Что такое домна и каковы процессы, происходящие в ней?

Что такое домна и каковы процессы, происходящие в ней?

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.

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

Общая схема доменной печи с обслуживающими системами дана на рис. Литейный двор – принадлежность небольших доменных печей, дающих в основном литейный чугун. Большие домны дают свыше 80% переделочного чугуна, который чугуновоз с разливочной площадки тут же увозит в конверторные, мартеновские или электроплавильные цеха для передела в сталь. Из литейного чугуна отливают в земляные формы-опоки, как правило, болванки – чушки – которые отправляются производителям металлоизделий, где переплавляются для отливки в изделия и детали в печах-вагранках. Чугун и шлак традиционно выпускаются через отдельные отверстия – летки, но домны новой постройки все чаще снабжаются общим летком, разделенным на чугунный и шлаковый жароупорной плитой.

Общая схема устройства доменной печи

Примечание: болванки сырого железа без избытка углерода, полученного из чугуна и предназначенного для передела в высококачественную конструкционную или спецсталь (второй-четвертый переделы) называются слябами. В металлургии профессиональная терминология разработана не менее детально и точно, чем в морском деле.

В настоящее время запасов угля и коксовых печей при домнах, похоже, вовсе не осталось. Современная доменная печь работает на привозном коксе. Коксовый газ – смертельно ядовитый убийца экологии, но он же ценнейшее химическое сырье, которое нужно использовать немедленно, еще горячим. Поэтому коксохимическое производство давно уже выделилось в отдельную отрасль, а кокс металлургам поставляют транспортом. Что, кстати, гарантирует стабильность его качества.

Как работает домна

Непременное условие успешной работы доменной печи – избыток углерода в ней в течение всего доменного процесса. Термохимическую (выделена красным) и технико-экономическую схему доменного процесса см. на рис; выплавка чугуна в доменной печи происходит след. образом. Новую домну или реконструированную после капремонта 3-го разряда (см. ниже) заполняют материалами и разжигают газом; также разогревают один из кауперов (см. далее). Затем начинают дуть воздух. Сразу же усиливается горение кокса, повышающее температуру в домне, начинается разложение флюса с выделением углекислого газа. Его избыток в атмосфере печи при достатке вдуваемого воздуха не дает коксу догореть полностью, и в больших количествах образуется монооксид углерода – угарный газ. Он в данном случае не яд, а энергичный восстановитель, жадно отнимающий кислород у окислов железа, составляющих руду. Восстановление железа газообразным моноокислом, вместо менее активного твердого свободного углерода – принципиальное отличие домны от домницы.

Химические процессы и температура в разных зонах доменной печи

По мере сгорания кокса и распада флюса столб материалов в домне оседает. В общем доменная печь представляет собой два составленных основаниями усеченных конуса, см. далее. Верхний, высокий, это шахта домны, в ней железо из разнообразных окислов и гидроокиси восстанавливается до моноксида железа FeO. Самая широкая часть доменной печи (место сопряжения оснований конусов) называется распаром (распар, распара – неправильно). В распаре оседание загрузки замедляется, и железо восстанавливается из FeO до чистого Fe, которое выделяется каплями и стекает в горн домны. Руда как бы парится, потея расплавленным железом, отчего и название.

Примечание: время прохождения очередного колоша шихты в домне от верха шахты до расплава в горне составляет от 3-х до 20 и более суток в зависимости от размера доменной печи.

Температура в доменной печи в пределах столба загрузки растет от 200-250 градусов под колошником до 1850-2000 градусов в распаре. Восстановленное железо, стекая вниз, контактирует со свободным углеродом и при таких температурах сильно им насыщается. Содержание углерода в чугуне превышает 1,7%, но выколотить его, как из крицы, из чугуна невозможно. Поэтому полученный из домны чугун тут же, чтобы не тратить средства и ресурсы на его переплавку, увозят жидким для первого передела в обычную конструкционную сталь или слябы, а доменная печь, как правило (большие и сверхбольшие домны – исключительно), работает в составе металлургического комбината.

Температура в доменной печи

Самая высокая температура печи в верхней части горна. Там она развивается до 2250 °C. По мере удаления вверх накал снижается, и у колошников доходит до 270 °C. На разной высоте в домне устанавливается определенная температура, благодаря чему протекают химические процессы перехода руды в металл. На выходе чугун голыми руками не возьмешь. Его температура 1400 °C.

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.
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.

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.

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. 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. 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. 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.

Обслуживание и ремонт доменной печи

Любому оборудованию, работающему в круглосуточном режиме, требуется постоянное обслуживание. Регламенты закладываются в технический паспорт оборудования. Несоблюдение графика технического обслуживания влечет за собой сокращение срока эксплуатации.

Работы по техническому обслуживанию доменных печей делятся на периодические и капитальные ремонты. Периодические работы проводятся без остановки рабочего процесса.

Капитальный же ремонт по объему выполняемых работ делится на три разряда. Во время первого разряда производится осмотр всего оборудования, при этом из шахты извлекаются расплавы. Во время второго разряда производится ремонт футеровки, замена вышедших из строя элементов оборудования. При третьем разряде производится полная замена агрегата. Обычно такой ремонт совмещают с модернизацией или реконструкцией домны.

Системы и оборудование

Устройство доменной печи современного образца включает в себя десятки вспомогательных систем, управляемых мощными компьютерами. Металлурги наших дней по-прежнему носят каски с темными очками, но сидят в кабинах с кондиционером за пультом с дисплеями. Тем не менее, принципы работы основных систем и устройств, обеспечивающих работу доменной печи, остались прежними.

Кауперы

Воздухонагреватель Каупера (см. рис.) – устройство циклического действия. Вначале насадка-регенератор из теплоемкого жароустойчивого материала нагревается догорающими доменными газами. Когда температура насадки достигнет ок. 1200 градусов, каупер переключается на дутье: наружный воздух через него прогоняется в домну противотоком. Насадка остыла до 800-900 градусов – каупер переключают снова но прогрев.

Внешний вид и устройство кауперов доменной печи

Поскольку дуть в домну нужно непрерывно, кауперов при ней должно быть не менее 2-х, но строят их не менее 3-х, с запасом на аварию и ремонт. Для больших, сверхбольших и гигантских доменных печей строят батареи кауперов из 4-6 секций.

Колошниковый аппарат

Устройство колошникового аппарата доменной печи

Это самая ответственная часть домны, особенно в свете теперешних требований экологии. Устройство колошникового аппарата домны показано на рис. справа; он представляет собой 3 согласованно действующих газовых затвора. Цикл его работы такой:

1. исходное состояние – верхний конус поднят, преграждает выход в атмосферу. Окна в днище вращающейся воронки приходятся на горизонтальную перегородку и перекрыты. Нижний конус опущен, дает выход доменным газам к дымососу и далее в циклон;
2. скип (см. далее) опрокидывается и вываливает колошник материалов в приемную воронку;
3. вращающаяся воронка с окнами в днище поворачивается и пропускает загрузку на малый конус;
4. вращающаяся воронка возвращается в исходное состояние (окна закрыты перегородкой);
5. большой конус поднимается, отсекая доменные газы;
6. малый конус опускается, пропуская загрузку в межконусное пространство;
7. малый конус поднимается, дополнительно перекрывая выход в атмосферу;
8. большой конус опускается в исходное состояние, выпуская загрузку в шахту домны.

Таким образом, материалы в шахте печи ложатся слоями, выпуклыми книзу и вогнутыми сверху. Это совершенно необходимо для нормальной работы домны, поэтому нижний (большой) затвор всегда обратно-конический. Верхние могут быть иной конструкции.

Скип

Скип, с англ. – ковш, черпак, разинутая пасть. Колоша (с фр.) – горсть, ковш, черпак. Кстати, отсюда же и калоши. Доменные печи снабжаются преимущественно скиповыми подъемниками материалов. Скип домны (справа на рис.) зачерпывает из скиповой ямы калошу материала, поднимается специальным механизмом по наклонной эстакаде (слева на рис.), опрокидывается в колошниковый аппарат и возвращается обратно.

Скиповый подъемник материалов и скип доменной печи

Фурмы и летки

Устройство фурмы доменной печи показано слева на рис., чугунной летки в центре, а шлаковой справа:

Устройство фурмы и леток доменной печи

Сопло фурмы направлено в самое сердце доменного процесса; через него удобно зрительно контролировать его ход, для чего на воздуховоде фурмы устраивается гляделка с жаростойким стеклом. Давление воздуха на срезе сопла фурмы – 2-2,5 ати (2,1-2,625 МПа сверх атмосферного).Летки после выпуска расплава запечатываются комом жароустойчивой глины. Раньше по ним для этого стреляли пластичным глиняным ядром из специальной пушки. Ныне летки запечатываются дистанционно управляемой электрической пушкой (название – дань традиции), приближающейся к летку вплотную. Это намного уменьшило аварийность, травмоопасность и экологичность доменного процесса.

Продукты доменной печи

В технологическом процессе доменного производства вырабатываются три продукта:

• Чугун делится на два вида: литейный и предельный. Предельный вид чугуна используется при производстве стали. В зависимости от примесей разделяется на сорта.
• Шлак – это полезные отходы доменного производства. Его используют при производстве бетонных смесей, предварительно измельчив.
• Доменный газ используется на сталеплавильном производстве как топливо.

Чугун

Чугун является основным продуктом доменного производства, а шлак и доменный газ – побочными.

Выплавляемые в доменных печах чугуны в зависимости от способа дальнейшего использования делятся на три группы:

• передельные идущие на передел в сталь;
• литейные предназначенные для получения отливок из чугуна в машиностроении;
• специальные (ферросплавы), используемые для раскисления стали в сталеплавильном производстве.

Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой.

В чугуне также содержится незначительные количества водорода, азота и кислорода. В легированном чугуне могут быть хром, никель, ванадий, вольфрам и титан, количество которых зависит от состава проплавляемых руд.

Предельный чугун предназначается для переработки в сталь.

Такой чугун характерен тем, что углерод в нем (2,2—4%) находится в химически связанном состоянии.

Поверхность излома чугуна имеет белый цвет.

В зависимости от состава и способа переработки различают:

• мартеновский чугун, содержащий фосфора от 0,15 до 0,30% и серы до 0,07%;
• бессемеровский, содержащий фосфора 0,07% и серы до 0,069%;
• томасовский, содержащий фосфора 1,6% и серы до 0,08%.

Передельный чугун подразделяют на три вида:

• Передельный коксовый (марки М1, М2, М3, Б1, Б2).
• Передельный коксовый фосфористый (МФ1, МФ2, МФ3).
• Передельный коксовый высококачественный (ПВК1, ПВК2, ПВК3).

Литейный чугун после выпуска из доменной печи разливают в чушки и в холодном виде направляют на машиностроительные заводы, где для отливки деталей машин его вторично подвергают расплавлению в специальных печах-вагранках.

Литейный коксовый чугун выплавляют семи марок: ЛК1-ЛК7.

Каждую марку подразделяют на три группы по содержанию марганца, пять классов по содержанию фосфора и на пять категорий по содержанию серы.

Фосфористые чугуны.

Особую группу составляют фосфористые чугуны, содержащие до 2% Р, в зависимости от содержания фосфора применяются различные технологии передела таких чугунов в сталь.

Этот вид чугунов предназначен для производства литых изделий в чугуноплавильных цехах. Характерной особенностью этих чугунов является высокое содержание кремния (2,75 – 3,75% Si), а в некоторых случаях и фосфора. Объясняется это тем, что эти элементы придают расплавленному чугуну высокую жидкоподвижность или способность хорошо заполнять литейную форму.

Литейный чугун применяется после переплава на машиностроительных заводах для получения фасонных отливок.

Литейный чугун применяется для изготовления литых изделий:

• труб;
• радиаторов;
• водопроводной арматуры;
• станин;
• блоков;
• шестерен и т. п.

Такой чугун в изломе имеет серый цвет. В нем часть углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. В сером чугуне обычно содержится кремния 1,25-4,25%, углерода 2,5—4%, марганца 0,5—1,3%, фосфора 0,1— 1,2% и небольшое количество серы.

Марганец придает чугуну твердость и хрупкость.

Кремнии, наоборот, снижает твердость чугуна, благодаря чему отливки из такого чугуна легко поддаются механической обработке.

Фосфор делает чугун жидкоплавким, хорошо заполняющим тонкие сечения форм.

Отливки из чугуна, содержащего повышенное количество фосфора, хорошо сопротивляются истиранию, но вместе с тем обладают повышенной хрупкостью.

Сера придает чугуну густоплавкость и понижает его механические свойства.

Специальные чугуны (ферросплавы).

Это сплавы железа с повышенным содержанием кремния, марганца и других элементов, используемые в качестве раскислителей или присадки в сталеплавильном и чугунолитейном производствах.

К ним относятся:

• ферромарганец (70 – 75% Mn и до 2% Si);
• ферросилиций (9 – 13% Si и до 3% Mn);
• зеркальный чугун (10 – 15% Mn и до 2% Si).

В последние годы выплавка ферросплавов в доменных печах сократилась в виду неэкономичности передела. Более выгодно выплавлять ферросплавы в электропечах.

Шлак

Шлак — побочный продукт, он является очень дешевым строительным материалом высокого качества и идет на изготовление цемента, бетона, кирпича, на грунтовку дорог.

Количество получаемого при плавке шлака очень велико (примерно 60% веса выплавляемого чугуна).

Шлаки бывают основные и кислые.

Кислый шлак имеет высокую прочность. Если его в жидком виде продуть паром или воздухом, получится шлаковая вата, являющаяся хорошим изолятором.

Доменный (колошниковый газ)

Это газ, выходящий из печи через ее верхнюю часть – колошник.

Он состоит из СО, Н2, СО2, СН4 и N2. После очистки от содержащейся в нем пыли, газ используется как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь, для отопления котлов и других целей.

Поскольку в газе содержится до 30 % СО, то он является топливом, которое используют после очистки от пыли. Количество колошникового газа в 2,5 раза по массе превышает количество чугуна. Теплота сгорания составляет 3600—3900 кДж/м3.

При работе доменной печи на комбинированном дутье с применением природного газа содержание водорода в колошниковом газе возрастает до 6—8, а иногда до 12 %, при этом теплота сгорания возрастает до 4200 кДж/м3.

Около 30—35 % колошникового газа используется в доменном цехе для обогрева насадок воздухонагревателей. Остальной газ используется в прокатных и термических цехах и на теплоэлектроцентрали.

Процесс получения чугуна осуществляется в доменных печах.

Сырые материалы доменной плавки, взятые в необходимых соотношениях, составляют шихту.

Чугун является первичным продуктом, получаемым из исходного сырья. Получение чугуна основано на извлечении железа из руд с помощью различных окислительно-восстановительных реакций. В дальнейшем чугун используется как исходное сырье для получения стали.

Обслуживание и ремонт доменной печи

Любому оборудованию, работающему в круглосуточном режиме, требуется постоянное обслуживание. Регламенты закладываются в технический паспорт оборудования. Несоблюдение графика технического обслуживания влечет за собой сокращение срока эксплуатации.

Работы по техническому обслуживанию доменных печей делятся на периодические и капитальные ремонты. Периодические работы проводятся без остановки рабочего процесса.

Капитальный же ремонт по объему выполняемых работ делится на три разряда. Во время первого разряда производится осмотр всего оборудования, при этом из шахты извлекаются расплавы. Во время второго разряда производится ремонт футеровки, замена вышедших из строя элементов оборудования. При третьем разряде производится полная замена агрегата. Обычно такой ремонт совмещают с модернизацией или реконструкцией домны.

Доменное производство

Доменная печь используется в металлургии для выплавки чугуна и ферросплавов из шихты. Она имеет высокую производительность, поэтому в последнее время для обогрева частного дома многие мастера делают такие печи самостоятельно. Эти печи также имеют другое название – печи шахтного типа или печи длительного горения.

Устройство большой доменной печи.

Доменная печь, сделанная своими руками, работает по тому же принципу, что и ее промышленный вариант, она позволяет максимально эффективно использовать топливо, а его расход значительно снижается. Такая печь – лучшее решение для обогрева дома, дачи, гаража, теплицы.

Основной особенностью, которую имеет самодельная доменная печь, является то, что процесс горения топлива в ней затягивается на длительное время.

Такая домна, сделанная своими руками, может работать на угле, дровах и даже опилках. Можно купить печь длительного горения в магазине, но если все сделать своими руками, то экономия получится солидная.

История

Необходимость совершенствования технологии выплавки железа возникла давно. Легкоплавкие руды, расположенные практически на поверхности земли, не отличались большими объёмами и быстро были израсходованы. Существующая методика выплавки была несостоятельна и не позволяла работать с тугоплавкими рудами. Появилась необходимость в усовершенствовании существующего оборудования и технологии. В первую очередь требовалось увеличить размеры печей и значительно усилить режим наддува.

Читайте также: Выбираем дрова для камина, печи, бани и мангала

Первые упоминания о конструкциях, аналогичных доменным печам, обнаружены в Китае. Они относятся к IV веку. В Европе появление доменных печей относят к XV веку, до этого использовались так называемые сыродутные печи. Непосредственным предшественником домны являлся каталонский горн, который использовал технологические приёмы, близкие к методике доменного производства. Его отличительными чертами были:

• Непрерывный процесс подачи шихты;
• Использование мощных установок подачи воздуха с гидравлическим приводом.

Доменная печь XIV века

Объём каталонского горна составлял всего 1 м³, что не позволяло получать больших объёмов продукции. В XIII веке в европейском княжестве Штирия был создан штукофен, увеличенный и усовершенствованный вариант каталонского горна. Он имел около 3,5 м в высоту и два технологических отверстия — нижнее для подачи воздуха, верхнее для извлечения крицы (сыродутного железа). Штукофен выдавал три вида железных полуфабрикатов:

Разница между ними заключалась в содержании углерода — больше всего его было в чугуне (больше 1,7%), в стали его было меньше 1,7%, а в ковком железе содержание составляло 0,04%. Высокий уровень содержания углерода оценивался негативно, так как чугун нельзя ковать, сваривать, из него сложно изготавливать оружие.

Это важно! Первоначально чугун был отнесён к отходам производства, так как не поддавался ковке. Отношение к нему изменилось только после начала вторичной переплавки, которое стали делать из-за нехватки легкоплавких руд. Передельное железо, полученное из чугуна, имело более высокое качество, что послужило стимулом к расширению переделочного процесса.

Дальнейшее наращивание мощностей и совершенствование технологии послужили толчком к возникновению блауфена, имевшего высоту уже около 5–6 м, способного к выплавке чугуна и железа одновременно. Он уже практически являлся доменной печью, хоть и несколько уменьшенной, упрощённой конструкции. Утвердился двухступенчатый процесс, когда первой стадией было получение чугуна, а второй — выплавка из него железа при усиленном наддуве.

Появление первых доменных печей в Европе относится к концу XV века. Почти сразу подобные конструкции появились в Англии, а в США первые домны созданы гораздо позже — в 1619 году. Первую домну в России на своей мануфактуре в Туле построил А. А. Виниус. Процесс состоял из следующих этапов:

1. Загрузка древесного угля и наддув.
2. Укладка чугунных чушек перед устьем, расплавление, сток чугуна вниз.
3. Потеря части углерода во время прохождения возле фурм.
4. Подача полученного железа к соплу, мощный наддув, при котором лишний углерод выгорал, а мягкое железо оседало на дне.

Железо извлекали со дна горна и проковывали, удаляя жидкий шлак, уплотняя чушки. При таком способе выход готового железа составлял около 92 % от изначального веса чугуна, а его качество значительно превышало показатели кричного продукта.

Серьёзной проблемой стал топливный кризис. Для плавления руды использовался древесный уголь, что привело к истреблению лесов. Проблема выросла до таких размеров, что в Англию ввозили металл из Европы, а позже — и из России в течение 2 веков. Оказалось, что лес растёт медленнее, чем горит. Попытки использования каменного угля показали, что в нём содержится большое количество серы, существенно снижающей качество металла. Было произведено множество опытов, не увенчавшихся успехом.

Это интересно! Решение было найдено только в 1735 году английским металлургом А. Дерби II, который нашёл способ превращения угля в кокс. С этого времени топливная проблема была преодолена, и процесс получил новый толчок к развитию.

Следующим революционным открытием стал нагрев воздуха, используемого для наддува. Он позволил заметно снизить расход каменного угля до 36 %. Появились специальные требования к сортности, качеству металла по содержанию марганца, кремния, фосфора. Технология и конструкция печей совершенствовались, дополнялись, понемногу приходя к современному виду.

Устройство и принцип работы

Доменная печь представляет собой вертикальную конструкцию шахтного типа, напоминающую конус, расширяющийся книзу. Высота печи может достигать 70 м, рабочий объём — 2700 м³. Суточная производительность домны таких размеров достигает 5000 т чугуна. Основной особенностью работы доменных печей является непрерывность процесса. Работа ведётся круглосуточно и не прекращается до момента капитального ремонта или демонтажа печи, что может занимать период от 3 до 15 лет. Если работу остановить и оставить печь без топлива, произойдёт так называемое «закозление», застывание материалов, находящихся внутри. Запустить вновь печь, остановленную нештатным способом, невозможно. Такая специфика заставляет специалистов постоянно заботиться о соблюдении режима работы установки, но и позволяет получить максимальную производительность.

Материалы, необходимые для реализации доменного процесса:

• Каменноугольный кокс (топливо);
• Железная руда (агломерат, окатыши);
• Флюс (песок, известняк и другие необходимые материалы, организующие подъём шлаков вверх).

Месторождений железной руды, качество которой позволяет без предварительной обработки использовать её в процессе плавки, в мире осталось очень мало. Поэтому в большинстве случаев используется специально подготовленное сырьё — агломерат или окатыши, представляющие собой комки обогащённого рудного материала. Они имеют форму округлых гранул (окатыши) или частиц неправильной формы (агломерат) размером 2–5 см.

Читайте также: Печь из газового баллона с водяным контуром

Схема устройства доменной печи

Конструкция печи представляет собой массивную вертикальную башню, изнутри выложенную шамотным (огнеупорным) кирпичом. Она установлена на прочном фундаменте, поднятом над нулевым уровнем на определённую высоту. Верхняя, жароустойчивая часть основания называется пнём. Верхушка фундамента имеет горизонтальную площадку — лещадь, которая принимает на себя все динамические и температурные нагрузки, в связи с чем имеет водяное охлаждение. Печь снаружи защищена прочным металлическим кожухом, толщина которого составляет 4–6 см.

Внутренняя часть печи представляет собой конусообразную башню, состоящую из нескольких участков:

• Колошник. Верхний отдел башни, где производится загрузка шихты и выводятся колошниковые газы.
• Шахта (или тахта). Конусообразная часть башни, понемногу расширяющаяся книзу.
• Распар. Самая широкая (средняя) часть башни, в которой происходит начало процессов шлакообразования и плавления сырья. Температура в этом участке составляет от 1400°.
• Заплечики. Относительно короткий участок в виде конуса, сужающегося в нижней части. В нём происходит окончательное плавление металла. Температура в этом участке составляет 1600–1900°.
• Горн. Нижняя часть башни, где расположены отверстия для подачи воздуха (фурмы). Там же располагаются чугунная и шлаковая летки (отверстия для выпуска чугуна и шлака). Днище горна — это верхняя часть фундамента (лещадь).

С помощью засыпного аппарата в колошник подаются шихта и флюс. По мере расплава и вывода чугуна и шлака материалы опускаются вниз, а их место занимают новые порции. Газы, образующиеся во время протекания химических процессов, выводятся посредством трубопроводов, размещённых в колошниковой части башни. Они имеют высокую температуру и используются для нагрева свежего потока, поступающего в домну для наддува. Нагрев производится в кауперах — установках, осуществляющих забор свежего воздуха, нагрев в теплообменных устройствах и подачу горячего воздуха в печь.

Как работает мартеновская печь

Рис. 6 – Принцип работы мартеновской печи
Главный принцип работы мартеновской печи основан на уникальном эвтектическом свойстве сплавов. Раскаленная смесь воздуха и горючего газа вдувается в печь с низким потолком, который жар отражает вниз (Рис. 6). Мартеновская печь может эксплуатироваться в нескольких производственных режимах, определение которых будет зависеть от состава шихты:

• Скрап-процесс. В этом случае шихта основана на стальном ломе (скрап) на 35-45%. Данный производственный процесс будет актуален на заводах, где нет возможности установки доменных печей, но при этом есть много металлолома;
• Скрап-рудный процесс. В таком процессе шихта основана на жидком чугуне (порядка 75%), железной руды и скрапа. Считается наиболее востребованным процессом на заводах, где установлены доменные печи.

Большинство мартеновских печей имеет стационарное исполнение. В случае с качающимися печами, они нашли свое активное применение при работе с фосфористыми чугунами. Данная тенденция обусловливается тем фактом, что обогащенный фосфором шлак необходимо раскачивать.

Процесс розжига печей качающегося типа осуществляется при помощи газообразного топлива или же мазута. Генераторный или смешанный газ, характеризующийся минимальными температурами сгорания, предварительно перед подачей в рабочую камеру подогревается в специализированных генераторах, температура в которых может варьироваться в диапазоне от 1000 до 1100 градусов.

Схемы доменной печи

Устройство доменных печей и производственный процесс выплавки практически одинаковы во всех странах и принципиальных различий не имеют. Но имеются разные схемы несущих конструкций, обладающие собственными особенностями и спецификой.

Особенности схем разных конструкций печей

1. Шотландская схема (а). Колошник установлен на специальные несущие конструкции, называемые основными колоннами. Как правило, их количество соответствует числу фурм. Это делается для удобства работы и обслуживания воздухоподающих отверстий. Если использовать другие варианты размещения, то фурмы придётся располагать неравномерно, что скажется на режиме наддува и общем качестве металла. Недостатком этой схемы является возможность передачи вибрации с погрузочных устройств на конструкцию печи. Кроме того, существуют трудности в проведении срочных ремонтных работ или реконструкций. При этом такая печь обходится дешевле и обладает меньшей массой, что сокращает время постройки.
2. Немецкая (б). Колошник установлен на собственные опоры (колонны). Это улучшает качество обслуживания горна, но создаёт возможность образования чрезмерных напряжений в зоне заплечиков из-за нагрузок от веса башни. Усиление конструкции образует проблемы с доступом к заплечикам, что сказывается на режиме и качестве работ.
3. Комбинированная (в). В этом варианте схемы напряжения на заплечиках снижены, но это сделано за счёт более сложного обслуживания участка горна. При этом данная схема обеспечивает высокую прочность кожуха, который продолжает эффективно функционировать даже при наличии заметных трещин. Такая особенность схемы по достоинству оценена специалистами, работающими на сырьё с большим процентным содержанием цинка. Он образует излишнее давление на стенки башни, увеличивая частоту капитальных ремонтов.
4. Японская (г). Несущими конструкциями являются 6 колонн, снабжённых кронштейнами. Несмотря на повышенную несущую способность, отмечаются заметные недостатки — дисбаланс нагрузок увеличивает вес опор, диаметр воздуховода увеличен по сравнению с другими вариантами схем, что способствует возрастанию нагрузок на фурменное оборудование. Дополнительным недостатком считается сложность организации напольного транспорта в зоне горна.
5. Американская (д). Схема отличается наличием 4 несущих колонн. Преимуществами являются пониженная вибрация, возникающая при работе загрузочных механизмов, а также значительно улучшен доступ к участку леток и фурм.

Указанные схемы разрабатывались и совершенствовались в разных условиях, что и стало причиной появления некоторых различий в конструкции. Тем не менее, все они вполне успешно эксплуатируются и дают продукцию высокого качества.

Доменная печь своими руками

Самостоятельное изготовление доменной печи на первый взгляд кажется нелепой затеей. Вряд ли кому-то придёт в голову организовать на своём участке миниатюрный металлургический цех. Причин этому несколько:

1. Отсутствие сырья. В мире осталось всего 2 месторождения с богатой рудой — в Бразилии и в Австралии. Купить окатыши или агломерат практически невозможно — их нет в свободной продаже, все поставки идут через сырьевые биржи и исчисляются тысячами тонн.
2. Получить разрешение на строительство миниатюрного металлургического производства невозможно. Чёрная металлургия — источник значительных экологических проблем, поэтому ни один чиновник не рискнёт дать разрешение на подобную затею.
3. Соседи завалят жалобами все инстанции, поскольку постоянный дым и чад сделают их жизнь невыносимой.

Указаны только самые основные причины, в действительности их гораздо больше. Использование доменной печи для производства металла в условиях частного дома исключено.

Однако если учесть специфику работы домны, в частности — непрерывный режим горения, то можно использовать её для обогрева помещений. Это эффективное решение для подачи тепла как в жилые, так и в служебные помещения — гараж, теплицы, вспомогательные постройки и т. д. В отличие от обычной твёрдотопливной печи, где надо часто загружать топливо, а КПД довольно низок, домна обеспечивает ровное тление материала в течение 15–20 часов. Это получается благодаря ограниченному поступлению воздуха, не позволяющего топливу активно гореть и растягивающему процесс на длительный срок.

Доменную печь можно сделать самостоятельно

Печь обычно делают из металлической бочки. Аккуратно вырезают днище (оно ещё понадобится), устанавливают бочку на заранее изготовленный фундамент. Вырезанный круг усиливают отрезками швеллера для придания большего веса — он будет придавливать топливо, способствуя компактному размещению и эффективному тлению. Вырезают отверстие под дымоход, обычно хватает трубы диаметром 10 см. Затем надо из листа металла вырезать крышку для бочки, так как днище уже использовано как гнёт для топлива. Вырезается круг соответствующего размера, тщательно приваривается к бочке. В нём также делается отверстие для трубы. В нижней части бочки вырезается отверстие для дверцы, через которое будет производиться закладка топлива. Под ней можно сделать дополнительную дверцу для удаления золы.

Читайте также: Как растопить печь дровами правильно?

Дымоход приваривается сверху, длина его прямой части (до первого колена) должна превышать диаметр бочки (в идеале — гораздо больше). При работе печь сильно нагревается, поэтому многие обкладывают её кирпичом или создают теплоотражающий экран. Оптимальный режим работы находят опытным путём. Необходимо соблюдать меры пожарной безопасности, в идеале для такой печи надо выделить отдельное помещение без горючих предметов.

Как работает

Для обеспечения непрерывности работы, возле домны устанавливается склад для окатышей (агломерата), флюса и кокса – бункер, предназначенный для составления шихты.

Поставки сырья в бункеры, как и подача шихты к засыпным устройствам на колошник, производится по непрерывной схеме с использованием транспортеров.

Опускаясь под своей массой, шихта попадает в среднюю часть печи, где под воздействием горячих газов, образующихся в результате сгорания кокса, железорудный материал нагревается, а оставшиеся газы выходят через колошник.

В горне, который находится внизу печи, располагаются аппараты для подачи под давлением горячих воздушных потоков – фурмы. В фурмах имеются окошки с термостойкими стеклами, позволяющие производить визуальный контроль процесса.

Обратите внимание: для защиты от воздействия высоких температур устройства охлаждаются водой по имеющимся внутри каналам.

В процессе горения происходит соединение кокса и кислорода с образованием углекислого газа.

Воздействие высокой температуры на углекислый газ превращает последний в отнимающий у руды оксид углерода и восстанавливает железо. Процесс образования чугуна происходит после прохождения железа сквозь слои раскаленного кокса. В результате такого процесса, железо насыщается углеродом.

После того как чугун в горне накопился, жидкий металл выпускается через находящиеся внизу отверстия – летки. В первую очередь через верхнюю летку выпускается шлак, а затем, через нижнюю летку – чугун. По специальным каналам чугун сливается в размещенные на железнодорожных платформах ковши и транспортируется на дальнейшую обработку.

Для производства стали используется чугун, который называется переделочным – он составляет до 80% производства.

Переделочный чугун транспортируется в сталелитейный цех с конверторами, мартеновскими или электрическими печами. В современных, огромного размера домнах для поддержания процессов горения используется не только потоки горячего воздуха, но и чистый кислород, применяемый вместе с природным газом.

Такая технология позволяет расходовать меньшее количество кокса, но является технологически более сложной. Поэтому для контроля процесса производства, выбора оптимальных режимов плавки используются компьютеры, способные вести одновременный анализ работы всех систем.

Смотрите познавательное видео, в котором описываются принцип работы и нюансы функционирования доменной печи:

Источник https://stroimdom44.ru/chto-takoe-domna-i-kakovy-processy-proishodjashhie-v-nej/

Источник https://climaveneta-rus.ru/ustrojstva/domnica-pech.html