Доменная печь

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Устройство доменной печи
1. Горячее дутьё
2. Зона плавления (заплечики и горн)
3. Зона восстановления FeO (распар)
4. Зона восстановления Fe2O3 (шахта)
5. Зона предварительного нагрева (колошник)
6. Загрузка железорудных материалов, известняка и кокса
7. Доменный газ
8. Столб железорудных материалов, известняка и кокса
9. Выпуск шлака
10. Выпуск жидкого чугуна
11. Сбор отходящих газов
Схема доменного производства:
1 : железная руда + известняк
2 : кокс
3 : лента конвейера
4 : колошник с аппаратом, предотвращающим уход доменного газа в атмосферу
5 : слой кокса
6 : слои известняка, оксида железа, руды
7 : горячий воздух (с температурой около 1200°C)
8 : шлак
9 : жидкий передельный чугун
10 : шлаковый ковш
11 : чугуновоз
12 : циклон для очистки доменного газа от пыли перед сжиганием его в регенераторах 13
13 : регенераторы (кауперы)
14 : дымовая труба
15 : подача воздуха в регенераторы (кауперы)
16 : порошок угля
17 : коксовая печь
18 : резервуар для кокса
19 : газоотвод для горячего колошникового газа

До́менная печь, до́мна — большая металлургическая, вертикально расположенная плавильная печь шахтного типа для выплавки чугуна и ферросплавов из железорудного сырья. Важнейшей особенностью доменного процесса является его непрерывность в течение всей кампании печи (от строительства печи до её «капитального» ремонта) и противоток поднимающихся вверх фурменных газов с непрерывно опускающимся и наращиваемым сверху новыми порциями шихты столбом материалов.

Этимология[править | править вики-текст]

Слово «домна» образовано от старославянского «дмение» — дутьё. На других языках: англ. blast furnace — дутьевая печь, нем. Hochofen — высокая печь, фр. haut fourneau — высокая печь.

Следует иметь в виду коренное отличие в значении слов «домница» и «доменная печь»: в домнице получали (в виде кусков или криц) штуки восстановленного сыродутного (от слова «сырое», то есть неподогретое дутьё) железа, а в доменной печи — жидкий чугун.

История[править | править вики-текст]

Первые доменные печи появились в Европе в середине XIV века, в России — около 1630 года[1].

11 сентября 1828 г. Джеймс Бомон Нилсон получил патент на использование горячего дутья (британский патент №5701)[2] и в 1829 г. осуществил нагрев дутья на заводе Клайд в Шотландии. Использование в доменной печи нагретого только до 150°С дутья вместо холодного привело к снижению удельного расхода каменного угля, применяемого в доменной плавке, на 36 %. 19 мая 1857 года Э. А. Каупер запатентовал воздухонагреватели (британский патент №1404)[3], также называемые регенераторами или кауперами, для доменного производства, позволяющие сэкономить значительные количества кокса.

Описание и процессы[править | править вики-текст]

Доменная печь представляет собой непрерывно действующий аппарат шахтного типа. Загрузка шихты осуществляется сверху, через типовое загрузочное устройство, которое одновременно является и газовым затвором доменной печи. В домне восстанавливают богатую железную руду (на современном этапе запасы богатой железной руды сохранились лишь в Австралии и Бразилии), агломерат или окатыши. Иногда в качестве рудного сырья используют брикеты.

Доменная печь состоит из пяти конструктивных элементов: верхней цилиндрической части — колошника, необходимого для загрузки и эффективного распределения шихты в печи; самой большой по высоте расширяющейся конической части — шахты, в которой происходят процессы нагрева материалов и восстановления железа из оксидов; самой широкой цилиндрической части — распара, в котором происходят процессы размягчения и плавления восстановленного железа; суживающейся конической части — заплечиков, где образуется восстановительный газ — монооксид углерода; цилиндрической части — горна, служащего для накопления жидких продуктов доменного процесса — чугуна и шлака.

В верхней части горна располагаются фурмы — отверстия для подачи нагретого до высокой температуры дутья — сжатого воздуха, обогащенного кислородом и углеводородным топливом.

На уровне фурм развивается температура около 2000 °C. По мере удаления вверх температура снижается, и у колошников доходит до 270 °C. Таким образом в печи на разной высоте устанавливается разная температура, благодаря чему протекают различные химические процессы перехода руды в металл.

Доменная печь в Сестао (Испания)

В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количество тепла.

\mathrm{ C + O_2 = CO_2 + Q }

Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода — главный восстановитель доменного процесса.

\mathrm{ CO_2 + C = 2 \, CO }

Поднимаясь вверх монооксид углерода взаимодействует с оксидами железа, отнимая у них кислород и восстанавливая до металла:

\mathrm{ Fe_2O_3 + 3 \, CO = 2 \, Fe + 3 \, CO_2 }

Полученное в результате реакции железо каплями стекает по раскаленному коксу вниз, насыщаясь углеродом, в результате чего получается сплав, содержащий 2,14 — 6,67 % углерода. Такой сплав называется чугуном. Кроме углерода в него входят небольшая доля кремния и марганца. В количестве десятых долей процента в состав чугуна входят также вредные примеси — сера и фосфор. Кроме чугуна в горне образуется и накапливается шлак, в котором собираются все вредные примеси.

Ранее шлак выпускался через отдельную шлаковую лётку. В настоящее время и чугун, и шлак выпускают через чугунную летку одновременно. Разделение чугуна и шлака происходит уже вне доменной печи — в желобе, при помощи разделительной плиты. Отделенный от шлака чугун поступает в чугуновозные ковши, либо в ковши миксерного типа и вывозится либо в сталеплавильный цех, либо в разливочные машины.

Фундамент печи[править | править вики-текст]

Современная печь вместе со всеми сооружениями и металлоконструкциями, футеровкой (огнеупорной кладкой) и находящимися в ней шихтовыми материалами и продуктами плавки может иметь массу свыше 30 тыс. т. Эта масса должна быть равномерно передана грунту. Нижнюю часть фундамента (подошву) делают в виде массивной бетонной плиты толщиной до 4 м. На подошву опираются колонны, поддерживающие металлические конструкции печи (кожух). Верхняя часть фундамента (пень) представляет собой монолитный цилиндр из жароупорного бетона, на котором находится горн печи.

Горн доменной печи[править | править вики-текст]

Горн доменной печи - нижняя часть доменной печи, цилиндрическая по внутреннему очертанию и коническая ( иногда цилиндрическая) по наружной форме. Горн оснащен устройствами для выпуска чугуна и шлака (чугунными и шлаковыми летками) и приборами (фурмами) для вдувания нагретого (на кауперах) до 1100-1400 °С, обогащенного кислородом до 23-25%, воздуха. Горн доменной печи - наиболее ответственная часть её конструкции. Здесь скапливается до 1000 т. и больше расплавленных продуктов плавки - чугуна и шлака. На дно горна оказывает давление весь столб шихты массой 9-12 тыс. т. Давление горновых газов составляет 0.4-0.5 МПа, а их температура в очагах горения кокса достигает 1700-2100 °С. Внутри горна непрерывно движутся и обновляются кокс, жидкие чугун и шлак, горновые газы. По сути это мощный непрерывно движущийся реактор. В связи с этим к конструкциям горна предъявляются жесткие требования по прочности, герметичности и огнеупорности. Основные конструктивные элементы горна - кожух, холодильники, чугунная и шлаковая летка, фурменные приборы.

Чугунная лётка[править | править вики-текст]

Это канал прямоугольной формы шириной 250-300 мм с высотой 450-500 мм. Канал делают в огнеупорной кладке горна на высоте 600-1700 мм от поверхности лещади. Каналы для шлаковых лёток выкладывают на высоте 2000-3600 мм. Канал чугунной летки закрыт огнеупорной массой. Открывают чугунную лётку путём высверливания бурильной машиной отверстия диаметром 50-60 мм. После выпуска чугуна и шлака (на современных больших доменных печах выпуск чугуна и шлака осуществляется через чугунные лётки) отверстия забивают с помощью электрической пушки. Носок пушки входит и в неё из пушки под давлением подают лёточную огнеупорную массу. Шлаковая лётка на доменной печи защищена водоохлаждаемыми элементами, которые в совокупности называют шлаковыми стопорами и рычажной конструкции с пневматическим приводом, управляемым дистанционно. Доменные печи большого объёма (3200-5500 м3) оборудованы четырьмя чугунными лётками, работающими попеременно, и одной шлаковой лёткой. Выпуск чугуна и шлака из доменной печи включает в себя следующие операции: 1) открытие чугунной лётки (в необходимых случаях и шлаковой); 2) обслуживание, связанное непосредственно с вытеканием чугуна и шлака; 3) закрытие чугунной лётки (если шлак выпускали через шлаковую, то и шлаковой); 4) ремонт лётки и желобов.

Воздухонагреватели[править | править вики-текст]

Воздухонагреватели сооружаются при домнах с момента изобретения Э. А. Каупера, т.е. с 1857 года. Воздухонагреватели имеют вид больших башен, расположенных рядом с домной. Из домны по трубе — газоотводу — в воздухонагреватель поступает горячий колошниковый газ, который в специальной камере внутри воздухонагревателя смешивается с поступающим по другой трубе воздухом и сгорает. Образующийся ещё более горячий газ проходит через насадку — сложенную из кирпичей колонну с зазором между ними для прохода газа. Этот газ нагревает насадку и выводится из воздухонагревателя через третью трубу. Когда насадка нагреется до необходимой температуры, в воздухонагреватель пускают обычный, ненагретый, воздух, который, проходя через насадку, нагревается до температуры свыше 1000 °С и далее идёт в домну для выплавки чугуна. Насадка при этом постепенно охлаждается, и когда она достаточно охладится, её снова разогревают сжиганием колошникового газа. Отсюда видно, что процесс нагрева воздуха для домны не является непрерывным, а поскольку выплавка чугуна в домне идёт постоянно, при ней сооружают несколько воздухонагревателей — пока один из них работает на нагрев насадки колошниковым газом из домны, другой работает на нагрев насадкой воздуха для домны[4].

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Воскобойников В.Г., Михалевич А.Г. Доменное производство // Большая Советская Энциклопедия, 3-е изд. / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская Энциклопедия, 1972. — Т. 8. Дебитор — Евкалипт. — С. 423—426.
  2. Woodcroft B. Subject-matter index (made from titles only) of patents of invention, from March 2, 1617 (14 James I.), to October 1, 1852 (16 Victoriae). — London, 1857. — P. 347.
  3. Woodcroft B. Chronological Index of Patents Applied for and Patents Granted, For the Year 1857. — London: Great Seal Patent Office, 1858. — P. 86.
  4. Ходаков Ю. В., Эпштейн Д. А., Глориозов П. А. § 78. Производство чугуна // Неорганическая химия. Учебник для 9 класса. — 7-е изд. — М.: Просвещение, 1976. — С. 159—164. — 2 350 000 экз.

Литература и источники[править | править вики-текст]

  • Толковый металлургический словарь. Основные термины / Под ред. В. И. Куманина. — М.: Рус. яз., 1989. — 446 с. — ISBN 5-200-00797-6.
  • Ефименко Г. Г., Гиммельфарб А. А., Левченко В. Е. Металлургия чугуна. — Киев.:Выща школа, 1988. — 352 с.
  • Ферсман А. Е. Занимательная геохимия. — М.: Детгиз, 1954. — 486 с.
  • Рамм А. Н. Современный доменный процесс. — Москва.:Металлургия, 1980. — 303 с.
  • Товаровский И.Г. Доменная плавка. 2-е издание.- Днепропетровск: "Пороги", 2009.-768 с.
  • Андронов В.Н. Экстракция черных металлов из природного и техногенного сырья. Доменный процесс. - Донецк: Норд-Пресс, 2009.-377 с. — ISBN 978-966-380-329-6.
  • Г.Н. Еланский, Б.В. Линчевский, А.А. Кальменев Основы производства и обработки металлов. Москва 2005 г.

Ссылки[править | править вики-текст]