Доменная печь: что это такое и как она работает

1. История появления доменной печи 
2. Схема доменной печи
3. Принцип работы домны
4. Расчет годовой производительности доменной печи
5. Заключение

Вот уже на протяжении нескольких столетий основными агрегатами для выплавки чугуна из железорудных материалов являются доменные печи. Конечно, с годами конструкция этих шахтных плавильных агрегатов модернизировалась, совершенствовалась и изготавливалась с применением разных материалов, тем не менее их принцип работы остается неизменным и основывается на противотоке шихты и раскаленных восстановительных газов. И несмотря на высокий уровень современных технологий, в ближайшие десятилетия доменный процесс все еще будет оставаться одним из основных способов производства в черной металлургии.

История появления доменной печи

Железо (Fe) является четвертым элементом по степени распространенности на Земле. Но на нашей планете оно не встречается в чистой элементарной форме, ну разве что в составе упавших метеоритов. Поэтому люди стали получать его методом восстановления из железосодержащих руд, представляющих собой окиси и углекислые соли закиси Fe. И так как элементарная связь между Fe и O₂ довольно прочная, первым изобретателям пришлось методом проб и ошибок создавать первые и, возможно, не совсем эффективные плавильные агрегаты и использовать для получения высоких температур древесный уголь, который в древности был единственным источником энергии.

Учитывая уровень современных технологий, тяжело понять, как можно было пользоваться доменной печью при отсутствии мощных скиповых подъемников, многочисленных приборов и датчиков, без природного газа и пылеугольного топлива. Тем не менее, по всему миру сохранилось довольно большое количество доменных печей, построенных еще в XVII-XIX веках. Большинство из них представляют собой объекты исторического наследия и являются экспонатами музеев под открытым небом. Но самые первые домны были созданы в Китае, о чем свидетельствуют чугунные изделия, изготовление которых датируется еще V веком до нашей эры.

Китай

Многочисленные чугунные артефакты, найденные в разные годы в Китае, и ранние тибетские писания позволяют говорить о том, что именно на территории современной КНР впервые был изобретен и освоен доменный процесс. Причем зарождение домны и начало производства чугуна в Китае связывают с культурой царства Шанг Шунг.

Сегодня нельзя доподлинно установить, какое было устройство доменной печи в древнем Китае. Известно лишь, что ранние конструкции имели глиняные стены, а их домница имела форму двух усеченных конусов, соединенных большими основаниями. Малая мощность воздуходувных средств ограничивала возможное увеличение шахты печи по высоте, поэтому печи были высотой от 2 метров. Останки самых крупных и достигавших почти 10 метров в высоту агрегатов были найдены в провинциях Гуандун и Сыньчуан. Также из некоторых источников известно, что:

• в 500 г. до н. э. местные умельцы научились доводить температуру воздействия на шихту до 1130°С;
• к 300 г. до н. э. доменный чугун начинает широко использоваться в Поднебесной для изготовления оружия, инструментов и сельскохозяйственных орудий;
• в XI веке из-за возрастающих объемов выплавки чугуна в империи Сун началась массовая вырубка деревьев. И древесный уголь, единственное топливо для домны тех времен, начинают заменять на битуминозный каменный.

Средневековая Европа

В XII и XIII веке на территории Штирии (нынешняя Австрия) для получения черных металлов за счет химического восстановления железа из руды использовалась сыродутная печь (штукофен). Она функционировала почти так же, как работает доменная печь, что позволяет считать ее если не прототипом, то предшественником таковой.

Ближе к XV веку домны возводятся в Швейцарии, Швеции, Вестфалии и Англии. Высота их достигает 5 метров, а при обслуживании уже используются разнообразные механизированные средства. И хотя подача воздуха осуществлялась клинчатыми мехами, управляемыми гидроприводом, все же это не могло обеспечить высокую интенсивность плавки, и суточная производительность домны на то время в лучшем случае составляла 1,0…1,2 тонны.

Существует несколько гипотез о том, как доменное производство появилось в Европе. По одной из версий технология могла быть украдена у китайцев, по другой – перенята у народов, заселявших территории к югу от Каспийского моря. Зато все историки сходятся во мнении, что существенный вклад в развитие доменного производства в Европе внесли цистерцианцы. Монахи этого католического ордена активно занимались хозяйственной деятельностью и были лучшими металлургами в средневековье. Даже в примитивных доменных печах того времени цистерцианцы смогли добиться высокой эффективности в переплавке руды на чугун, о чем свидетельствуют найденные при раскопках остатки шлака с очень низким содержанием железа.

Современный этап

Дальнейшее становление и развитие доменного производства уже относится к XVIII-XX векам. И значительную роль в этом сыграли крупные научно-технические достижения. Среди них:

• получение в 1735 году младшим А. Дерби патента на коксование каменного угля;
• создание Д. Уайттом в 1784 универсального парового двигателя;
• разработка в 1828 году Д. Нельсоном технологии нагрева дутья перед подачей в домну;
• изобретение в 1850 году для загрузки шихты засыпного устройства типа «воронка-конус»;
• получение в период 1867…1871 Г. Бессемером патентов на плавку чугуна с высоким давлением внутри печи и на технологию работы домны на обогащенном кислородном дутье.

Паросиловые установки и агрегаты стали широко использоваться для нагрева и подачи дутья в домну, а также позволили значительно сократить использование угля и заменять его антрацитом. Но все же, несмотря на многочисленные инновации, основным топливом для доменной печи был и остается кокс. Именно его использование стало для металлургии ключевым фактором и основой для индустриальной революции XIX века, а коксовые домны работают по сей день.

Доменные печи также использовались для выплавки цинка. В отличие от печей, выплавляющих железо, они несколько ниже, не имеют огнеупорной футеровки в боковых стенах и абсолютно герметичны. Но из-за высокой себестоимости цинковые доменные печи почти не применяются.

В результате многочисленных разработок и внедренных идей доменное производство претерпело громадные качественные изменения, а увеличение объемов производства чугуна и стали привело к созданию высокопроизводительных доменных печей.

Схема доменной печи

А теперь пробуем более детально разобраться, что такое доменная печь. Ведь интересно, что же скрыто за мощной футеровкой и многочисленными техническими площадками, которые опоясывают домменую печь по всему периметру.

Домна – это плавильный агрегат шахтного типа и непрерывного действия, в котором все теплообменные, плавильные и восстановительные процессы осуществляются в потоке движущихся навстречу друг другу кусковых материалов шихты и восстановительных газов. Агрегаты могут отличаться объемами рабочего пространства, уровнем производительности и размерами, но в целом у них всех идентичная конструкция. А типовая схема доменной печи включает такие элементы как колошник, шахту, распар, заплечики, горн и лещадь.

Колошник

Это цилиндрическая часть расположена вверху печи. Через нее осуществляется загрузка и распределение шихты, поэтому колошник испытывает ударные и абразивные воздействия от ссыпающихся с большого конуса железорудных материалов, кокса и флюса. А как устройство он имеет сложную многоэтажную конструкцию, в которую входит загрузочное устройство, система газоотводов с клапанами, минициклоны и трубопроводная система выравнивания давления.

Шахта

Это самая большая по объему и наименее стойкая часть печи, имеющая форму усеченного конуса. Именно в шахте происходят основные физико-химические процессы взаимодействия между твердыми шихтовыми материалами и газами. И ее значительная высота обусловлена тем, что при движении материалов должно произойти наибольшее косвенное восстановление оксидов железа, а это достигается длительным пребыванием материалов в шахте. Если высота недостаточна, материалы переходят в нижнюю часть печи слабо восстановленными, а чтобы обеспечить высокую газопроницаемость столба шихты на протяжении всего плавильного процесса, шахта расширяется сверху вниз.

Распар

Цилиндрическая часть печи, имеющая наибольший диаметр и обеспечивающая плавный переход шахты в заплечики. В профиле домны распар расположен в соответствии с началом этапа шлакообразования. За счет его широких габаритов снижается скорость движения газов в зоне шлакообразования и предупреждается подвисание шихты, так как в момент перехода железорудных материалов в тестообразные массы снижается проницаемость слоя шихты и возрастает гидродинамическое сопротивление.

Заплечики

Эта часть печи имеет форму перевернутого усеченного конуса. Это позволяет направить газовые потоки из зоны горения в «рудный гребень» и замедляет темп движения шихтового столба вниз.

Горн

Он представляет собой нижнюю цилиндрическую часть домны и состоит из двух частей: фурменной зоны и металлоприемника. В фурменной зоне находятся фурменные отверстия и приборы, посредством которых в домну под давлением подается нагретое воздушное дутье. А в металлоприемнике, собирающем жидкий чугун и шлак, расположены отверстия для их выпуска.

Лещадь

Это подина металлоприемника. Учитывая массогабаритные параметры и принцип работы доменной печи, лещадь является одним из ее наиболее ответственных элементов. Она испытывает значительное гидростатическое давление и температурные напряжения и поэтому выполняется из углеродистого и высокоглиноземистого материала и имеет особый вид охлаждения.

Конструктивные размеры типовых доменных печей

Принцип работы домны

Доменный процесс протекает довольно сложно и требует соблюдения технологии и строгого контроля за уровнем многочисленных физических параметров. Но попробуем упрощенно рассмотреть, как доменная печь работает.

Скиповым подъемником шихтовые материалы (железорудное сырье, кокс, флюсы) поднимаются на высоту колошникового устройства и засыпаются в печь. При этом засыпка шихтовых материалов осуществляется таким образом, чтобы слои кокса чередовались с железосодержащими материалами. Снизу, благодаря работе фурменных устройств, идет нагнетание внутрь домны мощного потока горячего воздуха, который содержит необходимый для реакции кислород. Поднимаясь вверх, он движется в противотоке с опускающимися вниз слоями шихтового столба и интенсивно пронизывает их за счет наличия межкусковых пространств, вызывая горение кокса и разложение компонентов шихты. Представим доменный процесс схематически.

Описание процессов в доменной печи

Жидкий чугун, проходя сквозь слой шлака, дополнительно освобождается от серы и собирается в горне, откуда выпускается через летку в равные временные интервалы. Шлак имеет более низкую плотность и поэтому находится сверху расплавленного чугуна и тем самым минимизирует его окисление. Шлак также отводится через летку с соблюдением определенной временной последовательности.

Сырьевые и топливные материалы

Железные руды – основное сырье для доменного производства. К ним относятся магнитный, красный и бурый железняк, а также сидериты и гетиты. Путем обогащения и подготовки из них получают железорудное сырье:

• окатыши;
• агломерат;
• концентрат.

В руде, кроме Fe, содержится пустая порода и различные примеси, которые в ходе плавки выделяются в шлак. Для этих целей в доменную шихту дополнительно вводят флюсы. Эти материалы снижают температуру плавления пустой породы и связывают ее в неметаллические включения. Применение флюсов позволяет снизить количество примесей в чугуне и придать шлаку необходимые свойства, ведь после выплавки он также используется в разных сферах современной промышленности.

Основным топливом для доменного производства вот уже на протяжении многих десятилетий является кокс. Это продукт коксохимических фабрик и результат бескислородной переработки специальных сортов каменного угля. При этом кокс, как содержащий углерод компонент шихты, одновременно выступает топливом и ключевым реагентом для восстановления Fe из руды. В современных условиях металлурги стали частично заменять его на альтернативные виды топлива – мазут, газ природный, коксовый и доменный, а также на пылеугольное топливо.

Почему нельзя остановить домну?

Доменная печь – это шахтные плавильные агрегаты непрерывного действия. Температура в них увеличивается сверху вниз. Атмосферный кислород, вдуваемый снизу, вступает в экзотермическую химическую реакцию с коксом, которая дает тепловую энергию, необходимую для доменного процесса и доходящую иногда до 2000-2300°С.

Поэтому, если по каким-либо причинам произойдет остановка печи, сразу возникает проблема – как нагреть доменную печь снова, ведь внутри нее находятся тонны твердых и тестообразных материалов шихты, жидкий чугун и шлак. При снижении температуры все это превратится в единую массу, которую нельзя будет повторно нагреть никакими внешними воздействиями. Поэтому доменные печи останавливают только в плановом режиме при выводе из эксплуатации или на капитальный ремонт.

Расчет годовой производительности доменной печи

Годовая производительность печи позволяет судить об эффективности ее эксплуатации. Рассчитывают ее по формуле Пгод = m × V_пол / КИПО, а исходными данными для ее расчета являются:

• полезный объем домны, V_пол, м³;
• коэффициент использования полезного объема, КИПО;
• годовое количество рабочих суток печи, m, дни.

Для примера выполним расчеты для печи с полезным объемом в 2000 м³. Учитывая характер эксплуатации печи, принимаем количество рабочих суток за календарное количество дней. В 2020 году их было 366. Значение КИПО возьмем из справочников, для отечественных домен постройки 70-80-х годов прошлого века данный коэффициент равен 0,6 и 0,7.

Пгод = m × V_пол / КИПО = 366 × 2000 / 0,6 = 1 220 000 тонн

Это означает, что при полной загрузке доменная печь с таким полезным объемом могла в 2020 году дать экономике 1,22 млн. тонн чугуна.

Украинская металлургия является одной из ведущих в мире. За последние несколько лет она неоднократно занимала 9-е место в ТОП-10 среди многочисленных стран-производителей стали.

На территории Украины расположена известная во всем мире доменная печь №9. Это самая мощная домна в Европе. Ее полезный объем составляет 5034 кубических метра, а годовая производительность может достигать 4 000 000 тонн.

Заключение

Итак, исходным сырьем для доменного производства являются железные руды, а продуктами, кроме основного – чугуна, являются шлак, колошниковый газ и колошниковая пыль. Собственные природные ресурсы и мощный производственный потенциал позволяют украинским металлургам лидировать на мировом рынке и обеспечивать потребности внутреннего рынка в чугуне и стали.