Какая температура в доменной печи

Для чего нужна доменная печь? Цель у нее одна – получение чугуна, который будет использоваться в металлургии для изготовления машин, оборудования и прочих металлсодержащих изделий.

Принцип работы

Принцип работы доменной печи состоит в следующем: в приемную камеру загружается рудная шихта с коксом, известняковым флюсом. В нижней части осуществляется периодический выпуск чугуна/ферросплавов и отдельно расплава шлака. Так как при выпуске уровень материала в домне понижается, требуется одновременная загрузка новых партий шихты.

Процесс работы постоянный, горение поддерживается при контролируемой подаче кислорода, что обеспечивает большую эффективность.

Конструкция доменной печи обеспечивает непрерывный процесс переработки руды, срок эксплуатации домны составляет 100 лет, капитальный ремонт проводится каждый 3-12 лет.

Фото доменной печи

Фото1

Фото 2

Фото 3

Фото4

Фото 5

Кто изобрел?

Современную доменную печь изобрел Дж. Б. Нилсон, который первым начала подогревать воздух, подаваемый в домну, произошло то в 1829 г., а в 1857 г. Э. А. Каупер ввел в использование специальные регенеративные воздухонагреватели.

Это позволило сильно снизить расход кокса более, чем на треть и повысить эффективность работы печи. До этого первые доменные печи фактически были сыродутными, то есть в них вдувался не обогащенный и не подогретый воздух.

Использование кауперов, то есть регенеративных воздухонагревателей, позволило не только повысить эффективность домны, но и снизить или вовсе исключить закозление, что наблюдалось при нарушениях технологии.

Можно смело утверждать, что это изобретение позволило довести процесс до совершенства.

Современные домны работают именно по этому принципу, хотя их управление сегодня автоматизировано и обеспечивает большую безопасность.

Доменный процесс

Современные печи для плавки чугуна обеспечивают примерно 80 % от общего количества чугуна, с разливочных площадок он сразу подается в электроплавильные либо мартеновские цеха, где и происходит переделка черного металла в сталь с требуемыми качествами.

Из чугуна получают чушки, отправляемые затем производителям для отливки их в вагранках. Для слива шлака и чугуна используются специальные отверстия, называемые летки. Однако в современных печах применяются не отдельные, а один общий леток, разделяемый специальной жароупорной плитой на каналы для подачи чугуна и шлака.

Как работает домна?

• Доменный процесс полностью зависит от избытка углерода в полости печи, он заключается в термохимических реакциях, протекающих внутри при загрузке всех компонентов и их нагреве.
• Температура в доменной печи может составлять 200-250°С непосредственно под колошником и до 1850-2000°С в активной зоне – распаре.
• При подаче в печь горячего воздуха и розжиге кокса в домне повышается температура, начинается процесс разложения флюса, в результате чего повышается содержание углекислого газа.
• При понижении столба материала в шихте происходит восстановление монокисла железа, в нижней части столба из FeO восстанавливается чистое железо, стекающее в горн.

По мере стекания железо активно контактирует с углекислым газом, происходит насыщение металла и придание ему требуемых свойств. Общее содержание углерода в железе может составлять от 1,7%.

Схемы доменной печи

Схемы доменной печи в разрезе (разные варианты):

Схема 1

Схема 2

Схема 3

Схема 4

Схема 5

Устройство домны

Конструкция домны очень сложная, это большой комплекс, который включает в себя следующие элементы:

• зона горячего дутья;
• зона плавления (сюда входят горн и заплечики);
• распар, то есть зона, где происходит восстановление FeO;
• шахта, где происходит восстановление Fe2O3;
• колошник с предварительным нагревом материала;
• загрузка шихты и кокса;
• доменный газ;
• зона, где находится столб материала;
• выпуски для шлака и жидкого чугуна;
• сбор для отходящих газов.

1. Высота доменной печи может достигать 40 м, вес – до 35 000 тон, вместимость рабочей зоны зависит от параметров комплекса.
2. Точные значения зависят от загрузки предприятия и его назначения, требований к объемам получаемого металла и прочих параметров.
3. Более подробный вариант устройства:

Разряды ремонта домны

Для поддержания рабочего состояния домны регулярно проводится капитальный ремонт (каждый 3-15 лет). Он разделяется на три вида:

1. Первый разряд включает в себя работы по выпуску продуктов плавления, осмотру оборудования, занятого в технологическом процессе.
2. Второй разряд – это полная замена элементов оборудования, подлежащего средним ремонтным работам.
3. Третий разряд требует полной замены устройства, после чего выполняется новая засыпка сырья с правкой колошников.

Системы и оборудование

Доменная печь – это не только установка для получения чугуна, но и многочисленные вспомогательные узлы. Это система подачи шихты и кокса, отвод шлака, расплавленного чугуна и газов, система автоматического управления, кауперы и многое другое.

Принципы работы печи остались такими же, как и столетия назад, но современные компьютерные системы и автоматизация производства сделали домну более эффективной и безопасной.

Кауперы

Современное устройство доменной печи предполагает использование каупера для нагрева подаваемого воздуха. Это установка циклического действия из жаростойкого материала, которое обеспечивает нагрев насадки до 1200°С.

Каупер включает при остывании насадки до 800-900°С, что позволяет обеспечить беспрерывность процесса, снизить расход кокса и повысить общую эффективность конструкции.

Ранее такое устройство не применялось, но начиная с 19 в. оно является обязательно частью домны.

Количество батарей кауперов зависит от размеров комплекса, но обычно их не менее трех, что делается с расчетом на возможную аварию и сохранение работоспособности.

Колошниковый аппарат

Колошниковый аппарат – эта часть является наиболее ответственной и важной, включающей в себя три газовых затвора, действующих по согласованной схеме.

Цикл работы этого узла выглядит следующим образом:

• в исходном положении конус поднят, он преграждает выход, нижний конус опущен;
• скип загружает в колошник шихту;
• вращающаяся воронка поворачивается и пропускает сырье через окна на малый конус;
• воронка возвращается в исходное положение, закрывая окна;
• малый конус опускается, загрузка проходит в межконусное пространство, после чего конус поднимается;
• большой конус принимает исходное положение, выпуская шихту в полость домны для переработки.

Скип

Скипы – это специальные подъемники шихты. При помощи таких подъемников калошей из скиповой ямы захватывается сырье, подаваемое наверх по наклонной эстакаде.

Затем калоши опрокидываются, подавая шихту в загрузочную область, и возвращаются вниз за новой порцией. Процесс этот сегодня осуществляется автоматически, для управления используются специальные компьютеризированные узлы.

Фурмы и летки

Сопло фурмы печи направлено в ее полость, через него можно наблюдать течение процесса плавки. Для этого через специальные воздуховоды монтируются гляделки с жаростойкими стеклами. На срезе давление может достигать значения в 2,1-2,625 МПа.

Летки используются для слива чугуна и шлака, сразу после выпуска они плотно запечатываются специальной глиной. Раньше использовались пушки, которые выстраивали пластичным глиняным ядром, сегодня применяются дистанционно управляемые пушки, которые могут подходить к конструкции вплотную. Такое решение дало возможность снизить травматичность и аварийность процесса, сделать его более надежным.

Как сделать доменную печь своими руками?

Нюансы

Производство чугуна является высокорентабельным бизнесом, но наладить изготовление черного металла без серьезных финансовых инвестиций невозможно. Доменная печь своими руками в «кустарных условиях» – это просто нереализуемо, что связано со многими особенностями:

• крайне высокая стоимость домны (такие расходы могут себе позволить исключительно крупные комбинаты);
• сложность конструкции, несмотря на то, что чертеж доменной печи можно найти в свободном доступе (выше схемы), собрать полноценный агрегат для производства чугуна не получится;
• физлица и ИП не могут заниматься деятельностью по изготовлению чугуна, на это просто никто не выдаст лицензию;
• залежи сырья для черной металлургии практически исчерпаны, окатышей или агломерата в свободной продаже нет.

Но в домашних условиях можно собрать имитацию печи (мини-доменную печь), при помощи которой можно плавить металл.

Но работы эти требуют максимального внимания и крайне не рекомендуются при отсутствии опыта. Зачем может потребоваться изготовление подобной конструкции? Чаще всего – это обогрев для теплицы или дачи с максимально эффективно используемым топливом.

Инструменты и материалы

Для изготовления конструкции в домашних условиях, надо приготовить:

• металлическая бочка (можно заменить на трубу с большим диаметром);
• два отрезка трубы круглого сечения с меньшим диаметром;
• отрезок швеллера;
• листовая сталь;
• уровень, ножовка по металлу, рулетка, молоток;
• инвертор, набор электродов;
• кирпичи, глиняный раствор (необходимы для фундамента конструкции).

Все работы надо проводить только на улице, так как процесс достаточно грязный и требующий наличия свободного пространства.

Пошаговая инструкция

1. На приготовленной заготовке в виде бочки срезается верх (его следует оставить, так как он понадобиться дальше).
2. Из стали вырезается круг с диаметром, меньшим чем диаметр бочки, в нем делается отверстие для трубы.
3. Труба аккуратно приваривается к кругу, внизу сваркой крепятся отрезки швеллера, которые будут придавливать топливо во время работы печи.

4. Крышка печи изготавливается из отрезанного ранее дна бочки, в котором делается отверстие для закладного люка с дверкой. Также необходимо сделать дверку, через которую будут удаляться остатки золы.
5. Печь обязательно устанавливается на фундамент, так как в процессе работы она очень сильно нагревается.

   Для этого сначала устанавливается бетонная плита, затем выкладывается несколько рядов из кирпича, образующих углубление в центре.

6. Для отвода продуктов сгорания монтируется дымоходная труба, диаметр прямой части будет больше, чем диаметр корпуса печи (требуется для лучшего отвода газов).

7. Отражатель не является обязательным элементом конструкции, но его использование позволяет повысить КПД печи.

Особенности конструкции

Особенностями такой самостоятельно изготовленной печи являются:

• уровень КПД хороший;
• есть возможность работы в автономном режиме до 20 часов;
• в печи происходит не активное горение, а тление с постоянным выделением тепла.

Главным отличием «бытовой» доменной печи будет ограничение доступа воздуха к камере сгорания, то есть тление дров или угля будет происходит при низком уровне кислорода. По схожему принципу работает и промышленная домна, но бытовая применяется только для отопления, плавить металл в ней нельзя, хотя температура внутри камеры будет достаточной.

Стоимость на примере КПД №7

Изготовление доменных печей – это ресурсозатратный и дорогой процесс, который нельзя поставить на поток.

Так как домны применяются исключительно в промышленности, их проектирование и сборка осуществляются под конкретный металлургический комплекс, включающий в себя многие объекты и узлы внутренней инфраструктуры.

Такая ситуация наблюдается не только в РФ, но и в других странах мира, имеющих собственные объекты металлургии.

Стоимость изготовления и монтажа доменной печи достаточно высокая, что связано со сложностью выполнения работ. Примером может случить большой доменный комплекс №7 под названием «Россиянка», установленный в 2011 году. Его стоимость составила 43 млрд. рублей, к производству были привлечены лучшие инженеры РВ и стран зарубежья.

Комплекс включает в себя следующие узлы:

• приемное устройство для руды;
• приточные станции бункерной эстакады и центрального узла;
• бункерная эстакада;
• компрессорная станция (установлена на литейном дворе);
• установка для вдувания пылеугольного топлива;
• утилизационная ТЭЦ;
• центр управления и административный корпус;
• литейный двор;
• домна;
• воздухонагревательные блоки;
• насосная станция.

Производительность комплекса:

Новый комплекс обеспечивает производство более 9450 тонн чугуна в сутки, полезный объем печи равен 490 куб.м, а рабочей – 3650 куб.м. Конструкция домны обеспечивает безотходное и экологически чистое производство чугуна, в качестве побочных продуктов получают доменный газ для ТЭЦ и шлак, используемый в дорожном строительстве.

Вывод

Домна – металлургическое оборудование, позволяющее получить чугун посредством переработки железной руды в промышленных масштабах.

Особенность технологии обеспечивает не только высокое качество получаемой продукции, но и экономный расход кокса. В процессе производства можно контролировать условия плавки, применяя для этого компьютеризированные системы и получая продукт со строго заданными свойствами.

Доменная печь

Доменная печь предназначена для получения чугуна из железной руды. Производительность определяется размерами печи. Максимальная мощность наблюдается при объеме печей шахтного типа 2-5 тыс. куб. м. Их диаметр составляет 11-16 м, высота – 32-37 м.

Схема домны

Шахтная печь состоит из следующих элементов: • колошника; • шахты; • распара; • заплечиков; • горна; • лещади.

Колошник – один из элементов рабочего пространства, на котором предусматривается определенный уровень материалов, распределяющихся по сечению шахты.

Шахта – цилиндрическая часть домны, где поддерживается температура, достаточная для плавления шихты. В этой же части печи происходит восстановление железа.

Распар – наиболее широкий участок конструкции, предназначенный для основных процессов плавления. Ниже находятся заплечики, способствующие перегреву и перемещению расплава и шлака на следующий участок конструкции.

Горн размещается над лещадью, которая представляет собой кладку, выполненную с применением шамотного кирпича. Горн является той частью печи, где собираются чугун и шлак. Между заплечиками и горном находятся фурмы для подачи горячего дутья (воздуха, обогащенного кислородом) и природного газа.

Принцип работы

Шихта поддается с помощью скипового подъемника и попадает в приемную воронку. Состав шихты представлен известняком, коксом, офлюсованным агломератом и рудой. Возможно добавление окатышей. Конусы колошника (большой и малый) работают поочередно, передавая смесь материалов в шахту. В процессе работы домны происходит постепенное поступление шихты. Нагрев осуществляется в результате горения кокса, сопровождающегося выделением тепла.

Температура горнового газа находится в пределах от 1900 до 2100 градусов Цельсия. В его состав входят N2, H2 и CO. При движении в слое шихты он не только способствует ее нагреву, но и запускает процессы восстановления железа. Высокая температура газа достигается за счет высокой температуры воздуха, находящегося в воздухонагревателях (1000-2000 градусов).

Газ температурой 250 — 300 градусов, поступающий из печи, колошниковый, после удаления пыли – доменный. Низшая теплота сгорания доменного газа соответствует 3,5 — 5,5 МДж/м3. Состав бывает различным, определяется в результате подачи природного газа и обогащения дутья кислородом, представлен такими веществами:

• N2 – 43-59 %;

• CO – 24-32 %;

• CO2 – 10-18 %;

• H2 – 1-13 %; • CH4 – 0,2-0,6 %. В основном газ необходим для придания определенной температуры насадкам доменных воздухонагревателей. В сочетании с природным или коксовым газом его применяют для различных печей, в т. ч. термических и нагревательных.

Поступившее в нижнюю часть домны железо подвергается плавлению и накапливается в горне в виде чугуна. Жидкотекучий шлак образуется из окислов кремния, марганца, железа, соединенных с известью, и остается на поверхности чугуна, т. к. имеет меньшую плотность.

Периодически чугун и шлак выходят через соответствующие летки – чугунную, шлаковую. В случаях, когда количество шлака незначительное, используется только чугунная летка. Отделение шлака происходит на разливочной площадке. Температура чугуна в жидком виде находится в пределах от 1420 до 1520 градусов. Высокая производительность доменной печи достигается за счет наличия мощных воздухонагревателей, являющихся теплообменниками регенеративного типа. Нередко воздухонагреватели домны называют кауперами в честь их создателя.

Каупер – вертикально расположенный кожух в форме цилиндра, созданный из листовой стали и насадки из огнеупорного кирпича. Камера горения воздухонагревателя, а именно – ее нижняя часть, состоит из горелки и воздухопровода горячего дутья. В поднасадочном пространстве применены клапаны, что позволило обеспечить соединение с отводом к дымовому борову и воздухопроводом холодного дутья.

Современный вариант шахтной печи изготавливается с четырьмя кауперами, работающими попеременно: нагрев насадки одного из двух кауперов происходит за счет поступления нагретых до высокой температуры дымовых газов, через третий каупер проникает нагреваемый воздух. Четвертый каупер является резервным. Продолжительность дутья составляет 50-90 минут, затем охлажденный каупер нагревается, дутье осуществляется в следующем наиболее горячем каупере. При разогреве работает горелка, дымовые газы без препятствий проникают в дымовой боров через открытый клапан. В это время клапаны, находящиеся на воздухопроводах горячего и холодного дутья, закрыты. В результате сжигания топлива образуются продукты горения, которые перемещаются вверх и поступают из камеры горения в подкупольное пространство, затем опускаются и нагревают насадку. Только после этого продукты топлива, имеющие температуру 250-400 градусов, поступают в дымовую трубу через дымовой клапан. Во время дутья происходит обратный процесс: дымовой клапан закрыт, горелка не работает, при этом клапаны, установленные на воздухопроводах горячего, холодного дутья, открыты. Холодное дутье в поднасадочное пространство подается под давлением 3,5-4 ат, затем перемещается через разогретую насадку и в нагретом виде через камеру горения проходит в воздухопровод горячего дутья, откуда подается в печь.

В определенных условиях могут происходить увлажнение дутья и обогащение азотом или кислородом. При использовании азота удается экономно расходовать кокс и контролировать процесс плавления в доменной печи.

Экономия кокса возможна и в результате обогащения дутья кислородом до 35-40 % при сочетании с природным газом. Путем повышения влажности до 3-5 % удается получить более высокую температуру нагрева дутья в каупере.

Такие результаты достигаются благодаря интенсификации лучистого теплообмена в насадке.

Высота кауперов составляет около 30-35 м, диаметр – не более 9 м. Верхнюю и нижнюю части насадки выполняют из динасового или высокоглиноземистого кирпича и огнеупорного соответственно. Из насадочного кирпича, имеющего толщину 40 мм, создают ячейки 4545, 13045, 110110 мм. В доменных печах применяются и другие насадки, а именно – насадки, состоящие из блоков с шестью гранями, с горизонтальными проходами и круглыми ячейками. Также используются насадки, основа которых – высокоглиноземистые шарики. На каждый кубический метр объема кирпичной насадки предусмотрена примерная поверхность нагрева 22-25 кв. м. Объем домны в 1-2 раза больше объема насадки каупера. Например, при объеме печи 3000 куб. м объем каупера составит около 2000 куб. м (3000/1,5). Самыми распространенными являются кауперы, оснащенные встроенной камерой горения. Среди их основных недостатков – чрезмерный нагрев свода, деформация камеры горения в результате долгой работы печи. Горелка каупера бывает выносной, также камера горения может располагаться под куполом. При наличии выносной горелки обеспечиваются высокая стойкость и удобство, но цена таких устройств наиболее высокая. Кауперы, оснащенные подкупольной камерой горения, самые дешевые, но процесс эксплуатации более сложный, т. к. горелка и клапаны расположены достаточно высоко. В процессе дутья температура, до которой нагревается воздух (1350-1400 градусов), постепенно уменьшается и находится в пределах от 1050 до 1200 градусов. При использовании домны, работающей стационарно, таких перепадов избегают путем регулирования температуры. Нужные показатели появляются в результате добавления холодного воздуха, поступившего из воздухопровода холодного дутья. Снижается температура дутья до 1000-2000 градусов, а вместе с ней и содержание холодного воздуха в смеси.

Ориентировочный материальный баланс получения чугуна в домне

Рассмотрим тепловой баланс выплавки 1 кг чугуна. При составлении балансов учитываются окатыши, агломерат, чугун, шлак и доменный газ.

Окатыши: оксид железа (III) – 81 %, диоксид кремния – 7 %, оксид кальция – 5 %, оксид железа (II) – 4 %, оксид алюминия и оксид магния – 1 %, оксид марганца – 0,3 %, оксид фосфора – около 0,09 %, сера – около 0,03 %.

Агломерат: оксид железа (III) – 63 %, оксид железа (II) – 16 %, оксид кальция – 10 %, диоксид кремния – 7 %, оксид алюминия – 2 %, оксид магния и оксид марганца – 1 %, оксид фосфора – около 0,25 %, сера – около 0,01 %. Чугун: железо – 94,2 %, углерод – 4,5 %, марганец – 0,7 %, кремний – 0,6 %, сера – около 0,03 %. Шлак: оксид кальция – 43 %, диоксид кремния – 36 %, оксид алюминия – 10 %, оксид магния – 7 %, оксид марганца – 2 %, оксид железа (II) и сера – 1 %.

Доменный газ: азот – 44 %, окись углерода – 25,2 %, углекислый газ – 18 %, водород – 12,5 %, метан – 0,3 %.

Произведем анализ расхода топлива в результате применения офлюсованного агломерата. Затраты топлива в шахтной печи определяются, исходя из расхода природного газа и кокса (510-560 кг у.т.

/т сплава), в сумме с расходом газа, направленного на отопление воздухонагревателя (90-100 кг у.т./т сплава), за исключением выхода доменного газа (170-210 кг у.т./т сплава).

В результате общий расход выглядит следующим образом: 535 + 95 — 190 = 440 (кг у. т./т сплава).

Учитывая то, что на производство кокса и агломерата уже ушло определенное количество топлива (около 430-490 кг на 1 т сплава и 1200-1800 кг на 1 т сплава соответственно), общий расход первичного топлива, необходимого для получения тонны сплава, составляет: 440 + 40 + 170 = 650 (кг у.т./т), из которых 170 и 40 кг у.т./т, пересчитанные на тонну сплава, затрачиваются на производство агломерата и кокса.

Производительность домны оценивают по коэффициенту использования полезного объема (КИПО). Показатель рассчитывают как отношение полезного объема конструкции к выплавке чугуна в течение 24 часов. Для современных печей нормой является показатель 0,43-0,75 куб. м сут./т. Чем ниже КИПО, тем эффективнее используется печь. Логичнее рассматривать показатель как отношение производительности к единице объема. Удобнее применять показатель удельной производительности домны (Пу = 1/ КИПО), значение которого составляет 1,3-2,3 т (куб. м/сут.).

Экономия топлива возможна при соблюдении таких рекомендаций:

• повышение давления газа на колошнике до 1,5-2 атм (за счет уменьшения объема газов удается сократить удаление колошниковой пыли или увеличить расход дутья); • применение пылеугольного топлива в горне для экономии около 0,8 кг кокса на килограмм пылеугольного топлива; • повышение температуры, до которой нагревается воздух в кауперах, для уменьшения расхода кокса; • применение теплоты отходящих газов кауперов с целью повысить температуру воздуха и доменного газа до их подачи в камеру горения; • подача нагретых восстановительных газов таким же образом, как в печах металлизации (удается снизить расход кокса, возможна экономия до 20 % топлива); • применение физической теплоты огненно-жидких шлаков (решение данной проблемы является перспективным, но пока что не реализовано по причине периодического выхода шлаков).

ДО́МЕННЫЙ ПРОЦЕ́СС

Авторы: Ю. С. Юсфин

ДО́МЕННЫЙ ПРОЦЕ́СС, по­лу­че­ние чу­гу­на из же­ле­зо­руд­ных ма­те­риа­лов в до­мен­ной пе­чи. В ос­но­ве Д. п.

ле­жит прин­цип про­ти­во­то­ка: за­гру­жае­мая в верх­нюю часть пе­чи (ко­лош­ник) ис­ход­ная ших­та (же­ле­зо­руд­ный ма­те­ри­ал, твёр­дое то­п­ли­во, флюс) дви­жет­ся вниз, а га­зо­об­раз­ные про­дук­ты, об­ра­зо­вав­шие­ся в ниж­ней час­ти пе­чи (гор­не) при сжи­га­нии то­п­ли­ва в по­то­ке ду­тья (на­гре­тый воз­дух или воз­дух, обо­га­щён­ный ки­сло­ро­дом ли­бо во­дя­ным па­ром), – вверх. Про­ти­во­ток спо­соб­ст­ву­ет эф­фек­тив­но­му про­те­ка­нию мас­со- и те­п­ло­об­мен­ных про­цес­сов, что обу­слов­ли­ва­ет вы­со­кие по­ка­за­те­ли ис­поль­зо­ва­ния ре­сур­сов в до­мен­ных пе­чах: по­лез­ное ис­поль­зо­ва­ние те­п­ло­ты со­став­ля­ет 80–90%, сте­пень из­вле­че­ния же­ле­за – 99,5–99,8%. Для обес­пе­че­ния те­п­ло­вых по­треб­но­стей про­цес­са ис­поль­зу­ет­ся зна­чит. из­бы­ток кок­са, ко­то­рый обу­слов­ли­ва­ет по­вы­шен­ное со­дер­жа­ние уг­ле­ро­да в чу­гу­не (3,4–5,2% С по мас­се).

В Д. п. вы­со­кие тре­бо­ва­ния предъ­яв­ля­ют­ся к ка­че­ст­ву ших­ты и её проч­но­сти при по­вы­шен­ной темп-ре, осо­бен­но к проч­но­сти то­п­ли­ва.

По­сле об­ра­зо­ва­ния рас­плав­лен­ных ме­тал­ла и шла­ка то­п­ли­во яв­ля­ет­ся един­ст­вен­ной твёр­дой сре­дой, на ко­то­рую ока­зы­ва­ет дав­ле­ние вся мас­са ших­ты.

Для при­го­тов­ле­ния ших­ты при­ме­ня­ют кус­ко­вой же­ле­зо­руд­ный ма­те­ри­ал, ка­мен­но­уголь­ный кокс, в ка­че­ст­ве флю­са – из­вест­няк. Бо­лее 90% же­ле­зо­руд­ной час­ти ших­ты со­став­ля­ют ис­кус­ст­вен­но оку­ско­ван­ные ма­те­риа­лы – аг­ло­ме­рат и же­ле­зо­руд­ные ока­ты­ши.

В хо­де Д. п. об­ра­зу­ют­ся про­дук­ты: ос­нов­ные – пе­ре­дель­ный чу­гун для произ-ва ста­ли в ста­ле­пла­виль­ных аг­ре­га­тах, ли­тей­ный – для чу­гун­ных от­ли­вок, а так­же спец. чу­гу­ны (напр.

, зер­каль­ный чу­гун, фер­ро­си­ли­ций, фер­ро­мар­га­нец); по­боч­ные – до­мен­ный газ, яв­ляю­щий­ся вто­рич­ным энер­го­ре­сур­сом (по­сле очи­ст­ки от пы­ли ис­поль­зу­ет­ся в воз­ду­хо­наг­ре­ва­те­лях, за­во­дских ко­тель­ных и др.), до­мен­ный шлак (при­ме­нет­ся гл. обр. в про­из-ве стро­ит.

ма­те­риа­лов) и ко­лош­ни­ко­вая пыль (со­дер­жит 30–50% Fe), воз­вра­щае­мая в ших­ту по­сле её пред­ва­рит. оку­ско­ва­ния (аг­ло­ме­ра­ции). Т. о., вос­тре­бо­ва­ны все про­дук­ты до­мен­но­го про­цес­са.

пред­став­ля­ет со­бой шахт­ную печь круг­ло­го се­че­ния (рис.); вклю­ча­ет: ко­лош­ник (верх­няя часть), шах­ту (ос­нов­ная по объ­ё­му часть, пред­став­ляю­щая со­бой усе­чён­ный ко­нус), рас­пар (са­мая ши­ро­кая часть), за­пле­чи­ки (в фор­ме об­рат­но­го усе­чён­но­го ко­ну­са), горн (ниж­няя часть пе­чи).

В верх­ней час­ти гор­на рав­но­мер­но рас­пре­де­ле­ны по ок­руж­но­сти фур­мы, че­рез ко­то­рые из воз­ду­хо­во­да в печь по­да­ют на­гре­тый воз­дух. В ниж­ней час­ти гор­на рас­по­ло­же­ны (на раз­ной вы­со­те) чу­гун­ные и шла­ко­вые лет­ки – от­вер­стия для вы­пус­ка чу­гу­на и шла­ка в чу­гу­но­воз­ный и шла­ко­воз­ный ков­ши.

Сна­ру­жи печь обо­ру­до­ва­на сис­те­мой ох­ла­ж­де­ния, внутр. часть пе­чи вы­ло­же­на ог­не­упор­ным кир­пи­чом. За­груз­ка пе­чи ших­той про­из­во­дит­ся свер­ху ски­па­ми с по­мо­щью за­сып­но­го ап­па­ра­та, ко­то­рый при этом гер­ме­тич­но за­кры­ва­ет печь, изо­ли­руя её внутр. про­стран­ст­во от ат­мо­сфе­ры.

Об­ра­зую­щий­ся в пе­чи до­мен­ный (ко­лош­ни­ко­вый) газ от­во­дит­ся че­рез га­зо­от­во­ды, рас­по­ло­жен­ные в ко­лош­ни­ке. Печь под­дер­жи­ва­ет­ся ко­лон­на­ми, ус­та­нов­лен­ны­ми на фун­да­мен­те.

Рас­стоя­ние ме­ж­ду осью чу­гун­ной лет­ки и ниж­ней кром­кой под­виж­но­го эле­мен­та за­сып­но­го ап­па­ра­та в опу­щен­ном со­стоя­нии на­зы­ва­ет­ся по­лез­ной вы­со­той пе­чи, со­от­вет­ст­вен­но, объ­ём ра­бо­че­го про­стран­ст­ва – по­лез­ным объ­ё­мом пе­чи. Про­из­во­ди­тель­ность пе­чи со­став­ля­ет 2,5–3 т/м3 по­лез­но­го объ­ё­ма.

Наи­бо­лее круп­ные пе­чи име­ют вы­со­ту ра­бо­че­го про­стран­ст­ва ок. 30 м, ра­бо­чий объ­ём 5000 м3 и вы­ше, су­точ­ную про­из­во­ди­тель­ность бо­лее 12000 т чу­гу­на (или 4 млн. т/год). Од­на из са­мых круп­ных в ми­ре – до­мен­ная печь № 5 ОАО «Се­вер­сталь» (г. Че­ре­по­вец) име­ет ра­бо­чий объ­ём 5580 м3.

По­сле строи­тель­ст­ва, вво­да в дей­ст­вие сис­те­мы ох­ла­ж­де­ния и суш­ки фу­те­ров­ки ра­бо­та пе­чи на­чи­на­ет­ся с по­да­чи ду­тья.

Пер­вый чу­гун и шлак вы­пус­ка­ют че­рез 12–24 ч, по­сле че­го ко­ли­че­ст­во ду­тья и руд­ную на­груз­ку (от­но­ше­ние мас­сы ру­ды к мас­се кок­са) по­сте­пен­но уве­ли­чи­ва­ют, до­во­дя в те­че­ние не­сколь­ких су­ток до нор­маль­но­го ре­жи­ма.

Не­пре­рыв­ная ра­бо­та (т. н. кам­па­ния) пе­чи от за­дув­ки до вы­дув­ки (с ос­та­нов­кой на ка­пи­таль­ный ре­монт) про­дол­жа­ет­ся от 5–6 до 10–12 лет и бо­лее. Для оп­ти­ми­за­ции хо­да плав­ки про­во­дят ком­пь­ю­тер­ную ди­аг­но­сти­ку пе­чи.

В до­мен­ном про­из-ве при­ме­ня­ют АСУ, обес­пе­чи­ваю­щие ав­то­ма­тич. ра­бо­ту ме­ха­низ­мов и аг­ре­га­тов ших­то­по­да­чи, ава­рий­ной и пре­ду­пре­дит. сиг­на­ли­за­ции и др.

: го­ре­ние то­п­ли­ва, вос­ста­но­вит. и га­зо­ди­на­мич. про­цес­сы, те­п­ло­об­мен, об­ра­зо­ва­ние чу­гу­на, шла­ко­об­ра­зо­ва­ние. Осн.

ко­ли­че­ст­во кок­са опус­ка­ет­ся в горн и сго­ра­ет вме­сте с до­пол­ни­тель­но вду­вае­мым то­п­ли­вом (га­зо­об­раз­ным, жид­ким или пы­ле­вид­ным) у фурм; в уп­ро­щён­ном ви­де сум­мар­ный про­цесс го­ре­ния сво­дит­ся к ре­ак­ции: 2C+O2=2CO.

Га­зы с темп-рой 1600–2300 °C, со­дер­жа­щие 35–45% СО, 1–12% Н2 и 45–65% N2, под­ни­ма­ясь, на­гре­ва­ют опус­каю­щую­ся ших­ту (темп-pa вы­хо­дя­щих из пе­чи га­зов со­став­ля­ет 100–300 °C). Часть кок­са рас­хо­ду­ет­ся на вос­ста­нов­ле­ние по­сту­паю­щих в до­мен­ную печь Fe2O3 и Fe3O4 (со­дер­жа­щих­ся в же­ле­зо­руд­ных ма­те­риа­лах) по ре­ак­ци­ям:

• 3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2
• Fe3O4+CO=3FeO+CO2
• FeO+CO=Fe+CO2
• FeO+C=Fe+CO

По­ми­мо ок­си­дов же­ле­за поч­ти пол­ностью вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся ок­си­ды Ni, Cu, As, P и со­от­вет­ст­вую­щие эле­мен­ты пе­ре­хо­дят в чу­гун; ок­сид цин­ка так­же пол­но­стью вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся, цинк воз­го­ня­ет­ся и от­ла­га­ет­ся в по­рах фу­те­ров­ки, вы­зы­вая её час­тич­ное раз­ру­ше­ние.

Эле­мен­ты, об­ра­зую­щие бо­лее проч­ные со­еди­не­ния с ки­сло­ро­дом, чем Fe, вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся из ок­си­дов час­тич­но (V – 75–90%, Мn – 40–80%, Si и Ti в не­боль­ших ко­ли­че­ст­вах) или со­всем не вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся (Al, Mg и Са). S (вред­ная при­месь) по­па­да­ет в до­мен­ную печь в осн.

с кок­сом и пе­ре­хо­дит боль­шей ча­стью в шлак (в ви­де FeS, MnS, CaS), в ма­лой сте­пе­ни (до 5%) в чу­гун (FeS) и в га­зо­вую фа­зу. Об­ра­зо­вав­шее­ся же­ле­зо по­гло­ща­ет С в твёр­дом со­стоя­нии, что спо­соб­ст­ву­ет сни­же­нию темп-ры плав­ле­ния на­уг­ле­ро­жен­но­го про­дук­та и бо­лее пол­но­му на­сы­ще­нию его уг­ле­ро­дом.

 Со­дер­жа­ние С в чу­гу­не за­ви­сит от темп-ры чу­гу­на, его со­ста­ва и др. Шлак со­сто­ит из ок­си­дов: SiO2, Al2O3, СаО, MgO (в сум­ме 90–95%), FeO (0,3–1,0%).

Д. п.

 – эко­ло­ги­че­ски безо­пас­ный, вы­со­ко­тех­но­ло­гич­ный энер­го- и ре­сур­сос­бе­ре­гаю­щий про­цесс; рас­ход энер­го­но­си­те­ля со­став­ля­ет 16–17 ГДж/т чу­гу­на, а с учё­том ис­поль­зо­ва­ния вто­рич­ных энер­го­ре­сур­сов – 12–13 ГДж/т чу­гу­на; рас­ход наи­бо­лее де­фи­цит­но­го ком­по­нен­та ших­ты (ка­мен­но­уголь­но­го кок­са) – 300–350 кг/т чу­гу­на, при этом ис­поль­зу­ет­ся 100–150 кг за­ме­ни­те­лей кок­са.

По­яв­ле­ние соб­ст­вен­но до­мен­но­го произ-ва от­но­сят к сер. 14 в. Д. п. воз­ник в ре­зуль­та­те эво­лю­ции сы­ро­дут­но­го про­цес­са по­лу­че­ния пла­сти­че­ской низ­ко­уг­ле­ро­ди­стой же­лез­ной мас­сы (т. н.

крич­но­го же­ле­за) не­по­сред­ст­вен­но из же­лез­ной ру­ды пу­тём вос­ста­нов­ле­ния её в низ­ких сы­ро­дут­ных гор­нах (яма, фу­те­ро­ван­ная ог­не­упор­ной гли­ной, или ка­мен­ный очаг), ра­бо­тав­ших на ес­теств. тя­ге. То­п­ли­вом слу­жил дре­вес­ный уголь.

По­сле окон­ча­ния про­цес­са сы­ро­дут­ный горн раз­би­рал­ся, по­лу­чен­ный ме­талл из­вле­кал­ся и спец. мо­ло­та­ми пе­ре­ра­ба­ты­вал­ся в за­го­тов­ку или из­де­лие.

По­сте­пен­ное уве­ли­че­ние вы­со­ты сы­ро­дут­ных гор­нов и мощ­но­сти воз­ду­хо­дув­ных средств спо­соб­ст­во­ва­ло по­вы­ше­нию темп-ры про­цес­са, что обу­сло­ви­ло уве­ли­че­ние рас­тво­ри­мо­сти уг­ле­ро­да в ме­тал­ле и сни­же­ние темп-ры его плав­ле­ния. Т. о., на­ря­ду с кри­цей по­лу­чал­ся не­же­ла­тель­ный ме­тал­лич.

про­дукт в жид­ком со­стоя­нии (чу­гун), а сы­ро­дут­ный горн пре­вра­тил­ся в вер­ти­каль­ную шахт­ную печь, по­лу­чив­шую назв. «вы­со­кая печь» (нем. Hochofen, франц. Haut four­neau) или до­мен­ная (дуть­е­вая) печь (от слав. «дме­ние» – ду­тьё, англ. blast fur­nace).

Пер­вые до­мен­ные пе­чи, пред­на­зна­чен­ные толь­ко для про­из-ва чу­гу­на, поя­ви­лись в Ев­ро­пе в сер. 14 в., в Рос­сии – ок. 1630 (близ г. Ту­ла). На Ура­ле пер­вый чу­гун по­лу­чен в 1701.

При пре­вы­ше­нии вы­со­ты пе­чи 16–18 м при­ме­няв­ший­ся дре­вес­ный уголь те­рял свою проч­ность, рас­сы­пал­ся на мел­кие час­ти­цы и тем са­мым де­лал не­воз­мож­ным нор­маль­ное дви­же­ние га­зов вверх сквозь слой ших­ты.

Важ­ным фак­то­ром, обу­сло­вив­шим рост про­из-ва чу­гу­на и, со­от­вет­ст­вен­но, уве­ли­че­ние раз­ме­ров и про­из­во­ди­тель­но­сти до­мен­ной пе­чи, ста­ло изо­бре­те­ние А. Дер­би (см. Дер­би) в 1735 спо­со­ба про­из-ва ка­мен­но­уголь­но­го кок­са, став­ше­го осн. то­п­ли­вом Д. п. Боль­шое зна­че­ние для раз­ви­тия Д. п. име­ло при­ме­не­ние па­ро­вой воз­ду­хо­дув­ной ма­ши­ны (1762, И. И. Пол­зу­нов; 1769, Дж. Уатт); воз­ду­хо­наг­ре­ва­те­ля с ог­не­упор­ной на­сад­кой (1857, Э. Кау­пер); оф­лю­со­ван­но­го аг­ло­ме­ра­та (1945–50, Маг­ни­то­гор­ский ме­тал­лур­гич. ком­би­нат); тех­но­ло­гии с вду­ва­ни­ем в горн при­род­но­го га­за и ки­сло­ро­да (1958–70; «За­по­рож­сталь», Но­во­ли­пец­кий ком­би­нат) и др. Зна­чит. вклад в раз­ви­тие Д. п. вне­сли отеч. ме­тал­лур­ги М. А. Пав­лов, М. К. Ку­ра­ко, И. П. Бар­дин и др.

Устройство доменной печи, принцип работы доменной печи

Выплавка чугуна в промышленных масштабах невозможна без габаритных, сложных и мощных печей. Доменная печь – вертикальное сооружение шахтного типа, в котором железную руду переплавляют в полезный металл. Устройство доменной печи подразумевает непрерывную работу конструкции в течение 3-12 лет, вплоть до капитального ремонта.

Рисунок 1. Доменная печь

Устройство домны

Современная печь – это огромная конструкция весом до 35000 т и высотой до 40 м. Чтобы многолетняя выплавка без простоев была возможной, печь должна быть прочной и надёжной. Снаружи устройство покрыто стальным кожухом – основа облицована толстыми листами (до 4 см).

Изнутри расположена огнестойкая футеровка. Она нуждается в постоянном охлаждении, поэтому внизу монтируют металлоёмкости, в которых циркулирует вода. Поскольку жидкости нужно очень много, иногда применяют охлаждение испарением. Суть метода – в испарении кипящей воды, активно поглощающей при этом тепловую энергию.*

Рисунок 2. Устройство доменной печи

Печь представляет собой сооружение, состоящее из множества элементов. Основные представлены:

• колошником (колосником);
• распаром;
• шахтой;
• горном;
• заплечиками.

Колошник

Это верхний элемент, который служит для загрузки сырья (шихты) и отвода отработанных газов. Главная часть колошника – засыпной агрегат. В большинстве случаев аппараты для засыпки шихты двуконусные.

Между засыпками оба конуса прикрыты. После подачи сырья меньший элемент опускается, и железная руда попадает в больший. Как только набирается необходимая порция, малый конус закрывается, из большого руда попадает в печь.

После этого герметизируется и крупное устройство.

Более продвинутые домны имеют улучшенную конструкцию колошника. Роль большого конуса играет вращающийся желоб с регулируемым углом наклона. Благодаря этому возможна засыпка сырья с любой стороны.

Колошник служит и газоотводом. В процессе выплавки образуется огромное количество газа. Вместе с ним удаляется и железосодержащая пыль, которую улавливают газоочистители.

Рисунок 3. Схема доменного производства

*

Шахта

Шахта занимает большую часть печного пространства. Конструкция, расширяющаяся книзу, представляет собой усечённый конус. Благодаря этому подача шихты происходит равномерно. Доменная печь – сооружение вертикальное и достаточно высокое. Это необходимо для обеспечения хим- и термообработки сырья нагретыми газами.

Распар

Элемент в форме цилиндра расположен в средней части рабочей доменной зоны. Для распара характерен наибольший диаметр. Назначение конструкции – увеличение печного пространства и ликвидация ненужного сырья. Здесь образуется пустая порода.

Заплечики

Укороченный конусообразный вариант распара – усечённый компонент обращён широкой частью вверх. С помощью заплечиков снижают объём выплавляемой шихты при производстве чугуна.

Горн

Основная часть, в которой и происходит выплавка металлов. Здесь горит кокс и образуется газ, накапливается шлак и чугун и происходит регулярный выпуск жидкого металла из конструкции.

Состоит горн из фурменной зоны и металлоприёмника. Через фурмы, посредством воздухонагревателя и кольцевого воздуховода, в печь поступает горячий воздух. Он необходим для горения топлива.

Дно металлоприёмника называется лещадь.

Внизу горна находятся шлаковые и чугунные летки – отверстия, через которые проходит расплавленный металл. После выпуска чугуна отверстие закрывают с помощью поршневого механизма огнеустойчивой массой.

Шлаковые отверстия находятся на 1,5-2 м выше чугунных леток. Их закрывают с помощью стальных штопоров с наконечниками. От чугуна шлак отделяется посредством агрегата, расположенного на печном желобе. Обе составляющие подаются в специальные ковши.

Всё это гигантское сооружение имеет огромную массу. Такой вес необходимо передавать грунту равномерно. Поэтому домну устанавливают на массивном бетонном фундаменте, толщина подошвы которого может достигать 4 м. Подошва служит опорой колоннам, на которые, в свою очередь, опираются металлоконструкции. Верхнюю фундаментную часть выполняют из жаростойкого бетона в формате монолитного цилиндра.

Давление огромной массы на грунт компенсируется устройством мощного фундамента

В таблице представлена взаимосвязь размеров некоторых современных печей.

Размеры, мм	Полезный объём домны, м3
2000	3000	5000
Диаметр:
колошника	7300	8200	11200
распара	10900	12900	16300
горна	9750	11700	14900
Высота:
шахты	18200	20100	19500
горна	3600	3900	4500
полезная	29200	32200	32200
полная	32350	34650	36900

*

Дополнительные печные элементы

Функционирование печи требует работы вспомогательных устройств. Среди них:

• воздухонагреватели; крупные элементы башенного типа располагают рядом с печью; в них поступает колошниковый газ, который затем сгорает; благодаря этому образуется ещё более горячий газ, посредством сложной системы нагревающий воздух; последний – нагретый до температуры, как минимум, 1000 градусов – идёт в ход для выплавки чугуна;
• воздуходувные машины; сжатый воздух необходим для топливного горения; в печь воздух поступает благодаря устройствам, образующим давление порядка 25 МПа;
• устройства для подъёма и засыпки шихты;
• газоочистители для очистки колошниковых газов;
• прочие вспомогательные устройства – например, мостовые краны, которыми оборудованы литейные дворы.

Рисунок 4. Пример современной доменной печи

Современные печи оснащаются системами автоматики. Компьютеризация позволяет контролировать и регулировать основные параметры, связанные с функционированием домны. Под контролем уровень засыпки сырья, давление газа, температура дутья и т. п.

Современные домны даны на откуп автоматике. Компьютер контролирует основные производственные процессы

Принцип работы доменной печи основан на сложных физико-химических процессах. Выделяют такие операции:

• сгорание топлива;
• восстановление железа;
• разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид;
• насыщение железа углеродом;
• плавка металла;
• плавление шлака и др.

Рисунок 5. Производство чугуна с химической точки зрения

*

В самом общем смысле доменная плавка – это производство чугуна из железорудного сырья. Главные материалы, с помощью которых возможна выплавка чугуна:

• топливо – кокс;
• железная руда – сырьё, из которого выплавляют чугун;
• флюс – спецдобавки из песка, известняка и некоторых других материалов.

В печи шихта попадает в виде мелкопородных сплавленных кусков – окатышей или агломератов. В качестве рудного вещества могут выступать марганцевые руды или различные вариации железняка. Сырьё засыпают в колошник слоями, чередуя с пластами флюса и кокса.

Назначение флюса – отделение чугуна от примесей и пустой породы (шлака)

Шлак всплывает на поверхности раскалённого чугуна. Примеси сливают до того, как жидкий металл застынет.

Подача сырья, как и работа печи, должна быть непрерывной. Постоянство процесса обеспечивают специальные транспортёры. Попадая через описанные элементы в горн, шихта проходит через ряд технологических процессов.

Рисунок 6. Схема домны

*

Сгорающий кокс даёт требуемую температуру, которая не должна опускаться ниже 2000 градусов. Горение способствует соединению кислорода и каменного угля. Параллельно образуется углекислый газ. Под влиянием высокой температуры последний становится оксидом углерода. Благодаря этому восстанавливается железо.

Восстановление железа – один из важнейших производственных этапов. Без этого процесса невозможно обретение металлом необходимой прочности.

Чугун становится таковым после того, как железо пройдёт через расплавленный кокс. Чтобы результат стал возможным, железо должно насытиться углеродом. К чугунам относят сплавы, в составе которых на долю углерода приходится 2-5%.

После того, как готовый металл накопился в горне, его выпускают через летки. Через верхнее отверстие сначала выпускают шлак, а после – через нижнее – чугун. Последний сливается по каналам в ковши и отправляется на последующую обработку.

Заключение

Доменная печь – одна из самых важных составляющих чёрной металлургии. В современных реалиях домны обычно «встроены» в металлургические комбинаты. Средняя печь способна ежедневно выдавать около 12000 т чугуна, расходуя при этом приблизительно 20000 т исходного сырья.