Что такое домна и каковы процессы, происходящие в ней?

Составляющие доменной печи

То, что доменная печь высокотехнологическое сооружение можно судить не только по размерам. Не менее внушительные и поражающие своей точностью и другие факты, связанные с современными доменными печами. Внутренность доменной печи выложена из шамотного кирпича. Сама кладка осуществляется с предельной точностью, так, чтобы по всей высоте печи, если провести рукой по внутренней поверхности практически не ощущались швы. Учитывая, что высота сооружения составляет более 70 метров, а вес шамотного кирпича примерно в 1,2-1,4 раза больше чем весит обычный красный керамический кирпич то нетрудно представить, что фундамент под такое сооружение заливается на глубину до 20 метров.

Сам фундамент по технологии строительства таких сооружений несколько возвышается над поверхностью площадки. Верхняя часть фундамента отливается из специального бетона с жаростойкими добавками. При этом конструкция верхней части фундамента – лещади, имеет еще и закладку труб водяного охлаждения. Ведь на ней располагается горн печи, температура в котором может достигать и 2500 градусов. Самый верх выкладывается из усиленного шамотного блока, способного выдержать как динамическую, так и температурную нагрузку.

Снаружи печь имеет металлический кожух. Его основное назначение создать необходимую прочность конструкции из шамота. Именно поэтому толщина металлических листов обшивки печи составляет от 40 до 60 мм. В нижней части кожух усилен дополнительно конструкциями прочности из конструктивной стали.

Сам процесс плавки металла представляет собой непрерывный процесс химических реакций при разной температуре и давлении. При этом температура в верхней части составляет всего 200-250 градусов. Каждая часть конструкции доменной печи имеет свои названия. Так уж сложилось исторически, что большинство названий было переиначено с немецкого на русский манер, так, по всей видимости, чтобы легче объяснять строителям и металлургам из неграмотных крестьян названия элементов конструкции.

Устройство доменной печи состоит из нескольких конструктивных элементов:

Колошник, так называется верхняя часть печи, расположена она в самом верху и именно через нее идет загрузка топлива и сырья. Еще одним назначением колошника является отвод доменных газов – продуктов горения образующихся при сгорании кокса и шихты. Стоит отметить, что доменные газы очень ядовиты, и выброс их в атмосферу без предварительной очистки приводит к пагубным последствиям для флоры и фауны.
Шахта (или еще этот участок называют тахта) представляет собой вытянутый конусообразный участок суженный сверху и расширяющийся к низу. В этом участке начинается происходить процесс плавки с постепенного разогрева углеводородного сырья под действием горячих газов и начало реакции восстановления железа.
Распар – эта часть напоминает кольцо, вставленное между двумя конусами. Кстати, это самое широкое место доменной печи. Именно в нем температура достигает 1200-1400 градусов и именно здесь начинается процесс разделения плавких веществ на шлаки и чугун.
Заплечики. Так называется нижняя воронка печи. Ее высота примерно составляет 1/3 от шахты. Она имеет сужение книзу, здесь происходит основной процесс плавки – при температуре 1600 градусов металл начинает каплями стекать вниз через слой кипящего шлака. В процессе плавки температура в этой части может изменяться от 1600 до 1900 градусов в результате чего можно выплавить разные сорта чугуна.
Горн, нижняя часть печи. Здесь достигается самая высокая температура. Именно в этой чаше и происходит отделение шлака от чугуна. Сам процесс напоминает снятие сливок – легкие сливки поднимаются вверх, а молоко оседает снизу. Так и в горне – тяжелый металл в жидком виде оседает на дне, а сверху, подобно сливкам кипит слой жидких шлаков – отходов доменного производства.

Конструкция доменной печи имеет еще несколько элементов, играющих важную роль в производстве металла. В горне находятся два отверстия – летки. В классическом варианте они расположены на разном расстоянии – выше расположена летка для спуска шлаков, а ниже у самого днища печи летка для слива в формы чугуна.

Описание и процессы

Основная статья: Доменный процесс

Устройство доменной печи

1 Горячее дутьё 2 Зона плавления (заплечики игорн ) 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

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.

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

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.

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

C+O2=CO2+Q{\displaystyle \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.

CO2+C=2CO{\displaystyle \mathrm {CO_{2}+C=2\,CO} }

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

Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2{\displaystyle \mathrm {Fe_{2}O_{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 жёлобе, 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.

Автоматизация доменного производства

Основные направлениями автоматизации и контроля в доменном производстве:

Химический состав и физические свойства шихтовых материалов.
Загрузка шихтовых материалов.
Состояние верхней зоны печи (колошника)
Состояние шахты печи.
Параметры комбинированного дутья.
Состояние нижней зоны печи (горна)
Технико-экономические показатели плавки.
Воздухонагреватели

Как работает домна

Это огромная вертикальная печь, действующая беспрерывно. Сырье в печь подается сверху, через загрузочную шахту. Сырьем для плавки являются кокс, железная руда и добавки (известняк), помогающие извлечь из руды ненужные примеси. Загруженные ингредиенты нагреваются горячим воздухом в основной части домны. В процессе нагрева коксующийся уголь, сгорая, выделяет оксид углерода, служащий процессу восстановления железной руды. Появившиеся в процессе восстановления железной руды шлаки соединяются с добавками (известняком). На этом этапе шлаки находятся в жидком состоянии, а выделившийся металл — в твердом.

Металл опускается по печи ниже и подвергается процессу распаривания. В этом отсеке печи температура достигает 1200 градусов по Цельсию, что способствует расплавке металла. Шлак, имеющий плотность, меньшую в сравнении с металлом, остается на расплавленной поверхности металла, что предотвращает окислительные процессы. Скорость, с которой происходит процесс опускания чугуна по домне, называется производительностью. Чем быстрее он происходит, тем больший коэффициент производительности доменной печи. Разделение шлака и готового чугуна проводится на последнем этапе через специальные отверстия и имеет свои технологические особенности.

Чугунная цивилизация

Главной проблемой средневековых металлургов в тринадцатом веке была тугоплавкость железа. Когда в штукофене получили чугун (то есть железоуглеродистый сплав с концентрацией углерода 1,7% и выше), то удивились его низкой температуре плавления, но при этом в восторг не пришли. Полученный металл получать было проще, чем сталь и тем более железо, но механические качества его с точки зрения тогдашних потребителей оставляли желать лучшего: слишком хрупок и недостаточно прочен. Однако всего за два столетия отношение к чугуну поменялось. Во-первых, извлекать его из печи оказалось делом нехитрым, его можно было просто сливать в расплавленном виде. Во-вторых, металл этот нашел все же свое применение, причем весьма разнообразное. А в-третьих, он представлял собой сырье для дальнейшей очистки от излишнего углерода, и получать из него сталь оказалось намного проще, чем из руды. Так, после вековых экспериментов, была найдена наиболее производительная металлургическая технология, и изобретена домна. Печь в вестфальском городе Зигерланд (вторая половина XV века) могла работать с непрерывным циклом несколько лет, производя ежедневно свыше полутора тонн чугуна. Тогда это было очень много.

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.

Принцип работы

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.

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.

Производительность комплекса:

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.

Принцип работы

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.

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

На приготовленной заготовке в виде бочки срезается верх (его следует оставить, так как он понадобиться дальше).
Из стали вырезается круг с диаметром, меньшим чем диаметр бочки, в нем делается отверстие для трубы.
Труба аккуратно приваривается к кругу, внизу сваркой крепятся отрезки швеллера, которые будут придавливать топливо во время работы печи.
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.
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.
Для отвода продуктов сгорания монтируется дымоходная труба, диаметр прямой части будет больше, чем диаметр корпуса печи (требуется для лучшего отвода газов).
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.

Описание и процессы

Доменная печь представляет собой сооружение высотой до 35 м, высота ограничивается прочностью кокса, на котором держится весь столб шихтовых материалов. 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 около 270 °C. Таким образом в печи на разной высоте устанавливается разная температура, благодаря чему протекают различные химические процессы перехода руды в металл.

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

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

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

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 сливается в чугуновозные ковши и вывозится в сталеплавильный цех.

Описание и процессы

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

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.

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

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.

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

C+O2=CO2+Q{\displaystyle \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.

CO2+C=2CO{\displaystyle \mathrm {CO_{2}+C=2\,CO} }

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

Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2{\displaystyle \mathrm {Fe_{2}O_{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 жёлобе, 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.