Доменна піч

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Загальний вигляд доменної печі.
Доменна піч металургійного заводу Adolf-Emil-Hütte у місті Еш-сюр-Альзетт, Люксембург.

До́менна піч, до́мна — металургійна піч шахтного типу (тобто вертикально розташована) для виплавки чавуну або феросплавів з залізорудної сировини (руди, агломерату, окатків). Для зниження температури плавління пустої породи шихтових матеріалів і утворення шлаку з потрібними властивостями у шихту доменної печі додають флюси (вапняк або інші). Паливом доменної печі є кам'яновугільний кокс, в ролі його часткових замінників можуть бути використані природний газ, коксовий газ, мазут, пиловугільне паливо.

Доменна піч є основним агрегатом для отримання заліза (у вигляді чавуну) з залізної руди, хоча постійно ведуться значні дослідження у напрямку створення інших способів отримання заліза. Доменна піч за добу переплавляє кілька тисяч тон (до 50 залізничних вагонів і більше) шихтових матеріалів. Продуктивність найбільших доменних печей становить понад 12000 т чавуну на добу. Світове виробництво чавуну у доменних печах 2013 року становило 1164,612 млн. т. [1] Кампанія доменної печі, тобто тривалість безперервної роботи від пуску («задування») до зупинки («видування»), становить 10 - 15 років, іноді 20 років і більше. [2]

Виплавка чавуну на доменній печі є початковим етапом у виробничому ланцюгу металургійного заводу. У доменних цехах заводів будується, як правило, кілька доменних печей.

Більшість процесів на доменній печі механізовані і автоматизовані.

Етимологія назви[ред.ред. код]

Назва «доменн печі або домна походить як і назва її попередниці, невеличкої пічі, що звалася «дъмьница», «домниця» або димарка від пра слов'янського слова dъmu, duti “дму”, “дути”. [3] Таким чином, назва «доменна піч» означає «дутьова піч», тобто така піч, в яку подається дуття — повітря.

Історія[ред.ред. код]

Див. також Історія доменного виробництва в Україні

Типова будова доменної печі до середини 19 століття. Доменна піч у місті Бротон-ін-Фернесс, Англія, працювала до 1867 року на деревному вугіллі.
Загальний вигляд комплексу сучасної доменної печі. Доменна піч в Сестао (Іспанія)

Доменні печі з'явилися у Європі приблизно в середині XIV - початку XV століть. [4][5][6] Їх почали будувати у бельгійській провінції Намюр приблизно 1340 року. [6] Перший опис виплавлення чавуну міститься у працях французького єпископа Генриха з Пуатьє і датується 1371 роком. Доменна піч була створена чисто досвідним шляхом.

До виникнення доменних печей протягом кількох тисячоліть основним способом отримання заліза з руди був сиродутний процес у так званих сиродутних горнах. Сиродутним процесом отримували залізо тільки у напівтвердому, тістоподібному стані — у вигляді так званого губчастого заліза, просяканого шлаком. При обробці його молотом, з нього видалявся шлак і отримували крицю, з якої виготовляли потрібні вироби.

Сиродутне горно внаслідок розвитку перетворилося на більшу за розмірами сиродутну піч (такі печі також часто називають горном). Подальше збільшення розмірів сиродутної печі, головним чином у висоту, і кількості подаваємого повітря призвело до змін у процесах і перетворення її у домницю (димарку), що разом з напівтвердим губчастим залізом видавала новий продукт — рідкий чавун. Через те, що чавун не піддавався куванню, металурги спочатку вважали його браком. Однак, пізніше навчилися робити з чавуну виливки і переробляти його у кричному горні на ковке залізо. Подальший розвиток домниці перетворив її у доменну піч, що принципово не змінилася до нашого часу, продуктом якої став тільки чавун у рідкому стані, який потім переробляли у кричному горні. Таким чином, замість безпосереднього отримання заліза з руди у сиродутному горні, тобто одноступеневого процесу, з’явився двоступеневий процес — отримання чавуну у доменній печі і подальша переробка його на сталь у іншому агрегаті — кричному горні. Такий процес виявився економнішим і продуктивнішим. Весь подальший розвиток металургії проходив як вдосконалення цього двоступеневого способу виробництва сталі. Пізніше для переробки чавуну на сталь були розроблені пудлінгова піч, мартенівська піч, конвертер.

Розвиток доменної печі відбувався перш за все шляхом збільшення її розмірів. Якщо у 15 – 16 століттях висота доменних печей становила 4,5 м, то у 18 столітті вона досягла 10 – 13 м, сучасні доменні печі мають висоту понад 30 м. [7] Збільшення розмірів доменних печей давало збільшення продуктивності. У 15 – 16 століттях продуктивність печей була 1,6 т на добу, у 18 столітті – 16 – 17 т, [7] найбільші доменні печі кінця 20 століття виплавляли до 12000 т чавуну на добу. [4] Збільшення розмірів печей стало можливим завдяки розвитку повітродувних засобів. Спочатку для поачі дуття використовувалися клиноподібні міхи, що приводилися у дію потужним водяним колесом. Потім з'явилися циліндричні міхи, пізніше турбоповітродувки.

Як паливо використовували деревне вугілля. Розвиток металургії у Англії призвів до вирубки більшої частини лісів країни, що викликало необхідність пошуку нових видів палива. У 17 ст. Дод Додлей здійснив вдалі доменні плавки на кам’яному вугіллі. З 1709 року Абрахом Дербі І робилися спроби використання у доменній плавці кам’яновугільного коксу як домішки до деревного вугілля. В 1735 році Абрахам Дербі ІІ успішно застосував в доменній плавці кам'яно-вугільний кокс без домішки інших видів палива. Разом з тим, доменне виробництво на деревному вугіллі існувало до кінця 19 ст., а у країнах з великими запасами деревини навіть до другої половини 20 ст.

1829 року Д. Нілсон здійснив гаряче дуття на доменній печі на заводі Клайд у Шотландії. Використання гарячого дуття дозволило економити значну кількість палива. Велике значення на розвиток доменного виробництва здійснило поліпшення підготовки материалів до плавки. У 20 ст. залізні руди після збагачення почали грудкувати — виготовляти агломерат та з другої половини 20 ст. — окатки. У 20 столітті розвиток технології доменного виробництва пов'язаний з початком використання природного газу, пило-вугільного палива і кисню, підвищення тиску газу в печі тощо.

Перша доменна піч Юзівського заводу, Донецьк, Україна, 1872

Найбільшим виробником чавуну була Англія, у 17 столітті на перше місце вийшла Швеція, з 1740 по 1804 роки — багата лісами Росія, потім — знову Британія. З 1897 року на перше місце вийшли США, з 1970 року — СССР, причому майже половина його чавуну виплавлялася на заводах України. Найбільшим виробником чавуну на початку 21 століття є Китай.

На території України перші доменні печі з'явилися у 60-х роках XVIII ст. на Закарпатті.[8] До того, у XIV–XVIII століттях, на території України виробництво заліза у руднях в горнах і невеличких домницях (димарках) було поширене на Поліссі, в Галичині, також на Полтавщині й Харківщині. Перший на Правобережному Поліссі доменний завод Висока піч (Високопічанський) було введено в дію 1773 року. 1799 року на Луганському чавуноливарному заводі було введено в дію першу доменну піч на сході України.

Будова доменної печі[ред.ред. код]

Конструкція доменної печі[ред.ред. код]

Конструкція доменної печі. 1-нижня частина фундаменту, 2-"пеньок", верхня частина фундаменту, 3-графітовані блоки, 4-вуглицеві блоки, 5-система охолождення дна, 6-подові холодильники, 7-ряд горнових холодильників, 8-холодильники фурменної зони, 9-ряд холодильників заплечиків, 10-верхній ряд холодильників заплечиків, 11 - система охолодження шахти печі - кілька рядів холодильників або залиті у бетон водоохолоджуємі труби, 12-горішній ряд холодильників, на які спирається мурування неохолоджуваної частини шахти печі, 13 - кожух печі, 14-ливарний двір, 15-головний жолоб, 16-продукти плавки - чавун і шлак - у головному жолобі, 17-гармата, підведена до льотки, 18-машина для розкриття чавунної льотки у вихідному положенні, 19-колони, на які спираються шахта печі і металоконтрукції по шахті печі і колошниковий пристрій, 20-майданчик фурменної зони, 21-пристрій для подачі дуття у доменну піч, 22-мараторне кільце, 23-кільцьовий повітропровод, 24-неохолоджувана частина шахти печі, 25-перехідні майданчики на різних горизонтах печі, 26-ланцюгові зонди, 27-газовідводи, 28-колошниковий майданчик, 29-завантажувальний пристрій.

Доменна піч споруджується на фундаменті, що слугує для рівномірної передачі тиску печі з завантаженими у неї сирими матеріалами на грунт. Фундамент поділяється на дві частини — верхню, надгрунтову, що зветься пнем, і нижню, що зветься підошвою. При слабкому грунті фундамент можуть спирати на штучні основи, наприклад на палі. Верхня частина фундаменту робиться з жароміцного бетону бо фундамент доменної печі зазнає інтенсивного теплового впливу.

На горизонтальну поверхню верхньої частини фундаменту кладуть вогнетривке мурування дна горну — під.

Доменна піч ззовні поміщається у металевий кожу́х, зроблений зварюванням між собою вальцованних листів з високоміцної сталі. Товщина кожуха поду і горну становить 30 - 50 мм, заплечиків — 30 - 50 мм, шахти, колошника і купола печі — 22 - 45 мм. На печах об'ємом до 3000 м³ кожух поду, горну і заплечиків спирається на фундамент. Кожух шахти спирається на колони, для чого його нижня частина закінчується опорним кільцем (маратором). Опорне кільце підтримує кожух і вогнетривке мурування шахти й передає навантаження від конструкцій верхньої частини печі на колони.

Нижня частина колон кріпиться до фундаменту печі. На печах встановлюють чотири опорних колони. Для надання більшої стійкості й кращого доступу до горну колони встановлюють з певним нахилом. На печах об'ємом понад 3000 м³ мараторне кільце відсутнє і колошниковий пристрій спирається на шість колон або на шатро будівлі ливарного двору.

Зсередини доменна піч футерується вогнетривким муруванням. Для футерування доменної печі використовують шамотну, високоглиноземисту і вуглецеву цеглу. При муруванні футеровки шви між цеглами заповнюють розчином, виготовленим з мертелів, що відповідають класу цегли. Мертель являє собою вогнетривкий порошок, що складається з подрібленого шамоту і вогнетривкої глини.

Для зменьшення руйнування вогнетривкого мурування між кожухом і муруванням встановлена система охолодження. По периметру до кожуху кріпляться плитові холодильники. Плитові холодильники являють собою металеву плиту з чавуну з розташованим у ній зміяком зі сталевих безшовних труб, по якому циркулює вода. Шахта печі на 2/3 висоти охолоджується вертикальними холодильниками або рядами труб, залитих у бетон стінок шахти. Для охолодження шахти печі використовують систему випарювального охолодження.

Для доступу до різних ділянок печі і обладнання, вона зовні опоясується перехідними майданчиками.

У нижній частинідоменної печі в її стінці і муруванні робляться спеціальні отвори для периодичного випуску рідких продуктів плавки — чавуна і шлаку — чавунні і шлакова льотки. На доменних печах великого об'єму встановлюють чотири чавунних льотки.

Сучасна доменна піч є спорудою заввишки від 26 до 35 м. Це висота власне печі, а висота всіх металоконструкцій доменної печі разом з колошниковим пристроєм і газовідводами може сягати понад 80 м.

У верхній частині горна на фурменній зоні розташовуються фурменні прилади, через які у доменну піч подається нагріте повітря — дуття. Саме в цій ділянці печі відбувається горіння коксу і температури досягають найбільшого значення 1900–2000 °C. По мірі підвищення вгору температура знижується, і у колошника доходить до 200–350 °C.

Профіль доменної печі[ред.ред. код]

Профіль доменної печі. Hп — повна висота, Hкор — корисна висота, hг — висота горна, hз — висота заплечиків, hр — висота розпару, hш — висота шахти, hк — висота колошника, dг — диаметр горну, Dр — діаметр розпару, dк — діаметр колошника, α — кут нахилу шахти, β — кут нахилу заплечиків.

Доменна піч є плавильною піччю шахтного типу, вона має витягнутий у висоту робочій простір. Внутрішній обрис робочого простору печі по вертикальному перетину називається профілем доменної печі. У горизонтальному перерізі піч кругла. Профіль печі поділяється на п'ять частин, кожна з яких має свої геометричні обриси і технологічне призначення. Багатостолітній досвід встановив таку найраціональнішу форму профілю, яка описується певними закономірностями.

Верхня частина доменної печі називається колошником. Вона має циліндричну форму і слугує для завантаження шихти. Через неї також виходять гази, що утворюються в печі (колошниковий газ). Нижче колошника розташована найбільша по висоті і об'єму частина домни — шахта, що за формою являє собою зрізаний конус, який розширюється донизу. Це розширення необхідне для полегшення опускання вниз завантажених твердих матеріалів при збільшенні їхнього об'єму при нагріванні. До нижньої частини шахти примикає найширша частина печі, що має форму циліндра — ро́зпар, в якому відбувається розплавлення шихти. Призначення розпару полягає в тому, що він, з'єднуючи шахту з заплечиками, ліквідує тупий кут, в якому могли б затримуватися грудки матеріалу. Нижче розпару розташовані заплечики, що мають форму зрізаного конусу з меншою основою внизу. Такий переріз тут пояснюється зменшенням об'єму матеріалів внаслідок вигорання коксу і утворення рідких продуктів плавки. Нижньою частиною профілю є горно, що має форму циліндра, у якому відбувається горіння коксу і збираються рідкі продукти плавки. Горно розділяється на дві частини, верхню — фурменну зону, в якій встановлені фурми для вдування повітря в піч, і нижню — металоприймальник, де збираються рідкі продукти плавки. Найнижча частина печі називається подом.

Така будова робочого простору створює сприятливі умови для протікання необхідних аеродинамічних і фізико-хімічних процесів. Такий профіль доменної печі виник не відразу, а внаслідок накопичення досвіду і розвитку профілю протягом століть.

Основиними розмірами профілю доменної печі є повна і корисна висота, висота окремих частин — колошника, шахти, розпару, заплечиків і горну, діаметри горну, розпару і колошника. Розміри профілю доменної печі визначають розмір доменної печі, що характеризується величиною корисного об'єму. Корисний об'єм є основним розміром доменної печі.

Будова доменної печі
  • корисна висота — відстань від чавунної льотки до поверхні матеріалів на колошнику. Через те, що рівень насипу матеріалів може змінюватися, то умовно за цей горизонт приймається положення нижня окрайка великого конусу при його опусканні. Максимальна висота сучасної доменної печі становить понад 33,5 м.
  • повна висота — відстань від чавунної льотки до верхньої окрайки спирального кільця кожуха колошника, на якому лежить лійка великого конусу засипного апарату.
  • корисний об'єм — об'єм, заповнений шихтовими матеріалами і продуктами плавки.
  • висота горну — відстань від осі чавунної льотки до нижньої окрайки заплечиків.

Бункерна естакада[ред.ред. код]

Бункерна естакада доменного цеху на колишньому металургійному заводі у місті Дортмунд, Німеччина. Ліворуч — нахилений міст, по якому шихта подається з бункерної естакади у піч.

Всі шихтові матеріали надходять у доменний цех у залізничних вагонах. Вони завозяться на бункерну естакаду, побудовану біля доменних печей і зсипаються з вагонів у бункери бункерної естакади. З бункерів рудна частина шихти, вапняк і кокс за допомогою спеціальних засобів подаються у скіпи або стрічковий конвеєр доменної печі і далі скіпами або конвеєром — у піч.

Бункерна естакада призначена для зберігання шихтових матеріалів і завантаження їх у піч. У доменному цеху будується одна бункерна естакада для всіх доменних печей. Бункерна естакада являє собою конструкцію з залізобетона, на якій встановлено два ряди рудних бункерів і по два коксових бункера для кожної печі. Для заїзду на бункерну естакаду залізничних вагонів на ній прокладено кілька залізничних колій. Шихтові матеріали вивантажуються з залізничних вагонів у бункери. Для кожної печі є кілька десятків рудних бункерів і два коксових бункера, що будуються безпосередньо біля нахиленого мосту. Бункери мать спеціальні закриви, що не дозволяють шихтовим матеріалам висипатися з них. З рудних бункерів матеріали вивантвжуються у спеціальний вагон, встановлений у підбункерному приміщенні на залізничних рейках — вагон-ваги, що має механізм для відкривання рудних бункерів, спеціальні бункери — кішені — для перевезення матеріалів і систему зважування матеріалів. Вагон-ваги необхідну кількість шихтових матеріалів перевозять до скіпової ями і висипають їх у скіп. Далі скіп по скіповому підйомнику доставляє шихту на колошник печі для завантаження у піч. Кокс з коксових бункерів потрапляє у скіпи через грохоти, на яких відбувається відокремлення коксового дрібняку, і далі через зважувальну лійку, в якій зважується потрібна для подачі кількість коксу.

Частина шихтових матеріалів вивантажується з вагонів на бункерній естакаді не у бункери, а на розташований біля бункерної естакади рудний двір, де створюється запас матеріалів на випадок перебоїв у їх постачанні.

Нахилений міст[ред.ред. код]

Нахилений міст. Доменна піч металургійного заводу The Essar Steel Company у місті Су-Сен-Марі, Канада.
Скіп. Час створення фото не відомий. Доменна піч компанії Бетлегем стіл корпорейшн, США.
Скіповий підйомник.

У доменну піч за добу завантажується кілька тисяч тон шихтових матеріалів. Подача матеріалів від бункерної естакади до місця завантаження — на колошник — здійснюється за допомогою скіпових підйомників або стрічкових конвеєрів. Скіповий підйомник складається з нахиленого мосту, двох скіпів і скіпової лебідки. Скіпи переміщуються по нахиленому мосту по залізничних рейках, встановлених на нахиленому мосту, за допомогою канатів, що протягнуті до них через шківи від лебідки. Скіпові канати прикріплюються на барабан скіпової лебідки таким чином, що при роботі лебідки канати одного скіпа намотуються на барабан, в той час як канати іншого скіпа розмотуються з барабана і відтак один скіп підіймається й везе шихтові матеріали на колошник, інший опускається. На горішній частині нахиленого мосту рейкові колії роздвоюються на дві криволінійні колії — для передніх і задніх коліс для перевертання і вивантаження скіпа. Ємкість скіпів залежить від об'єму печі і становить від 6 до 20 м³.

Стрічковий конвеєр є продуктивнішим механізмом і використовується на доменних печах великого об'єму. Продуктивність конвеєру становить 2000 м³/г.

Засипний апарат[ред.ред. код]

На горішній частині доменної печі встановлюється засипний пристрій. Він слугує для завантаження і розподілення матеріалів у доменній печі. На доменних печах використовуються два типи засипних пристроїв — конусового і безконусового типу.

Засипний апарат конусовго типу[ред.ред. код]

Скіпи скіпового підйомника. Лівий скіп (на фото праворуч) на колошнику — у такому положенні з нього висипається шихта у засипний апарат, правий скіп (на фото ліворуч) знаходиться у скіповій ямі, де він завантажується. (Виведена з експлкатації доменна піч зупиненого заводу у Дуйсбурзі, тепер ландшафтний парк «Дуйсбург-Норд», Німеччина).
Завантажувальний пристрій доменної печі конусового типу. 1 - колошник, 2 - великий конус, 3 - чаша великого конуа, 4 - штанга великого конуса, 5 - газовий закрив, 6 - малий конус, 7 - штанга малого конуса, 8 - лійка малого конуса і обертовий розподільник шихти, 9 - привід ОРШ, 10 - конічні шестерні і штибова передача, 11 - газовідсікаючий клапан, 12 - приймальна лійка, 13 - тяга штанги малого конуса, 14 - підвіски, 15 - скіп, 16 - канат до скіпової лебідки, 17 - балансири, 18 - канати від балансирів до конусової лебідки, 19 - трубопровід получистого газу, 20 - наповнюючий клапан, 21 - наповнюючий трубопровід у міжконусний простір, 22 - спускний клапан, 23 - спускний газопровід, 24 - спускний клапан з проміжної ємкості, 25 - газопровід у проміжну ємкість, 26 - наповнюючий клапан у проміжну ємкість, 27 - газоспускний трубопровід, 28 - колошниковий майданчик, 29 - газовідводи, 30 - термопара вимірювання температури доменного газу, 31 - шихтові матеріали.
Приймальна лійка, штанга малого конуса з захистком й малий конус (конус погано видно) двоконусового завантажувального пристрою, що працює без газовідсічних клапанів. Саме в цей отвір висипаються матеріали зі скіпів і далі потрапляють у піч. Дуйсбург, Німеччина.
На засипних пристроях з газовідічними клапанами встановлюються дві приймальні лійки — окремо для кожного скіпа, штанга малого конуса при цьому проходить між приймальними лійками.
Обертовий розподільник шихти. Дуйсбург, Німеччина.
Великий конус засипного апарата конусового типу у відкритому (опущеному) положенні. Праворуч і ліворуч — ланцюгові зонди у опущеному положенні. Дуйсбург, Німеччина.

Конструкція конусового засипного апарату складається з приймальної лійки, газовідсічних клапанів, розподільника шихти, що складається з обертової лійки і малого конусу, чаши (лійки) великого конусу і великого конуса. Міжконусовий простір герметично зачинено кожухом, що зветься газовим закривом.

Шихтові матеріали, що подаються на колошник скіпами, вивантажуються через приймальні лійки і відкриті газоущільнюючі клапани у обертову лійку малого конуса. При зачиненому газоущільнюючому клапані малий конус опускається і шихтові матеріали з нього зсипаються у лійку великого конуса. Після кількох опускань малого конусу на великому конусі накопичується певна кількість шихтових матеріалів, що зветься подачею. Великий конус опускає шихту у піч при закритому малому конусі.

Однією з основних умов нормальної роботи доменної печі є рівномірне розподілення завантажених матеріалів, що необхідно для рівномірного розподілу газового потоку в печі. Однак, однобічне вивантаження матеріалів з скіпів призводить до утворення у лійці малого конуса однобічного відкосу, що дає нерівномірну за товщиною шару укладку матеріалів. Крім того, при висипанні матеріали сортуються за крупністтю — дрібняк зосереджується на боці висипання, а грубі грудки — на протилежному боці. Така нерівномірність укладки матеріалів зберігається при зсипанні на великий конус і з великого конуса у доменну піч, що є несумісним з рівномірним розподілом газового потоку.

Тому над великим конусом встановлюють обертовий розподільник матеріалів, за допомогою якого по окружності печі створюють рівномірне розподілення матеріалів і таким чином рівномірний опір проходу газів.

Розподільник шихти складається з обертової лійки, малого конуса зі штангою, обертового корпусу, трибово́ї передачі і приводу. На корпусі розподільника закріплено трибови́й вінець, що перебуває у зціпленні з шестернею, що насаджена на вертикальному валу штибової передачі. Вал приводиться в дію від привода через пару конічних шестерень. Між обертовим корпусом і нерухомим опорним кільцем розподільника є сальникове ущільнення, що облаштоване подвійним сальником, що запобігає виходу газу з міжконусного простору засипного апарату у атмосферу.

На доменних печах з середини 20 століття впроваджено роботу з підвищеним тиском у робочому просторі печі. Тому в середині печі на рівні колошника тиск газу перевищує атмосферний тиск на 1-3 атмосфери. Для опускання великого конусу за таких умов необхідно вирівнювти тиск газу під великим конусом (на колошнику) і тиск над великим конусом (у міжконусовму просторі). Для цього у простір над великим конусом по газонаповнюючому газопроводу подається доменний газ. При роботі з газовідсічними клапанами газ подається і у проміжну ємкість над малим конусом. При підійманні скіпа, перед тим, як він перекинеться для висипання матеріалів на малий конус, з простору над малим конусом через спускний газопровід випускається у атмосферу доменний газ, внаслідок чого тиск над газовідсічним клапаном і під ним вирівнюється і таким чином створюються умови для відкривання клапана. Після зсипання матеріалів на малий конус, газовідсічний клапан зачиняється і у простір над малим конусом подається доменний газ для вирівнювання тиску під малим конусом і над ним, після чого малий конус може опускатися і з нього матеріали зсипаються на великий конус. Тиск над великим конусом підтримується рівним тиску під ним постійним подаванням доменного газу у міжконусний простір. Для вирівнювання тиску у різних частинах завантажувалльного пристрою використовується не повтря, а доменний газ або азот для запобігання створенню гримучої суміші в районі високих температур на колошнику й створення умов для вибуху, що може призвести до виходу з ладу обладнання.

Засипний апарат безконусового типу[ред.ред. код]

Безконусові завантажувальні пристрої розроблялися як в Україні і СССР, так і закордоном. У Європі відомим виробником безконусових завантажувальних пристроїв є люксембурзька фірма Paul Wurth. В Україні засипний апарат цієї фірми вперше було встановлено на одній з доменних печей Єнакієвського металургійного заводу 2010 року.

Обладнання фурменної зони[ред.ред. код]

Прилад для подачі дуття у доменну піч. 1 — натяжний пристрій, 2 — шарнірні підвіски, 3 — патрубок зі з'ємною кришкою, 4 — фланці на кулькових заточках рухомого і нерухомого колін, 5 — кільцьовий повітропровід, 6 — штуцер кільцьового повіторпровода (через свою форму називається також грамофоном), 7 — отвір для датчика, що вимірює витрату повітря, 8 — нерухоме коліно, 9 — фланець з отвором для встановлення механізму регулювання витрати повітря, 10 — фланець, приварений до кожуху доменної печі, до якого кріпиться амбразура, 11 — амбразура, 12 — фурмений холодильник, 13 — фурма, 14 — сопло, 15 — рівчачок для закладення азбестового шнура, 16 — рухоме коліно.
Фурменна зона. Кільцьовий повітропровод, що оперізує доменну піч, і фурменні прилади.
Фурмені прилади на фурменій зоні діючої доменної печі. Індія.

У верхній частині горна доменної печі, що має назву фурменна зона, розташовані отвори, через які у піч подається повітря, необхідне для горіння палива. У отвори у вогнетривкому муруванні і кожусі печі вставляються фурмені прилади, що складаються з трьох деталей — амбразури, холодильника й фурми. Деталі фурменних приладів охолоджуються водою, що циркулює по водопроводних трубках, залитих в тіло амбразури, та по порожнинах фурменого холодильника й фурми. Кількість фурм залежить від діаметру горна. На доменних печах об'ємом 1033 м³, з діаметром горну 7,2 м, встановлюють 16 фурм, на доменній печі об'ємом 5000 м³ (найбільша доменна піч в Україні), діаметр горну якої дорівнює 14,7 м, кількість фурм становить 36. На деяких доменних печах за межами України кількість фурм сягає 42. [7] (с. 316, 328) Внутрішній діаметр фурм коливається від 150 до 200 мм.

Дуття підводиться до фурм по кільцьовому повітропроводу, що оточує доменну піч і монтується до колон печі. Прилади для підводу повітря є розбірними, що викликано необхідністтю можливості зміни перегорілих деталей фурменного прибору.

Повітродувні засоби[ред.ред. код]

Повітродувна машина. Зупинений Фольклінгенський металургійний комбінат, Німеччина.

У доменну піч щохвилини безперервно вдувається велика кількість повітря, причому, чим більше вдувається повітря в одиницю часу, тим інтенсивніше проходить доменний процес й, відтак, продуктивніше працює доменна піч. Норма подчі повітря у піч становить 1,8 - 2,2 м³/хвил на 1 м³ корисного об'єму доменної печі. Тобто, в піч з об'ємом 1033 м³ має подаватися до 2200 м³/хвил повітря, у піч корисним об'ємом 2000 м³ подається 3600 - 4400 м³ повітря на хвилину.

В Україні для подачі повітря у доменні печі використовуються турбоповітродувки. Повітродувки дають повітря з тиском від 2,1 атм до 5 атм. В більшості випадків в ролі привода турбоповітродувки використовуються парові турбіни високого тиску. Турбіни встановлюються в окремому цеху і повітря від них до доменної печі йде по повітропроводу.

Повітронагрівачі[ред.ред. код]

Розташування повітронагрівачів біля доменної печі (на фото — ліворуч).
Повітронагрівачі.
Повітронагрівачі доменної печі Краматорського металургійного заводу.

Повітря у доменну піч подається з температурою 900 - 1200 °C і більше. Для нагрівання дуття використовуються повітронагрівачі. На кожну доменну піч будується 3 або 4 повітронагрівачі. Сучасні повітронагрівачі є модифікаціями повітронагрівачів, винайдених 1857 року англійським інженером Едвардом Каупером, тому вони інколи також називаються «кауперами».

Каупер є повітронагрівачем регенеративного типу. Він являє собою металевий циліндр з куполом на горі заввишки близько 41 м. В середині він розділений на дві частини — камеру горіння і насадку, викладену з вогнетривів спеціальної форми, що утворюють канали, по яких можуть проходити повітря і продукти згорання доменного газу. У камері горіння спалюється доменний газ. Продукти горіння по камері горіння підіймаються вгору, проходять купольну частину і потрапляють у насадку і проходять крізь ню у напрямку зверху вниз, після чого потрапляють у кабан і далі у трубу, через яку випускаються у атмосферу. При проходженні гарячих продуктів згорання доменного газу через насадку, він нагріває її. Після нагрівання насадки подача газу у камеру горіння припиняється, через каупер пропускається холодне повітря, яке проходячи насадку нагрівається до великих температур і після цього подається у доменну піч.

Чавунна і шлакова льотки[ред.ред. код]

У нижній частині горна міститься чавунна льотка, через яку випускають продукти плавки — чавун і шлак. Раніше використовувалися спеціальні шлакові льотки, однак за останні кілька десятиліть ввійшло у практику випускати чавун і шлак через одну чавунну льотку з розділенням їх один від одного вже у головному жолобі, який примикає до пічі і у який продукти плавки потрапляють під час випуску з льотки.

Ливарний двір[ред.ред. код]

Ділянка ливарного двору біля чавунної льотки. Ліворуч — гармата, машина для закриття чавунної льотки. У правому верхньому куті — бурова машина для розкриття чавунної льотки. Виведена з експлуатації доменна піч Фольклінгенського металургійного комбінату.
Ливарний дворик доменної печі під час випуску чавуну на доменній печі на заводі у Клабек у Бельгії.
Зливання чавуну у чавуновоз міксерного типу, що встановлюється під ливарним двором під час випуску чавуну. Німеччина.

Безпосередньо до печі примикає ливарний двір, на якому розташовані прилади для розкриття чавунної льотки, для її закривання після випуску чавуну і шлаку, жолоби і канави для транспортування чавуну і шлаку у ковші. Випущені з печі через льотку рідкі продукти плавки потрапляють у головний жолоб, в якому проходить розділення чавуну та шлаку завдяки різниці в густині. Від головного жолобу відходять у різні боки чавунна канава і шлакова канава. По чавунній канаві рідкий чавун зливається у чавуновози, а шлак по шлаковій канаві — у шлаковози або надходить безпосередньо до установки припічної грануляції шлаку. Для подачі чавуновозів і шлаковозів під ливарний двір він встановлюється на колонах, під ним прокладають залізничні рейки.

Для пересування обладнання та матеріалів на ливарному дворі встановлюється мостовий кран.

Сировина і паливо[ред.ред. код]

Матеріали, які завантажують у доменну піч — паливо, рудні матеріали, флюси — називаються шихтою, або шихтовими матеріалами. Всі шихтові матеріали являють собою матеріали у вигляді грудок.

Паливо[ред.ред. код]

Основним паливом доменної печі є кам'яновугільний кокс. Окрім того, що він забеспечує високі температури в печі, вуглець коксу є відновником заліза з руди, а також кокс, будучи твердим паливом, є розпушувачем стовпа шихти у печі, забеспечуючи її високу газопроникність. У нижній частині печі кокс залишається єдиним твердим матеріалом (інші матеріали тут вже розплавлені) і утворює своєрідну решітку, через яку стікають у горно рідкі продукти плавки. Кокс займає приблизно половину об'єму всієї шихти у працюючій доменній печі. Витрата коксу на 1 т чавуну на сучасних доменних печах, залежно від рівня підготовки шихти і технології, становить 200 - 450 кг.

Вартість коксу становить 40 - 50 % собівартості чавуну. Крім того, для виробництва коксу придатні лише певні марки вугілля. Тому вже довгий час ведуться пошуки з заміни частини коксу більш дешевим паливом. Частковими замінниками коксу є природний газ (при великих запасах його в країні), коксовий газ, мазут, пиловугільне паливо (виготовлене з дешевших марок вугілля) тощо. Ці замінники коксу подаються в піч через фурми.

Окрім вуглецю кокс містить певну кількість золи — близько 10 %. Зола являє собою пусту породу коксуємого вугілля, яку не вдалося від нього відокремити при збагачуванні перед коксуванням. Чим меньше золи в коксі, тим він є більш якісним. Основними компонентами золи є SiO2, Al2O3 (разом до 75 %) і Fe2O3 (до 10 - 20 %). Для ошлакування золи коксу в піч додають додатковий флюс.

До початку використання коксу основним паливом домених печей було деревне вугілля. У США у 20 столітті широко використовувався також антрацит.

Рудні матеріали[ред.ред. код]

До 20 століття у доменній плавці використовувалася лише сира залізна руда, яка потрапляла у піч прямо з копален майже без попередньої підготовки. Однак, руди містять велику кількість пустої породи, що призвело до розвитку у 20 столітті збагачення залізних руд — видалення з рудного матеріалу пустої породи. Збагачення супроводжується подрібненням руди і відтак необхідністтю подальшого її грудкування — виробництва агломерату або окатків. У доменні печі завантажують лише окатки або агломерат, сира руда в доменну піч завантажується в окремих випадках у невеликій кількості і її частка у доменній шихті не перевищує кількох відсотків.

Агломерат і окатки містять набагато більше заліза ніж сира руда і набагато меньше пустої породи.

Флюси[ред.ред. код]

Доломітизований вапняк. У вигляді подібних грудок вапняк завантажується у доменну піч.

Флюсами називаються добавки, які вводять у доменну шихту для зниження температури плавління пустої породи шихтових матеріалів. Пуста порода рудної частини і зола коксу складаються з мінералів, основу яких складають як правило кислі оксиди SiO2, Al2O3, які мають великі температури плавління. Тому додаванням до них мінералів з вмістом осно́вних оксидів CaO і MgO, створюють в доменній печі умови для утворення рідкого первинного шлаку вже при температурі 1300 - 1400 °C (за участі оксидів FeO).

У доменному виробництві видом основного флюсу є вапняк, що являє собою мінерал кальцит CaCO3, використовується також доломитизоаваний вапняк, що є мумішшю CaCO3 і доломіту CaCO3•MgCO3.

Задувка доменної печі[ред.ред. код]

Сушка печі[ред.ред. код]

Доменну піч після будівництва піддають сушці, метою якої є видалення вологи зі швів вогнетривкого мурування. Сушка провадиться гарячим повітрям. Повітря від повітродувної машини подається у піч через попередньо нагріті повітронагрівачі. Під час сушки температура подаваємого повітря підвишується поступово, починаючи з приблизно 100 °C і доходячи до 800 °C, зі швидкісттю 10 - 15 град/год бо за швидшого підйому температури спостерігається псування вогнетривкої цегли. Протягом сушки поступово підвищують також витрату повітря. Тривалість сушки становить 5 - 6 діб.

Підготовка до задувки[ред.ред. код]

Після завершення сушки припиняють подачу повітря у піч і футеровка печі охолоджується до температури 50 - 60 °C. Охолодження футерівки перед початком завантаження шихти є необхідною для того щоб уникнути загорання коксу від гарячих стінок печі до закінчення завантаження. Після охолодження печі починається підготовка її до задувки.

Горно доменної печі заповнюють коксом — або через завантажувальний пристрій або транспортером через отвори фурменних приладів. На рівні фурм також кладуть дрова для кращого загорання коксу. Після заповнення горну коксом ведеться завантаження печі через завантажувальний пристрій до рівня колошника спеціальною задувочною шихтою. Аби захистити під печі від температурного удару від розжаренного коксу, ще до завантаження горну коксом на під печі кладуть шар гранульованого шлаку.

Задувочна шихта розраховується на отриманя ливарного чавуну, що містить 2 - 3 % Si2 і шлаку невисокої основності.

Задувка[ред.ред. код]

Після того, як доменна піч завантажена по всій своїй висоті — від поду до колошника — шихтовими матеріалами, в неї через фурми подають нагріте у повітронагрівачах повітря — дуття. Початок подачі у піч гарячого повітря є задувкою доменної печі і початком її роботи. У момент задувки температура дуття становить 700 - 800 °C для швидкого запалення коксу.

Перший шлак появляється через приблизно 15 годин після задувки, перший чавун появляється через 20 - 24 години після задувки. Нормальна продуктивність печі досягається приблизно через кілька діб після задувки.

Процеси[ред.ред. код]

Докладніше: Доменний процес
Див. також: Доменне виробництво

Процеси окислення[ред.ред. код]

Процес горіння коксу проходить у горні доменної печі біля фурм. Через фурми у піч подається атмосферне повітря — дуття, що попередньо нагрівається у повітронагрівачах до 1000 - 1250 °C. До дуття як додаток можуть подаватися водяна пара, природний газ, кисень. У доменну піч, залежно від її об'єму, вдувається від 2000 м³ і більше повітря на хвилину. Кисень повітря з великою швидкісттю спалює вуглець коксу. Відбувається реакція

C +O2 + 3,76N2CO2 + 3,76N2 +400,428 МДж

Вуглекислота СО2, що утвоюється за цією реакцією, при високих температурах, що є у горні, взаємодіє з вуглецем коксу по реакції

\mathrm{\ CO_2 + C \longrightarrow 2 CO}-165,797 МДж

Таким чином, кінцевим продуктом горіння вуглецю коксу у горні є моноокис вуглецю СО. Процеси окислення вуглецю кокса відбуваються біля фурм у невеликих за об'ємом зонах, що називаються зонами горіння, або зонами окислення. Зола коксу розплавляється і переходить у шлак, що стікає у низ горну і накопичується там.

Повітря, що вдувається у доменну піч, має певну природну вологість, тобто містить воду Н2О. Інколи до дуття додають пару, підвищуючи його вологість, інколи, навпаки, перед вдуванням у піч повітря висушують від вологи. При потраплянні у зони великих температур у горну печі, вода розлагається на водень Н2 і кисень О2. Кисень, що потрапив у піч з парами води, бере участь у спаленні коксу і іншого палива до СО, а водень переходить у газ. Якщо у піч разом з дуттям через фурми вдувається якесь інше паливо — природний газ, коксовий газ, мазут або пиловугільне паливо, воно так само згорає біля фурм у кисні дуття. При згоранні всіх видів палива, на відстані приблизно трохи більше 1 м від фурм утворюється газ, що вже не містить вільного кисню і складається з монооксиду вуглецю СО, водню Н2 і азоту N2, що потрапив у піч з повітрям.

Процес опускання шихтових матеріалів і рух газу[ред.ред. код]

Газ, що утворюється у горну доменної печі, підіймається вгору до колошника, проходить крізь стовп шихтових матеріалів і відновлює залізо з оксидів залізної руди. При цьому газ віддає своє тепло шихтовим матеріалам, нагріваючи їх і виходить з печі через колошник з температурою 150 - 400 °C.

За хвилину в доменній печі залежно від інтенсивності процесу і об'єму печі і відтак кількості фурм згорає від 600 кг коксу і більше, тобто понад 1 м³ коксу. Згорання коксу у горну і плавлення матеріалів у нижній частині шахти печі звільняє певний об'єм печі у одиницю часу. У звільнений об'єм під дією власної ваги потрапляють кокс і матеріали з більш високих горизонтів. Так нові порції коксу потрапляють у зони горіння, а матеріали — у нижчі горизонти печі з більшими температурами. Внаслідок цього відбувається поступове опускання всього стовпа шихтових матеріалів і звільнення місця на колошнику для нових порцій шихти.

Процеси відновлення заліза[ред.ред. код]

Верхня частина доменної печі служить для завантаження шихти. В шихті є руда, кокс і шлакотворні матеріали, що сприяють зниженню температури плавлення шлаку і видаленню шкідливих домішок. У домні розплавляють не залізняк, а агломерат (дрібну породу, що зпікається в шматки) або окатиші (грудки сферичної форми, що отримуються з дрібної руди або тонкоподрібненого концентрату).

В печі на різній висоті встановлюється різна температура, завдяки чому протікають різні процеси переходу руди в метал.

У нижній частині печі, де притока повітря достатньо велика, кокс згорає, утворюючи діоксид вуглецю, який, поступаючи вгору вступає в реакцію з коксом і утворює монооксид вуглецю.

Монооксид вуглецю у свою чергу діє на оксиди заліза, віднімаючи у них кисень і відновлюючи до металу:

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

Отримане залізо в присутності кокса насичується вуглецем і виходить сплав, що містить 2 — 4% вуглецю. Такий сплав називається чавуном. Він крихкий. У нього входять невелика частка кремнію і марганцю. В кількості десятих часток відсотка до складу чавуну входять також шкідливі домішки — сірка і фосфор.

Після вигорання коксу чавун розплавляється і стікає в горн — нижню частину доменної печі, а шлаки, що містяться в ньому, піднімаються на поверхню чавуну. Рідкі продукти плавки видаляються через чавунну льотку. безпосередньо до чавунної льотки прилягає головний жолоб в якому проходить розділення чавуну та шлаку завдяки різниці в густині. чавуну через чавунну канаву зливається у чавуновози або міксери, а шлак — у шлаковози або надходить безпосередньо до установки припічної грануляції шлаку.

Продукти доменної печі[ред.ред. код]

  • Чавун — основний продукт доменної печі.
    • Ливарний чавун — застосовується на машинобудівних підприємствах для виготовлення фасонних відливок.
    • Переробний чавун — призначений для переплавлення в сталь в конвертерах чи мартенівських печах.
  • Доменні ферросплави — сплави заліза с кремнієм, марганцем та іншими елементами. Застосовуються для розжарювання і легування сталей.
  • Побічні продукти — шлак і доменний газ. З шлаку виготовляють цемент, шлаковату. Доменний газ застосовують як паливо у повітронагрівачах для підігріву повітря, що подається в доменну піч.

Перспективи доменного виробництва[ред.ред. код]

В найближчому майбутньому виробництво чавуну в доменних печах буде продовжуватися. Справа в тому, що двостадійне виробництво сталі (спочатку виробництво чавуну з залізорудних матеріалів в доменній печі, а потім виробництво сталі з чавуну та лому в конверторах, електропечах або мартенах) в наш час[Коли?] є дешевшим за пряме відновлення заліза з руди. Проблемою є виснаження родовищ вугілля, що коксується. Перспективним є вдування пиловугілного палива, подрібненого пластику, мазуту у фурми доменних печей. Цим зменшуються витрати коксу. Й тим самим знижується собівартість чавуну.

Доменні печі у мистецтві і символіці[ред.ред. код]

Зображення доменних печей можна побачити на гербах де-яких міст і невеличких населенних пунктів чи громад, в яких є або коли-небудь було доменне виробництво.

Галерея зображень[ред.ред. код]

Див. також[ред.ред. код]

Зовнішні посилання[ред.ред. код]

Література[ред.ред. код]

  • В.П.Мовчан, М.М.Бережний. Основи металургії. Дніпропетровськ: Пороги. 2001. 336 с.
  • Товаровский И. Г. Доменная плавка. 2-е издание.- Днепропетровск: «Пороги», 2009.-768 с.

Примітки[ред.ред. код]

  1. Iron production - December 2013 на сайті Worldsteel Association. (англ.)
  2. Доменна піч. // Українська радянська енциклопедія . — 2-е видання. — Т. 3. — Київ, 1978.
  3. Домна. // Етимологічний словник української мови: В 7 т. / АН УРСР. Ін-т мовознавства ім. О. О. Потебні; Редкол. О. С. Мельничук (головний ред.) та ін. — К.: Наук. думка, 1985. Т. 2: Д — Копці / Укл.: Н. С. Родзевич та ін. — 1985. — С. 109.
  4. а б Доменне виробництво. // Українська радянська енциклопедія . — 2-е видання. — Т. 3. — Київ, 1978.
  5. Iron and still. History. / The World Book Encyclopedia.  — Volume 10. — 1994. Page 451.
  6. а б Jack Goody. Metals, Culture and Capitalism: An Essay on the Origins of the Modern World  — New York: Cambridge University Press. — 2012. Page xviii. ISBN 978-1-107-02962-0 ISBN 978-1-107-61447-5
  7. а б в Г. Г. Ефименко, А. А. Гиммельфарб, В. Е. Левченко. Металлургия чугуна. — К.: «Вища школа», 1974. — С. 11 - 12.
  8. Развитие металлургии в Украинской ССР. — Киев, 1980.