizovaný vápenec.
• Nejčastěji se k dosažení teplot potřebných pro tavení používá uhelný koks. Kromě zajištění vysokých teplot působí uhlík obsažený v koksu jako redukční činidlo železa z rudných materiálů a také tím, že je pevným palivem a je součástí vsázky, pomáhá zlepšit jeho propustnost pro plyny. Ve vsázce je podíl koksu cca 50 % z celkového objemu a spotřeba je cca 200-450 kg na tavení 1 tuny surového železa (spotřeba závisí na kvalitě koksu a vsázky a také na vlastnosti technologického procesu). Vzhledem k tomu, že náklady na litinu tvoří 40–50 % koksu, často se jako přísady používají levnější druhy paliv (ne však více než 30–40 % z celkového objemu): práškové uhelné palivo (PUF), odpad z výroba hořlavých plastů a jiné.

Chemické složení všech složek vsázky musí být jednotné, protože změny v něm zvyšují spotřebu materiálů.

Hlavní fáze procesu ve vysoké peci

Vysokopecní proces lze rozdělit do několika hlavních fází.

Dfukování vysoké pece

V této fázi lze kamna, která byla postavena nebo prošla většími opravami, vysušit horkým vzduchem, aby se odstranila zbytková vlhkost ze švů žáruvzdorného vnitřního obložení. Sušení se provádí po dobu 5-6 dnů s postupným zvyšováním teploty ze 100°C na 800°C.

Po vysušení se vyzdívka pece ochladí na 50-60 °C, protože vyšší teploty mohou způsobit vznícení koksu během fáze zavážení. Po čekání na ochlazení je do kovárny naložena první várka koksu a foukací vsázka je naložena do pece až po úroveň vršku.

Po plném naložení se provede foukání, což je v podstatě uvedení pece do provozu. Do pece je přiváděn vzduch ohřátý na teplotu 700-800°C se zvýšeným obsahem kyslíku až o 25%, což vede k vznícení koksu. První struska se získá přibližně o 15 hodin později a litina – 20-24 hodin po foukání. Návrat do normálního provozu obvykle trvá několik dní.

Procesy

V různých zónách provozované vysoké pece probíhají následující procesy:

• Oxidace. V zahřátém stavu je koks na úrovni dmýchadel přiváděn do spalovací zóny a zároveň je dmýchacími trubkami přiváděn kyslíkem obohacený vzduch ohřátý na 1000-1300°C v objemu přibližně dvojnásobku objemu pece. . Kyslík obsažený ve směsi vzduchu spaluje uhlík, což má za následek uvolňování oxidu uhličitého. Oxid uhličitý zase reaguje s uhlíkem za vzniku oxidu uhelnatého (CO). Současně se voda, která vstupuje se vzduchem, pod vlivem vysokých teplot, rozkládá na vodík a kyslík. Nakonec se v kovárně vytvoří směs plynů, která obsahuje 58-63 % dusíku, 35-40 % oxidu uhelnatého a 1,5-2 % vodíku.
• Proces snižování vsázkových materiálů a pohybu plynu. V důsledku spalování koksu a tavení vsázky se ve spodní části šachty pece uvolní místo, do kterého se vlastní vahou spouští koks a vsázka z výše umístěné vrstvy a uvolní se prostor. v horní části pro nový náboj. Celý cyklus, od naložení až po příjem hotového výrobku, trvá v průměru 5-8 hodin. Kychtový plyn vznikající v peci o teplotě 1900-2300°C pod tlakem přiváděného vzduchu prochází naplněnou vsázkou, uděluje jí teplo, a je odváděn vrchní částí při teplotě 150-350°C. .
• Regenerace železa. Roli redukčního činidla v procesu získávání železa z rudných materiálů hraje oxid uhelnatý a vodík, které při reakci s kyslíkem obsaženým v oxidu železa tvoří oxid uhličitý a vodu.
• Tvorba litiny a strusky. V důsledku kontaktu redukovaného železa s koksem dochází k jeho nasycení uhlíkem, čímž vzniká litina – slitina, která obsahuje 2-4 % uhlíku a drobné nečistoty křemíku, hořčíku, síry a fosforu. Vlivem rozdílu hmotnosti se roztavené surové železo hromadí ve spodní a struska v horní části topeniště. Tavenina vstupuje do litinových odpichových otvorů, načež se v sousedním skluzu dělí na litinu a strusku.

Konečnou fází pracovního cyklu vysoké pece, která obvykle trvá až 20 let, je foukání, při kterém se zbylá vsázka taví bez přidávání nových dávek materiálu. Zbytky taveniny (tzv. kozí litina) umístěné pod litinovým odpichovým otvorem se odstraňují speciálním otvorem.