Введение
До́менная печь, до́мна — большая металлургическая, вертикально расположенная 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 ее «капитального» ремонта) и противоток поднимающихся вверх фурменных газов с непрерывно опускающимся и наращиваемым сверху новыми порциями шихты столбом материалов.
Первые доменные печи появились в Европе в середине XIV века, в России — около 1630 г.
1. Описание и процеcсы
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 поступает в миксеры либо в чугуновозные ковши [уточнить (см. СО)] и вывозится либо в сталеплавильный цех, либо в разливочные машины.
2. Этимология
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.
1 Доменные печи . 4
1.1 Устройство и работа доменной печи . 4
1.2 Теплообмен в доменных печах …………………………….……….7
1.3 Показатели работы доменных печей……………………………… 10
Список использованных источников …………………………………14
1 Доменные печи
1.1 Устройство и работа доменной печи
Доменная печь предназначена для выплавки чугуна из железных руд и является важнейшим агрегатом чёрной металлургии. Основой технологических процессов, протекающих в доменной печи, являются процессы восстановления окислов железа.
Доменная печь представляет собой высокую шахту круглого сечения (рисунок 1), опирающуюся на железобетонный фундамент обычно многогранной формы. Нижняя часть (подошва) фундамента находиться на глубине 6 – 7 м. Надземная часть фундамента выложена из огнеупорного бетона.
Профиль рабочего пространства печи в вертикальном разрезе составляют колошник (верхняя цилиндрическая часть), шахта (верхняя конусная часть), распар (широкая цилиндрическая часть), заплечики (нижняя конусная часть) и горн (нижняя цилиндрическая часть).
Футеровка колошника защищена металлическими кольцами, собранными из сегментов, от ударного и истирающего действия кусков шихты, падающих с большого конуса засыпного аппарата. Шахту, распар и заплечики футеруют высококачественным шамотным кирпичом, а горн и лещадь (под печи) – высокоглиноземистым кирпичом или углеродистыми блоками. Футеровку нижней части шахты, а также распара, заплечиков, горна и лещади охлаждают водяными холодильниками.
Кладка шахты заключена в цельносварной стальной кожух. Внизу, на уровне перехода шахты к распару, кожух заканчивается опорным кольцом, которое поддерживается колоннами со специальными опорами, передающими нагрузку на несущую плиту фундамента. Горн также опоясан сварным стальным кожухом.
Горячее дутье от воздухонагревателей через футерованный воздухопровод поступает в футерованную кольцевую трубу. Из кольцевой трубы воздух направляется в футерованные рукава и через медные водоохлаждаемые фурмы, расположенные в верхней части горна по окружности, поступает в доменную печь. Фурмы вставлены в конические холодильники, которые входят в амбразуры, плотно прилегающие к кожуху печи.
В нижней части горна на высоте 600 – 1000 мм от лещади расположены одна или две чугунные летки – каналы для периодического выпуска чугуна и шлака. Шлак отделяют от чугуна в желобе при помощи перевала и перегородки (скимера). В промежутках между выпусками чугуна отверстие летки забивают огнеупорной массой при помощи специального устройства – электрической поршневой пушки.
На высоте 1400 – 1600 мм от чугунной летки под некоторым углом друг к другу расположены две шлаковые летки, через которые выпускают шлак. Шлаковая летка состоит из полой медной водоохлаждаемой фурмы, которая входит в конический медный холодильник, вставленный в чугунный холодильник, вставленный в чугунный холодильник со змеевиком. Отверстие шлаковой летки закрыто специальным стопором со стальной пробкой.
Доменную печь загружают шихтой сверху через специальный засыпной аппарат. Он состоит из большого конуса с воронкой, перекрывающего колошник печи, и малого конуса с вращающейся приемной воронкой. Такая конструкция засыпного аппарата позволяет равномерно распределять материал на окружности колошника и устраняет потери газов в атмосферу. Загрузку шихты в доменную печь осуществляют послойно.
Процесс развития доменного производства идет в направлении повышения содержания железа в рудном сырье, снижения расхода топлива и частичной замены природным газом (реже мазутом) дефицитного топлива, которым является кокс. Увеличиваются также размеры доменных печей. Полезные объемы доменных печей достигают 5000 м3.
Повышение содержания железа в рудном сырье, ведущее к уменьшению количества шлака, снижает затраты физического тепла на нагрев и плавление составляющих шлака, приводит к разогреву низа печи и позволяет снизить расход топлива. Снижение расхода топлива увеличивает в свою очередь экономичность и производительность печи.
В настоящее время в качестве рудной части шихты используют агломерат – продукт обогащения железной руды спеканием измельченной руды, железного концентрата, колошниковой пыли и флюсов.
Весьма перспективным является применение окатышей – продукта окомкования и обжига железного концентрата.
Основным видом топлива в доменной печи является кокс. В качестве дополнительного топлива используется природный газ, который подаётся через фурмы.
Раскаленные газы, получающиеся в области фурм в результате горения опускающегося кокса до СО и вдуваемого природного газа до СО и Н2, продуваются (фильтруются) через столб кусковых материалов под действием напора, создаваемого воздуходувками. Загружаемые через засыпной аппарат рудное сырьё и кокс постепенно нагреваются и теряют влагу и летучие. При использовании флюсов и сырых руд происходят также процессы разложения карбонатов. Железорудное сырьё восстанавливается. Высший окисел Fe2O3 превращается в железо последовательно через промежуточные окислы. Процесс восстановления осуществляется практически по всей высоте печи, но заканчивается выше уровня фурм до поступления составляющих рудного сырья в зону горения. Восстановителями служат компоненты газа (СО и Н2), окисляющиеся в процессе восстановления до СО2 и Н2О.
Процесс восстановления железа складывается из реакций
FeO + CO = Fe + CO2
Такой процесс требует затраты углерода и поглощает большое количество (156,64 МДж/моль) тепла.
При высоких температурах, достигаемых после расплавления и разделения составляющих рудной части шихты на металл и шлак, получают некоторое развитие эндотермические процессы прямого восстановления кремния и марганца, а также процесс науглероживания железа. Эти процессы осуществляются при стекании струй чугуна и шлака через слой кокса (коксовую постель), выполняющего роль фильтра, пропускающего расплавы и газы и преграждающего путь ещё не расплавленным или полурасплавленным кускам рудных материалов.
Окись углерода, которая образуется по реакциям (1) и представляет собой основную горячую составляющую доменного (колошникового) газа, удаляется из печи с температурой примерно 650 К и используется в дальнейшем для отопления доменных печей.
Для отвода газа в куполе печи предусмотрены четыре боковых восходящих газоотвода. Вертикальные участки газоотводов соединены попарно в два газоотвода, переходящих в один нисходящий газоотвод, который входит сверху по оси в первичный пылеуловитель. Газоотводы футерованы шамотным кирпичом.
1.2 Теплообмен в доменных печах
В доменной печи шихта двигается сверху вниз, а раскаленные газы двигаются снизу вверх. Таким образом, осуществляется противоток газа и шихты. Характер теплообмена между газом и кусками шихты зависит от соотношения из водяных эквивалентов. Водяным эквивалентом газа (шихты) называют произведение расхода газа (шихты) на его (ее) теплоёмкость, т.е.
; 
,
где Wг и Wш – водяные эквиваленты газа и шихты, Вт/К;
Gг и Gш – расход газа и шихты, кг/с или м3/с;
сг и сш – теплоёмкость газа и шихты, Дж/(кг ∙ К) или Дж/(м3 ∙ К).
Соотношение между водяными числами газа и шихты оказывает существенное влияние на теплообмен в шахтных печах. Характерными являются две противоточные схемы теплообмена, представленные на (рисунке 2).
Если водяной эквивалент газового потока больше водяного эквивалента потока шихты, т.е. Wг > Wш, то температура шихты достигает начальной температуры теплоносителя (газа) Т ‘г, а теплоноситель выходит из теплообменника с температурой Т»г.
В этом случае при сохранении постоянным коэффициента теплопередачи и соотношения водяных эквивалентов по высоте шахтной печи температуру шихты на различных горизонтах шахты можно определять по приближенному уравнению Б.И. Китаева:
, (2)
где 
— числовой коэффициент, зависящий от критерия Био; αv – коэффициент теплоотдачи на единицу объёма шихты, Вт/(м3 ∙ К); f – пористость слоя шихты (доли единицы), равная отношению объёма, незанятого кусками шихты, ко всему объёму; τ – время от начала загрузки, шихты, с; Н – высота положения шихтовых материалов, м.
Когда водяной эквивалент шихты больше водяного эквивалента газа, т.е. Wг > Wш, газы отдают все свое тепло шихте и охлаждаются до температуры поступающей шихты Тш. Однако этого тепла не хватает, чтобы нагреть шихту до начальной температуры газов. Шихта после теплообмена будет недогретой, ее температура Тш будет ниже температуры поступающих в шахту газов Тг.
Для определения температуры газа на различных горизонтах шахты при этой схеме теплообмена можно использовать второе приближенное уравнение Б.И. Китаева:
, (3)
Для определения температуры шихты используют уравнение теплового баланса:
(Тш – Т ‘ш) Wш = (Т ‘г – Тг) Wг
Определение коэффициентов теплоотдачи в шахтных печах представляет собой большую сложность, поскольку форма и размер кусков шихты являются крайне неопределенными.
Эта сложность углубляется так же тем, что и расстояние между кусками является весьма неопределенным. Теплообмен от газов к кускам шихты осуществляется тремя видами теплопередачи: конвекцией, теплопроводностью и излучением, с переменным удельным значением каждого вида передачи тепла. Преобладающее значение имеет теплопередача конвекцией, так как расстояние между кусками весьма мало и тепловое излучение невелико.
Всё это вызвало необходимость использовать в расчетах теплообмена в шахтных печах коэффициенты теплоотдачи на единицу объема αv [Вт/(м3 ∙ К)] и на единицу поверхности αF [Вт/(м2 ∙ К)], связанные между собой следующим соотношением:
, (4)
где F – средняя удельная поверхность кусков шихты (м2/м3).
Для определения коэффициента теплоотдачи на единицу поверхности кусков могут быть использованы эмпирические уравнения. Одно из таких уравнений, полученное А.Н. Чернятиным, имеет следующий вид
, (5)
где ψ – коэффициент формы, учитывающий потери поверхности в местах контактов между кусками. Для кусков руды ψ = 0,86.
Используя выражения (4) и (5), можно найти коэффициенты αF и αv, необходимые для расчетов по уравнениям (2) и (3).
В реальных условиях работы доменной печи наблюдаются отклонения в постоянстве соотношения водяных эквивалентов, вызванные влиянием физико-химических процессов, протекающих в объеме печи.
В условиях работы доменной печи по ее высоте разграничиваются три зоны теплообмена на (рисунке 3): 1) верхняя зона, в которой теплообмен происходит в условиях Wг > Wш и тепло газа используется не полностью; 2) средняя зона, в которой теплообмен происходит вследствие протекающих в ней экзотермических реакций, и 3) нижняя зона (при Wг
Первые доменные печи появились в Европе в середине 14 века.
В России до 30-х гг. 17 в. единственным известным на территории страны способом получения железа из руд был одностадийный способ, основанный на прямом восстановлении металла из окислов и осуществлявшийся в печи, получившей название сыродутного (ручного) горна, называвшегося также домней (домницей).
Первоначально термин "домница" означал "кузницу", то есть помещение, где устанавливались сыродутные горны для получения железа. Однако сейчас под этим словом понимают плавильный горн, прототип современной доменной печи. Домницы XVI-XVII веков работали совершенно иначе, чем доменные печи. Они представляли собой шахтные печи высотой около 1 м с круглым сечением диаметром 500-600 мм, которые строились обычно за два-три дня. Производительность такого горна была до 0,1 т в сутки.
В ходе процесса получался губчатый ком сварочного железа (точнее – низкоуглеродистого железного сплава), смешанного со шлаками — железная крица. Такое железо называли сырым. Для превращения его в дельное крицу проковывали в особой железцовой кузнице.
Появление в России первых домен не уничтожило металлургии, основанной на одностадийном способе — домни и домны длительное время сосуществовали.
Первая известная нам попытка построить в России доменный завод относится к 1567 г., когда Иван IV "пожаловал английских гостей и позволил ставить у железных руд, где железо делают, домницы". Через два года англичане получили разрешение на поиск руды по р.Вычегде, строительство здесь железного завода и ввоз из Англии квалифицированных рабочих. Но уже в августе 1570 г. царь приказал "то повольство отставить", а в октябре объявил об отмене данных им льгот: "все наши грамоты, которыя есмя давали. по сей день, — не в грамоты".1
Следующая попытка строительства доменного завода была предпринята через 62 года. Новая попытка строительства в России вододействующей доменной мануфактуры оказалась более удачной, чем предыдущая.
Большинство перечисленных заводов строились иностранными купцами ("гостями"). Важная роль последних в создании русской доменной мануфактуры была обусловлена рядом объективных причин:
— иностранные купцы лучше русских были знакомы с техникой, экономикой и организацией производства, основанного на использовании неизвестных в России технологий;
— им легче было подобрать в Европе мастеров, готовых выехать для работы в Россию;
они (по крайней мере, некоторые) обладали средствами, достаточными для реализации даже такого дорогостоящего проекта, как строительство мануфактуры.
Среди иностранных коммерсантов, связанных со становлением российской доменной металлургии, отметим А. Виниуса, Ф. Акему, В. Меллера (все – уроженцы Нидерландов), а также происходивших из Гамбурга Бутенанта и представителей нескольких поколений рода Марселисов. В XVII веке они основывают свыше двух десятков железных заводов под Москвой, Тулой, в Олонецком, Вологодском и других краях.
"Разрешительная" жалованная грамота на строительство первого в России доменного вододействующего завода была дана в феврале 1632 года. Ей начинается новый этап истории черной металлургии России.
Человека, благодаря знаниям, настойчивости и предприимчивости которого первый завод был построен и пущен, человека, ставшего отцом русской доменной металлургии, звали Андреем Денисовичем Виниусом.
Жалованную грамоту на строительство на реках Вороне (современная Воронка), Вашане и Скниге "мельнишных железных" заводов, Виниус получил в компании с братом Аврамом и английским купцом Вилькенсоном. Строить их начал, однако, на другой реке, Тулице (вернее — Синей Тулице), в 12 верстах к северо-востоку от Тулы. Работы начались не раньше июня 1632 г., после заключения договоров на аренду земель.
Доменные заводы были вододействующими, сооружение их становилось возможным только при наличии рек, удовлетворявших определенным, довольно жестким требованиям, а именно, обладавших водотоком, достаточно мощным для обеспечения потребности в гидроэнергии, и достаточно управляемым для безопасной эксплуатации водяных двигателей и связанных с ними механизмов. Важную роль играл и рельеф местности: строительство заводов на равнинных участках требовало для устройства прудов-накопителей сооружения длинных плотинных насыпей и отчуждения земельных угодий большой площади.
В 1636 г. заводы дали первую продукцию: 100 пудов прутового и 43,5 пуда дощатого железа (1,64 и 0,71 т соответственно). Не исключено, правда, что это было железо, полученное в сыродутных горнах. Но не позднее следующего, 1637 года, на заводах выплавили и первый в России доменный чугун. Тогда же впервые в России он был использован в качестве литейного сплава, тогда же в ходе кричного передела переработан в железо.
В начальный период своей истории (до 1648 г.) металлургический комплекс на Тулице включал не менее трех заводов, два из которых были доменными, один (нижний) — передельным. Обслуживали их иностранные мастера, приехавшие по договору с заводчиком из разных стран в Россию с семьями на определенный срок. Упомянем из их числа двоих: "плавильного дела мастера немчина" Крестьяна (Христиана) Вильде, работавшего на заводе в 1647 году — его имя открывает на сегодняшний день список имен доменных мастеров из Европы, трудившихся на металлургических заводах России, и связанного с обслуживанием доменной плавки (ведал составлением шихты и загрузкой ее в печь) мастера Юрия Ведена. Каждый из них обслуживал по две печи.
Основной продукцией заводов в первое десятилетие их существования были чугун, железо и изделия из них. Чугун, предназначенный для передела, отливали в чушки, называвшиеся свиньями или штыками, прочий — сразу использовали в качестве литейного материала. Значительную долю в объеме производства занимали пушки и ядра к ним.
На рубеже 18 в. начинается промышленное освоение Урала — нового, богатого ресурсами, огромного по площади горно-металлургического района, в скором времени ставшего главным металлургическим центром страны.
Первые уральские железоделательные заводы, возникшие еще в XVII веке, не имели доменных печей и представляли собой простую кооперацию — объединение отдельных плавильных горнов, которые мало чем отличались от обычных крестьянских домниц. Еще в начале XVIII века плавка руды в малых домницах была распространена во многих районах Урала: близ Кунгура, Невьянска, Нижнего Тагила, Далматовского монастыря, Алапаевского завода и в других местах. Крестьяне-промышленники вырабатывали кричное и полосовое железо и уклад. « Из крицы в расковочных кузницах производили полуфабрикат — кованое железо, очищенное от шлака, окалины и мусора, которое представляло собой полосы, прутья и др. и называлось "укладом". Из 1,6 кг кричного железа получалось 1,1 уклада, из которого потом изготовляли изделия».1
Первые уральские доменные заводы были построены на реках Каменка, Нейва и Алапаевка. В ноябре 1701 года доменная печь Каменского завода выдала первый уральский чугун, а спустя месяц начал действовать доменный цех Невьянского завода. Алапаевский металлургический завод был построен в 1702 — 1704 гг. Первоначальное оборудование Алапаевского завода состояло из двух доменых печей, пушечных изб, "свирельни" для расточки орудий и двух молотовых фабрик. До 1717 года производство чугуна из одной действующей домны не превышало 90-100 пудов в сутки.
Первоначально высота домен колебалась от 10 до 20 аршин (аршин — русская мера длины, равная 0,71 м.), 4,5 аршина в распаде, суточная выплавка колебалась от 400 до 570 пудов. Однако суточная выплавка чугуна определялось не столько размерами домен, сколько ограниченными резервами водяной энергии, применявшейся для подачи дутья. Поэтому для усиления дутья на заводе использовали чугунные цилиндрические мехи более высокой эффективности, заменившие деревянные клинчатые. Каждая печь располагала четырьмя чугунными цилиндрическими мехами.
Важнейший компонент металлургической шихты — уголь. До 30-х гг. 18 в., когда в Англии начался перевод доменной плавки на минеральное топливо, повсеместно применялся единственный его вид – древесный уголь, который получали непосредственно в лесу кучным углежжением — "кабанным" способом.
Применение цилиндрических воздуходувных машин, изобретённых в Англии в 1760 году, было наиболее существенным новшеством в русской металлургии конца ХVIII века. Об его значении можно судить уже по тому, что замена кожаных мехов даже такими несовершенными деревянными цилиндрическими машинами давала до 20% экономии угля. Вместе с тем, ускоряя металлургические процессы, новые воздуходувки резко повышали суточную выплавку, а стало быть, и производительность труда доменного персонала.
Начиная с 1863 г., выплавка чугуна стала повышаться. В этот период появляется паровая машина как подсобная в зимнее время для действия доменной воздуходувки. Одно-фурменные домны переделаны на двуфурменные. Установлен регенератор Сименса.
Устройство современной доменной печи
Для работы доменной печи необходимы большие количества руды, топлива (каменного угля), известняка и воды (для охлаждения). Руду взрывают, извлекают, дробят и превращают в мелкий порошок. При обжиге образуется оксид железа, проявляющий магнитные свойства, благодаря чему из водной взвеси его отделяют от пустой породы магнитной сепарацией. Магнитный оксид брикетируют обкаткой в барабане, затем слегка спекают до получения окатышей, пригодных для доменного процесса. Таким способом из бедной руды (
20% оксида железа) получают почти чистый Fe3O4, который совместно с известняком и коксом используется для выплавки чугуна в доменной печи.
При достаточно высокой температуре оксид железа реагирует с моноксидом углерода (CO), давая диоксид углерода (CO2) и металлическое железо. Доменная (шахтная) печь устроена так, чтобы реакция могла протекать непрерывно. На практике сверху вниз по шахте печи непрерывно продвигаются углерод и оксид железа, а навстречу им снизу движется воздух. Углерод в виде кокса играет двоякую роль: при сгорании он нагревает печь и образует газ CO, который восстанавливает оксид железа до металла. В верхней части печи из нее отводится диоксид углерода, а в нижней – выпускается жидкий металл. Обычно печь работает непрерывно до ее остановки для ремонта внутренней кирпичной кладки (футеровки).
Из сказанного выше вытекают основные требования к конструкции доменной печи. Она должна обеспечивать непрерывную загрузку топливом, рудой и флюсом сверху, непрерывную подачу воздуха и периодический отвод жидких продуктов снизу. Печь должна быть достаточно высокой, чтобы успевали протекать необходимые химические реакции. Воздух вдувается в печь через фурмы, расположенные в ее нижней части, и поднимается сквозь шихту вверх. Восстановленное губчатое железо и шлак плавятся на уровне «заплечиков», в самой широкой части печи, а жидкость накапливается в горне, ниже фурм. В горне периодически пробивают заделанные глиной летку для выпуска металла и (несколько выше) шлаковую летку. Доменная печь дает почти столько же шлака, сколько и чугуна. Затвердевая, шлак превращается в темный стекловидный материал, который в прошлом накапливался в больших шлаковых отвалах возле передельных металлургических заводов. В наши дни шлак идет на изготовление заполнителя для бетона, железнодорожного балласта, шлаковаты и противоюзового покрытия автомобильных дорог.
Восстановление оксида железа до губчатого железа и разложение известнякового флюса происходят в шахте – основной части доменной печи – в процессе медленного оседания шихты. Шихта начинает разогреваться в колошнике – верхнем конце шахты. Диоксид углерода и азот непрерывно отводятся по широкому газоходу из колошника. Поскольку при нормальной работе доменной печи давление газов в колошнике выше атмосферного, верхний конец печи нельзя просто открывать для загрузки, иначе упадет давление газов и из печи будут выдуваться наружу тонкоизмельченные компоненты шихты. Для предотвращения этого предусмотрен двухконусный шлюзовой засыпной аппарат. Нижний конус поднимают так, чтобы он газоплотно закрывал загрузочное отверстие, а затем опускают верхний для загрузки. После этого снова поднимают верхний конус, герметизируя вход в печь, и, опустив нижний, пропускают порцию шихты (колошу) в колошник.
Современная доменная печь представляет собой крупное сооружение. Высота печи, производящей 1000 т чугуна в сутки, составляет около 30 м, а диаметр на уровне заплечиков – ок. 8 м. Печь устанавливается на бетонном фундаменте, на котором в стальном кожухе выводится кладка из огнеупорного кирпича. Нижняя часть этой конструкции охлаждается водой.
Сколь ни внушительны размеры доменной печи, сама она – лишь малая часть чугуноплавильного завода. Для ее нормальной работы нужны еще отделение шихтовых материалов, грузоподъемные устройства для загрузки печи, насосы для подачи воздуха (дутья) и воздухонагреватели (кауперы), шлаковозы и литейный цех или приемная система для расплавленного металла. Для загрузки доменных печей иногда применяются ленточные конвейеры, но чаще руда, топливо и флюс подаются скиповыми подъемниками – небольшими сосудами (скипами), движущимися на колесах по наклонным рельсам от нижних засыпных бункеров до верхней загрузочной площадки, где они автоматически опрокидываются, разгружаясь в приемную воронку засыпного аппарата.
Эффективность доменной печи существенно повышается при использовании горячего дутья. Воздух, подводимый к фурмам, предварительно нагревается до температуры, которая может достигать 1000° C. Нагревание осуществляется в кауперах, каждый из которых ненамного уступает в размерах самой доменной печи. Каупер представляет собой вертикальный цилиндрический стальной кожух с внутренней «шахматной» насадкой из огнеупорного кирпича.
Газ, отводимый с верхнего конца доменной печи, содержит моноксид углерода и другие газы, способные гореть. Этот газ по широким наклонным газоходам подводится к нижней части каупера, где, пройдя через пылевой фильтр, сжигается в камере горения. Продукты горения поднимаются вверх, нагревая кирпичную насадку. Когда насадка достаточно нагрета, перекрывают подачу топлива и газа в камеру горения и включают воздуходувки, которые гонят воздух через каупер в фурмы доменной печи. Для каждой доменной печи обычно предусматривают четыре каупера: два нагреваются, а два других подают горячее дутье. Потоки газа и воздуха периодически переключаются так, что непрерывно поддерживается заданная температура дутья.
Существует ряд способов дополнительного повышения эффективности доменной печи. Один из них – работа при давлении внутренних газов, вдвое превышающем атмосферное. Это позволяет повысить производительность примерно на 15% и снизить потребление кокса примерно на 10%. Экономические преимущества повышения производительности в какой-то мере снижаются затратами на более мощное воздуходувное оборудование и возможным уменьшением срока службы огнеупорной кладки.
При выпуске плавки из доменной печи шлак вытекает из своей летки, а металл – из своей, расположенной ниже. Ранее шлак заливали в шлаковозы – большие ковши на железнодорожных колесных тележках, которые доставляли незатвердевший шлак к отвалам. Теперь же шлак обычно отводят на перерабатывающую установку, расположенную рядом с домной, где он охлаждается водой и при этом гранулируется, после чего используется как заполнитель для бетона и пр.
Жидкий металл, вытекающий из летки, направлялся по желобам, подготовленным в песочной «постели» перед печью. Из желобов он растекался по удлиненным боковым углублениям в песке, где и затвердевал в виде болванок, называемых чушками (из-за сходства с многочисленными поросятами, сосущими свиноматку). Хотя литье в песок более не применяется, металл, выплавляемый в доменных печах, по-прежнему называют чушковым (применяется и термин «штыковой» чугун). В наши дни в тех случаях, когда требуется чушковый чугун, расплавленный металл разливают по стальным литейным формам, непрерывно движущимся перед домной на ленточном конвейере. Когда металл затвердевает, формы переворачиваются и, освободившись от чушки, возвращаются за следующей отливкой. Чтобы чугун не приставал к формам, их покрывают каменноугольной смолой или известью.
На международной конференции по металлургии, которая проходила в 1999году в Японии, была организована экскурсия на один из металлургических заводов. Большая группа ученых и специалистов — металлургов из разных стран, включая и россиян, вошла в доменный цех, где выплавляется чугун, и, по нашим меркам, должно быть очень грязно. Мы часто видели по телевизору горнового (рабочего, который выпускает металл и шлак из доменной печи) с железной клюкой и лопатой в толстой грязной войлочной одежде. На этот раз экскурсионная группа, была просто шокирована. На поручнях перил, на полу не было ни одной пылинки. С восторгом наш российский представитель сказал своему коллеге: "Смотри дорогой, я нашел пять пылинок углерода (они блестят — их сразу видно) на поручне лестницы длинной пятнадцать метров". Как же это, возможно, удивилась группа, но решение, которым был достигнут этот результат, оказалось очень простым. Желоб, по которому течет металл и шлак, был изолирован сверху специальным коробом с наличием в месте слива вентилятора, который отсасывает всю пылегазовую смесь над текущим металлом. Когда в беседу с экскурсантами вступил первый горновой (главный рабочий по разливке чугуна), российский представитель задал переводчику вопрос: "А где у горнового лопата?". Переводчик не смог перевести последнее слово вопроса. Нет лопаты у современного металлурга в Японии. Создавалось впечатление, что горновому достаточно повязать галстук, и он готов для выхода в свет.
Наступило время выпуска чугуна, для чего необходимо было просверлить отверстие в летке, через которое горячий металл покинет доменную печь. Японский горновой достал из кармана миниатюрное устройство и поднес его ко рту. Раздался свист, сложный механизм приступил к действию: повернулся к летке, нашел нужную позицию, пробурил отверстие и отошел в исходное состояние. После окончания выпуска, все тот же свисток скомандовал "умной" машине вернуться к летке и закупорить ее. Это ли не фантастика? Нет, это сегодняшний день нашей металлургии. Кто же это сотворил? Экологи? Нет! Металлурги и специалисты по автоматизации, прекрасно владеющие спецификой металлургических процессов. Мало знать экологические проблемы, недостаточно просто владеть программированием и знать электронную технику. Только симбиоз знаний по металлургии и проблемам компьютеризации может позволить эффективно решать проблемы улучшения условий труда в черной металлургии, сделав ее "металлургией в белых перчатках". Наступает время напрочь забыть о корявых и грязных робах и перейти к клавиатуре компьютера, перенося свои усилия на мозговую деятельность, связанную с тем — что, где, как и почему происходит. И в конечном итоге, какое решение мы должны принять в той или иной ситуации.
Дунаев Ю.А .Билимбаевский завод. Век ХIХ-й. Газета "Уральский трубник" № 93; № 94; № 95; № 96; стр. 3; 1991 год.
Запарий В, заведующий кафедрой истории и техники УГТУ – УПИ. Железное дело нетяглых людей, журнал Родина №10-2001.
Основы металлургии, тт. 1–6. М., 1961–1973
Струмилин С.Г. Избранные произведения. История черной металлургии в СССР. М., 1967.
5. Черноусов П. И. и др. История металлургии и мировое металлургическое производство. М. 1999.
1 Струмилин С.Г. Избранные произведения. История черной металлургии в СССР. М., 1967.
1 Черноусов П. И. и др. История металлургии и мировое металлургическое производство. М. 1999.