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 (переробного чи ливарного) або феросплавів з залізорудної сировини (руди, агломерату, окатків).

Зміст

Вступ[ред.ред. код]

Побічними продуктами доменного процесу є шлак і доменний газ. Паливом доменної печі є кам'яновугільний кокс, в ролі його часткових замінників можуть бути використані природний газ, коксовий газ, мазут, пиловугільне паливо. Для зниження температури плавлення пустої породи шихтових матеріалів і утворення шлаку з потрібними властивостями у шихту доменної печі додають флюси (вапняк або інші).

Виплавлений в доменній печі переробний чавун далі переплавляється у сталеплавильних печах на сталь, тобто є лише проміжним продуктом у двохступеневому процесі отримання кінцевого продукту — сталі. Таким чином, виплавка переробного чавуну на доменній печі є початковим етапом у виробничому ланцюгу металургійного заводу. Ливарний чавун відрізняється від переробного хімічним складом і властивостями і використовується для виготовлення виливків. Феросплави (спеціальні чавуни) використовуються у сталеплавильному виробництві для розкиснювання сталі.

У 2016 році у доменних печах всього світу було виплавлено близько 1,15 млрд т чавуну.[1] Понад 95 % всього виплавлюваного у світі чавуну становить переробний чавун. У доменних печах виплавляються лише деякі види феросплавів і порівняно в дуже невеликій кількості. У 2014 році в доменних печах в усьому світі було виплавлено 496 тис. т феросплавів (0,042 % продукції доменних печей, 0,86 % всіх феросплавів, виплавлених у різних печах).[2] Точних даних щодо кількості доменного ливарного чавуну немає, однак вона становить незначний відсоток від всього доменного чавуну.

На сучасному рівні розвитку чорної металургії (2017 рік) доменна піч є основним агрегатом для отримання заліза (у вигляді чавуну) з залізної руди, хоча постійно ведуться дослідження у напрямку створення інших агрегатів і робляться спроби замінити при відновленні заліза доменний процес іншими процесами — процесами безпосереднього (прямого) одержання заліза. За даними World Steel Association, у 2016 році світове виробництво процесами безпосереднього відновлення, що конкурують з доменним виробництвом, становило 54,026 млн т[1] (у 2014 році — 73,202 млн т[3]) безпосередньо відновленого заліза, тобто їхня частка у виробництві металу є значно меншою, ніж у доменного виробництва. Про значення доменного виробництва говорить також й те, що за 14 років у період між 2000 і 2014 роками світове виробництво чавуну у доменних печах зросло у понад як 2 рази — з 575,87 млн т до 1183,451 млн т відповідно.[4]

У 2004 році кількість доменних печей у світі оцінювалася у 800 одиниць.[5][6]

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. Кампанія доменної печі, тобто тривалість безперервної роботи від пуску («задування») до зупинки («видування»), становить 10 — 15 років, іноді 20 років і більше.[7]

У доменних цехах заводів будується, як правило, кілька доменних печей.

Більшість процесів на доменній печі механізовані і автоматизовані.

Етимологія назви[ред.ред. код]

Назва «доменна піч» або «домна», так само як і назва «дъмьница», «домниця» або «димарка» (невеличка піч, що була попередницею доменної печі), походить від праслов'янського слова «дму», «дути».[8] Таким чином, назва «доменна піч» означає «дутьова піч», тобто така піч, в яку подається дуття — повітря.

Історія[ред.ред. код]

Загальна історія[ред.ред. код]

Типова будова доменної печі до середини 19 століття. Доменна піч у місті Бротон-ін-Фернесс, Англія, працювала до 1867 року на деревному вугіллі.
Штюкофен (домниця) — піч, в якій за Середньовіччя вперше в історії європейської металургії було отримано чавун.

Доменні печі з'явилися у Європі приблизно в середині XIV — початку XV століть.[9][10][11] Їх почали будувати у бельгійській провінції Намюр приблизно 1340 року.[11] 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, штюкофен), 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.[12] 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,[12] найбільші доменні печі кінця 20 століття виплавляли до 12000 т чавуну на добу.[9] Збільшення розмірів печей стало можливим завдяки розвитку повітродувних засобів. Спочатку для подачі 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 матеріалів 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.

Найбільшим виробником чавуну до 17 століття була Велика Британія, у 17 столітті на перше місце вийшла Швеція, з 1740 по 1804 роки перше місце посідала багата лісами (необхідними для виробництва деревного вугілля) Росія, потім — знову Британія. З 1897 року на перше місце вийшли США, з 1970 року — СРСР, причому близько 48 % його чавуну в той час виплавлялося на заводах України.[13][14] Найбільшим виробником чавуну на початку 21 століття є Китай.

У 1979 році у світі налічувалося загалом близько 1000 доменних печей,[15] у 1990 році їх у світі було близько 541,[16] однак, не дивлячись на зменшення їх кількості, у зв'язку з ростом їхньої продуктивності виробництво чавуну у світі при цьому навіть дещо зросло.[16] У 2004 році кількість доменних печей у світі оцінювалася у 800 одиниць.[6][5]

Історія доменного виробництва в Україні[ред.ред. код]

Ангелівська доменна піч — найстаріша в Україні доменна піч з тих, що збереглися. Івано-Франківська область. Побудована 1812 року.
Перша доменна піч Юзівського заводу, Донецьк, Україна, 1872

На території України перші доменні печі з'явилися у 60-х роках XVIII ст. на Закарпатті.[14] До того, у XIV—XVIII століттях, на території України на Поліссі, в Галичині, також на Полтавщині й Харківщині було поширене виробництво заліза у руднях в горнах і невеличких домницях (димарках). Перший на Правобережному Поліссі доменний завод «Висока піч» (Високопічанський) було введено в дію 1773 року. У 1799 році на Луганському чавуноливарному заводі було введено в дію першу доменну піч на сході України.

У 19 і 20 століттях доменне виробництво України по багатьох показниках посідало провідне місце у доменному виробництві царської Росії та СРСР. Тут вперше впроваджувалися багато-які нове обаднання та нові технології виробництва.

У 2-й половині 19 століття в Україні, що має потужну сировинну базу, будувались численні металургійні заводи, переважно за рахунок іноземного капіталу. На кінець 19 століття Україна стала у царській Росії основним виробником продукції чорної металургії загалом і доменного виробництва зокрема. На початку 20 століття доменні печі України були найбільш продуктивними у всій Російській Імперії. У 1913 році на заводах царської Росії працювала 151 доменна піч,[17] з яких на території України працювало 42 доменних печі, які давали 68 % загальноросійського виробництва чавуну (крім України, доменні печі працювали на заводах Польщі, Фінляндії та власне Росії).[18] Україна протягом десятиліть залишалася основним виробником продукції доменного виробництва в СРСР.

З 1991 року, тобто з часу здобуття Україною незалежності, найпродуктивнішим для доменного виробництва країни був 2007 рік, коли було вироблено 35,647 млн т чавуну (данні за період 1991—2016 роки).

План доменного цеху[ред.ред. код]

Схема доменного цеху. 1 — скрубер, 2 — пиловловлювач, 3 — нахилений газопровід, 4 — ливарний двір, 5 — зрівнювальний газопровід, 6 — доменна піч, 7 — колошниковий пристрій, 8 — газовідводи, 9 — скіповий підйомник (нахилений міст), 10 — машинний зал, 11 — скіп, 12 — балансир, 13 — вагон, 14 — коксовий бункер, 15 — скіпова яма, 16 — бункерна естакада, 17 — місце розташування повітронагрівачів, 18 — рудний грейферний перевантажувач, 19 — рудний двір, 20 — чавуновоз, 21 — шлаковоз, 22 — скіпова лебідка, 23 — конусова лебідка, 24 — вагон-ваги, 25 — рудний бункер.

Доменний цех металургійного заводу являє собою комплекс споруд: доменних печей, повітронагрівачів, газоочисників, рудного двору, енергетичного господарства, залізничних шляхів тощо. Сировина і паливо надходять у доменний цех залізничним транспортом або водним транспортом, вивантажуються у бункери бункерної естакади або на рудний двір. Під бункерами бункерної естакади розташовані вагон-ваги, що дозовано вивантажують шихтові матеріали з бункерів, перевозять їх до скіпової ями і вивантажують у скіпи. Скіпами шихтові матеріали по скіповому підйомнику пересуваються до верхньої частини печі — колошник. Над колошником печі розташований колошниковий пристрій, до складу якого входять механізми завантаження шихти, відведення доменного газу, а також допоміжні пристрої і механізми. Через засипний апарат матеріали завантажуються у доменну піч. Через колошник по газовідводах з печі відводиться доменний газ, що утворюється в ній внаслідок хімічних процесів. Газ виносить з печі дрібні часточки щойно завантажених матеріалів, тому він спрямовується у систему газоочищення, де звільняється від пилу.

У доменну піч безперервно подається гаряче повітря, нагріте у розташованих біля печі повітронагрівачах. Дещо нижче рівня повітряних фурм встановлюють ливарний двір, на якому розташовують жолоби для чавуну і шлаку, по яких чавун і шлак після виходу з печі через спеціальне випускний отвір, спрямовуються відповідно у чавуновози і шлаковози.

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-вуглецеві блоки, 5-система охолодження 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 водоохолоджувані 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 металоконструкції 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 являє собою вертикально розташовану споруду, виготовлену зі сталі і вогнетривких матеріалів. Висота власне доменної печі становить від 26 до 35 м, при цьому, висота всіх металоконструкцій доменної печі разом з колошниковим пристроєм і газовідводами може сягати понад 80 м.

Доменна піч споруджується на фундаменті, що призначений для рівномірної передачі тиску печі з завантаженими у неї сирими матеріалами на ґрунт. Він несе великі навантаження. Вага доменної печі об'ємои 5000 м (найбільша в Україні), заповненої шихтою, сягає 440 кН, а з врахуванням можливих динамічних ударів при обваленні завислих матеріалів — до 490 кН.[19] (с. 359) Фундамент поділяється на дві частини — верхню, надґрунтову, що зветься пнем, і нижню, що зветься підошвою. При слабкому ґрунті 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 горна — під.

Доменна піч ззовні поміщається у металевий кожу́х, зроблений зварюванням між собою вальцьованих листів з високоміцної сталі. Товщина кожуха поду і горна 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, горна 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. На печах об'ємом понад 3000 м³ мараторне кільце відсутнє і колошниковий пристрій спирається на шість колон або на шатро будівлі ливарного двору.

Нижня частина колон, на які спирається кожух шахти печі, кріпиться до фундаменту печі. На печах встановлюють чотири опорних колони. Для надання більшої стійкості й кращого доступу до горна колони встановлюють з певним нахилом.

Зсередини доменна піч футерується вогнетривким муруванням. Для футерування доменної печі використовують шамотну, високоглиноземисту і вуглецеву цеглу.

Для зменшення руйнування вогнетривкого мурування між кожухом і муруванням встановлена система охолодження. По периметру до кожуху кріпляться плитові або горизонтальні 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 оточується перехідними майданчиками.

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

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 — діаметр горна, 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.

Основними розмірами профілю доменної печі є повна і корисна висота, висота окремих частин — колошника, шахти, розпару, заплечиків і горна, діаметри горна, 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.

  • 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 спірального кільця кожуха колошника, на якому лежить лійка великого конусу засипного апарату.
  • корисний об'єм — об'єм, заповнений шихтовими матеріалами і продуктами плавки.
  • висота горна — відстань від осі чавунної льотки до нижньої окрайки заплечиків.

Рудний двір[ред.ред. код]

Рудний двір (на передньому плані) і доменні печі (на другому плані) заводу «Азовсталь», Маріуполь.
Рудний двір доменного цеху металургійного заводу у Дюкейні компанії US Steel, США, штат Пенсильванія. Фото після 1968 року.

Біля доменних печей облаштовують рудні двори — склади рудних матеріалів і палива, на яких створюється запас матеріалів, призначений для забезпечення безперебійної подачі сирих матеріалів у доменні печі. В минулому окрім створення запасу, рудний двір використовувався для усереднення матеріалів.

У доменному цеху будується один рудний двір, що обслуговує всі доменні печі цеху. Він розташовується біля доменних печей вздовж їхнього фронту. Розміри і будова рудного двору залежать від кількості матеріалів, які треба зберігати, розташування заводу відносно до джерел сировини і способів доставки матеріалів у доменний цех.

Сирі матеріали постачаються на рудний двір залізничним або водним транспортом. Залізничним транспортом матеріали постачаються у саморозвантажувальних вагонах (напіввагонах, хоперах). Вагони, залежно від будови рудного двору, подаються або на бункерну естакаду рудного двору або до приймальної траншеї рудного двору, які розташовані вздовж нього по всій його довжині. З бункерної естакади вивантаження вагонів відбувається шляхом відкриття затворів і люків вагонів, при цьому матеріали з них висипаються на рудний двір. Розвантаження матеріалів з вагонів у траншею відбувається за допомогою вагоноперекидача. При постачанні матеріалів водним шляхом використовуються судна-рудовози, що розвантажуються спеціальним краном — грейферним розвантажувачем суден.

Рудний двір обслуговується рудними перевантажувачами — грейферними кранами, що своїми прогонами перекривають всю ширину рудного двору і можуть пересуватися по всій його довжині. Ці крани призначені для перевантаження матеріалів всередині бункерної естакади, з рудної траншеї до рудного двору та складання матеріалів у штабелі.

Іноді, за близького розташування копалень, доменні цехи не мають рудних дворів.

Бункерна естакада[ред.ред. код]

Бункерна естакада колишнього Гомстедського металургійного заводу, США.
Бункери й підбункерне приміщення бункерної естакади. Колишній металургійний завод у місті Дортмунд, Німеччина.
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 або на рудний двір. 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 залізобетону, 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 мають спеціальні закриви, що не дозволяють шихтовим матеріалам висипатися з них. З рудних бункерів матеріали вивантажуються у спеціальний вагон, встановлений у підбункерному приміщенні на залізничних рейках — вагон-ваги, що має механізм для відкривання рудних бункерів, спеціальні бункери — кишені — 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.

Скіповий підйомник[ред.ред. код]

Нахилений міст. Доменна піч металургійного заводу The Essar Steel Company у місті Су-Сен-Марі, Канада.
Скіп. Доменна піч компанії Бетлегем стіл корпорейшн, США. Час створення фото не відомий.
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 експлуатації доменна піч зупиненого заводу у Дуйсбурзі, тепер ландшафтний парк «Дуйсбург-Норд», Німеччина).
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 до скіпової ями на завантаження. 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 підйомник[ред.ред. код]

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

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 конусового типу[ред.ред. код]

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 напівчистого 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 газовідсічними 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, чаші (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 величиною — 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 зчепленні 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 вирівнювати тиск газу під великим конусом (на колошнику) і тиск над великим конусом (у міжконусовому 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 завантажувального пристрою використовується не повітря, 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]

Схема завантажувального пристрою безконусового типу. 1 — стрічковий транспортер, 2 — направляючий жолоб, 3 — верхній газовий затвор, 4 — проміжний бункер, 5 — розвантажувальний тракт, 6 — шихтові затвори (а — відкритий, б — закритий), 7 — нижні газові клапани (а — відкритий, б — закритий), 8 — центральна тічка, 9 — обертовий лотік, 10 — вирівнювальний клапан, 11 — спускний клапан, 12 — вирівнювальний газопровід, 13 — колошник.
Нижня частина проміжних бункерів і завантажувальна частина пристрою.

Широкого застосування набули також безконусові завантажувальні пристрої лотікового типу. Безконусовий завантажувальний пристрій спрощує необхідне розподілення шихтових матеріалів на колошнику.[20] Лотік обертається як по окружності, так і переміщається у радіальному напрямку. Визначенням відстані від стін шихту можна зсипати у різні зони по радіусу колошника — ближче до стінок, у проміжну чи осьову зони. Лотіковий засипний пристрій може працювати як зі станціями (фіксованими положеннями лотіка при зсипані однієї подачі шихти), так і у режимі завантаження з одночасним поворотом і нахилом лотіка. У цьому випадку виходить досить рівномірний шар матеріалів по радіусу печі.[21]

При використанні безконусового завантажувального пристрою шихту до нього подають скіпами або стрічковим транспортером через напрямний жолоб і відкритий верхній газовий затвор у два проміжних бункери. У нижній частині проміжних бункерів встановлюються розвантажувальні тракти із шихтовими затворами і нижніми газовими клапанами. Шихтові затвори зберігають нижні газові клапани від зношування матеріалами. Шихтові матеріали утримують матеріали в момент відкривання газоущільнюючих клапанів і контролюють швидкість витікання шихти, що вивантажується і через центральну тічку потрапляє в обертовий лотік. Лотік робить 8 обертів на хвилину, кут нахилу до вертикальної осі може змінюватися від 0° до 50°. Період висипання 80 секунд з урахуванням часу завантаження другого шлюзового тракту.[21]

У Європі відомим виробником безконусових завантажувальних пристроїв є люксембурзька фірма Paul Wurth. В Україні засипний апарат цієї фірми вперше було встановлено у 1980 році на доменній печі № 9 «Криворіжсталі»,[22] а у 2010 році — на доменній печі № 3 Єнакієвського металургійного заводу.[23]

Вогнетривке мурування[ред.ред. код]

Доменна піч вимуровується вогнетривкою цеглою і блоками. В різних частинах печі вогнетривке мурування (футеровка) зазнає різного впливу, тому матеріал цегли і блоків, з якого воно виготовляється, може бути різним для різних частин печі.[12]

Вогнетривке мурування неохолоджуваної частини доменної печі під час його укладки.

Нижня частина поду вимуровується з вуглецевих або графітованих блоків. Переферійна частина поду вимуровується з вуглецевих блоків. Центральна частина поду вимуровується з високоглиноземистої цегли, встановленої на торець. Нижня частина горна вимуровується з вуглицевих блоків, горішня — шамотною цеглою. Заплечики і тонкостінна частина розпару вимуровуються шамотною цеглою. Товстостінна частина розпару і шахта вимуровуютьсявисокоглиноземистих блоків або з щільної шамотної цегли, що містить не менш як 42 % глинозему.[12]

При вимуровуванні футеровки доменної печі шви поміж цеглою зоповнюють розчином, виготовленим з мертелів, що відповідають класу цегли. Для вівідповідальних видів мурування використовують пластифіковані мертелі, тобто мертелі з добавкою невеликої кількості пластифікаторів. Для заповнення швів між вуглицевими вогнетривами використовують вуглецеву пасту.[12]

Система охолодження[ред.ред. код]

Щоб зменшити руйнування вогнетривкого мурування доменної печі, між кожухом і муруванням встановлюється система охолодження. Вона складається з плитових або горизонтальних холодильників, що встановлюються між муруванням печі й кожухом, по яких циркулює вода (або пара). Окрім стінок печі охолоджуються також всі елементи фурменних приладів.[12] (с. 318) Система охолодження доменної печі має працювати безперебійно, адже навіть короткочасна затримка подачі води призводить до прогару холодильників, а інколий до тяжчих наслідків. Припинення роботи системи охолодження може стати причиною аварії на доменній печі, спричиненої, зокрема, контактом розплавленого гарячого металу з водою.[24]

Окрім охолодження самої печі, вода використовується також для охолодження шиберів гарячого дуття повітронагрівачів, встановлюваних між повітронагрівачами й трубою гарячого дуття, по якій повітря від повітронагрівачів потрапляє у доменну піч.

Незважаючи на втрати тепла при охолодженні, тепловий ККД печі є відносно великим, він становить 70 %. [Джерело?]

Елементи системи охолодження[ред.ред. код]

Горизонтальні холодильники (верхня частина фото) шахти печі. Вигляд зсередини печі (футерування відсутнє).
Плитові холдильники (верхня частина фото). Вигляд зсередини печі (футерування відсутнє).

У системі охолодження доменної печі використовують або вертикальні, або горизонтальні холодильники.[19]

Вертикальний плитовий холодильник являє собою металеву плиту, відлиту з чавуну, завтовшки близько 160 мм, з залитим в неї зміяком зі сталевих безшовних труб, по якому циркулює вода (або пара). Такі холодильники встановлюються по периметру печі кількома рядами (по висоті) від поду до шахти печі. Вони кріпляться до кожуха печі болтами. Між вогнетривким муруванням і плитовими холодильниками залишається прозір 100—150 мм, що заповнюється вуглицевою масою. Холодильники, призначені для різних ділянок печі, відрізняються формою і деякими конструктивними особливостями, однак принцип їхньої дії однаковий.[12] (с. 318—323) При використанні вертикальних холодильників площа охолодження становить 2 м²/м³ мурування.[19]

При використанні горизонтальної системи охолодження, холодильники всановлюються горизонтально у масиві мурування шахти, розпару, заплечиків і фурменної зони. Охолодження низу горна (металоприймача) і бокової поверхні поду здійснюється тільки вертикальними холодильниками. Переваги горизонтальної системи полягають у більшій поверхні охолодження, що сягає 3 м²/м³ мурування, можливості зміни холодильників без зупинки печі на довгий ремонт, кращому збереженні проектного профілю і співвідношення його розмірів. Недоліками горизонтальної системи охолодження є погана герметичність кожуха, послаблення його вирізами для холодильників, відносна легкість прогару холодильників при оголенні їх по мірі зношення мурування або оповзання гарнисажу.[19]

Водяне охолодження[ред.ред. код]

Системи охолодження технічною водою потребують великої її витрати — приблизно 1,5 — 1,6 м³/год на 1 м³ корисного об'єму печі. Наприклад, для печі об'ємом 2700 м³ витрата води становить 3320 м³/год, а з урахуванням всіх допоміжних об'єктів печі до 4600 м³/год при водогоні середнього тиску 7,5 атм.[19] Відведення тепла становить 42 КДж/кг води.[19] Вода для охолодження холодильників печі поступає зі спеціальних водних резервуарів (бризкальний басейн тощо). На насосних станціях поряд з працюючими обов'язково передбачені резервні насоси. Для очищення вода пропускається через фільтри, потім вона потрапляє у кільцьові водопроводні труби, що оточують доменну піч, звідки розподіляється по ділянкам печі. Найбільш відповідальні холодильники, прогар яких найнебезпечніший, живляться від індивідуального водопровода. Інші холодильники об'єднуються у секції і вода перетікає послідовно з одного холодильника у інший.[25]

Випарне охолодження[ред.ред. код]

Трубні розводки системи випарного охолодження доменної печі. Німеччина.

З кінця 1950-х років на багатьох доменних печах замість водяного використовується випарне охолодження. Сутність його полягає в тому, що для поглинання тепла від мурування печі використовується прихована теплота пароутворення. Вода, що поступає у холодильники шахти печі, нагрівається до температури кіпіння й всередині холодильників відбувається випарювання води.[12] (с. 324—325) Аби уникнути утворення накипу всередині трубок холодильників, що різко знижує їхню теплопроводність, у системі випарного охолодження використовується хімічно очищена вода.[12] (с. 324—325) Шар накипу завтовшки лише 1 мм підвищує температуру робочого боку холодильника на 80-100 °C і різко погіршує його охолоджуючу здатність.[19]

Циркуляція води відбувається природним шляхом, часто без застосування насосів. Для циркуляції води і пароводяної суміші система устаткована баками-сепараторами, встановленими у верхній частині печі, що поєднані з холодильниками двома трубами. По одній з них вода потрапляє у нижні холодильники з бака-сепаратора, по іншій — утворювана у холодильниках пароводяна суміш потрапляє у баки-сепаратори, з яких пара йде по паропроводах до споживачів, а вода знову у холодильники. Випарне має низку переваг порівняно з водяним охолодженням. Випарне охолодження значно зменшує кількість необхідної для охолодження води, відпадає потеба у спорудженні водоводів великих діаметрів, великих насосних станцій, гідротехнічних споруд, а також зменшуються енергітичні витрати.[12] (с. 324—325) Крім того, використовується пара для опалення приміщень.

У систему подається вода при темперратурі 30 °C і вище. Внаслідок нагрівання й випаровування води від елементів, що охолоджуються, відводиться понад 600 ккал (2520 кДж на 1 кг води), з яких 70 ккал витрачається на нагрівання води до 100 °C (до кипіння), а 539 ккал — на випарювання води (539 ккал — прихована теплота пароутворення води при атмосферному тиску).[25] Постійна витрата технічної води при випарному охолодженні становить 60 — 70 % від витрати при водяному охолодженні. Для печей корисним об'ємом 2700 — 3200 м³ витрата води становить приблизно 1200 м³/год (дані 1989 року).[19]

Обладнання фурменної зони[ред.ред. код]

У верхній частині горна доменної печі, що називається фурменною зоною, у вогнетривкому муруванні і кожусі печі розташовані отвори, через які у піч подається повітря, необхідне для горіння палива. У ці отвори вставляються фурмені прилади, що складаються з трьох деталей — амбразури, холодильника й фурми. Деталі фурменних приладів охолоджуються водою, що циркулює по водопровідних трубках, залитих в тіло амбразури, та по порожнинах фурменого холодильника й фурми. Кількість фурм залежить від діаметра горна. На доменних печах об'ємом 1033 м³, з діаметром горна 7,2 м, встановлюють 16 фурм, на доменній печі об'ємом 5000 м³ (найбільша доменна піч в Україні), діаметр горна якої дорівнює 14,7 м, кількість фурм становить 36. На деяких доменних печах за межами України кількість фурм сягає 42.[12] (с. 316, 328) Внутрішній діаметр фурм коливається від 140 до 200 мм.

Нагріте у повітронагрівачі дуття потрапляє з нього у повітропровод гарячого дуття, через який потрапляє у кільцьовий повітропровод, що оточує (оперізує) доменну піч в районі заплечиків і монтується до колон печі. Від кільцьового повітропровода дуття підводиться до фурм за задопомоги приладів для підводу повітря, що ще називаються фурменними рукавами (інколи їх називають фурменними приладами). Вони робляться з вількох складових частин і є розбірними, що викликано необхідністю можливості зміни перегорілих деталей фурменного прибору. У торці коліна фурменного приладу конструктивно передбачено невеличкий отвір, перекритий склом, через який можна зазирнути всередину працюючої доменної печі для візуального контролю роботи печі.

Різновиди приладів для подачі дуття.
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.
Кільцьовий повітропровод, що оперізує доменну піч, і фурменні прилади. Німеччина.
Фурменний рукав сильфонний. 1 — фурменний холодильник, 2 — фурма, 3 — утримувач фурменного холодильника, 4 — сопло, 5 — перехідник, 6 — коліно, 7 — циліндричний повітропровод, 8 — стінка доменної печі, 9 — кільцовий повітропровод.
Кільцьовий повітропровод, що оперізує доменну піч, і фурменні прилади.
Фурмені прилади сильфонного типу з одним сильфонним компенсатором. Індія.
Фурмені прилади сильфонного типу з сильфонним компенсатором. Індія.
Сильфонні фурмені рукава карданного типу.
Сильфонні фурмені рукава карданного типу (через спеціальний отвір людина зазирає всередину печі). Австралія.

Існує кілька широко вживаних різновидів приладів для подачі дуття (фурменних рукавів). Особливістю конструкції приладів сильфонного типу є абсолютна герметизація стиків на фурменому рукаві, безшумність і об'єднання в один комплект сопла і коліна. Прилад являє собою роз'ємний фурмені рукав, жорстко закріплений в робочому стані з патрубком повітропровода гарячого дуття і соплом. Сопло при зміні фурми знімають разом з нижньою частиною фурменного рукава за допомоги спеціального пристрою. Герметичність приладу забезпечується сильфонними пристроями, що знаходяться в місцях стику роз'ємної частини фурменного рукава і в з'єднанні його з патрубком повітропровода гарячого дуття. Фурменний прилад сильфонного типу чітко реагує на переміщення кільцьової труби щодо доменної печі і на переміщення кожуха під час їхнього нагрівання. Тому застосування фурменних приладів сильфонного типу не вимагає підбору сопел різноманітних довжин. Сопло футероване і охолоджується водою в місці з'єднання з фурмою.[26] Сильфонні рукави бувають з одним сильфонним компенсатором та з компенсатором карданного типу. Забеспечує кращу герметичність і прискорення операцій по зміні фурменного пристрою.

Фурменні прибори сильфонні широко застосовуються на закордонних доменних печах з 2-ї половини 20 століття. У СРСР подібний дослідний прилад, розрахований на роботу фурм з діаметром 140, 150, 160 мм і максимальну температуру гарячого повітря 1400 °C, було спроектовано Діпромезом, однак на доменних печах СРСР він не мав широкого застосування.[26] В Україні машинобудівні заводи виготовляють пристрої для підведення дуття обох типів.

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 печі 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.

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 забезпечує високі температури в печі, вуглець коксу є відновником заліза з руди, а також кокс, будучи твердим паливом, є розпушувачем стовпа шихти у печі, забезпечуючи 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 коксованого вугілля, яку не вдалося від нього відокремити при збагачуванні перед коксуванням. Чим менше 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 копалень 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 необхідністю 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 менше 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 плавлення 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 плавлення. 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 сумішшю CaCO3 і доломіту CaCO3•MgCO3.

Робота доменної печі[ред.ред. код]

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 подаваного повітря підвищується поступово, починаючи з приблизно 100 °C і доходячи до 800 °C, зі швидкістю 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 загоряння 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 горна коксом ведеться завантаження печі через завантажувальний пристрій до рівня колошника спеціальною задувочною шихтою. Аби захистити під печі від температурного удару від розжареного коксу, ще до завантаження горна коксом на під печі кладуть шар гранульованого шлаку.

Задувочна шихта розраховується на отримання 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 швидкістю спалює вуглець коксу. Відбувається реакція

МДж

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

МДж

Таким чином, кінцевим продуктом горіння вуглецю коксу у горні є моноокис вуглецю СО. Процеси окислення вуглецю коксу 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 горна 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 розкладається 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 спікається в шматки) або окатки (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:

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.

Зупинки доменної печі[ред.ред. код]

Колошник і верхня частина шахти доменної печі, зупиненої з запалюванням доменного газу на колошнику.

Доменний процес — безперервний, однак протягом кампанії доменна піч може бути зупинена на планово-запобіжний ремонт, а також для зміни фурми, для ремонту якої-небудь ділянки печі або її обладнання, який не може бути проведений на ходу. Зупинка доменної печі полягає у припиненні подачі дуття в піч і припиненні завантажування печі. При цьому доменну піч відокремлюють від повітропроводів і газової системи заводу закриттям відповідних клапанів і заглушок. Перед зупинкою печі завжди роблять випуск чавуну, що щоб при осіданні стовпа шихти, що відбувається за відсутності дуття, не відбулося видавлювання рідких продуктів плавки і залиття ними фурм.[12]

Зупинки доменної печі бувають короткочасні без запалювання газу на колошнику й довгі з запалюванням газу на колошнику.

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 деяких міст і невеличких населених пунктів чи громад, в яких є або коли-небудь було доменне виробництво.

Галерея зображень[ред.ред. код]

Див. також[ред.ред. код]

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. а б Monthly iron production. https://www.worldsteel.org. World Steel Association. 25 Jan 2017. Процитовано лютий 2017.  (англ.)
  2. George M. Bedinger, Lisa A. Corathers, Peter H. Kuck, John F. Papp, Désirée E. Polyak, Emily K. Schnebele, Kim B. Shedd, and Christopher Tuck (October 2016). Ferroalloys. 2014 Minerals Yearbook. Ferroalloys [advance release]. U.S. Department of the Interior, U.S. Geological Survey. 25.10–25.14. Table 8. Процитовано лютий 2017.  (англ.)
  3. Direct reduced iron production, 1980-2014. Сайт http://www.worldsteel.org. World Steel Association. 2015. Процитовано лютий 2017.  (англ.)
  4. Blast furnace iron production, 1980-2014. Сайт асоціації World Steel Association. 2015. Процитовано лютий 2017.  (англ.)
  5. а б Kosuke Seki, Kenichi Tanaka. Changes in Paradigm-Development of Iron & Steel Industry by Applying Coal Based Dr Processes: Fastmelt® & ITmk3® // SEAISI quarterly. — 2008. — Vol. 37, no. 4. — P. 40-47. — ISSN 0129-5721. (англ.)
  6. а б Nippon Steel Monthly. — 2nd January 2004. — Vol. 8, no. 1-2. — P. 12. (англ.)
  7. Доменна піч. // Українська радянська енциклопедія . — 2-е видання. — Т. 3. — Київ, 1978.
  8. 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.
  9. а б Доменне виробництво. // Українська радянська енциклопедія . — 2-е видання. — Т. 3. — Київ, 1978.
  10. Iron and still. History. / The World Book Encyclopedia. — Volume 10. — 1994. Page 451.
  11. 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
  12. а б в г д е ж и к л м н Г. Г. Ефименко, А. А. Гиммельфарб, В. Е. Левченко. Металлургия чугуна. — К.: «Вища школа», 1974. — С. 11 — 12.
  13. Доменное производство: Справочное издание. В 2-х т. Т. 1. Подготовка руд и доменный процесс / Под ред. Вегмана Е. Ф. — М.: Металлургия, 1989. 496 с. — С. 18. (рос.)
  14. а б Развитие металлургии в Украинской ССР. — Киев, 1980.
  15. J. G. Peacey, W. G. Davenport. The Iron Blast Furnace: Theory and Practice. — Pergamon press, 1979. P. 1. ISBN 0-08-023218(англ.)
  16. а б Amit Chatterjee. Beyond the Blast Furnace. — CRC Press, Inc., 1993. P. 1. ISBN 0-8493-6676-3 (англ.)
  17. М. М. Середенко. Чорна металургія України. 1917—1957. — К., 1957. — С. 36.
  18. Чорна металургія. // Енциклопедія народного господарства Української РСР. — Т. 4. — Київ, 1972.
  19. а б в г д е ж и Металлургия чугуна. Вегман Е. Ф. и др. — 2-е издание. — М.: Металлургия. — 1989. — С. 395—401. ISBN 5-229-00227-1 (рос.)
  20. Maarten Geerdes, Hisko Toxopeus, Cor van der Vliet. Modern Blast Furnace Ironmaking: An Introduction. — Amsterdam: IOS Press, 2009. P. 9. ISBN 978-1-60750-040-7 (англ.)
  21. а б Металургія (проблеми, теорія, технологія, якість). Підручник. — Донецьк: ПДТУ, 2004. С. 185—186. ISBN 966-8085-30-2
  22. Воспоминания о выдающемся металлурге и руководителе Викторе Дмитриевиче Гладуше / В. И. Большаков // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2010. — Вип. 22. — С. 350. (рос.)
  23. Метінвест запустив в Єнакієві найсучаснішу доменну піч. Сайт https://emz.metinvestholding.com/ua. ПАТ «Єнакієвський металургійний завод». 6 Грудень 2011. Процитовано лютий 2017. 
  24. The explosion of No. 5 Blast Furnace, Corus UK Ltd, Port Talbot. 8 November 2001. Сайт http://www.hse.gov.uk. Health and Safety Executive. September 2008. с. 31. Процитовано лютий 2017.  (англ.)
  25. а б Бурдаков Д. Д. и др. Общая металлургия. — М.: Металлургия. — 1972. С. 120—121. (рос.)
  26. а б Металлургия чугуна. Вегман Е. Ф. и др. — М.: Металлургия, 1989. С. 383—384. ISBN 5-229-00227-1 (рос.)