Доменна піч: що це таке і як вона працює

1. Історія появи доменної печі
2. Схема доменної печі
3. Принцип роботи домни
4. Розрахунок річної продуктивності доменної печі
5. Висновок

Ось вже протягом кількох століть основними агрегатами для виплавки чавуну з залізорудних матеріалів є доменні печі. Звичайно, з роками конструкція цих шахтних плавильних агрегатів модернізувалася, удосконалювалася і виготовлялася із застосуванням різних матеріалів, проте їх принцип роботи залишається незмінним і ґрунтується на протипотоці шихти й розпечених відновлювальних газів. І не зважаючи на високий рівень сучасних технологій, в найближчі десятиліття доменний процес все ще залишатиметься одним з основних способів виробництва в чорній металургії.

Історія появи доменної печі

Залізо (Fe) є четвертим елементом за ступенем поширеності на Землі. Але на нашій планеті воно не зустрічається в чистій елементарній формі, ну хіба що в складі метеоритів. Тому люди стали отримувати його методом відновлення із залізовмісних руд, що уявляють собою окиси та вуглекислі солі закису Fe. Й оскільки елементарний зв'язок між Fe та O₂ досить міцний, першим винахідникам довелося шляхом проб та помилок створювати перші й, можливо, не зовсім ефективні плавильні агрегати та використовувати для отримання високих температур деревне вугілля, яке в давнину було єдиним джерелом енергії.

З огляду на рівень сучасних технологій, важко зрозуміти, як можна було користуватися доменною піччю за відсутності потужних скіпових підіймачів, численних приладів й датчиків, без природного газу та пиловугільного палива. Проте, по всьому світу збереглась досить велика кількість доменних печей, побудованих ще у XVII-XIX століттях. Більшість з них є об'єктами історичної спадщини та експонатами музеїв під відкритим небом. Але найперші домни були створені в Китаї, про що свідчать чавунні вироби, виготовлення яких датується ще V століттям до нашої ери.

Китай

Численні чавунні артефакти, знайдені в різні роки в Китаї, та ранні тибетські писання дозволяють говорити про те, що саме на території сучасної КНР вперше був винайдений та освоєний доменний процес. Причому зародження домни та початок виробництва чавуну у Китаї пов'язують саме з культурою царства Шанг Шунга.

Сьогодні не можна достеменно встановити, яке було улаштування доменної печі у стародавньому Китаї. Відомо лише, що ранні конструкції мали глиняні стіни, а їх домниця мала форму двох усічених конусів, з'єднаних великими основами. Мала потужність повітродувних засобів обмежувала можливе збільшення шахти печі за висотою, тому печі були висотою від 2 метрів. Залишки найбільших та дорівнюючих майже 10 метрів у висоту агрегатів були знайдені в провінціях Гуандун й Синьчуан. Також з деяких джерел відомо, що:

• у 500 р. до н.е. місцеві умільці навчилися доводити температуру впливу на шихту до 1130°С;
• до 300 р. до н.е. доменний чавун починає широко використовуватися в Піднебесній для виготовлення зброї, інструментів і сільськогосподарських знарядь;
• у XI столітті через зростаючі обсяги виплавки чавуну в імперії Сун почалася масова вирубка дерев. І деревне вугілля, єдине паливо для домни тих часів, починають замінювати на бітумінозний кам'яний.

Середньовічна Європа

У XII та XIII столітті на території Штирії (нині Австрія) для отримання чорних металів шляхом хімічного відновлення заліза з руди використовувалася сиродутна піч (штукофен). Вона функціонувала майже так само, як працює доменна піч, що дозволяє вважати її якщо не прототипом, то попередником такої.

Ближче до XV століття домни зводяться у Швейцарії, Швеції, Вестфалії та Англії. Висота їх досягає 5 метрів, а при обслуговуванні вже використовуються різноманітні механізовані засоби. Й хоча подача повітря здійснювалася клинчастими міхами, керованими гідроприводом, все ж це не могло забезпечити високу інтенсивність плавки, й добова продуктивність домни на той час в кращому випадку становила 1,0...1,2 тонни.

Існує кілька гіпотез про те, як доменне виробництво з'явилося у Європі. За однією з версій технологія могла бути вкрадена у китайців, за іншою – перейнята у народів, що заселяли території на південь від Каспійського моря. Зате всі історики сходяться на думці, що істотний внесок у розвиток доменного виробництва в Європі внесли цистерціанці. Ченці цього католицького ордену активно займалися господарською діяльністю і були кращими металургами у середньовіччі. Навіть у примітивних доменних печах того часу цистерціанці змогли домогтися високої ефективності у переплавці руди на чавун, про що свідчать знайдені при розкопках залишки шлаку з дуже низьким вмістом заліза.

Сучасний етап

Подальше становлення і розвиток доменного виробництва вже відноситься до XVIII-XX століть. І значну роль в цьому зіграли великі науково-технічні досягнення. Серед них:

• отримання в 1735 році молодшим А. Дербі патенту на коксування кам'яного вугілля;
• створення Д. Уайттом у 1784 універсального парового двигуна;
• розробка в 1828 році Д. Нельсоном технології нагріву дуття перед подачею до домни;
• винахід у 1850 році для завантаження шихти засипного пристрою типу «воронка-конус»;
• отримання у період 1867…1871 Г. Бессемером патентів на плавку чавуну з високим тиском усередині печі та на технологію роботи домни на збагаченому кисневому дутті.

Паросилові установки й агрегати стали широко використовуватися для нагрівання та подачі дуття до домни, а також дозволили значно скоротити використання вугілля та замінювати його антрацитом. Але все ж, не зважаючи на численні інновації, основним паливом для доменної печі був та залишається кокс. Саме його використання стало для металургії ключовим фактором й основою для індустріальної революції XIX століття, а коксові домни працюють донині.

Доменні печі також використовувалися для виплавки цинку. На відміну від печей, що виплавляють залізо, вони трохи нижчі, не мають вогнетривкої футерівки в бічних стінах та абсолютно герметичні. Але через високу собівартість цинкові доменні печі майже не застосовуються.

В результаті численних розробок й впроваджених ідей доменне виробництво зазнало величезних якісних змін, а збільшення обсягів виробництва чавуну і сталі призвело до створення високопродуктивних доменних печей.

Схема доменної печі

А тепер спробуємо більш детально розібратися, що таке доменна піч. Адже цікаво, що ж приховано за потужної футерівкою й численними технічними майданчиками, які оперізують піч по всьому периметру.

Домна – це плавильний агрегат шахтного типу й безперервної дії, в якому всі теплообмінні, плавильні та відновні процеси здійснюються в потоці рухаючихся назустріч один одному кускових матеріалів шихти й відновлювальних газів. Агрегати можуть відрізнятися обсягами робочого простору, рівнем продуктивності та розмірами, але в цілому у них всіх ідентична конструкція. А типова схема доменної печі включає такі елементи як колошник, шахта, розпар, заплечіки, горно й під.

Колошник

Це циліндрична частина розташована вгорі печі. Через неї здійснюється завантаження і розподіл шихти, тому колошник відчуває ударні й абразивні впливи від зсипаючихся з великого конуса залізорудних матеріалів, коксу та флюсу. А як пристрій він має складну багатоповерхову конструкцію, в яку входить завантажувальний пристрій, система газовідводів з клапанами, мініціклони та трубопровідна система вирівнювання тиску.

Шахта

Це найбільша за обсягом і найменш стійка частина печі, що має форму усіченого конуса. Саме в шахті відбуваються основні фізико-хімічні процеси взаємодії між твердими шихтовими матеріалами та газами. Й її значна висота обумовлена ​​тим, що при русі матеріалів має відбутися найбільше непряме відновлення оксидів заліза, а це досягається тривалим перебуванням матеріалів в шахті. Якщо висота недостатня, матеріали переходять в нижню частину печі слабо відновленими, а щоб забезпечити високу газопроникність стовпа шихти протягом усього плавильного процесу, шахта розширюється зверху вниз.

Розпар

Циліндрична частина печі, що має найбільший діаметр й забезпечує плавний перехід шахти в заплечіки. У профілі домни розпар розташований відповідно до початку етапу шлакоутворення. За рахунок його широких габаритів знижується швидкість руху газів в зоні шлакоувторення і попереджається підвисання шихти, бо в момент переходу залізорудних матеріалів у тістоподібні маси знижується проникність шару шихти й зростає гідродинамічний опір.

Заплечіки

Ця частина печі має форму перегорнутого усіченого конуса. Це дозволяє направити газові потоки з зони горіння до «рудного гребеня» й уповільнює темп руху шихтового стовпа вниз.

Горно

Воно уявляє собою нижню циліндричну частину домни й складається з двох частин: фурменої зони та металоприймача. У фурменій зоні знаходяться фурмені отвори та прилади, за допомогою яких в домну під тиском подається нагріте повітряне дуття. А в металоприймачі, що збирає рідкий чавун та шлак, розташовані отвори для їх випуску.

Під

Це подина металоприймача. З огляду на масогабаритні параметри та принцип роботи доменної печі, під є одним з її найбільш відповідальних елементів. Він відчуває значний гідростатичний тиск і температурні напруження й тому виконується з вуглецевого та високоглиноземистого матеріалу й має особливий вид охолодження.

Конструктивні розміри типових доменних печей

Принцип роботи домни

Доменний процес протікає досить складно й вимагає дотримання технології та суворого контролю за рівнем численних фізичних параметрів. Але спробуємо спрощено розглянути, як доменна піч працює.

Скіповим підіймачем шихтові матеріали (залізорудна сировина, кокс, флюси) піднімаються на висоту колошникового пристрою й засипаються до печі. При цьому засипка шихтових матеріалів здійснюється таким чином, щоб шари коксу чергувалися з залізовмісними матеріалами. Знизу, завдяки роботі фурмених пристроїв, йде нагнітання всередину домни потужного потоку гарячого повітря, який містить необхідний для реакції кисень. Піднімаючись вгору, він рухається в протипотоці з опускаючимися вниз шарами шихтового стовпу та інтенсивно пронизує їх за рахунок наявності міжкускових просторів, викликаючи горіння коксу й розкладання компонентів шихти. Уявімо доменний процес схематично.

Опис процесів в доменній печі

Рідкий чавун, проходячи крізь шар шлаку, додатково звільняється від сірки і збирається у горні, звідки випускається через льотку у рівні часові інтервали. Шлак має більш низьку щільність і тому знаходиться зверху розплавленого чавуну й тим самим мінімізує його окислення. Шлаки також відводяться через льотку з дотриманням певної часової послідовності.

Сировинні та паливні матеріали

Залізні руди – основна сировина для доменного виробництва. До них відносяться магнітний, червоний та бурий залізняк, а також сидерити й гетити. Шляхом збагачення та підготовки з них отримують залізорудну сировину:

• окатиші;
• агломерат;
• концентрат.

У руді, крім Fe, міститься порожня порода і різні домішки, які під час плавки виділяються у шлак. Для цих цілей в доменну шихту додатково вводять флюси. Ці матеріали знижують температуру плавлення пустої породи й пов'язують її в неметалеві включення. Застосування флюсів дозволяє знизити кількість домішок в чавуні та надати шлаку необхідних властивостей, адже після виплавки він також використовується у різних сферах сучасної промисловості.

Основним паливом для доменного виробництва ось вже протягом багатьох десятиліть є кокс. Це продукт коксохімічних фабрик та результат безкисневого перероблення спеціальних сортів кам'яного вугілля. При цьому кокс, як компонент шихти, що вміщує вуглець, одночасно виступає паливом і ключовим реагентом для відновлення Fe з руди. У сучасних умовах металурги стали частково замінювати його на альтернативні види палива – мазут, газ природний, коксовий та доменний, а також на пиловугільне паливо.

Чому не можна зупинити домну?

Доменні печі – шахтні плавильні агрегати безперервної дії. Температура в них збільшується зверху вниз. Атмосферний кисень вдихається знизу, вступає до екзотермічної хімічної реакції з коксом, яка дає теплову енергію, необхідну для доменного процесу та яка доходить іноді до 2000-2300°С.

Тому, якщо з яких-небудь причин відбудеться зупинка печі, відразу виникає проблема – як нагріти доменну піч знову, адже всередині неї знаходяться тонни твердих та тістоподібних матеріалів шихти, рідкий чавун та шлак. При зниженні температури все це перетвориться до єдиної маси, яку не можна буде повторно нагріти ніякими зовнішніми впливами. Тому доменні печі зупиняють тільки в плановому режимі при виведенні з експлуатації або на капітальний ремонт.

Розрахунок річної продуктивності доменної печі

Річна продуктивність печі дозволяє судити про ефективність її експлуатації. Розраховують її за формулою П_год = m × V_пол / КІПО, а вихідними даними для її розрахунку є:

• корисний обсяг домни, V_пол, м³;
• коефіцієнт використання корисного обсягу, КІПО;
• річна кількість робочих діб печі, m, дні.

Для прикладу виконаємо розрахунки для печі з корисним обсягом 2000 м³. З огляду на характер експлуатації печі, приймаємо кількість робочих діб за календарну кількість днів. У 2020 році їх було 366. Значення КІПО візьмемо з довідників, для вітчизняних домен будови 70-80-х років минулого століття цей коефіцієнт дорівнює 0,6 та 0,7.

П_год = m × V_пол / КІПО = 366 × 2000 / 0,6 = 1 220 000 тонн

Це означає, що при повному завантаженні доменна піч з таким корисним обсягом могла в 2020 році дати економіці 1,22 млн. тонн чавуну.

Українська металургія є однією з провідних в світі. За останні кілька років вона неодноразово займала 9-е місце в ТОП-10 серед численних країн-виробників сталі.

На території України розташована відомі у всьому світові доменна піч №9. Це найпотужніша домна в Європі. Її корисний обсяг становить 5034 кубічних метри, а річна продуктивність може досягати 4 000 000 тонн.

Висновок

Отже, вихідною сировиною для доменного виробництва є залізні руди, а продуктами, крім основного – чавуну, є шлак, колошниковий газ і колошниковий пил. Власні природні ресурси і потужний виробничий потенціал дозволяють українським металургам бути лідерами на світовому ринку та забезпечувати потреби внутрішнього ринку у чавуні і сталі.