Куполная печь: устройство, принцип работы и применение

В данной статье подробно рассматриваются куполная печь, её основные узлы, схема работы, зоны плавки и технологический процесс. Куполная печь — это вертикальный цилиндрический агрегат для плавки чугуна и стали в литейном производстве.

Основные части куполной печи

Корпус печи представляет собой стальную трубу толщиной 6–12 мм, облицованную изнутри кислотоустойчивыми огнеупами (диоксид кремния SiO₂ и оксид алюминия Al₂O₃). Облицовка в нижней зоне толще, так как там температуры выше. Корпус устанавливается на кирпичный фундамент или стальные колонны. В современных печах с открывающимся дном нижняя часть оборудована заслонками для удаления шлака и кокса после плавки. Рабочее дно формируется из формовочного песка с уклоном к выпускному отверстию (душниковой отверстию). Напротив него, чуть выше, находится шлаковое отверстие.

Воздух для горения поступает от моторного надувника через ветряной трубопровод в ветряной ящик (окружную камеру вокруг корпуса), а затем через дюйеры (обычно 4–8 шт., размер 50×150 или 100×300 мм) на высоте 450–500 мм над дном. Давление надува: 250–400 мм вод. ст. для малых печей, 400–850 мм — для крупных. Расход воздуха — 800–900 м³ на тонну чугуна (при соотношении железа к коксу 10:1). Загрузочная дверь находится на высоте 3–6 м над дюйерами. Над ней продолжается труба (4,5–6 м) с искрогасителем на верхушке. При необходимости устанавливают газоочистные установки.

Зоны куполной печи

По характеру химических процессов вал печи делится на зоны (снизу вверх):

• Чановая зона (колодец/подпечье) — между дном и дюйерами; здесь накапливаются расплавленные металл и шлак.
• Зона горения (окислительная) — 150–300 мм над дюйерами. Полное сгорание кислорода: C + O₂ → CO₂ + Q; Si + O₂ → SiO₂ + Q; 2Mn + O₂ → 2MnO₂ + Q. Температура 1550–1850 °C.
• Восстановительная зона — до верха коксовой подушки. CO₂ + C → 2CO – Q. Температура падает до ~1200 °C. Защищает заряд от окисления.
• Плавильная зона — первый слой металла над коксом, высота ~900 мм. Температура ~1600 °C. Насыщение металла углеродом: 3Fe + 2CO → Fe₃C + CO₂.
• Разогревательная (загрузочная) зона — до загрузочной двери. Заряд (кокс, флюс, металл) прогревается до ~1100 °C.
• Штольбовая зона — удаление газов в атмосферу.

Производительность и габариты

Мощность — 1–15 т/ч жидкого железа. Зависит от поперечного сечения и интенсивности сгорания кокса (14 см² площади сжигает ~1 кг кокса/ч). Диаметр 1–2 м, высота 3–5 диаметров. Внутренний диаметр определяет расход кокса и выход металла.

Технологический процесс плавки

1. Подготовка печи: очистка шлака, ремонт облицовки, укладка пескового дна (100–200 мм над дверцами) с уклоном к душниковой. Формирование душниковой и шлаковой отверстий. Сушка печи.
2. Разжиг: поджигание дров, насыпание коксовой подушки (700–800 мм над дюйерами). Включение надува на пониженной частоте. Высота подушки критична для температуры и скорости плавки.
3. Зарядка: чередование слоев чугуна, кокса и флюса (известняк, флюорит, суда). Лом — 25–50% от массы металла. Флюс — 30–40 кг/т железа или 25% от массы кокса. Соотношение металл:кокс ~10:1.
4. Выпаривание (соузивание): 45 мин при закрытом надуве для прогрева заряда.
5. Полный надув: открытие дюйер и душниковой. Через 10 мин начинается плавка. Зарядка продолжается с темпом плавки.
6. Выпуск металла и шлака: первая разливка через 40–50 мин. Шлак сливается в вонны, металл — в ковши. Цикл повторяется до окончания плавки.
7. Остановка: отключение надува, раскрытие дна, удаление остатков заряда.

Обычно печи работают 4–10 часов непрерывно.

КПД и расход воздуха

Тепловой КПД 30–50%: (тепло на разогрев/плавку/перегрев) / (теплота сгорания кокса + окисление Fe/Si/Mn + тепло надува) × 100%. Зависит от коксового расхода, надува и фракции кокса. Теоретический расход воздуха — 8,4 м³/кг кокса. При соотношении 10:1 получается ~840 м³/т, на практике подают ~900 м³/т с запасом.

Заряд куполной печи и изменение состава

При расчете заряда учитывают потери/приобретение элементов: углерод +0,15%; кремний –10%; марганец –15–20%; сера +0,03–0,05%; фосфор почти не меняется; железо –3–4% (окисление). Это позволяет получить заданный состав литьего чугуна.