Приоткрываем black box и смотрим в доменную печь. Эпизод #1: оценка вышедшего шлака в течение выпуска

Приоткрываем black box и смотрим в доменную печь. Эпизод #1: оценка вышедшего шлака в течение выпуска

Это доменная печь №6 — огромный агрегат высотой порядка 50 метров и диаметром 20 метров. Чтобы приготовить с ее помощью чугун, в печь нужно положить ряд ингредиентов: кокс, железорудное сырье (ЖРС), природный газ, пылеугольное топливо и дутье (специально подготовленную воздушную смесь с повышенным содержанием кислорода).

Рис.1. Доменная печь №6

Для извлечения из доменной печи целевого продукта в горне нужно пробурить лётку — специальное отверстие, через которое чугун и шлак выйдут наружу. У доменной печи №6 — четыре равномерно распределенных по диаметру лётки. Как и в домашней печи, целевой продукт необходимо «достать» вовремя: ни раньше, ни позже. Чтобы произвести операцию вовремя, за неимением «духового окна» необходимо косвенными методами отслеживать наполненность печи жидкими продуктами плавки – приоткрыть «черный ящик». В этой статье представлено, как мы планируем это сделать — заглянуть в доменную печь, разогретую до ~1500°C — и какие шаги уже предприняли к нашей мечте.

В поиске идеального момента

Как было сказано выше, доставать целевой продукт из печи нужно в определенный момент. Пробуришь лётку слишком рано — получишь мало продукта с высокими удельными затраты на операцию закрытия-открытия лётки и излишними теплопотерями. Слишком поздно — горн переполнится, что может привести к ряду технологических проблем (см. рис. 2):

• Прогар фурм. Горн — это де-факто сосуд. Температура его содержимого колеблется от 1400 до 1600°C (а температура горения и вовсе может достигать 2200°C). Если горячее содержимое горна дойдет до тех элементов конструкции, которые попросту не предназначены для контакта с жидкими продуктами горна при данных температурах, например, фурм, — они сгорят. В экстремальном случае может произойти «вынос» фурм и аварийная остановка печи.
• Нарушение газодинамики. Внутри печи есть так называемая коксовая насадка. При повышенном содержании жидких продуктов в горне создается избыточное давление на коксовую насадку и вышележащие слои ЖРС и кокса (см. структуру слоев на рис. 2), из-за чего нарушаются газовые потоки в печи (печь должна «дышать», а не «задыхаться»). Если насадка «поплывет», весь столб шихты, находящийся внутри шахты, сместится с последующим уменьшением газопроницаемости столба. Итого: дестабилизация процессов внутри доменной печи.
• Избыточные теплопотери. Доменная печь охлаждается с помощью специальных холодильников, расположенных по всему периметру конструкции. При избытке горячей жидкости в горне отвод тепла увеличится. Фактически мы начнем порожняком охлаждать то, что нужно не охлаждать, а выпускать из печи. Итого: излишние затраты энергии на нагрев и последующее охлаждение.
• Повышенный расход вспомогательных материалов. Глина, которой закрывают лётку, — довольно дорогостоящий материал, расходовать ее зря не хотелось бы.

Рис.2. Элементы доменной печи (рис. на основе иллюстраций «Геердес М., Ченьо Р., Курунов И., Лингардт О., Рикеттс Д. Современный доменный процесс (2015 г.)»).

Чтобы избежать подобных ситуаций и снизить затраты кокса — а это, между прочим, основная статья расходов доменного производства, на него приходится около 33% — нужно контролировать уровень жидкости в горне. Но как? Температура внутри доменной печи — 1500-2200°C, ее не выдержит ни один датчик! Проверенных способов, которыми можно косвенно измерить уровень жидких продуктов, тоже нет.

По сути, доменная печь — это черный ящик, в который мы загружаем кокс, ЖРС, топливо и дутье, а на выходе извлекаем чугун и шлак. Заглянуть внутрь и посмотреть, сколько в горне жидких продуктов, пора ли бурить лётку или стоит еще подождать, — невозможно.

Рис.3. Начало выпуска чугуна и шлака из печи

Поэтому на производстве это делается по плану. Похоже на процесс приготовления еды по рецепту: вы выбрали режим приготовления, засыпали ингредиенты, а по истечении установленного времени при поддержке установленного режима получаете продукт… Только в случае с доменным производством не подносите жидкие продукты плавки ко рту! Не всегда режим приготовления может быть угадан с точностью в 100%, но, скорее всего, вы получите неплохой суп.

В доменном производстве примерно то же самое. Доменщики бурят отверстия по расписанию – открывают крышку кастрюли для принятия трапезы – (например, через 60-80 минут на одной стороне печи) либо по острой необходимости, если видят, что что-то идет не по плану — «подгорает», «хочет убежать» и проч. В любом случае делают они это на основании своего производственного опыта, данных по загруженному сырью и параметров вышедшего чугуна и шлака за предыдущие выпуска.

Приоткрыть черный ящик

Мы были бы не мы, если бы не захотели соорудить цифровой сервис, который бы помогал нашим сотрудникам на производстве отслеживать уровень наполненности горна и контролировать расход кокса. Так скажем, помочь нашим дорогим кулинарам в приготовлении.

Отсутствие точных данных о том, сколько жидких продуктов в горне и каков уровень наполненности, влияет на организацию работы печи и расход кокса. Поэтому у нас возникла идея — создать сервис, который будет контролировать уровень жидкости в горне.

Иными словами, мы захотели приоткрыть этот черный ящик. Но как это сделать?

Еще раз посмотрим на доменную печь. Все, что мы туда загружаем, — кокс, железорудное сырье, топливо, дутье — можно измерить. Массу получившегося чугуна тоже можно узнать — например, взвесить ковш или вычислить с помощью уровнемера. Увы, со шлаком такое не прокатит — из доменной печи он уходит по желобам на другую установку. А знать количество шлака необходимо — данные о том, сколько и чего мы загружаем в печь и получаем на выходе из нее, помогли бы нам создать модель, которая бы вычисляла количество шлака и чугуна в горне. В результате — и технологические процессы в норме, и затраты кокса оптимальны.

Как же измерить, сколько шлака выходит из доменной печи?
После выхода из горна шлак температурой порядка 1500°C (!) течет по желобу с непостоянным сечением (!!), имея при этом непостоянную скорость (. ). Сплошные неизвестные. Получается, что измерить количество шлака каким-то прямым способом нереально.

Однако производство — это не просто какие-то разрозненные печи и установки. Тут все взаимосвязано. И побочный продукт уходит из горна не «в мусор», а на установку грануляции шлака. Там шлак, разогретый в горне до 1400-1650°C, встречается со смесью воды и азота (их температура соответствует температуре окружающей среды), охлаждается и измельчается. Из установки выходит грануляционный шлак — он чем-то похож на опилки и используется в строительстве.

Рис.4. Доменная печь и установки грануляции (синие здания)

Может, у нас получится вычислить количество шлака с помощью параметров установки грануляции шлака? Вот так она выглядит.

Рис.5. Установка гранулирования шлака

Емкость, куда поступает гранулированный шлак, имеет некий постоянный объем. Казалось бы, количество выходящего шлака из печи мы можем вычислить, зная уровень содержимого этой емкости. Но это произойдет только через час-полтора после начала выдачи продуктов плавки, а нам нужно знать количество шлака в режиме реального времени. Ведь доменной печью мы хотим управлять сейчас, а не через час – после того как наше «блюдо» сгорит или пригорит!

• температура поступающего шлака;
• объем и температура поступающей воды;
• температура пара;
• температура гранулированного шлака (приблизительно равна температуре окружающей среды).

• Процессы, происходящие при встрече очень горячего шлака и прохладной воды, нестационарные с точки зрения теплообмена. Просто так, «в лоб» по школьным формулам их рассчитать некорректно.
• Система открыта. Например, мы не можем подсчитать количество исходящего пара. И в целом, когда пробовали составить уравнение теплового баланса, у нас не удалось его свести — не хватало источников данных.

Математика решает

Мы решили не лезть еще дальше в дебри физики и применить современные методы. А именно — наше любимое машинное обучение.

Взяли все параметры, известные на установке грануляции, которые, по нашему мнению, косвенно связаны с объемом шлака, и сказали: «А ну-ка, математика, выведи нам зависимость!».

И математика вывела. Так мы получили цифровой двойник датчика.

Рис.6. Цифровой двойник «без излишних помпезностей».

Чтобы сотрудники, работающие с доменной печью №6, могли пользоваться этим уравнением, мы «обернули» «сухие математические выкладки»в цифровой сервис. Выглядит он так.

Рис.7. Сервис контроля и оценки вышедшего шлака в режиме реального времени («цифровой датчик»).

Он в режиме реального времени показывает, сколько шлака выходит из печи. Обратите внимание на два графика — сравнение выхода шлака по одной линии-лётки и с предыдущим выпуском.

С их помощью производственники могут оценить интенсивность выхода шлака, сравнить текущий выход шлака с предыдущими выпусками и понять, соответствует ли количество шлака ожидаемому. Серьезное несоответствие будет сигналом к открытию второй лётки.

Если из печи вышло ожидаемое количество жидких продуктов, доменщик сможет вовремя закрыть лётку, не открывая параллельный выпуск. Таким образом, минимизирован технологический вред производству и экологии (выбросы смеси дутья, природного газа, пылеугольного топлива и их производных через лётку в фильтрационные установки печи), время не потрачено впустую. С газодинамикой печи все в порядке, а значит, перерасхода кокса нет. Дорогостоящая глина для закрытия лётки тоже экономится. Все довольны.

В перспективе этот цифровой сервис поможет нам решить более глобальную задачу и реализовать визуализацию и контроль уровня жидкости в горне. Но об этом — в следующем эпизоде! Если у вас остались какие-либо вопросы, постараюсь ответить на них в комментариях.

• промышленность
• нлмк
• программирование
• цифровые сервисы

• Блог компании Группа НЛМК
• Промышленное программирование
• Инженерные системы

Доменная печь. Устройство, принцип работы и предназначение

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.

Основной принцип

Принцип работы домны заключается в непрерывности металлургического процесса на весь срок эксплуатации печи до очередного капремонта, который производится раз в 3-12 лет; общий срок службы домны может превышать 100 лет. Доменная печь шахтная: сверху в нее периодически погружают порциями (колошами) шихту из руды с известняковым флюсом и кокс, а снизу также периодически выпускают расплавленный чугун и сливают расплав шлака, т.е. столб исходных материалов в шахте домны постепенно оседает, превращаясь в чугун и шлак, а сверху его наращивают. Однако путь черной металлургии к этой вроде бы несложной схеме был долог и труден.

Читайте также: Послесварочная термическая обработка аустенитных нержавеющих сталей

Фото доменной печи

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.

Фундамент и дымоход

Так как металлическая часть конструкции будет во время работы сильно нагреваться, устанавливать печь необходимо на фундамент. Ее вес небольшой, и углубление для фундамента делать не обязательно, выполняется простая плита, которая может состоять из слоя кирпича, покрытого раствором.

Для удаления продуктов горения необходимо сделать дымоход. Можно взять трубу диаметром от 15 см. Для эффективной его работы нужно, чтобы прямая часть была больше диаметра бочки. Лучше дымоход не изгибать, а если это необходимо, то угол изгиба должен быть больше 45 градусов.

Статья по теме: Высота умывальника в ванной от пола: стандарты

Что касается отражателя, то его можно устанавливать или не устанавливать. При наличии отражателя такая печь будет работать еще эффективнее, так как он позволяет перераспределять тепловые потоки.

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.

Читайте также: Сталь 08Х18Н10Т. Характеристики и применение. 08Х18Н10Т расшифровка стали

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%.

Понятие доменной печи и плавки

Современная цивилизация неразрывно связана с развитием техники производства, невозможной без совершенствования орудий труда и материалов, используемых для их изготовления.

Среди всех материалов природного происхождения или созданных человеком, самое значимое место занимают черные металлы – сплав железа и углерода с присутствием других элементов.

Сплавы, в составе которых часть углерода составляет 2 – 5%, относятся к чугунам, при наличии углерода менее 2% сплав относится к сталям. Для плавки металлов используется специальная технология доменного производства.

Доменная плавка – это процесс производства чугуна из железной руды, перерабатываемой в доменных печах или, как их еще называют, домнах.

Основными материалами, необходимыми в процессе такого производства, являются:

• топливо, в виде получаемого из каменного угля кокса;
• железная руда, являющаяся непосредственным сырьем для производства;
• флюс – специальные добавки из известняка, песка, а также других материалов.

Доменная печь — устройство для производства чугуна восстановительной плавкой железных руд или концентратов.

Основное оборудование доменного цеха — доменная печь — это круглая шахтная печь, футерованная огнеупорной кладкой.

Для защиты кожуха печи от разгара используют холодильные устройства. Кожух печи и колошниковое устройство установлены на фундаменте и удерживаются колоннами.

Читайте также: Титановые сплавы и их применение в машиностроении

Исходный материал для плавки называется шихтой и состоит из железной руды, марганцевой руды, агломерата, окатышей. Шихта на колошник печи подается скипами или ленточным конвейером. Через приемную воронку скипы разгружаются в печь. Воздух подается через воздухонагреватели, продукт плавки выходит через летки в ковши, находящиеся в нижней части.

Современные доменные печи оснащены системой централизованного управления и контроля, обеспечивающей регистрацию показателей приборов и комплексных показателей работы доменной печи — расхода кокса на 1 т чугуна и суточной производительности доменной печи в тоннах.

Применяется дополнительное топливо, что снижает расход кокса и себестоимость чугуна. Усовершенствование конструкции доменной печи направлено на увеличение ее мощности (объема), улучшение подготовки сырья, внедрение новых прогрессивных, высокопроизводительных технологий.

Чугун выплавляют в доменных печах, представляющих собой шахтную печь. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, газообразными (СO, Н2) и твердым (С) восстановителями, образующимися при сгорании топлива в печи.

Процесс доменной плавки является непрерывным. Сверху в печь загружают исходные материалы (агломерат, окатыши, кокс), а в нижнюю часть подают нагретый воздух и газообразное, жидкое или пылевидное топливо.

Газы, полученные от сжигания топлива, проходят через столб шихты и отдают ей свою тепловую энергию. Опускающаяся шихта нагревается, восстанавливается, а затем плавится.

Большая часть кокса сгорает в нижней половине печи, являясь источником тепла, а часть кокса расходуется на восстановление и науглероживание железа.

Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество материалов. Современная доменная печь расходует около 20000 тонн шихты в сутки и выдает ежесуточно около 12000 тонн чугуна.

Схемы доменной печи

Схемы доменной печи в разрезе (разные варианты):

Схема 1

Схема 2

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.

Высота доменной печи может достигать 40 м, вес – до 35 000 тон, вместимость рабочей зоны зависит от параметров комплекса.

Точные значения зависят от загрузки предприятия и его назначения, требований к объемам получаемого металла и прочих параметров.

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.

Читайте также: Методическая разработка урока по теме «Металлы в моей профессии» по дисциплине «Естествознание»

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.

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.

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:

• Сталь;
• Ковкое железо;
• Чугун.

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.

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.

Назначение доменной печи и принцип работы

Производство чугуна в доменной печи является важной отраслью деятельности черной металлургии.

Эта работа требует не только необходимости использования спецоборудования, но и тщательного следования определенных технологиям.

Выплавка производится в доменной печи из пустых пород и рудного вещества.

В роли рудного вещества может выступать красный, бурый, шпатовый, магнитный железняк или марганцевые руды.

Восстановление железа — один из основных этапов производства чугуна.

В результате этого процесса железо обретает твердость. Далее его опускают в распар, который способствует растворению углерода в железе. Таким образом, происходит образование чугуна. Именно в горячей части печи начинает плавиться сам чугун, медленно стекая в нижнюю часть.

Принцип работы доменной печи зависит от вида этого громоздкого приспособления.

Существуют печи коксовые и древесноугольные.

Читайте также: Вольфрам – свойства и область применения

Первые работают на коксе, вторые, соответственно – на древесном угле.

Шахтная печь рассчитана на непрерывный принцип действия. Форма данного оборудования представляет собой два конуса, сложенных широкими сторонами основаниями. Между этими конусами расположена часть печи, обладающая цилиндрической формой – распар.

Принцип работы доменной печи выражается в несколько физико-химических операциях. Наличие этих операций определяется температурной областью самой печи и загруженностью материала.

В целом, можно выделить такие процессы:

• процесс разложения известняка, в результате которого образуется угольный ангидрид и окись кальция;
• восстановление железа и прочих элементов;
• науглероживание железа;
• металлоплавление;
• возникновение и плавление шлака;
• сгорание топлива и прочие.

Воздухонагреватель доменной печи — аппарат, в котором происходит предварительный нагрев воздуха. Затем этот воздух подается в печь.

Раннее оборудование для выплавки чугуна не имело такого элемента, как воздухонагреватель. Разработка устройства позволила намного уменьшить затраты топлива.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Источник https://habr.com/ru/companies/nlmk/articles/738986/

Источник https://sakhkor.ru/materialy/domna-pech.html