☰

Доменная печь: устройство доменной печи и схема доменного производства. Устройство и принцип работы доменной печи Доменная печь в разрезе чертеж

Используемая в черной металлургии для производства чугуна. Доменный процесс происходит по схеме: восстановление оксида железа путем воздействия на не обогащенную железную руду оксидом углерода, науглероживание и отвод чугуна, оплавление пустой породы и отработанного угля, вывод шлака из процесса.

Полезный объем печи составляет около 3000 метров кубических, а ее высота – около 30 метров. Домна состоит из множества элементов, которые обладают повышенной прочностью, огнеупорностью и герметичностью.

Доменная печь обладает важнейшей особенностью: непрерывность работы с момента строительства и первичной задувки (разогрева) до остановки или капитального ремонта (с повторной задувкой). Процесс задувки доменной печи заключается в постепенном прогреве всех элементов, и только после этого можно переходить к выплавке первой небольшой порции чугуна. Беспрерывное поступления шихты (смесь руды, кокса, флюса) требует поддержание высоких температур, процесс горения происходит за счет подачи воздуха с повышенным содержанием кислорода. Воздух подают уже нагретый до 1500° С с доменным газом, побочным продуктом плавления чугуна. Температура в самой печи достигает более 2000 °С.

Изготовление доменной печи (шахтного типа или длительного горения)

Доменная печь обладает высоким показателем коэффициента полезного действия, поэтому некоторые мастера делают подобные отопительные приборы своими руками для обогрева различных помещений дома. Такой агрегат работает продуктивнее, ведь топливо сгорает долго и практически полностью, за счет чего снижается его расход.

Для создания печки длительного горения своими руками понадобится труба большого диаметра или бочка, две трубы небольшого диаметра, металлические балки, стальные листы, сварочный аппарат, раствор, кирпич и другие инструменты. Сначала у бочки аккуратно отрезается верх, а на дно приваривается стальной лист, прямоугольный или квадратный, для устойчивости.

Из отрезанного с бочки круга обрезают часть меньшего диаметра и приваривают трубу диаметром 10 см. Снизу к кругу приваривают куски металлического профиля, которые в дальнейшем будут прессовать топливо вниз по мере его прогорания. Крышку для бочки делают из листа стали с прорезью для трубы. Также необходимо приварить дверцу для добавления топлива и очистки печки от остаточных продуктов. Иногда всю конструкцию помещают в кирпичный кожух. Начальный этап работы печи, как и промышленный аналог, требует постепенной задувки.

Читайте также: Муфельные печи СНОЛ

Конструкция, сделанная своими руками, будет сильно нагреваться во время работы, поэтому для нее необходимо сделать фундамент. Его можно сделать из бетонной плиты или кладки из кирпича. Для выведения продуктов горения понадобится дымоход , его приваривают к верхнему патрубку. Желательно, чтобы в своем строении труба дымоотвода не имела изгибов и была максимально ровной . Подробнее о создании домны своими руками вы можете узнать, посмотрев видео.

Доменная печь, сделанная своими руками, работает на разных видах : дровах, угле, прессованных брикетах. Главным секретом схемы работы такой печки является ограниченное регулируемое поступление воздуха к топливу. Ее экономичность достигается за счет процесса тления топлива, а одной загрузки может хватать более чем на 10 часов автономной работы печки.

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.

Для обеспечения непрерывной подачи и выпуска такого большого количества материалов необходимо, чтобы конструкция печи была проста и надежна в работе в течение длительного времени. Доменная печь снаружи заключена в металлический кожух, сваренный из стальных листов толщиной 25 – 40 мм. С внутренней стороны кожуха находится огнеупорная футеровка, охлаждаемая в нижней части печи с помощью закладываемых специальных холодильников – металлических коробок, внутри которых циркулирует вода. В связи с тем, что для охлаждения печи требуется большое количество воды, на некоторых печах применяют испарительное охлаждение, сущность которого состоит в том, что в холодильники подают воды в несколько раз меньше, чем при обычном способе. Вода нагревается до кипения и интенсивно испаряется, поглощая при этом большое количество тепла.

Внутреннее очертание вертикального разреза доменной печи называют профилем печи. Рабочее пространство печи включает:

  • колошник;
  • шахту;
  • распар;
  • заплечики;
  • горн.

Колошник

Это верхняя часть доменной печи, через которую осуществляется загрузка шихтовых материалов и отвод доменного или колошникового газа. Основной частью колошникового устройства является засыпной аппарат. На большинстве доменных печей установлены двухконусные загрузочные устройства. В обычном положении оба конуса закрыты и надежно изолируют внутреннее пространство печи от атмосферы. После загрузки шихты в приемную воронку малый конус опускается и шихта падает на большой конус. Малый конус закрывается. После того, как на большом конусе будет набрано заданное количество шихты, большой конус опускается при закрытом малом конусе и шихта высыпается в печь. После этого большой конус закрывается. Таким образом, рабочее пространство доменной печи постоянно герметизировано.

Шихтовые материалы обычно подаются на колошник печи с одной стороны. В результате, в воронке малого конуса образуется откос. Длительная Работа доменной печи с перекосом уровня шихты недопустима. Для устранения этого явления приемная воронка и малый конус сделаны вращающимися. После загрузки шихты воронка вместе с конусом поворачивается на угол кратный 60, благодаря чему после разгрузки нескольких подач неравномерность полностью устраняется. 0

На современных печах могут устанавливаться более сложные по конструкции засыпные аппараты. Вместо большого конуса устанавливается вращающийся желоб, угол наклона которого может регулироваться. Такая конструкция позволяет изменять место подачи материалов по диаметру колошника.

В процессе доменной плавки образуется большое количество газа, который отводится из колошниковой части печи. Такой газ называют колошниковым. Газ содержит горючие составляющие СO и Н2 и, поэтому, используется как газообразное топливо в металлургическом производстве. Кроме того, проходя через столб шихты, газ захватывает мелкие частицы железосодержащих материалов, образуя так называемую колошниковую пыль. Пыль улавливается в специальных газоочистителях и используется как добавка к шихте при агломерации или получении окатышей.

Шахта

На долю шахты приходится большая часть общей высоты и объема печи. Профиль шахты, представляющий собой усеченный конус, расширяющийся к низу, обеспечивает равномерное опускание и разрыхление шихтовых материалов. Значительная высота шахты позволяет осуществлять тепловую и химическую обработку материалов поднимающимися горячими газами.

Распар

Это средняя цилиндрическая часть рабочего пространства печи, имеющая самый большой диаметр. Распар создает некоторое дополнительное увеличение объема печи и устраняет возможные задержки шихтовых материалов.

Заплечики

Это часть профиля печи, расположенная ниже распара и представляющая собой усеченный конус, обращенный широким основанием к распару. Обратная конусность заплечиков соответствует уменьшению объема проплавляемых материалов при образовании чугуна и шлака.

Горн

Это нижняя цилиндрическая часть печи, где осуществляются высокотемпературные процессы доменной плавки. В горне происходит горение кокса и образование доменного газа, взаимодействие между жидкими фазами, накопление жидких продуктов плавки (чугуна и шлака) и периодический их выпуск из печи. Горн состоит из верхней или фурменной части и нижней или металлоприемника. Подину металлоприемника называют лещадью .

В нижней части горна расположены чугунные и шлаковые летки, представляющие собой отверстия для выпуска чугуна и шлака. После выпуска чугуна летку закрывают специальной огнеупорной массой при помощи так называемой пушки, которая представляет собой цилиндр с поршнем. Перед открытием чугунной летки пушку заполняют леточной огнеупорной массой. После окончания выпуска чугуна пушку подводят к летке, и с помощью поршневого механизма леточная масса выдавливается из пушки и заполняет леточный канал. Для вскрытия чугунной летки служит специальная бурильная машина, которая рассверливает в леточной массе отверстие, по которому выпускают чугун.

Шлаковые летки располагаются на высоте 1500 – 2000 мм от уровня чугунной летки и закрываются с помощью шлакового стопора, представляющего собой стальной шток с наконечником. Выходящие из доменной печи чугун и шлак направляются по желобам в чугуновозные и шлаковозные ковши. В настоящее время шлак в основном выпускается вместе с чугуном и отделяется от чугуна специальным устройством на желобе печи.

Шлак, вытекающий из доменной печи через чугунную летку, отделяется от чугуна на желобе печи с помощью разделительной плиты и перевала, выпол-няющих роль гидравлического затвора. Чугун, имеющий высокую плотность, проходит в зазор под разделительной плитой, а более легкий шлак отводится в боковой желоб.

При необходимости поставки чугуна другим предприятиям его разливают в слитки (чушки) массой 30 – 40 кг на специальной разливочной машине.

В верхней части горна на расстоянии 2700 – 3500 мм от оси чугунной летки по окружности горна с равными промежутками устанавливаются воздушные фурмы, через которые подают в печь нагретое до 1100 – 1300 °С дутье, а также природный газ и другие топливные добавки (мазут, пылеугольное топливо). Каждая доменная печь обеспечивается дутьем от своей воздуходувки. Нагрев дутья осуществляется в воздухонагревателях регенеративного типа, когда под действием тепла сжигаемого газа вначале нагревается насадка воздухонагревателя из огнеупорного кирпича, а затем через нее пропускается воздух, забирающий тепло от насадки. В период нагрева насадки в камеру горения подается газ и воздух для его горения. Продукты сгорания, проходя через насадку, нагревают ее и уходят в дымоход. В период нагрева дутья холодный воздух поступает в нагретую насадку, нагревается, а затем подается в доменную печь. Как только насадка остыла настолько, что воздух не может быть нагрет до заданной температуры, его переводят на следующий воздухонагреватель, а остывший ставят на нагрев. Насадка воздухонагревателя охлаждается быстрее, чем нагревается. Поэтому блок воздухонагревателей доменной печи состоит из 3 – 4 аппаратов, из которых один нагревает воздух, а остальные разогреваются. Профиль доменной печи характеризуется диаметрами, высотами и углами наклона отдельных элементов. Размеры некоторых печей приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Размеры печей

Размеры, мм Полезный объем печи, м3
2000 3000 5000
Диаметр:
горна 9750 11700 14900
распара 10900 12900 16300
колошника 7300 8200 11200
Высота:
полная 32350 34650 36900
полезная 29200 32200 32200
горна 3600 3900 4500
шахты 18200 20100 19500

Размеры каждой части печи должны быть увязаны между собой и находиться в определенных соотношениях с размерами других частей печи. Профиль печи должен быть рациональным, при котором обеспечиваются важнейшие условия доменного процесса:

  • плавное и устойчивое опускание шихтовых материалов;
  • выгодное распределение встречного газового потока;
  • благоприятное развитие процессов восстановления и образование чугуна и шлака.

Основными величинами, характеризующими размеры рабочего пространства, являются полезный объем печи и полезная высота. Они включают высоту и объем, заполненные материалами и продуктами плавки. При определении этих параметров за верхний уровень берется отметка нижней кромки большого конуса засыпного устройства в опущенном положении, а нижнем уровнем является уровень оси чугунной летки.

Выплавка чугуна в промышленных масштабах невозможна без габаритных, сложных и мощных печей. Доменная печь – вертикальное сооружение шахтного типа, в котором железную руду переплавляют в полезный металл. Устройство доменной печи подразумевает непрерывную работу конструкции в течение 3-12 лет, вплоть до капитального ремонта.

Рисунок 1. Доменная печь

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.

Рисунок 2. Устройство доменной печи

Печь представляет собой сооружение, состоящее из множества элементов. Основные представлены:

  • колошником ();
  • 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.


Рисунок 3. Схема доменного производства

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.

Давление огромной массы на грунт компенсируется устройством мощного фундамента

В таблице представлена взаимосвязь размеров некоторых современных печей.

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 4. 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

По какому принципу работает доменная печь?

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 5. 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 6. 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.

Заключение

Доменная печь – одна из самых важных составляющих чёрной металлургии. В современных реалиях домны обычно «встроены» в металлургические комбинаты. Средняя печь способна ежедневно выдавать около 12000 т чугуна, расходуя при этом приблизительно 20000 т исходного сырья.

Несмотря на большое количество синтетических и полимерных материалов, получивших большое распространение в современной промышленности и в быту, использование сплавов железа не уступает пальму первенства. Самые ответственные детали, механизмы, инструменты и прочие узлы изготовлены из различных марок и видов металла, обладающих необходимыми свойствами для решения поставленных задач. Активные поиски полноценной замены металлическим сплавам пока не имеют успеха, поскольку разница в свойствах материалов слишком велика. Развитие металлургии не останавливается, появляются новые технологии и методики изготовления высокопрочных и твёрдых материалов. При этом не забыты и старые, традиционные методы выплавки металлов, отработанные веками и детально изученные многими поколениями металлургов. Рассмотрим устройство доменной печи - одной из наиболее старых конструкций для производства литейного чугуна, которая активно применяется и по сей день.

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:

  • Укладка чугунных чушек перед устьем, расплавление, сток чугуна вниз.
  • Потеря части углерода во время прохождения возле фурм.
  • 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.

    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:

    • 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.

    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.

    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.

    Видео: рождение стали

    Доменная печь - одна из самых старых и проверенных конструкций. Её эффективность проверена временем, технологические приёмы и методики тщательно изучены и отработаны. Возможности домны таковы, что эксплуатация подобных устройств будет длиться ещё очень долго, конструкции и технологии будут совершенствоваться.

    Производительность определяется размерами печи. Максимальная мощность наблюдается при объеме печей шахтного типа 2-5 тыс. куб. м. Их диаметр составляет 11-16 м, высота – 32-37 м.

    Схема домны

    Шахтная печь состоит из следующих элементов:
    колошника;
    шахты;
    распара;
    заплечиков;
    горна;
    лещади.

    Колошник – один из элементов рабочего пространства, на котором предусматривается определенный уровень материалов, распределяющихся по сечению шахты.

    Шахта – цилиндрическая часть домны, где поддерживается температура, достаточная для плавления шихты. В этой же части печи происходит восстановление железа.

    Распар – наиболее широкий участок конструкции, предназначенный для основных процессов плавления. Ниже находятся заплечики, способствующие перегреву и перемещению расплава и шлака на следующий участок конструкции.

    Горн размещается над лещадью, которая представляет собой кладку, выполненную с применением шамотного кирпича. Горн является той частью печи, где собираются и . Между заплечиками и горном находятся фурмы для подачи горячего (воздуха, обогащенного кислородом) и природного газа.

    Принцип работы

    Шихта поддается с помощью скипового подъемника и попадает в приемную воронку. Состав шихты представлен известняком, коксом, офлюсованным агломератом и рудой. Возможно добавление окатышей.
    Конусы колошника (большой и малый) работают поочередно, передавая смесь материалов в шахту. В процессе работы домны происходит постепенное поступление шихты. Нагрев осуществляется в результате горения кокса, сопровождающегося выделением тепла.

    Температура горнового газа находится в пределах от 1900 до 2100 градусов Цельсия. В его состав входят N 2 , H 2 и CO. При движении в слое он не только способствует ее нагреву, но и запускает процессы восстановления железа. Высокая температура газа достигается за счет высокой температуры воздуха, находящегося в воздухонагревателях (1000-2000 градусов).
    Газ температурой 250 - 300 градусов, поступающий из печи, колошниковый, после удаления пыли – доменный. Низшая теплота сгорания доменного газа соответствует 3,5 - 5,5 МДж/м 3 . Состав бывает различным, определяется в результате подачи природного газа и обогащения дутья кислородом, представлен такими веществами:

    N 2 – 43-59 %;
    CO – 24-32 %;
    CO 2 – 10-18 %;
    H 2 – 1-13 %;
    CH 4 – 0,2-0,6 %.

    В основном газ необходим для придания определенной температуры насадкам доменных воздухонагревателей. В сочетании с природным или коксовым газом его применяют для различных печей, в т. ч. термических и нагревательных.
    Поступившее в нижнюю часть домны железо подвергается плавлению и накапливается в горне в виде чугуна. Жидкотекучий шлак образуется из окислов , железа, соединенных с , и остается на поверхности чугуна, т. к. имеет меньшую плотность.

    Периодически чугун и шлак выходят через соответствующие летки – чугунную, шлаковую. В случаях, когда количество шлака незначительное, используется только чугунная летка. Отделение шлака происходит на разливочной площадке. Температура чугуна в жидком виде находится в пределах от 1420 до 1520 градусов.

    Высокая производительность доменной печи достигается за счет наличия мощных воздухонагревателей, являющихся теплообменниками регенеративного типа. Нередко воздухонагреватели домны называют кауперами в честь их создателя.
    Каупер – вертикально расположенный кожух в форме цилиндра, созданный из листовой и насадки из кирпича. Камера горения воздухонагревателя, а именно – ее нижняя часть, состоит из горелки и воздухопровода горячего дутья. В поднасадочном пространстве применены клапаны, что позволило обеспечить соединение с отводом к дымовому борову и воздухопроводом холодного дутья.

    Современный вариант шахтной печи изготавливается с четырьмя кауперами, работающими попеременно: нагрев насадки одного из двух кауперов происходит за счет поступления нагретых до высокой температуры дымовых газов, через третий каупер проникает нагреваемый воздух. Четвертый каупер является резервным.

    Продолжительность дутья составляет 50-90 минут, затем охлажденный каупер нагревается, дутье осуществляется в следующем наиболее горячем каупере. При разогреве работает горелка, дымовые газы без препятствий проникают в дымовой боров через открытый клапан. В это время клапаны, находящиеся на воздухопроводах горячего и холодного дутья, закрыты.
    В результате сжигания топлива образуются продукты горения, которые перемещаются вверх и поступают из камеры горения в подкупольное пространство, затем опускаются и нагревают насадку. Только после этого продукты топлива, имеющие температуру 250-400 градусов, поступают в дымовую трубу через дымовой клапан.

    Во время дутья происходит обратный процесс: дымовой клапан закрыт, горелка не работает, при этом клапаны, установленные на воздухопроводах горячего, холодного дутья, открыты. Холодное дутье в поднасадочное пространство подается под давлением 3,5-4 ат, затем перемещается через разогретую насадку и в нагретом виде через камеру горения проходит в воздухопровод горячего дутья, откуда подается в печь.

    В определенных условиях могут происходить увлажнение дутья и обогащение азотом или кислородом. При использовании азота удается экономно расходовать и контролировать процесс плавления в доменной печи. Экономия кокса возможна и в результате обогащения дутья кислородом до 35-40 % при сочетании с природным газом. Путем повышения влажности до 3-5 % удается получить более высокую температуру нагрева дутья в каупере. Такие результаты достигаются благодаря интенсификации лучистого теплообмена в насадке.

    Высота кауперов составляет около 30-35 м, диаметр – не более 9 м. Верхнюю и нижнюю части насадки выполняют из динасового или высокоглиноземистого кирпича и огнеупорного соответственно. Из насадочного кирпича, имеющего толщину 40 мм, создают ячейки 4545, 13045, 110110 мм. В доменных печах применяются и другие насадки, а именно – насадки, состоящие из блоков с шестью гранями, с горизонтальными проходами и круглыми ячейками. Также используются насадки, основа которых – высокоглиноземистые шарики.

    На каждый кубический метр объема кирпичной насадки предусмотрена примерная поверхность нагрева 22-25 кв. м. Объем домны в 1-2 раза больше объема насадки каупера. Например, при объеме печи 3000 куб. м объем каупера составит около 2000 куб. м (3000/1,5).

    Самыми распространенными являются кауперы, оснащенные встроенной камерой горения. Среди их основных недостатков – чрезмерный нагрев свода, деформация камеры горения в результате долгой работы печи. Горелка каупера бывает выносной, также камера горения может располагаться под куполом. При наличии выносной горелки обеспечиваются высокая стойкость и удобство, но цена таких устройств наиболее высокая. Кауперы, оснащенные подкупольной камерой горения, самые дешевые, но процесс эксплуатации более сложный, т. к. горелка и клапаны расположены достаточно высоко.

    В процессе дутья температура, до которой нагревается воздух (1350-1400 градусов), постепенно уменьшается и находится в пределах от 1050 до 1200 градусов. При использовании домны, работающей стационарно, таких перепадов избегают путем регулирования температуры. Нужные показатели появляются в результате добавления холодного воздуха, поступившего из воздухопровода холодного дутья. Снижается температура дутья до 1000-2000 градусов, а вместе с ней и содержание холодного воздуха в смеси.

    Ориентировочный материальный баланс получения чугуна в домне

    Рассмотрим тепловой баланс выплавки 1 кг чугуна. При составлении балансов учитываются , агломерат, чугун, шлак и доменный газ.

    Окатыши: оксид железа (III) – 81 %, диоксид кремния – 7 %, оксид кальция – 5 %, оксид железа (II) – 4 %, оксид и оксид – 1 %, оксид марганца – 0,3 %, оксид фосфора – около 0,09 %, сера – около 0,03 %.

    Агломерат: оксид железа (III) – 63 %, оксид железа (II) – 16 %, оксид кальция – 10 %, диоксид кремния – 7 %, оксид алюминия – 2 %, оксид магния и оксид марганца – 1 %, оксид фосфора – около 0,25 %, сера – около 0,01 %.

    Чугун: железо – 94,2 %, углерод – 4,5 %, марганец – 0,7 %, кремний – 0,6 %, сера – около 0,03 %.

    Шлак: оксид кальция – 43 %, диоксид кремния – 36 %, оксид алюминия – 10 %, оксид магния – 7 %, оксид марганца – 2 %, оксид железа (II) и сера – 1 %.

    Доменный газ: азот – 44 %, – 25,2 %, углекислый газ – 18 %, водород – 12,5 %, метан – 0,3 %.

    Произведем анализ расхода топлива в результате применения офлюсованного агломерата. Затраты топлива в определяются, исходя из расхода природного газа и кокса (510-560 кг у.т./т сплава), в сумме с расходом газа, направленного на отопление воздухонагревателя (90-100 кг у.т./т сплава), за исключением выхода доменного газа (170-210 кг у.т./т сплава). В результате общий расход выглядит следующим образом: 535 + 95 - 190 = 440 (кг у. т./т сплава).

    Учитывая то, что на производство кокса и агломерата уже ушло определенное количество топлива (около 430-490 кг на 1 т сплава и 1200-1800 кг на 1 т сплава соответственно), общий расход первичного топлива, необходимого для получения тонны сплава, составляет: 440 + 40 + 170 = 650 (кг у.т./т), из которых 170 и 40 кг у.т./т, пересчитанные на тонну сплава, затрачиваются на производство и кокса.

    Производительность домны оценивают по коэффициенту использования полезного объема (КИПО). Показатель рассчитывают как отношение полезного объема конструкции к выплавке чугуна в течение 24 часов. Для современных печей нормой является показатель 0,43-0,75 куб. м сут./т. Чем ниже КИПО, тем эффективнее используется печь.
    Логичнее рассматривать показатель как отношение производительности к единице объема. Удобнее применять показатель удельной производительности домны (Пу = 1/ КИПО), значение которого составляет 1,3-2,3 т (куб. м/сут.).

    Экономия топлива возможна при соблюдении таких рекомендаций:

    Повышение давления газа на колошнике до 1,5-2 атм (за счет уменьшения объема газов удается сократить удаление колошниковой пыли или увеличить расход дутья);
    применение пылеугольного топлива в горне для экономии около 0,8 кг кокса на килограмм пылеугольного топлива;
    повышение температуры, до которой нагревается воздух в кауперах, для уменьшения расхода кокса;
    применение теплоты отходящих газов кауперов с целью повысить температуру воздуха и доменного газа до их подачи в камеру горения;
    подача нагретых восстановительных газов таким же образом, как в печах металлизации (удается снизить расход кокса, возможна экономия до 20 % топлива);
    применение физической теплоты огненно-жидких шлаков (решение данной проблемы является перспективным, но пока что не реализовано по причине периодического выхода шлаков).