Доменная печь: что это такое и каково ее устройство

Доменная печь после многочисленных преобразований и модернизаций на современном этапе представляет собой конструкцию для получения чугуна как основного ингредиента сталелитейной промышленности.

Устройство доменной печи позволяет вести непрерывную плавку до капитального ремонта, который проводится с периодичностью один раз в 3-12 лет. Остановка процесса приводит к образованию сплошной массы из-за спекания компонентов (закозления). Для ее извлечения необходима частичная разборка агрегата.

Рабочий объем современной доменной печи достигает 5500 м3 при высоте 40 м. Она способна выдать около 6000 т чугуна за одну плавку. А специальное оборудование, обслуживающее системы, расположенные вокруг, занимает несколько десятков гектар земли.

Доменная печь используется для производства литейного чугуна, который в дальнейшем проходит плавку для получения различных марок чугунов или отправляется на восстановление для получения конструкционных сталей.

Большая потребность в металле совпала по времени с этапом электрификации и механизации производства. В связи с этим успехи черной металлургии связаны с началом использования электроприводов, электрических систем автоматического управления на всех этапах производственного процесса.

Устройство доменной печи

На заре черной металлургии плавку болотной руды проводили в домнице – это мини домна, воздух в которую поступал от мехов. А обогащение железа углеродом происходило от древесного угля. Объемы выплавляемого металла таким способом были невелики и отличались периодичностью.

Конструкция доменной печи

Строение доменной печи напоминает шахту. Ее диаметр в три раза меньше высоты. Монтаж высотной конструкции осуществляется на бетонном фундаменте толщиной 4 м. Необходимость в таком массивном фундаменте возникает из-за массы домны, которая более 30 000 т.

На фундаментной плите закрепляются колонны и цельный (монолитный) цилиндр, которые изготавливаются и термостойкого бетона. Внутреннее пространство конструкции обложено огнеупорными материалами, а верхняя часть шамотом. В районе заплечников, где температура достигает 2000°С — графитированными материалами, а под ванной с чугуном — футеровка из глинозема. Также на фундаменте монтируется печной горн.

Нижняя часть доменной печи, где температура максимальна, оборудуется холодильниками с водяным охлаждением.Для удержания собранной огнеупорной конструкции, с внешней стороны доменная печь заключена в металлическую рубашку толщиной 40 мм.

Процесс восстановления железа происходит из руды в среде известнякового флюса при высокой температуре. Температура плавления достигается горением кокса. Для поддержания горения необходим воздух, поэтому в домне установлены 4 — 36 фурм или леток.

Большой внутренний объем нуждается в больших объемах воздуха, которые подают турбинные нагнетатели. Чтобы не снижать температурный, режим воздух перед подачей подогревается.

Схематически доменная печь выглядит следующим образом.

Схема расположения оборудования для доменного производства

Состав конструкции производства литья:

1. шихта (руда и известняк);
2. коксовый уголь;
3. загрузочный подъемник;
4. колошник, предотвращающий попадание газов из домны в атмосферу;
5. слой загруженного кокса;
6. шихтовый слой;
7. воздушные нагнетатели;
8. отводимый шлак;
9. литьевой чугун;
10. емкость для приема шлака;
11. приемный ковш для расплава;
12. установка типа Циклон, очищающая от пыли доменный газ;
13. кауперы, регенераторы газов;
14. дымоотводящая труба;
15. воздухоподвод в кауперы;
16. угольный порошок;
17. печь для спекания кокса;
18. емкость для хранения кокса;
19. отведение колошникового газа высокой температуры.

Доменная печь обслуживается вспомогательными системами.

Колошник – это затвор домны. От его исправной работы зависит экологическая обстановка вокруг производства.

1. воронка приемная;
2. воронка маленького конуса, вращающаяся;
3. конус маленький;
4. межконусное пространство;
5. конус большой;
6. скип.

Принцип работы колошника следующий:

• Большой конус опущен, а малый поднят. Окошки во вращающейся воронке перекрыты.
• Скип осуществляет загрузку шихты.
• Поворачиваясь, воронка открывает окна, и шихта осыпается на малый конус 3. затем возвращается на место.
• Конус поднимается, тем самым препятствует выходу доменных газов.
• Конус опускается для передачи шихты в межконусное пространство, затем поднимается на исходную позицию.
• Конус опускается, а вместе с ним шихта загружается в доменную шахту.

Такая дозированная подача обеспечивает послойное распределение материалов.

Скип – черпак, при помощи которого осуществляется загрузка. Она выполняются по конвейерной технологии. Воздушные нагнетатели – летки и фурмы осуществляют подачу воздуха в доменную шахту под давлением 2-2,5 МПа.

Фурма и чугунная летка

Кауперы служат для нагревания подаваемого воздуха. В регенераторах он подогревается доменными газами, снижая тем самым энергетическую нагрузку на агрегат. Воздух нагревается до 1200°С и подается в шахту. При снижении температуры до 850°С подача прекращается, возобновляется цикл нагрева. Для бесперебойной подачи горячего воздуха устанавливается несколько регенераторов.

Принцип работы домны

Для получения чугуна необходимы следующие ингредиенты: шихта (руда, флюс, кокс), высокая температура, постоянная подача воздуха для обеспечения непрерывного горения.

Термохимические реакции

Восстановление железа из окислов путем ступенчатой химической реакции:

Получение необходимого количества углекислого и угарного газа обеспечивает горение кокса:

Для отделения железа от примесей используется известняковый флюс. Химические реакции, образующие шлак:

Принцип работы доменной печи таков. После загрузки доменную печь начинают разжигать газом. По мере повышения температуры подключается каупер и начинается продувка воздухом. Кокс – топливо для доменной печи – начинает интенсивнее гореть, и температура в шахте значительно увеличивается. При разложении флюса образуется большое количество углекислого газа. Угарный газ в химических реакциях выступает восстановителем.

Схема производства чугуна

После сгорания кокса и разложения флюса столб шихты опускается, сверху добавляется очередная порция. Снизу в самой широкой части шахты происходит полное восстановление железа при температурах 1850°С — 2000°С. Затем оно стекает в горн. Здесь происходит обогащение железа углеродом.

Температура в доменной печи изменяется в сторону увеличения по мере опускания шихты. Процесс восстановления протекает при 280 °С, а плавка происходит после 1500 °С.

Разлив расплава происходит в два этапа. На первом через летки сливается шлак. На втором через чугунные летки сливается чугун. Больше 80% выплавляемого чугуна идет на производство стали. Из остального чугуна отливают в опоках болванки.

Работает доменная печь непрерывно. От загрузки шихты до получения сплава проходит 3-20 дней — все зависит от объема печи.

Обслуживание и ремонт доменной печи

Любому оборудованию, работающему в круглосуточном режиме, требуется постоянное обслуживание. Регламенты закладываются в технический паспорт оборудования. Несоблюдение графика технического обслуживания влечет за собой сокращение срока эксплуатации.

Работы по техническому обслуживанию доменных печей делятся на периодические и капитальные ремонты. Периодические работы проводятся без остановки рабочего процесса.

Капитальный же ремонт по объему выполняемых работ делится на три разряда. Во время первого разряда производится осмотр всего оборудования, при этом из шахты извлекаются расплавы. Во время второго разряда производится ремонт футеровки, замена вышедших из строя элементов оборудования. При третьем разряде производится полная замена агрегата. Обычно такой ремонт совмещают с модернизацией или реконструкцией домны.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Доменная печь: устройство и принцип работы

В этой статье расскажу о самом главном элементе современного производства ферросплавов и чугуна, о доменной печи. Она является основным оборудование доменного цеха, поэтому думаю каждому интересно узнать о составляющих доменной печи и принципе действия.

В качестве сырья используется железная руда, а основным продуктом доменного производства является чугун, который нашел свое применение в различных сфера деятельности: автомобильное производства, изготовление сантехники, чугунной посуды и др.

Понятие доменной печи и плавки

Современная цивилизация неразрывно связана с развитием техники производства, невозможной без совершенствования орудий труда и материалов, используемых для их изготовления.

Среди всех материалов природного происхождения или созданных человеком, самое значимое место занимают черные металлы – сплав железа и углерода с присутствием других элементов.

Сплавы, в составе которых часть углерода составляет 2 – 5%, относятся к чугунам, при наличии углерода менее 2% сплав относится к сталям. Для плавки металлов используется специальная технология доменного производства.

Основными материалами, необходимыми в процессе такого производства, являются:

• топливо, в виде получаемого из каменного угля кокса;
• железная руда, являющаяся непосредственным сырьем для производства;
• флюс – специальные добавки из известняка, песка, а также других материалов.

Основное оборудование доменного цеха — доменная печь — это круглая шахтная печь, футерованная огнеупорной кладкой.

Для защиты кожуха печи от разгара используют холодильные устройства. Кожух печи и колошниковое устройство установлены на фундаменте и удерживаются колоннами.

Исходный материал для плавки называется шихтой и состоит из железной руды, марганцевой руды, агломерата, окатышей. Шихта на колошник печи подается скипами или ленточным конвейером. Через приемную воронку скипы разгружаются в печь. Воздух подается через воздухонагреватели, продукт плавки выходит через летки в ковши, находящиеся в нижней части.

Современные доменные печи оснащены системой централизованного управления и контроля, обеспечивающей регистрацию показателей приборов и комплексных показателей работы доменной печи — расхода кокса на 1 т чугуна и суточной производительности доменной печи в тоннах.

Применяется дополнительное топливо, что снижает расход кокса и себестоимость чугуна. Усовершенствование конструкции доменной печи направлено на увеличение ее мощности (объема), улучшение подготовки сырья, внедрение новых прогрессивных, высокопроизводительных технологий.

Чугун выплавляют в доменных печах, представляющих собой шахтную печь. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, газообразными (СO, Н2) и твердым (С) восстановителями, образующимися при сгорании топлива в печи.

Процесс доменной плавки является непрерывным. Сверху в печь загружают исходные материалы (агломерат, окатыши, кокс), а в нижнюю часть подают нагретый воздух и газообразное, жидкое или пылевидное топливо.

Газы, полученные от сжигания топлива, проходят через столб шихты и отдают ей свою тепловую энергию. Опускающаяся шихта нагревается, восстанавливается, а затем плавится.

Большая часть кокса сгорает в нижней половине печи, являясь источником тепла, а часть кокса расходуется на восстановление и науглероживание железа.

Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество материалов. Современная доменная печь расходует около 20000 тонн шихты в сутки и выдает ежесуточно около 12000 тонн чугуна.

Составляющие доменной печи

Доменная печь представляет собой непрерывно работающий агрегат, состоящий из следующих зон:

• Горячее дутьё.
• Зона плавления (заплечики и горн).
• Зона восстановления FeO (распар).
• Зона восстановления Fe2O3 (шахта).
• Зона предварительного нагрева (колошник).
• Загрузка железорудных материалов, известняка и кокса.
• Доменный газ.
• Столб железорудных материалов, известняка и кокса.
• Выпуск шлака.
• Выпуск жидкого чугуна.
• Сбор отходящих газов.

Внутреннее очертание вертикального разреза доменной печи называют профилем печи.

Рабочее пространство печи включает:

Верхняя (узкая) часть печи называется колошником. Колошник имеет засыпной аппарат для загрузки шихты (руды, топлива, флюсов) и газоотводные трубы, по которым из доменной печи отводятся газы, называемые доменными или колошниковыми. Часть печи между колошником и распаром называется шахтой.

Часть печи, обращенная усеченным конусом вверх и поддерживающая шихту в распаре вместе с шихтой и колошником, носит название заплечиков. В этой части печи происходит довольно резкое сокращение объема загружаемых материалов в результате выгорания кокса и образования жидких продуктов плавки.

На долю шахты приходится большая часть общей высоты и объема печи. Профиль шахты, представляющий собой усеченный конус, расширяющийся к низу, обеспечивает равномерное опускание и разрыхление шихтовых материалов.

Значительная высота шахты позволяет осуществлять тепловую и химическую обработку материалов поднимающимися горячими газами.

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

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

Нижняя часть печи, имеющая форму цилиндра, в которой скапливаются продукты плавки — жидкий чугун и шлак, — называется горном. В горне имеются радиально расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга отверстия (10—16, в зависимости от размера домны).

В эти отверстия вставлены из красной меди, бронзы или алюминия трубы с двойными стенками. Эти отверстия носят название фурмы.

Через фурмы вдувается вентилятором или воздуходувными машинами нагретый в воздухонагревателях (кауперах) горячий воздух. Фурмы охлаждаются водой, циркулирующей в пространстве между стенками труб.

Дополнительные элементы доменной печи

В процессе работы требуются вспомогательные устройства и механизмы, обеспечивающие качественную плавку чугуна. Необходимыми являются устройства для подъема и загрузки исходного сырья в печь.

Доменная печь требует постоянного обслуживания, особенно при выпуске шлака и чугуна. Для этого приспособлены литейные дворы, которые оборудованы мостовыми кранами.

Нагрев воздуха для работы печи, высокая температура плавки при меньшем количестве воздуха обеспечивают воздухонагреватели. К примеру, в печь, имеющую полезный объем 2000 м³, такое оборудование должно подавать в минуту 3800 м³ воздуха, температура которого составляет 1200 градусов.

Пар, образующийся за счет поступления воздуха в воздухонагреватель, должен быть постоянно влажным. Значение этого показателя регулируется при помощи автоматической системы.

Сжатый воздух, который необходим для сжигания топлива, поступает в печь благодаря воздуходувным машинам. Его давление на колошнике у современных печей достигает 25 МПа. Очистка колошникового газа происходит посредством газоочистителя.

Назначение доменной печи и принцип работы

Эта работа требует не только необходимости использования спецоборудования, но и тщательного следования определенных технологиям.

Выплавка производится в доменной печи из пустых пород и рудного вещества.

В роли рудного вещества может выступать красный, бурый, шпатовый, магнитный железняк или марганцевые руды.

В результате этого процесса железо обретает твердость. Далее его опускают в распар, который способствует растворению углерода в железе. Таким образом, происходит образование чугуна. Именно в горячей части печи начинает плавиться сам чугун, медленно стекая в нижнюю часть.

Принцип работы доменной печи зависит от вида этого громоздкого приспособления.

Первые работают на коксе, вторые, соответственно – на древесном угле.

Шахтная печь рассчитана на непрерывный принцип действия. Форма данного оборудования представляет собой два конуса, сложенных широкими сторонами основаниями. Между этими конусами расположена часть печи, обладающая цилиндрической формой – распар.

Принцип работы доменной печи выражается в несколько физико-химических операциях. Наличие этих операций определяется температурной областью самой печи и загруженностью материала.

В целом, можно выделить такие процессы:

• процесс разложения известняка, в результате которого образуется угольный ангидрид и окись кальция;
• восстановление железа и прочих элементов;
• науглероживание железа;
• металлоплавление;
• возникновение и плавление шлака;
• сгорание топлива и прочие.

Воздухонагреватель доменной печи — аппарат, в котором происходит предварительный нагрев воздуха. Затем этот воздух подается в печь.

Раннее оборудование для выплавки чугуна не имело такого элемента, как воздухонагреватель. Разработка устройства позволила намного уменьшить затраты топлива.

Выделяют такие операции:

• сгорание топлива;
• восстановление железа;
• разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид;
• насыщение железа углеродом;
• плавка металла;
• плавление шлака и др.

В самом общем смысле доменная плавка – это производство чугуна из железорудного сырья.

Главные материалы, с помощью которых возможна выплавка чугуна:

• топливо – кокс;
• железная руда – сырьё, из которого выплавляют чугун;
• флюс – спецдобавки из песка, известняка и некоторых других материалов.

В печи шихта попадает в виде мелкопородных сплавленных кусков – окатышей или агломератов. В качестве рудного вещества могут выступать марганцевые руды или различные вариации железняка. Сырьё засыпают в колошник слоями, чередуя с пластами флюса и кокса.

Шлак всплывает на поверхности раскалённого чугуна. Примеси сливают до того, как жидкий металл застынет.

Подача сырья, как и работа печи, должна быть непрерывной. Постоянство процесса обеспечивают специальные транспортёры. Попадая через описанные элементы в горн, шихта проходит через ряд технологических процессов.

Сгорающий кокс даёт требуемую температуру, которая не должна опускаться ниже 2000 градусов. Горение способствует соединению кислорода и каменного угля. Параллельно образуется углекислый газ. Под влиянием высокой температуры последний становится оксидом углерода. Благодаря этому восстанавливается железо.

Чугун становится таковым после того, как железо пройдёт через расплавленный кокс. Чтобы результат стал возможным, железо должно насытиться углеродом. К чугунам относят сплавы, в составе которых на долю углерода приходится 2-5%.

После того, как готовый металл накопился в горне, его выпускают через летки. Через верхнее отверстие сначала выпускают шлак, а после – через нижнее – чугун. Последний сливается по каналам в ковши и отправляется на последующую обработку.

Продукты доменного производства

Продуктами доменной плавки являются:

Чугун

Выплавляемые в доменных печах чугуны в зависимости от способа дальнейшего использования делятся на три группы:

• передельные идущие на передел в сталь;
• литейные предназначенные для получения отливок из чугуна в машиностроении;
• специальные (ферросплавы), используемые для раскисления стали в сталеплавильном производстве.

В чугуне также содержится незначительные количества водорода, азота и кислорода. В легированном чугуне могут быть хром, никель, ванадий, вольфрам и титан, количество которых зависит от состава проплавляемых руд.

Предельный чугун предназначается для переработки в сталь.

Такой чугун характерен тем, что углерод в нем (2,2—4%) находится в химически связанном состоянии.

Поверхность излома чугуна имеет белый цвет.

В зависимости от состава и способа переработки различают:

• мартеновский чугун, содержащий фосфора от 0,15 до 0,30% и серы до 0,07%;
• бессемеровский, содержащий фосфора 0,07% и серы до 0,069%;
• томасовский, содержащий фосфора 1,6% и серы до 0,08%.

Передельный чугун подразделяют на три вида:

• Передельный коксовый (марки М1, М2, М3, Б1, Б2).
• Передельный коксовый фосфористый (МФ1, МФ2, МФ3).
• Передельный коксовый высококачественный (ПВК1, ПВК2, ПВК3).

Литейный чугун после выпуска из доменной печи разливают в чушки и в холодном виде направляют на машиностроительные заводы, где для отливки деталей машин его вторично подвергают расплавлению в специальных печах-вагранках.

Литейный коксовый чугун выплавляют семи марок: ЛК1-ЛК7.

Каждую марку подразделяют на три группы по содержанию марганца, пять классов по содержанию фосфора и на пять категорий по содержанию серы.

Особую группу составляют фосфористые чугуны, содержащие до 2% Р, в зависимости от содержания фосфора применяются различные технологии передела таких чугунов в сталь.

Этот вид чугунов предназначен для производства литых изделий в чугуноплавильных цехах. Характерной особенностью этих чугунов является высокое содержание кремния (2,75 – 3,75% Si), а в некоторых случаях и фосфора. Объясняется это тем, что эти элементы придают расплавленному чугуну высокую жидкоподвижность или способность хорошо заполнять литейную форму.

Литейный чугун применяется после переплава на машиностроительных заводах для получения фасонных отливок.

Литейный чугун применяется для изготовления литых изделий:

• труб;
• радиаторов;
• водопроводной арматуры;
• станин;
• блоков;
• шестерен и т. п.

Такой чугун в изломе имеет серый цвет. В нем часть углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. В сером чугуне обычно содержится кремния 1,25-4,25%, углерода 2,5—4%, марганца 0,5—1,3%, фосфора 0,1— 1,2% и небольшое количество серы.

Марганец придает чугуну твердость и хрупкость.

Кремнии, наоборот, снижает твердость чугуна, благодаря чему отливки из такого чугуна легко поддаются механической обработке.

Фосфор делает чугун жидкоплавким, хорошо заполняющим тонкие сечения форм.

Отливки из чугуна, содержащего повышенное количество фосфора, хорошо сопротивляются истиранию, но вместе с тем обладают повышенной хрупкостью.

Сера придает чугуну густоплавкость и понижает его механические свойства.

Это сплавы железа с повышенным содержанием кремния, марганца и других элементов, используемые в качестве раскислителей или присадки в сталеплавильном и чугунолитейном производствах.

К ним относятся:

• ферромарганец (70 – 75% Mn и до 2% Si);
• ферросилиций (9 – 13% Si и до 3% Mn);
• зеркальный чугун (10 – 15% Mn и до 2% Si).

В последние годы выплавка ферросплавов в доменных печах сократилась в виду неэкономичности передела. Более выгодно выплавлять ферросплавы в электропечах.

Количество получаемого при плавке шлака очень велико (примерно 60% веса выплавляемого чугуна).

Шлаки бывают основные и кислые.

Кислый шлак имеет высокую прочность. Если его в жидком виде продуть паром или воздухом, получится шлаковая вата, являющаяся хорошим изолятором.

Доменный (колошниковый газ)

Это газ, выходящий из печи через ее верхнюю часть – колошник.

Он состоит из СО, Н2, СО2, СН4 и N2. После очистки от содержащейся в нем пыли, газ используется как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь, для отопления котлов и других целей.

Поскольку в газе содержится до 30 % СО, то он является топливом, которое используют после очистки от пыли. Количество колошникового газа в 2,5 раза по массе превышает количество чугуна. Теплота сгорания составляет 3600—3900 кДж/м3.

При работе доменной печи на комбинированном дутье с применением природного газа содержание водорода в колошниковом газе возрастает до 6—8, а иногда до 12 %, при этом теплота сгорания возрастает до 4200 кДж/м3.

Около 30—35 % колошникового газа используется в доменном цехе для обогрева насадок воздухонагревателей. Остальной газ используется в прокатных и термических цехах и на теплоэлектроцентрали.

Процесс получения чугуна осуществляется в доменных печах.

Сырые материалы доменной плавки, взятые в необходимых соотношениях, составляют шихту.

Чугун является первичным продуктом, получаемым из исходного сырья. Получение чугуна основано на извлечении железа из руд с помощью различных окислительно-восстановительных реакций. В дальнейшем чугун используется как исходное сырье для получения стали.

Доменная печь: что это такое и каково ее устройство

Слово «домна» образовано от старославянского «дмение» — дутьё. На других языках: англ. blast furnace — дутьевая печь, нем. Hochofen — высокая печь, фр. haut fourneau — высокая печь.

Следует иметь в виду коренное отличие в значении слов «домница» и «доменная печь»: в домнице получали (в виде кусков или криц) штуки восстановленного сыродутного (от слова «сырое», то есть неподогретое дутьё) железа, а в доменной печи — жидкий чугун.

Описание и процеcсы

Доменная печь представляет собой непрерывно действующий аппарат шахтного типа. Загрузка шихты осуществляется сверху, через типовое загрузочное устройство, которое одновременно является и газовым затвором доменной печи. В домне восстанавливают богатую железную руду (на современном этапе запасы богатой железной руды сохранились лишь в Австралии и Бразилии), агломерат или окатыши. Иногда в качестве рудного сырья используют брикеты.

Доменная печь состоит из пяти конструктивных элементов: верхней цилиндрической части — колошника, необходимого для загрузки и эффективного распределения шихты в печи; самой большой по высоте расширяющейся конической части — шахты, в которой происходят процессы нагрева материалов и восстановления железа из оксидов; самой широкой цилиндрической части — распара, в котором происходят процессы размягчения и плавления восстановленного железа; суживающейся конической части — заплечиков, где образуется восстановительный газ — монооксид углерода; цилиндрической части — горна, служащего для накопления жидких продуктов доменного процесса — чугуна и шлака.

В верхней части горна располагаются фурмы — отверстия для подачи нагретого до высокой температуры дутья — сжатого воздуха, обогащенного кислородом и углеводородным топливом.

На уровне фурм развивается температура около 2000 °C. По мере удаления вверх температура снижается, и у колошников доходит до 270 °C. Таким образом в печи на разной высоте устанавливается разная температура, благодаря чему протекают различные химические процессы перехода руды в металл.

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

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

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

Полученное в результате реакции железо каплями стекает по раскалённому коксу вниз, насыщаясь углеродом, в результате чего получается сплав, содержащий 2,14 — 6,67 % углерода. Такой сплав называется чугуном. Кроме углерода в него входят небольшая доля кремния и марганца. В количестве десятых долей процента в состав чугуна входят также вредные примеси — сера и фосфор. Кроме чугуна в горне образуется и накапливается шлак, в котором собираются все вредные примеси.

Ранее шлак выпускался через отдельную шлаковую лётку. В настоящее время и чугун, и шлак выпускают через чугунную лётку одновременно. Разделение чугуна и шлака происходит уже вне доменной печи — в жёлобе, при помощи разделительной плиты. Отделённый от шлака чугун поступает в чугуновозные ковши, либо в ковши миксерного типа.

Фундамент печи

Современная печь вместе со всеми сооружениями и металлоконструкциями, футеровкой (огнеупорной кладкой) и находящимися в ней шихтовыми материалами и продуктами плавки может иметь массу свыше 30 тыс. т. Эта масса должна быть равномерно передана грунту. Нижнюю часть фундамента (подошву) делают в виде массивной бетонной плиты толщиной до 4 м. На подошву опираются колонны, поддерживающие металлические конструкции печи (кожух). Верхняя часть фундамента (пень) представляет собой монолитный цилиндр из жароупорного бетона, на котором находится горн печи.

Горн доменной печи

Горн доменной печи — нижняя часть доменной печи, цилиндрическая по внутреннему очертанию и коническая (иногда цилиндрическая) по наружной форме. Горн оснащен устройствами для выпуска чугуна и шлака (чугунными и шлаковыми летками) и приборами (фурмами) для вдувания нагретого (на кауперах) до 1100—1400 °С, обогащенного кислородом до 23—25 %, воздуха. Горн доменной печи — наиболее ответственная часть её конструкции. Здесь скапливается до 1000 т. и больше расплавленных продуктов плавки — чугуна и шлака. На дно горна оказывает давление весь столб шихты массой 9—12 тыс. т. Давление горновых газов составляет 0,4—0,5 МПа, а их температура в очагах горения кокса достигает 1700—2100 °С. Внутри горна непрерывно движутся и обновляются кокс, жидкие чугун и шлак, горновые газы. По сути это мощный непрерывно движущийся реактор. В связи с этим к конструкциям горна предъявляются жесткие требования по прочности, герметичности и огнеупорности. Основные конструктивные элементы горна — кожух, холодильники, чугунная и шлаковая летка, фурменные приборы.

Чугунная лётка

Это канал прямоугольной формы шириной 250—300 мм с высотой 450—500 мм. Канал делают в огнеупорной кладке горна на высоте 600—1700 мм от поверхности лещади. Каналы для шлаковых лёток выкладывают на высоте 2000—3600 мм. Канал чугунной летки закрыт огнеупорной массой. Открывают чугунную лётку путём высверливания бурильной машиной отверстия диаметром 50—60 мм. После выпуска чугуна и шлака (на современных больших доменных печах выпуск чугуна и шлака осуществляется через чугунные лётки) отверстия забивают с помощью электрической пушки. Носок пушки входит и в неё из пушки под давлением подают лёточную огнеупорную массу. Шлаковая лётка на доменной печи защищена водоохлаждаемыми элементами, которые в совокупности называют шлаковыми стопорами и рычажной конструкции с пневматическим приводом, управляемым дистанционно. Доменные печи большого объёма (3200—5500 м³) оборудованы четырьмя чугунными лётками, работающими попеременно, и одной шлаковой лёткой. Выпуск чугуна и шлака из доменной печи включает в себя следующие операции:

1. открытие чугунной лётки (в необходимых случаях в шлаковой);
2. обслуживание, связанное непосредственно с вытеканием чугуна и шлака;
3. закрытие чугунной лётки (если шлак выпускали через шлаковую, то и шлаковой);
4. ремонт лётки и желобов.

Устройство и принцип работы доменной печи

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

Устройство домны

Современная печь – это огромная конструкция весом до 35000 т и высотой до 40 м. Чтобы многолетняя выплавка без простоев была возможной, печь должна быть прочной и надёжной. Снаружи устройство покрыто стальным кожухом – основа облицована толстыми листами (до 4 см).

Изнутри расположена огнестойкая футеровка. Она нуждается в постоянном охлаждении, поэтому внизу монтируют металлоёмкости, в которых циркулирует вода. Поскольку жидкости нужно очень много, иногда применяют охлаждение испарением. Суть метода – в испарении кипящей воды, активно поглощающей при этом тепловую энергию.

Рисунок 2. Устройство доменной печи

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

Колошник

Это верхний элемент, который служит для загрузки сырья (шихты) и отвода отработанных газов. Главная часть колошника – засыпной агрегат. В большинстве случаев аппараты для засыпки шихты двуконусные. Между засыпками оба конуса прикрыты. После подачи сырья меньший элемент опускается, и железная руда попадает в больший. Как только набирается необходимая порция, малый конус закрывается, из большого руда попадает в печь. После этого герметизируется и крупное устройство.

Более продвинутые домны имеют улучшенную конструкцию колошника. Роль большого конуса играет вращающийся желоб с регулируемым углом наклона. Благодаря этому возможна засыпка сырья с любой стороны.

Колошник служит и газоотводом. В процессе выплавки образуется огромное количество газа. Вместе с ним удаляется и железосодержащая пыль, которую улавливают газоочистители.

Рисунок 3. Схема доменного производства

Шахта

Шахта занимает большую часть печного пространства. Конструкция, расширяющаяся книзу, представляет собой усечённый конус. Благодаря этому подача шихты происходит равномерно. Доменная печь – сооружение вертикальное и достаточно высокое. Это необходимо для обеспечения хим- и термообработки сырья нагретыми газами.

Распар

Элемент в форме цилиндра расположен в средней части рабочей доменной зоны. Для распара характерен наибольший диаметр. Назначение конструкции – увеличение печного пространства и ликвидация ненужного сырья. Здесь образуется пустая порода.

Заплечики

Укороченный конусообразный вариант распара – усечённый компонент обращён широкой частью вверх. С помощью заплечиков снижают объём выплавляемой шихты при производстве чугуна.

Основная часть, в которой и происходит выплавка металлов. Здесь горит кокс и образуется газ, накапливается шлак и чугун и происходит регулярный выпуск жидкого металла из конструкции. Состоит горн из фурменной зоны и металлоприёмника. Через фурмы, посредством воздухонагревателя и кольцевого воздуховода, в печь поступает горячий воздух. Он необходим для горения топлива. Дно металлоприёмника называется лещадь.

Внизу горна находятся шлаковые и чугунные летки – отверстия, через которые проходит расплавленный металл. После выпуска чугуна отверстие закрывают с помощью поршневого механизма огнеустойчивой массой.

Шлаковые отверстия находятся на 1,5-2 м выше чугунных леток. Их закрывают с помощью стальных штопоров с наконечниками. От чугуна шлак отделяется посредством агрегата, расположенного на печном желобе. Обе составляющие подаются в специальные ковши.

Всё это гигантское сооружение имеет огромную массу. Такой вес необходимо передавать грунту равномерно. Поэтому домну устанавливают на массивном бетонном фундаменте, толщина подошвы которого может достигать 4 м. Подошва служит опорой колоннам, на которые, в свою очередь, опираются металлоконструкции. Верхнюю фундаментную часть выполняют из жаростойкого бетона в формате монолитного цилиндра.

Давление огромной массы на грунт компенсируется устройством мощного фундамента

В таблице представлена взаимосвязь размеров некоторых современных печей.

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

Дополнительные печные элементы

Функционирование печи требует работы вспомогательных устройств. Среди них:

• воздухонагреватели; крупные элементы башенного типа располагают рядом с печью; в них поступает колошниковый газ, который затем сгорает; благодаря этому образуется ещё более горячий газ, посредством сложной системы нагревающий воздух; последний – нагретый до температуры, как минимум, 1000 градусов – идёт в ход для выплавки чугуна;
• воздуходувные машины; сжатый воздух необходим для топливного горения; в печь воздух поступает благодаря устройствам, образующим давление порядка 25 МПа;
• устройства для подъёма и засыпки шихты;
• газоочистители для очистки колошниковых газов;
• прочие вспомогательные устройства – например, мостовые краны, которыми оборудованы литейные дворы.

Рисунок 4. Пример современной доменной печи

Современные печи оснащаются системами автоматики. Компьютеризация позволяет контролировать и регулировать основные параметры, связанные с функционированием домны. Под контролем уровень засыпки сырья, давление газа, температура дутья и т. п.

Современные домны даны на откуп автоматике. Компьютер контролирует основные производственные процессы

По какому принципу работает доменная печь?

Принцип работы доменной печи основан на сложных физико-химических процессах. Выделяют такие операции:

• сгорание топлива;
• восстановление железа;
• разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид;
• насыщение железа углеродом;
• плавка металла;
• плавление шлака и др.

Рисунок 5. Производство чугуна с химической точки зрения

В самом общем смысле доменная плавка – это производство чугуна из железорудного сырья. Главные материалы, с помощью которых возможна выплавка чугуна:

• топливо – кокс;
• железная руда – сырьё, из которого выплавляют чугун;
• флюс – спецдобавки из песка, известняка и некоторых других материалов.

В печи шихта попадает в виде мелкопородных сплавленных кусков – окатышей или агломератов. В качестве рудного вещества могут выступать марганцевые руды или различные вариации железняка. Сырьё засыпают в колошник слоями, чередуя с пластами флюса и кокса.

Назначение флюса – отделение чугуна от примесей и пустой породы (шлака)

Шлак всплывает на поверхности раскалённого чугуна. Примеси сливают до того, как жидкий металл застынет.

Подача сырья, как и работа печи, должна быть непрерывной. Постоянство процесса обеспечивают специальные транспортёры. Попадая через описанные элементы в горн, шихта проходит через ряд технологических процессов.

Рисунок 6. Схема домны

Сгорающий кокс даёт требуемую температуру, которая не должна опускаться ниже 2000 градусов. Горение способствует соединению кислорода и каменного угля. Параллельно образуется углекислый газ. Под влиянием высокой температуры последний становится оксидом углерода. Благодаря этому восстанавливается железо.

Восстановление железа – один из важнейших производственных этапов. Без этого процесса невозможно обретение металлом необходимой прочности.

Чугун становится таковым после того, как железо пройдёт через расплавленный кокс. Чтобы результат стал возможным, железо должно насытиться углеродом. К чугунам относят сплавы, в составе которых на долю углерода приходится 2-5%.

После того, как готовый металл накопился в горне, его выпускают через летки. Через верхнее отверстие сначала выпускают шлак, а после – через нижнее – чугун. Последний сливается по каналам в ковши и отправляется на последующую обработку.

Заключение

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

Доменная печь: устройство доменной печи и схема доменного производства

Современная цивилизация неразрывно связана с развитием техники производства, невозможной без совершенствования орудий труда и материалов, используемых для их изготовления.

Среди всех материалов природного происхождения или созданных человеком, самое значимое место занимают черные металлы – сплав железа и углерода с присутствием других элементов.

Сплавы, в составе которых часть углерода составляет 2 – 5%, относятся к чугунам, при наличии углерода менее 2% сплав относится к сталям. Для плавки металлов используется специальная технология доменного производства.

Азбука производства

Доменная плавка – это процесс производства чугуна из железной руды, перерабатываемой в доменных печах или, как их еще называют, домнах.

Основными материалами, необходимыми в процессе такого производства, являются:

• топливо, в виде получаемого из каменного угля кокса;
• железная руда, являющаяся непосредственным сырьем для производства;
• флюс – специальные добавки из известняка, песка, а также других материалов.

В доменные печи железная руда попадает в виде сплавленных между собой кусков мелкой породы – агломератов или окатышей, в виде рудных комков. Исходное сырье загружают в колошник доменной печи послойно, чередуя со слоями кокса и с послойным добавлением флюса.

[advice]Примите к сведению: флюс необходим для того, чтобы заставить всплыть пустую породу и различные примеси, которые называются шлаком.[/advice]

Всплывший на поверхности раскаленного чугуна шлак, сливается до того, как металл застынет. Загружаемый для плавки чугуна материал из железной руды, кокса и флюса, называют шихтой.

Доменная печь, имеющая в профиль сходство с башней с широким основанием, внутри выкладывается огнеупорным материалом – шамотом.

Устройство доменной печи. (Для увеличения нажмите)

Основными элементами конструкции являются:

Распар — это самая широкая часть доменной печи. В нем плавится пустая порода руды и флюса, в результате чего из них получается шлак. Для предотвращения воздействия высоких температур на кладку и кожух печи, применяются холодильные установки с циркулирующей водой.

Доменная шахта строится в форме расширяющего внизу конуса – такое устройство домны позволяет шихте свободно опускаться во время процесса плавки. Образование чугуна, который в процессе плавки спускается в горн, происходит в распаре и заплечиках. Для удержания находящейся в распаре и шахте твердой шихты, заплечики имеют форму конуса, с расширением к верху.

Как работает

В домну шихта засыпается через колошник непрерывными порциями.

Для обеспечения непрерывности работы, возле домны устанавливается склад для окатышей (агломерата), флюса и кокса – бункер, предназначенный для составления шихты.

Поставки сырья в бункеры, как и подача шихты к засыпным устройствам на колошник, производится по непрерывной схеме с использованием транспортеров.

Опускаясь под своей массой, шихта попадает в среднюю часть печи, где под воздействием горячих газов, образующихся в результате сгорания кокса, железорудный материал нагревается, а оставшиеся газы выходят через колошник.

В горне, который находится внизу печи, располагаются аппараты для подачи под давлением горячих воздушных потоков – фурмы. В фурмах имеются окошки с термостойкими стеклами, позволяющие производить визуальный контроль процесса.

[warning]Обратите внимание: для защиты от воздействия высоких температур устройства охлаждаются водой по имеющимся внутри каналам.[/warning]

Сгорающий в горне кокс дает необходимую для плавления руды температуру, превышающую +2000 гр.

В процессе горения происходит соединение кокса и кислорода с образованием углекислого газа.

Воздействие высокой температуры на углекислый газ превращает последний в отнимающий у руды оксид углерода и восстанавливает железо. Процесс образования чугуна происходит после прохождения железа сквозь слои раскаленного кокса. В результате такого процесса, железо насыщается углеродом.

После того как чугун в горне накопился, жидкий металл выпускается через находящиеся внизу отверстия – летки. В первую очередь через верхнюю летку выпускается шлак, а затем, через нижнюю летку – чугун. По специальным каналам чугун сливается в размещенные на железнодорожных платформах ковши и транспортируется на дальнейшую обработку.

Литейный чугун, который в дальнейшем будет использован для производства отливок, попадает в разливочный аппарат и, застывая, превращается в бруски – чушки.

Для производства стали используется чугун, который называется переделочным – он составляет до 80% производства.

Переделочный чугун транспортируется в сталелитейный цех с конверторами, мартеновскими или электрическими печами. В современных, огромного размера домнах для поддержания процессов горения используется не только потоки горячего воздуха, но и чистый кислород, применяемый вместе с природным газом.

Такая технология позволяет расходовать меньшее количество кокса, но является технологически более сложной. Поэтому для контроля процесса производства, выбора оптимальных режимов плавки используются компьютеры, способные вести одновременный анализ работы всех систем.

Смотрите познавательное видео, в котором описываются принцип работы и нюансы функционирования доменной печи:

Для чего нужна доменная печь? Конструкция доменной печи, принцип работы и устройство

Домна, или доменная печь – это сложный комплекс технологического оборудования, используемый в металлургической промышленности для получения черного металла. Фактически, это большое сооружение, которое включает в себя не только печь, но и вспомогательные узлы.

Для чего нужна доменная печь? Цель у нее одна – получение чугуна, который будет использоваться в металлургии для изготовления машин, оборудования и прочих металлсодержащих изделий.

Принцип работы

Принцип работы доменной печи состоит в следующем: в приемную камеру загружается рудная шихта с коксом, известняковым флюсом. В нижней части осуществляется периодический выпуск чугуна/ферросплавов и отдельно расплава шлака. Так как при выпуске уровень материала в домне понижается, требуется одновременная загрузка новых партий шихты.

Процесс работы постоянный, горение поддерживается при контролируемой подаче кислорода, что обеспечивает большую эффективность.

Конструкция доменной печи обеспечивает непрерывный процесс переработки руды, срок эксплуатации домны составляет 100 лет, капитальный ремонт проводится каждый 3-12 лет.

Фото доменной печи

Кто изобрел?

Современную доменную печь изобрел Дж. Б. Нилсон, который первым начала подогревать воздух, подаваемый в домну, произошло то в 1829 г., а в 1857 г. Э. А. Каупер ввел в использование специальные регенеративные воздухонагреватели.

Это позволило сильно снизить расход кокса более, чем на треть и повысить эффективность работы печи. До этого первые доменные печи фактически были сыродутными, то есть в них вдувался не обогащенный и не подогретый воздух.

Использование кауперов, то есть регенеративных воздухонагревателей, позволило не только повысить эффективность домны, но и снизить или вовсе исключить закозление, что наблюдалось при нарушениях технологии. Можно смело утверждать, что это изобретение позволило довести процесс до совершенства. Современные домны работают именно по этому принципу, хотя их управление сегодня автоматизировано и обеспечивает большую безопасность.

Доменный процесс

Современные печи для плавки чугуна обеспечивают примерно 80 % от общего количества чугуна, с разливочных площадок он сразу подается в электроплавильные либо мартеновские цеха, где и происходит переделка черного металла в сталь с требуемыми качествами.

Из чугуна получают чушки, отправляемые затем производителям для отливки их в вагранках. Для слива шлака и чугуна используются специальные отверстия, называемые летки. Однако в современных печах применяются не отдельные, а один общий леток, разделяемый специальной жароупорной плитой на каналы для подачи чугуна и шлака.

Как работает домна?

Доменный процесс полностью зависит от избытка углерода в полости печи, он заключается в термохимических реакциях, протекающих внутри при загрузке всех компонентов и их нагреве.

Температура в доменной печи может составлять 200-250°С непосредственно под колошником и до 1850-2000°С в активной зоне – распаре.

При подаче в печь горячего воздуха и розжиге кокса в домне повышается температура, начинается процесс разложения флюса, в результате чего повышается содержание углекислого газа.

При понижении столба материала в шихте происходит восстановление монокисла железа, в нижней части столба из FeO восстанавливается чистое железо, стекающее в горн.

По мере стекания железо активно контактирует с углекислым газом, происходит насыщение металла и придание ему требуемых свойств. Общее содержание углерода в железе может составлять от 1,7%.

Схемы доменной печи

Схемы доменной печи в разрезе (разные варианты):

Устройство домны

Конструкция домны очень сложная, это большой комплекс, который включает в себя следующие элементы:

• зона горячего дутья,
• зона плавления (сюда входят горн и заплечики),
• распар, то есть зона, где происходит восстановление FeO,
• шахта, где происходит восстановление Fe2O3,
• колошник с предварительным нагревом материала,
• загрузка шихты и кокса,
• доменный газ,
• зона, где находится столб материала,
• выпуски для шлака и жидкого чугуна,
• сбор для отходящих газов.

Высота доменной печи может достигать 40 м, вес – до 35 000 тон, вместимость рабочей зоны зависит от параметров комплекса.

Точные значения зависят от загрузки предприятия и его назначения, требований к объемам получаемого металла и прочих параметров.

Более подробный вариант устройства:

Разряды ремонта домны

Для поддержания рабочего состояния домны регулярно проводится капитальный ремонт (каждый 3-15 лет). Он разделяется на три вида:

1. Первый разряд включает в себя работы по выпуску продуктов плавления, осмотру оборудования, занятого в технологическом процессе.
2. Второй разряд – это полная замена элементов оборудования, подлежащего средним ремонтным работам.
3. Третий разряд требует полной замены устройства, после чего выполняется новая засыпка сырья с правкой колошников.

Системы и оборудование

Доменная печь – это не только установка для получения чугуна, но и многочисленные вспомогательные узлы. Это система подачи шихты и кокса, отвод шлака, расплавленного чугуна и газов, система автоматического управления, кауперы и многое другое.

Принципы работы печи остались такими же, как и столетия назад, но современные компьютерные системы и автоматизация производства сделали домну более эффективной и безопасной.

Кауперы

Современное устройство доменной печи предполагает использование каупера для нагрева подаваемого воздуха. Это установка циклического действия из жаростойкого материала, которое обеспечивает нагрев насадки до 1200°С.

Каупер включает при остывании насадки до 800-900°С, что позволяет обеспечить беспрерывность процесса, снизить расход кокса и повысить общую эффективность конструкции.

Ранее такое устройство не применялось, но начиная с 19 в. оно является обязательно частью домны.

Количество батарей кауперов зависит от размеров комплекса, но обычно их не менее трех, что делается с расчетом на возможную аварию и сохранение работоспособности.

Колошниковый аппарат

Колошниковый аппарат эта часть является наиболее ответственной и важной, включающей в себя три газовых затвора, действующих по согласованной схеме.

Цикл работы этого узла выглядит следующим образом:

• в исходном положении конус поднят, он преграждает выход, нижний конус опущен,
• скип загружает в колошник шихту,
• вращающаяся воронка поворачивается и пропускает сырье через окна на малый конус,
• воронка возвращается в исходное положение, закрывая окна,
• малый конус опускается, загрузка проходит в межконусное пространство, после чего конус поднимается,
• большой конус принимает исходное положение, выпуская шихту в полость домны для переработки.

Скипы это специальные подъемники шихты. При помощи таких подъемников калошей из скиповой ямы захватывается сырье, подаваемое наверх по наклонной эстакаде.

Затем калоши опрокидываются, подавая шихту в загрузочную область, и возвращаются вниз за новой порцией. Процесс этот сегодня осуществляется автоматически, для управления используются специальные компьютеризированные узлы.

Фурмы и летки

Сопло фурмы печи направлено в ее полость, через него можно наблюдать течение процесса плавки. Для этого через специальные воздуховоды монтируются гляделки с жаростойкими стеклами. На срезе давление может достигать значения в 2,1-2,625 МПа.

Летки используются для слива чугуна и шлака, сразу после выпуска они плотно запечатываются специальной глиной. Раньше использовались пушки, которые выстраивали пластичным глиняным ядром, сегодня применяются дистанционно управляемые пушки, которые могут подходить к конструкции вплотную. Такое решение дало возможность снизить травматичность и аварийность процесса, сделать его более надежным.

Как сделать доменную печь своими руками?

Нюансы

Производство чугуна является высокорентабельным бизнесом, но наладить изготовление черного металла без серьезных финансовых инвестиций невозможно. Доменная печь своими руками в «кустарных условиях» – это просто нереализуемо, что связано со многими особенностями:

• крайне высокая стоимость домны (такие расходы могут себе позволить исключительно крупные комбинаты),
• сложность конструкции, несмотря на то, что чертеж доменной печи можно найти в свободном доступе (выше схемы), собрать полноценный агрегат для производства чугуна не получится,
• физлица и ИП не могут заниматься деятельностью по изготовлению чугуна, на это просто никто не выдаст лицензию,
• залежи сырья для черной металлургии практически исчерпаны, окатышей или агломерата в свободной продаже нет.

Но в домашних условиях можно собрать имитацию печи (мини-доменную печь), при помощи которой можно плавить металл.

Но работы эти требуют максимального внимания и крайне не рекомендуются при отсутствии опыта. Зачем может потребоваться изготовление подобной конструкции? Чаще всего – это обогрев для теплицы или дачи с максимально эффективно используемым топливом.

Инструменты и материалы

Для изготовления конструкции в домашних условиях, надо приготовить:

• металлическая бочка (можно заменить на трубу с большим диаметром),
• два отрезка трубы круглого сечения с меньшим диаметром,
• отрезок швеллера,
• листовая сталь,
• уровень, ножовка по металлу, рулетка, молоток,
• инвертор, набор электродов,
• кирпичи, глиняный раствор (необходимы для фундамента конструкции).

Все работы надо проводить только на улице, так как процесс достаточно грязный и требующий наличия свободного пространства.

Пошаговая инструкция

1. На приготовленной заготовке в виде бочки срезается верх (его следует оставить, так как он понадобиться дальше).
2. Из стали вырезается круг с диаметром, меньшим чем диаметр бочки, в нем делается отверстие для трубы.
3. Труба аккуратно приваривается к кругу, внизу сваркой крепятся отрезки швеллера, которые будут придавливать топливо во время работы печи.
4. Крышка печи изготавливается из отрезанного ранее дна бочки, в котором делается отверстие для закладного люка с дверкой. Также необходимо сделать дверку, через которую будут удаляться остатки золы.
5. Печь обязательно устанавливается на фундамент, так как в процессе работы она очень сильно нагревается. Для этого сначала устанавливается бетонная плита, затем выкладывается несколько рядов из кирпича, образующих углубление в центре.
6. Для отвода продуктов сгорания монтируется дымоходная труба, диаметр прямой части будет больше, чем диаметр корпуса печи (требуется для лучшего отвода газов).
7. Отражатель не является обязательным элементом конструкции, но его использование позволяет повысить КПД печи.

Особенности конструкции

Особенностями такой самостоятельно изготовленной печи являются:

• уровень КПД хороший,
• есть возможность работы в автономном режиме до 20 часов,
• в печи происходит не активное горение, а тление с постоянным выделением тепла.

Главным отличием «бытовой» доменной печи будет ограничение доступа воздуха к камере сгорания, то есть тление дров или угля будет происходит при низком уровне кислорода. По схожему принципу работает и промышленная домна, но бытовая применяется только для отопления, плавить металл в ней нельзя, хотя температура внутри камеры будет достаточной.

Стоимость на примере КПД №7

Изготовление доменных печей – это ресурсозатратный и дорогой процесс, который нельзя поставить на поток. Так как домны применяются исключительно в промышленности, их проектирование и сборка осуществляются под конкретный металлургический комплекс, включающий в себя многие объекты и узлы внутренней инфраструктуры. Такая ситуация наблюдается не только в РФ, но и в других странах мира, имеющих собственные объекты металлургии.

Стоимость изготовления и монтажа доменной печи достаточно высокая, что связано со сложностью выполнения работ. Примером может случить большой доменный комплекс №7 под названием «Россиянка», установленный в 2011 году. Его стоимость составила 43 млрд. рублей, к производству были привлечены лучшие инженеры РВ и стран зарубежья.

Комплекс включает в себя следующие узлы:

• приемное устройство для руды,
• приточные станции бункерной эстакады и центрального узла,
• бункерная эстакада,
• компрессорная станция (установлена на литейном дворе),
• установка для вдувания пылеугольного топлива,
• утилизационная ТЭЦ,
• центр управления и административный корпус,
• литейный двор,
• домна,
• воздухонагревательные блоки,
• насосная станция.

Новый комплекс обеспечивает производство более 9450 тонн чугуна в сутки, полезный объем печи равен 490 куб.м, а рабочей – 3650 куб.м. Конструкция домны обеспечивает безотходное и экологически чистое производство чугуна, в качестве побочных продуктов получают доменный газ для ТЭЦ и шлак, используемый в дорожном строительстве.

Вывод

Домна – металлургическое оборудование, позволяющее получить чугун посредством переработки железной руды в промышленных масштабах.

Особенность технологии обеспечивает не только высокое качество получаемой продукции, но и экономный расход кокса. В процессе производства можно контролировать условия плавки, применяя для этого компьютеризированные системы и получая продукт со строго заданными свойствами.

Доменная печь: устройство доменной печи и схема доменного производства

Производство чугуна является высокорентабельным бизнесом, но наладить изготовление черного металла без серьезных финансовых инвестиций невозможно. Доменная печь своими руками в «кустарных условиях» – это просто нереализуемо, что связано со многими особенностями:

• крайне высокая стоимость домны (такие расходы могут себе позволить исключительно крупные комбинаты);
• сложность конструкции, несмотря на то, что чертеж доменной печи можно найти в свободном доступе (выше схемы), собрать полноценный агрегат для производства чугуна не получится;
• физлица и ИП не могут заниматься деятельностью по изготовлению чугуна, на это просто никто не выдаст лицензию;
• залежи сырья для черной металлургии практически исчерпаны, окатышей или агломерата в свободной продаже нет.

Но в домашних условиях можно собрать имитацию печи (мини-доменную печь), при помощи которой можно плавить металл.

Но работы эти требуют максимального внимания и крайне не рекомендуются при отсутствии опыта. Зачем может потребоваться изготовление подобной конструкции? Чаще всего – это обогрев для теплицы или дачи с максимально эффективно используемым топливом.

Инструменты и материалы

Для изготовления конструкции в домашних условиях, надо приготовить:

• металлическая бочка (можно заменить на трубу с большим диаметром);
• два отрезка трубы круглого сечения с меньшим диаметром;
• отрезок швеллера;
• листовая сталь;
• уровень, ножовка по металлу, рулетка, молоток;
• инвертор, набор электродов;
• кирпичи, глиняный раствор (необходимы для фундамента конструкции).

Все работы надо проводить только на улице, так как процесс достаточно грязный и требующий наличия свободного пространства.

Пошаговая инструкция

1. На приготовленной заготовке в виде бочки срезается верх (его следует оставить, так как он понадобиться дальше).
2. Из стали вырезается круг с диаметром, меньшим чем диаметр бочки, в нем делается отверстие для трубы.
3. Труба аккуратно приваривается к кругу, внизу сваркой крепятся отрезки швеллера, которые будут придавливать топливо во время работы печи.
4. Крышка печи изготавливается из отрезанного ранее дна бочки, в котором делается отверстие для закладного люка с дверкой. Также необходимо сделать дверку, через которую будут удаляться остатки золы.
5. Печь обязательно устанавливается на фундамент, так как в процессе работы она очень сильно нагревается. Для этого сначала устанавливается бетонная плита, затем выкладывается несколько рядов из кирпича, образующих углубление в центре.
6. Для отвода продуктов сгорания монтируется дымоходная труба, диаметр прямой части будет больше, чем диаметр корпуса печи (требуется для лучшего отвода газов).
7. Отражатель не является обязательным элементом конструкции, но его использование позволяет повысить КПД печи.

Особенности конструкции

Особенностями такой самостоятельно изготовленной печи являются:

• уровень КПД хороший;
• есть возможность работы в автономном режиме до 20 часов;
• в печи происходит не активное горение, а тление с постоянным выделением тепла.

Главным отличием «бытовой» доменной печи будет ограничение доступа воздуха к камере сгорания, то есть тление дров или угля будет происходит при низком уровне кислорода. По схожему принципу работает и промышленная домна, но бытовая применяется только для отопления, плавить металл в ней нельзя, хотя температура внутри камеры будет достаточной.

Схема доменной печи

Принцип работы домны будет описан чуть ниже, а вот о вспомогательных устройствах и механизмах, посредством которых можно обеспечить качественную выплавку чугуна можно прочитать ниже. Чтобы обеспечить грамотную подачу топлива используется специальное оборудование, посредством, которого закладывается сырье в полость печи без оплошностей. Доменной печи требуется постоянное обслуживание, чтобы выпуск шлака и чугуна осуществлялся без дефектов, и соответственно не страдало производство и затраты. Для этого есть специальный литейный двор, на котором установлен мостовой кран.

Помимо этого, есть специальная система, которая увлажняет горячий воздух, поступающий в печь. Это требуется для процесса производства. Также установка снабжена специальными воздуходувными машинами, которые позволяют сжимать воздух, требующийся для того чтобы сжечь топливо. Давление в полости колошника в современной печи может достигать 25 МПА. Есть такие установки как газоочистители, которые используются для очищения колошникового газа.

Доменное производство считается востребованным и сейчас с момента своего возникновения в России и в мире в целом, так как до сих пор используются прокатные металлические изделия, посредством которых осуществляется строительство различных конструкций.

Описание и процессы

Основная статья: Доменный процесс

Устройство доменной печи

1 Горячее дутьё 2 Зона плавления (заплечики и горн) 3 Зона восстановления FeO (распар) 4 Зона восстановления Fe₂O₃ (шахта) 5 Зона предварительного нагрева (колошник) 6 Загрузка железорудных материалов, известняка и кокса 7 Доменный газ 8 Столб железорудных материалов, известняка и кокса 9 Выпуск шлака 10 Выпуск жидкого чугуна 11 Сбор отходящих газов

Доменная печь представляет собой непрерывно действующий аппарат шахтного типа. Загрузка шихты осуществляется сверху через типовое загрузочное устройство, которое одновременно является и газовым затвором доменной печи. В домне восстанавливают богатую железную руду (на современном этапе запасы богатой железной руды сохранились лишь в Австралии и Бразилии), агломерат или окатыши. Иногда в качестве рудного сырья используют брикеты.

Схема доменного производства

1 железная руда + известняк 2 кокс 3 лента конвейера 4 колошник с аппаратом, предотвращающим уход доменного газа в атмосферу 5 слой кокса 6 слои известняка, оксида железа, руды 7 горячий воздух (с температурой около 1200 °C) 8 шлак 9 жидкий передельный чугун 10 шлаковый ковш 11 чугуновоз 12 циклон для очистки доменного газа от пыли перед сжиганием его в регенераторах 13 13 регенераторы (кауперы) 14 дымовая труба 15 подача воздуха в регенераторы (кауперы) 16 порошок угля 17 коксовая печь 18 резервуар для кокса 19 газоотвод для горячего колошникового газа

Доменная печь состоит из пяти конструктивных элементов: верхней цилиндрической части — колошника, необходимого для загрузки и эффективного распределения шихты в печи; самой большой по высоте расширяющейся конической части — шахты, в которой происходят процессы нагрева материалов и восстановления железа из оксидов; самой широкой цилиндрической части — распара, в котором происходят процессы размягчения и плавления восстановленного железа; суживающейся конической части — заплечиков, где образуется восстановительный газ — монооксид углерода; цилиндрической части — горна, служащего для накопления жидких продуктов доменного процесса — чугуна и шлака.

В верхней части горна располагаются фурмы — отверстия для подачи нагретого до высокой температуры дутья — сжатого воздуха, обогащенного кислородом и углеводородным топливом.

На уровне фурм развивается температура около 2000 °C. По мере удаления вверх температура снижается, и у колошников доходит до 270 °C. Таким образом в печи на разной высоте устанавливается разная температура, благодаря чему протекают различные химические процессы перехода руды в металл.

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

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

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

Полученное в результате реакции железо каплями стекает по раскаленному коксу вниз, насыщаясь углеродом, в результате чего получается сплав, содержащий 2,14 — 6,67 % углерода. Такой сплав называется чугуном. Кроме углерода в него входят небольшая доля кремния и марганца. В количестве десятых долей процента в состав чугуна входят также вредные примеси — сера и фосфор. Кроме чугуна в горне образуется и накапливается шлак, в котором собираются все вредные примеси.

Ранее шлак выпускался через отдельную шлаковую лётку. В настоящее время и чугун, и шлак выпускают через чугунную летку одновременно. Разделение чугуна и шлака происходит уже вне доменной печи — в жёлобе, при помощи разделительной плиты. Отделенный от шлака чугун поступает в чугуновозные ковши, либо в ковши миксерного типа и вывозится либо в сталеплавильный цех, либо в разливочные машины.

Автоматизация доменного производства

Основные направлениями автоматизации и контроля в доменном производстве:

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

В чем заключается доменный процесс

Устройство доменной печи:1. Горячее дутьё.2. Зона плавления (заплечики и горн).3. Зона восстановления FeO (распар).4. Зона восстановления Fe2O3 (шахта).5. Зона предварительного нагрева (колошник).6. Загрузка железорудных материалов, известняка и кокса.7. Доменный газ.8. Столб железорудных материалов, известняка и кокса.9. Выпуск шлака.10. Выпуск жидкого чугуна.11. Сбор отходящих газов.

Для успешной плавки чугуна в доменной печи должны всегда соблюдаться основные моменты. Во-первых, температура по всему объему печи и тепло должны обеспечивать протекание требуемых реакций в нужном месте и в определенное время. Это происходит за счет движения навстречу друг другу двух потоков. Газ от сгорания топлива поднимается снизу вверх, а шихта, нагревающаяся теплом газа, спускается сверху вниз. Во-вторых, шлак должен образовываться только тогда, как закончится восстановление железа и необходимых примесей из руды

Здесь важно правильно подобрать тугоплавкость шлака сорту чугуна. Это необходимо для того, чтобы шлак преждевременно не сплавил руду, что приведет впоследствии к изменению состава чугуна и может вызвать сбой в процессе плавки

Началом данного процесса является горение топлива. При взаимодействии с кислородом, природный газ и углерод кокса сгорают, образуя значительное выделение тепла.

Происходит взаимодействие продуктов сгорания с коксом в соответствии с реакциями:

В этой смеси окись углерода – главный восстановитель железа из оксидов железа. Чтобы увеличить производительность печи, воздух, поступающий в печь, увлажняют, за счет чего увеличивается количество восстановителя. При поднятии газы, температура которых достаточно высока, нагревают шихту. Сами они при этом охлаждаются приблизительно до 300-400 градусов. Шихта двигается вниз навстречу газу. Когда температура достигнет приблизительно 570°С, происходит восстановление оксидов железа. Этот процесс состоит из нескольких последовательных этапов по схеме: Fe₂O₃ -> Fe₃O₄ -> FeO -> Fe.

Эти химические реакции определяет температура. Восстановление оксида железа происходит твердым углеродом (прямое восстановление), водородом и оксидом углерода (косвенное восстановление). В первом случае процесс осуществляется в зоне распара при наличии высоких температур в соответствии с реакцией: FeO + C = Fe + CO – Q.

Во втором случае, при косвенном восстановлении, реакция происходит при более низкой температуре в верхней части печи: 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ + Q; Fe₃O₄ + CO = 3Fe O + CO₂ – Q; Fe O + CO = Fe + CO₂ + Q.

Негодный чугун

При высоких температурах плавления рудное железо быстрее избавляется от окислявших его атомов кислорода и соединяется с атомами углерода (из угля). В штукофене железо обогащалось углеродом раньше, чем от него успевал отделиться шлак (иные примеси). Шлак выплавлялся, когда в печи уже образовывался не только комок крицы — железа с небольшим содержанием углерода, но и расплавленный чугун — переобогащённое углеродом железо.

Высокое содержание углерода делало чугун хрупким, не поддающимся ни ковке, ни сварке. Что было делать с таким металлом? А чугуна при выплавке тугоплавких руд получалось много, и он смешивался с жидким шлаком. Поначалу эту смесь выбрасывали, но в XIV в. стали извлекать из раздробленного шлака корольки — однородные кусочки чугуна и отливать из него грубые изделия.

Как работает мартеновская печь

Рис. 6 – Принцип работы мартеновской печи

Главный принцип работы мартеновской печи основан на уникальном эвтектическом свойстве сплавов. Раскаленная смесь воздуха и горючего газа вдувается в печь с низким потолком, который жар отражает вниз (Рис. 6). Мартеновская печь может эксплуатироваться в нескольких производственных режимах, определение которых будет зависеть от состава шихты:

• Скрап-процесс. В этом случае шихта основана на стальном ломе (скрап) на 35-45%. Данный производственный процесс будет актуален на заводах, где нет возможности установки доменных печей, но при этом есть много металлолома;
• Скрап-рудный процесс. В таком процессе шихта основана на жидком чугуне (порядка 75%), железной руды и скрапа. Считается наиболее востребованным процессом на заводах, где установлены доменные печи.

Большинство мартеновских печей имеет стационарное исполнение. В случае с качающимися печами, они нашли свое активное применение при работе с фосфористыми чугунами. Данная тенденция обусловливается тем фактом, что обогащенный фосфором шлак необходимо раскачивать.

Процесс розжига печей качающегося типа осуществляется при помощи газообразного топлива или же мазута. Генераторный или смешанный газ, характеризующийся минимальными температурами сгорания, предварительно перед подачей в рабочую камеру подогревается в специализированных генераторах, температура в которых может варьироваться в диапазоне от 1000 до 1100 градусов.

Кто изобрел?

Современную доменную печь изобрел Дж. Б. Нилсон, который первым начала подогревать воздух, подаваемый в домну, произошло то в 1829 г., а в 1857 г. Э. А. Каупер ввел в использование специальные регенеративные воздухонагреватели.

Это позволило сильно снизить расход кокса более, чем на треть и повысить эффективность работы печи. До этого первые доменные печи фактически были сыродутными, то есть в них вдувался не обогащенный и не подогретый воздух.

Использование кауперов, то есть регенеративных воздухонагревателей, позволило не только повысить эффективность домны, но и снизить или вовсе исключить закозление, что наблюдалось при нарушениях технологии. Можно смело утверждать, что это изобретение позволило довести процесс до совершенства. Современные домны работают именно по этому принципу, хотя их управление сегодня автоматизировано и обеспечивает большую безопасность.

Как работает доменная печь

Из чего состоит доменная печь вполне понятно, однако нужно разобраться с тем, как именно она работает.

Конструкция печь сделана таким образом, что происходит попадание шихты в полость чаши посредством засыпного устройства, напоминающего по виду небольшой конус, который расположен вверху.
После этого с чаши ресурс переходит на полость большого конуса, а далее шихта отправляется в печь

За счет такой системы газ из доменной печи не проникает в атмосферу вокруг завода.
Как только загружен малый конус и его воронка, чтобы принять сырье нужно повернуть конструкцию на угол в 60 градусов, что требуется для распределения шихты максимально равномерно.
Далее происходит работа металлургической печи, а шахта проходит процесс расплавления и спускания вниз, что позволяет освободить место для новой порции ресурса.
Особенно важно соблюдать постоянное заполнение полезного объема.
В современных доменных печах полезный объем может составлять 2000 – 50000 м2, а высота достигает порядка 35 м, что куда больше чем диаметр.. Конструкция именно такого плана продумана не просто так, так как принцип работы требует постоянного движения материала и газа навстречу друг другу, за счет чего и осуществляется грамотное производство без дефектов

Конструкция горна и лещади изготавливается из кирпичных блоков, в составе которых есть глинозем. Также могут использоваться углеродистые блоки, расположенные внутри стальных кожухов и охлаждающиеся водой, которая поступает по водопроводной системе из холодильника, сделанного специально для доменной печи. Такой профиль работы – это не Майнкрафт, здесь нужно быть осторожным. Большая печь или мини будет использоваться, решать вам. Но тот, кто изобрел ее продумал все до мелочей в разрезе, нужно следить за тем, чтобы фурма была исправна

Конструкция именно такого плана продумана не просто так, так как принцип работы требует постоянного движения материала и газа навстречу друг другу, за счет чего и осуществляется грамотное производство без дефектов. Конструкция горна и лещади изготавливается из кирпичных блоков, в составе которых есть глинозем. Также могут использоваться углеродистые блоки, расположенные внутри стальных кожухов и охлаждающиеся водой, которая поступает по водопроводной системе из холодильника, сделанного специально для доменной печи. Такой профиль работы – это не Майнкрафт, здесь нужно быть осторожным. Большая печь или мини будет использоваться, решать вам. Но тот, кто изобрел ее продумал все до мелочей в разрезе, нужно следить за тем, чтобы фурма была исправна.

Понятие доменной печи и плавки

Современная цивилизация неразрывно связана с развитием техники производства, невозможной без совершенствования орудий труда и материалов, используемых для их изготовления.

Среди всех материалов природного происхождения или созданных человеком, самое значимое место занимают черные металлы – сплав железа и углерода с присутствием других элементов.

Сплавы, в составе которых часть углерода составляет 2 – 5%, относятся к чугунам, при наличии углерода менее 2% сплав относится к сталям. Для плавки металлов используется специальная технология доменного производства.

Доменная плавка – это процесс производства чугуна из железной руды, перерабатываемой в доменных печах или, как их еще называют, домнах.

Основными материалами, необходимыми в процессе такого производства, являются:

• топливо, в виде получаемого из каменного угля кокса;
• железная руда, являющаяся непосредственным сырьем для производства;
• флюс – специальные добавки из известняка, песка, а также других материалов.

Доменная печь — устройство для производства чугуна восстановительной плавкой железных руд или концентратов.

Основное оборудование доменного цеха — доменная печь — это круглая шахтная печь, футерованная огнеупорной кладкой.

Для защиты кожуха печи от разгара используют холодильные устройства. Кожух печи и колошниковое устройство установлены на фундаменте и удерживаются колоннами.

Исходный материал для плавки называется шихтой и состоит из железной руды, марганцевой руды, агломерата, окатышей. Шихта на колошник печи подается скипами или ленточным конвейером. Через приемную воронку скипы разгружаются в печь. Воздух подается через воздухонагреватели, продукт плавки выходит через летки в ковши, находящиеся в нижней части.

Современные доменные печи оснащены системой централизованного управления и контроля, обеспечивающей регистрацию показателей приборов и комплексных показателей работы доменной печи — расхода кокса на 1 т чугуна и суточной производительности доменной печи в тоннах.

Применяется дополнительное топливо, что снижает расход кокса и себестоимость чугуна. Усовершенствование конструкции доменной печи направлено на увеличение ее мощности (объема), улучшение подготовки сырья, внедрение новых прогрессивных, высокопроизводительных технологий.

Чугун выплавляют в доменных печах, представляющих собой шахтную печь. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, газообразными (СO, Н2) и твердым (С) восстановителями, образующимися при сгорании топлива в печи.

Процесс доменной плавки является непрерывным. Сверху в печь загружают исходные материалы (агломерат, окатыши, кокс), а в нижнюю часть подают нагретый воздух и газообразное, жидкое или пылевидное топливо.

Газы, полученные от сжигания топлива, проходят через столб шихты и отдают ей свою тепловую энергию. Опускающаяся шихта нагревается, восстанавливается, а затем плавится.

Большая часть кокса сгорает в нижней половине печи, являясь источником тепла, а часть кокса расходуется на восстановление и науглероживание железа.

Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество материалов. Современная доменная печь расходует около 20000 тонн шихты в сутки и выдает ежесуточно около 12000 тонн чугуна.

Как работает

Для обеспечения непрерывности работы, возле домны устанавливается склад для окатышей (агломерата), флюса и кокса – бункер, предназначенный для составления шихты.

Поставки сырья в бункеры, как и подача шихты к засыпным устройствам на колошник, производится по непрерывной схеме с использованием транспортеров.

Опускаясь под своей массой, шихта попадает в среднюю часть печи, где под воздействием горячих газов, образующихся в результате сгорания кокса, железорудный материал нагревается, а оставшиеся газы выходят через колошник.

В горне, который находится внизу печи, располагаются аппараты для подачи под давлением горячих воздушных потоков – фурмы. В фурмах имеются окошки с термостойкими стеклами, позволяющие производить визуальный контроль процесса.

Обратите внимание: для защиты от воздействия высоких температур устройства охлаждаются водой по имеющимся внутри каналам.

В процессе горения происходит соединение кокса и кислорода с образованием углекислого газа.

Воздействие высокой температуры на углекислый газ превращает последний в отнимающий у руды оксид углерода и восстанавливает железо. Процесс образования чугуна происходит после прохождения железа сквозь слои раскаленного кокса. В результате такого процесса, железо насыщается углеродом.

После того как чугун в горне накопился, жидкий металл выпускается через находящиеся внизу отверстия – летки. В первую очередь через верхнюю летку выпускается шлак, а затем, через нижнюю летку – чугун. По специальным каналам чугун сливается в размещенные на железнодорожных платформах ковши и транспортируется на дальнейшую обработку.

Для производства стали используется чугун, который называется переделочным – он составляет до 80% производства.

Переделочный чугун транспортируется в сталелитейный цех с конверторами, мартеновскими или электрическими печами. В современных, огромного размера домнах для поддержания процессов горения используется не только потоки горячего воздуха, но и чистый кислород, применяемый вместе с природным газом.

Такая технология позволяет расходовать меньшее количество кокса, но является технологически более сложной. Поэтому для контроля процесса производства, выбора оптимальных режимов плавки используются компьютеры, способные вести одновременный анализ работы всех систем.

Смотрите познавательное видео, в котором описываются принцип работы и нюансы функционирования доменной печи:

Устройство домны

Современная печь – это огромная конструкция весом до 35000 т и высотой до 40 м. Чтобы многолетняя выплавка без простоев была возможной, печь должна быть прочной и надёжной. Снаружи устройство покрыто стальным кожухом – основа облицована толстыми листами (до 4 см).

Изнутри расположена огнестойкая футеровка. Она нуждается в постоянном охлаждении, поэтому внизу монтируют металлоёмкости, в которых циркулирует вода. Поскольку жидкости нужно очень много, иногда применяют охлаждение испарением. Суть метода – в испарении кипящей воды, активно поглощающей при этом тепловую энергию.

Рисунок 2. Устройство доменной печи

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

• колошником (колосником);
• распаром;
• шахтой;
• горном;
• заплечиками.

Колошник

Это верхний элемент, который служит для загрузки сырья (шихты) и отвода отработанных газов. Главная часть колошника – засыпной агрегат. В большинстве случаев аппараты для засыпки шихты двуконусные. Между засыпками оба конуса прикрыты. После подачи сырья меньший элемент опускается, и железная руда попадает в больший. Как только набирается необходимая порция, малый конус закрывается, из большого руда попадает в печь. После этого герметизируется и крупное устройство.

Более продвинутые домны имеют улучшенную конструкцию колошника. Роль большого конуса играет вращающийся желоб с регулируемым углом наклона. Благодаря этому возможна засыпка сырья с любой стороны.

Колошник служит и газоотводом. В процессе выплавки образуется огромное количество газа. Вместе с ним удаляется и железосодержащая пыль, которую улавливают газоочистители.

Рисунок 3. Схема доменного производства

Шахта

Шахта занимает большую часть печного пространства. Конструкция, расширяющаяся книзу, представляет собой усечённый конус. Благодаря этому подача шихты происходит равномерно. Доменная печь – сооружение вертикальное и достаточно высокое. Это необходимо для обеспечения хим- и термообработки сырья нагретыми газами.

Распар

Элемент в форме цилиндра расположен в средней части рабочей доменной зоны. Для распара характерен наибольший диаметр. Назначение конструкции – увеличение печного пространства и ликвидация ненужного сырья. Здесь образуется пустая порода.

Заплечики

Укороченный конусообразный вариант распара – усечённый компонент обращён широкой частью вверх. С помощью заплечиков снижают объём выплавляемой шихты при производстве чугуна.

Основная часть, в которой и происходит выплавка металлов. Здесь горит кокс и образуется газ, накапливается шлак и чугун и происходит регулярный выпуск жидкого металла из конструкции. Состоит горн из фурменной зоны и металлоприёмника. Через фурмы, посредством воздухонагревателя и кольцевого воздуховода, в печь поступает горячий воздух. Он необходим для горения топлива. Дно металлоприёмника называется лещадь.

Внизу горна находятся шлаковые и чугунные летки – отверстия, через которые проходит расплавленный металл. После выпуска чугуна отверстие закрывают с помощью поршневого механизма огнеустойчивой массой.

Шлаковые отверстия находятся на 1,5-2 м выше чугунных леток. Их закрывают с помощью стальных штопоров с наконечниками. От чугуна шлак отделяется посредством агрегата, расположенного на печном желобе. Обе составляющие подаются в специальные ковши.

Всё это гигантское сооружение имеет огромную массу. Такой вес необходимо передавать грунту равномерно. Поэтому домну устанавливают на массивном бетонном фундаменте, толщина подошвы которого может достигать 4 м. Подошва служит опорой колоннам, на которые, в свою очередь, опираются металлоконструкции. Верхнюю фундаментную часть выполняют из жаростойкого бетона в формате монолитного цилиндра.

В таблице представлена взаимосвязь размеров некоторых современных печей.

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

Назначение доменной печи и принцип работы

Производство чугуна в доменной печи является важной отраслью деятельности черной металлургии. Эта работа требует не только необходимости использования спецоборудования, но и тщательного следования определенных технологиям

Эта работа требует не только необходимости использования спецоборудования, но и тщательного следования определенных технологиям.

Выплавка производится в доменной печи из пустых пород и рудного вещества.

В роли рудного вещества может выступать красный, бурый, шпатовый, магнитный железняк или марганцевые руды.

Восстановление железа — один из основных этапов производства чугуна.

В результате этого процесса железо обретает твердость. Далее его опускают в распар, который способствует растворению углерода в железе. Таким образом, происходит образование чугуна. Именно в горячей части печи начинает плавиться сам чугун, медленно стекая в нижнюю часть.

Принцип работы доменной печи зависит от вида этого громоздкого приспособления.

Существуют печи коксовые и древесноугольные.

Первые работают на коксе, вторые, соответственно – на древесном угле.

Шахтная печь рассчитана на непрерывный принцип действия. Форма данного оборудования представляет собой два конуса, сложенных широкими сторонами основаниями. Между этими конусами расположена часть печи, обладающая цилиндрической формой – распар.

Принцип работы доменной печи выражается в несколько физико-химических операциях. Наличие этих операций определяется температурной областью самой печи и загруженностью материала.

В целом, можно выделить такие процессы:

• процесс разложения известняка, в результате которого образуется угольный ангидрид и окись кальция;
• восстановление железа и прочих элементов;
• науглероживание железа;
• металлоплавление;
• возникновение и плавление шлака;
• сгорание топлива и прочие.

Воздухонагреватель доменной печи — аппарат, в котором происходит предварительный нагрев воздуха. Затем этот воздух подается в печь.

Раннее оборудование для выплавки чугуна не имело такого элемента, как воздухонагреватель. Разработка устройства позволила намного уменьшить затраты топлива.

Принцип работы доменной печи основан на сложных физико-химических процессах.

Выделяют такие операции:

• сгорание топлива;
• восстановление железа;
• разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид;
• насыщение железа углеродом;
• плавка металла;
• плавление шлака и др.

В самом общем смысле доменная плавка – это производство чугуна из железорудного сырья.

Главные материалы, с помощью которых возможна выплавка чугуна:

• топливо – кокс;
• железная руда – сырьё, из которого выплавляют чугун;
• флюс – спецдобавки из песка, известняка и некоторых других материалов.

В печи шихта попадает в виде мелкопородных сплавленных кусков – окатышей или агломератов. В качестве рудного вещества могут выступать марганцевые руды или различные вариации железняка. Сырьё засыпают в колошник слоями, чередуя с пластами флюса и кокса.

Шлак всплывает на поверхности раскалённого чугуна. Примеси сливают до того, как жидкий металл застынет.

Подача сырья, как и работа печи, должна быть непрерывной. Постоянство процесса обеспечивают специальные транспортёры. Попадая через описанные элементы в горн, шихта проходит через ряд технологических процессов.

Сгорающий кокс даёт требуемую температуру, которая не должна опускаться ниже 2000 градусов. Горение способствует соединению кислорода и каменного угля. Параллельно образуется углекислый газ. Под влиянием высокой температуры последний становится оксидом углерода. Благодаря этому восстанавливается железо.

Чугун становится таковым после того, как железо пройдёт через расплавленный кокс. Чтобы результат стал возможным, железо должно насытиться углеродом. К чугунам относят сплавы, в составе которых на долю углерода приходится 2-5%.

После того, как готовый металл накопился в горне, его выпускают через летки. Через верхнее отверстие сначала выпускают шлак, а после – через нижнее – чугун. Последний сливается по каналам в ковши и отправляется на последующую обработку.

Какие химические реакции протекают в доменной печи при восстановлении?

Доменная печь работает по принципу противотока:
Шихтовые материалы – агломерат, кокс и др. – загружают сверху, а снизу вверх движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива (кокса).
В доменной печи протекают следующие основные процессы: Восстановление железа. Этот процесс происходит последовательно от высших оксидов к низшим и далее к чистому металлу : Fe2O3 > Fe3O4 > FeO > Fe Главными восстановителями железа в доменной печи являются СО и кокс.
1) Оксид углерода(II) образуется при взаимодействии углекислого газа с раскалённым коксом: C + CO2 = 2CO
2) Восстановление оксидом углерода называется косвенным (непрямым) восстановлением и происходит по реакциям 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 FeO + CO = Fe + CO2
3) Восстановление твердым углеродом называется прямым восстановлением. Оно происходит при температурах выше 950-10000 С (зона распара печи) по реакции FeO + C = Fe + CO Следует отметить, что эта реакция отражает лишь конечный результат процесса прямого восстановления, который протекает в две стадии: FeO + CO = Fe + CO2 CO2 + C = 2CO FeO + C = Fe + CO2 Непосредственное восстановление оксидов железа при контакте с углеродом кокса практически не происходит.
4) Уже в шахте доменной печи при температурах выше 400-5000С наряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание за счет оксида углерода СО по реакции: 3Fe + 2CO = Fe3 C + CO2 Карбид железа Fe3С хорошо растворяется в твердом железе и постепенно образуется сплав железа с углеродом. Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение имеют состав, свойства и количество шлака.
Восстановление других элементов:
SiO2 + 2C = Si + 2CO
MnO + C = Mn + CO
Ca3(PO4)2 + 5C = 2P + 3CaO + 5CO
5) Шлакообразование:
Известняк CaCO3 при высокой температуре разлагается:
CaCO3 = CaO + CO2
Оксид кальция взаимодействует с оксидами пустой породы:
CaO(тв.) + SiO2(тв.)= CaSiO3(ж.)
CaO (тв.) + Al2O3(тв.) = Ca(AlO2)2(ж.)
3СаО(тв.) + Р2О5(тв.) = Са3(РО4)2(ж.)
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ.

Сталь —сплав железа с углеродом (и другими элементами). СОДЕРЖАНИЕ УГЛЕРОДА В СТАЛИ НЕ БОЛЕЕ 2,14 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Сущность процесса:
• уменьшение содержания углерода;
• возможно более полное удаление S и P;
• доведение содержания Si и Mn до требуемых пределов.
Сырьё:
• передельный чугун;
• железный лом;

3) FeO + Н2 = Fe + Н2O +Q
Реакции косвенного восстановления начинаются при температурах 400 – 500 °С (первая реакция) и заканчиваются при 900 – 950 оС (третья реакция). Косвенное восстановление имеет большое значение, т.к. за счет него восстанавливается 60 – 80 % всего железа, и лишь остальная часть восстанавливается твердым углеродом кокса (прямое восстановление).
Прямое восстановление железа происходит в зоне распара печи при температуре 950 – 1000 °С по реакции FeO + CO = Fe + CO2 — Q.
В прямом восстановлении участвует только низший оксидFeО, который один присутствует в шихте при этих температурах.
Науглероживание железа. Восстановление железа заканчивается при 1300–1400 °С в распаре печи. При этих температурах восстановленное железо (Тпл.=1539 °С) находится в твердом состоянии в виде пористой губчатой массы. Наряду с реакциями восстановления железа происходит его науглероживание при температурах более 500 °С за счет взаимодействия с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом по реакции 3Fe + 2CO = Fe3С + CO2+Q.
Продуктом науглероживания является карбид железа Fe3С, который хорошо растворяется в твердом железе и постепенно образует сплав железа с углеродом. При концентрации углерода в сплаве

4,3 мас. % температура плавления уменьшается до 1147 °С. В результате в нижней части печи на уровне распара и заплечиков начинается плавление. Жидкий расплав – чугун – стекает вниз, омывает куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. В расплаве также растворяются восстановленные марганец, кремний, фосфор (из руды), а также сера (из кокса). Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение имеют состав, свойства и количество шлака.
Восстановление других элементов. В доменную печь с шихтовыми материалами попадают Mn, Si, S, P, As и др. элементы в виде различных химических соединений. Эти элементы частично или полностью восстанавливаются и входят в состав чугуна, улучшая или ухудшая его свойства. Эти примеси считают постоянными и подразделяют их на вредные (S, P, Pb, As) и полезные (Mn, Si)
Марганец и кремний частично восстанавливаются и переходят в состав чугуна. Другая часть в виде MnO и SiO2 входит в состав шлака. Фосфор полностью восстанавливается и входит в состав чугуна. Сера образует летучие соединения (SO2 и H2S) и в значительной части удаляется с газом при нагреве шихты. Определенная ее часть взаимодействует с известью CaO и переходит в шлак. Большая часть (до 50 %) серы взаимодействует с железом и входит в состав чугуна. Сера – наиболее вредная примесь в чугуне и стали, поэтому разрабатывают различные способы ее удаления из металла как доменные, так и внедоменные. В состав чугуна могут попасть и другие примеси, если они содержатся в руде (никель, хром, ванадий).

При более высоких температурах n должно быть больше трех. Аналогичным образом можно рассчитать значения коэффициентов для других восстановительных реакций.
Для сравнения условий равновесия при взаимодействии окислов железа с окисью углерода и водородом совместим обе диаграммы (рис. 49 и 50) в одной (рис. 51). Видно, что при температурах ниже 810° (1083°К) окись углерода может быть использована лучше, чем водород, так как в газовой фазе допустимо большее содержание СО2, чем Н2О, при температурах же выше 810° водород используется лучше, чем окись углерода. Иначе говоря:

Рассмотрим подробнее условия восстановления железа в печи. В доменной печи восстановление происходит главным образом посредством окиси углерода. Независимо от восстановительной работы окись углерода может претерпевать химическое превращение, описываемое реакцией:

Равновесные составы при постоянном давлении смещаются в сторону возрастания СО, и убывания СО при понижении температуры и охлаждении системы и, наоборот, в сторону убывания СО2 и возрастания СО при сообщении системе тепла извне.
С другой стороны, при постоянной температуре и заданном давлении устанавливается также определенное отношение СО : СО2 в равновесной смеси. При этом согласно принципу подвижного равновесия реакция 2СО > СО2 + С должна смещаться вправо при увеличении давления и влево при уменьшении давления. В первом случае отношение СО : СО2 в равновесной смеси уменьшается, во втором — увеличивается.

Таким образом, для каждого давления в системе координат «температура — состав газовой фазы» получаем кривую, а для разных давлений — семейство кривых. Каждая точка на кривой определяет состав газовой фазы (СО и СО2), равновесный при заданных температуре и давлении.
Данные о равновесных состояниях приведены на рис. 52. Две равновесные линии построены для 1 ат и 0,4 ат.

Каждая кривая представляет совокупность точек, дающих равновесные состояния, и делит поле диаграммы на две части. Любая точка поля соответствует неравновесному составу газа при некоторой температуре, но этот состав при условиях, заданных точкой поля, стремится к равновесному.
Так, газ состава 20% СО и 80% СО2 при температуре 700° (точка а), стремясь к равновесию, будет изменяться так, что в нем будет возрастать СО и убывать СО2 до тех пор, пока не установится состав; 60% СО и 40% СО2 при давлении 1 ат (а1) или 70% СО и 30% СО2 при давлении 0,4 ат (а2). Наоборот, газ, содержащий 80% СО и 20% СО2, при той же температуре (точка Ь) будет изменяться в сторону уменьшения СО и возрастания СО2, пока не будут достигнуты те же составы. Область влево от каждой кривой, следовательно, определяет течение экзотермической реакции выделения сажистого углерода (реакция Белла), а вправо от кривой — эндотермической реакции восстановления углекислоты углеродом до окиси углерода. Реакция СО2 + С > 2СО, усиливающаяся с повышением температуры и притоком тепла, протекает весьма быстро, так что равновесие устанавливается почти мгновенно; обратная же реакция 2СО > СО2 + С протекает, наоборот, медленно, и при низкой температуре для достижения равновесного состава требуются иногда десятки часов. Катализатор, например свежевосстановленное губчатое железо, ускоряет течение этого процесса.
Между тем, в доменной печи газы находятся в течение нескольких секунд. Такой продолжительности достаточно для достижения равновесных состояний при высоких температурах, но совершенно недостаточно при низких, так как катализатора (свежевосстановленного железа) при этих температурах еще нет.
Если газ на колошнике при температуре 300° содержит около 10% СО2 и 30% СО, то при пересчете на сумму СО + СО2 = 100% это соответствует 25% СО2 и 75% СО (точка с). С повышением температуры газ обедняется углекислотой, и при температуре 1000° в нем содержится ничтожное количество СО2 и около 100% СО (точка d). Если провести пунктирную линию, соединяющую точки с и d, можно увидеть, как резко реальные составы газов в печи отличаются от равновесных при температурах ниже примерно 700—800°. Рассматриваемая линия на рис. 52 отражает ту же закономерность, что и линия II на рис. 47.
На рис. 52 отражены реальные изменения состава газа, полученные при исследованиях на разных горизонтах различных печей. Прямые I и II ограничивают область возможных изменений состава газа в разных случаях. Линии І или II с равновесной кривой пересекаются приблизительно при температуре 900°, иногда при 700—1000°.
Следовательно, при температурах ниже 700—800° реальный газ содержит СО больше, а СО2 — меньше равновесного. При высоких температурах, когда в равновесии может находиться ничтожное количество СО2, реальный и действительный составы газов совпадают. Если же в действительном газе СО2 окажется больше равновесного, то через доли секунды и это количество СО2 перейдет в CO, приблизив реальный газ к равновесному.
При совмещении диаграмм рис. 49 и 52 в одной системе координат получаем рис. 53. Если бы в печи достигались равновесные составы смесей СО и СО2 в присутствии углерода, то при температуре ниже 647° (точка d) не удалось бы получить FеО из Fе3O4, а при температуре ниже 685° (точка е) невозможно было бы восстановление FеО до Fе. В этом нетрудно убедиться, взяв любой состав газа при этих температурах.

В действительности, однако, поскольку равновесие не достигается, FеО и Fе могут появиться при температурах ниже 647 и 685°.
Из рассмотрения кривых рис. 52 и 53 видно, что при температурах выше 700—900°, когда равновесные составы газа содержат ничтожные количества СО2, а скорость реакции СО2 + С > 2СО велика, образующаяся СО2 будет переходить в СО, расходуя углерод и поглощая тепло. При этом указанный процесс, слабо развитый при 700°, усиливается по мере повышения температуры, а при температуре выше 1000°, по-видимому, вся возникающая в газовой фазе углекислота расходуется на указанную реакцию. Наоборот, при температуре ниже 700° и частично при 700—900° имеющийся углекислый газ не реагирует с углеродом, так как содержание СО2 в реальных газах намного ниже равновесного.
Поэтому реакция получения железа из его закиси до температуры 700—900° может быть выражена так:

При этом выделившаяся СО2, не реагируя с углеродом, уносится с газом из печи. Так же могут быть написаны в тех же условиях и реакции восстановления Fе3O4 из Fе2О3 и FеО из Fе2O4 или реакции восстановления Ре окисью углерода непосредственно из Fе2О3 и Fе3O4.
При температурах выше 900—1000° (и частично при 700—900°) СО2, будет реагировать с углеродом, давая окись углерода, почему сам процесс восстановления может происходить без избытка СО (коэффициент n при СО в этом случае близок к единице), поскольку получающаяся СО2 немедленно расходуется на реакцию с углеродом и не успевает окислить восстановленное железо. Процесс в этом случае представится реакциями:

Экзотермически восстановительный процесс, газообразным продуктом которого является углекислота, называется непрямым (косвенным) восстановлением; эндотермический же процесс в результате которого образуется окись углерода, называется прямым восстановлением.
Следовательно, отделение кислорода от окисла осуществляется в обоих случаях с помощью СО. Разница только в температурных условиях процесса и в конечном (газовом) продукте восстановления.
Реакция FеО + С > Fе + СО, описывающая процесс прямого восстановления, указывает только начальное и конечное состояния системы, совсем ничего не говоря о том. каким путем процесс этот совершился.
Можно также допустить, что углерод действительно отнимает кислород у закиси железа. Имеются данные о более или менее значительном развитии этого процесса в некоторых случаях. Однако этот вопрос еще не решен, и многие утверждают, что контакт угле-рода-восстановителя непосредственно с окислом возможен лишь в ограниченном масштабе. Вместе с тем значительное количество железа, переходящего в чугун, восстанавливается как раз прямым путем, т. е. с поглощением тепла, но, по-видимому, большей частью через газовую фазу.
При прямом восстановлении окись углерода играет как бы роль переносчика кислорода: она извлекает кислород из руды, проникая вглубь куска через поры, куда твердый углерод проникнуть не может, и передает этот кислород углероду.
Аналогичную роль в доменном процессе играет и водород с тем отличием, что, будучи гораздо лучшим восстановителем, чем окись углерода, водород ускоряет восстановление не только твердым углеродом, но и окисью углерода.
Там, где восстановление окисью углерода или углеродом протекает недостаточно энергично, восстановление водородом пойдет энергичнее. При этом полученный водяной пар в газовой фазе реагирует с СО или с углеродом, отдавая кислород и восстанавливаясь снова до водорода. Водород облегчает восстановление железа окисью углерода так же, как окись углерода облегчает восстановление твердым углеродом.
Процесс может быть выражен для случая взаимодействия образовавшегося водяного пара с окисью углерода

при взаимодействии водяного пара с углеродом:

Аналогичные реакции могут быть написаны для Fе2О3 и Fе3O4.
При этом окончательный тепловой эффект в каждом из двух рассмотренных случаев не зависит от участия в процессе водорода и водяного пара; он оказывается равным эффекту непрямого (II, 17) либо прямого (II, 18) восстановления. Водород также является переносчиком кислорода от окисла к углероду или окиси углерода, подобно тому, как в ранее рассмотренном процессе прямого восстановления аналогичную роль играла окись углерода. Водород, таким образом, в доменном процессе в качестве восстановителя может не расходоваться, несмотря на его огромное участие в процессе восстановления; при этом окончательное его содержание в газе может не измениться, а иногда даже и увеличиться.
Реакция восстановления Fе из Fе3O4 непосредственно

приводит к образованию жидкого расплава, который каплями начинает стекать в горн.
Эти капли, протекая по кускам кокса, насыщаются углеродом (4 % и более),марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1000 … 1200 °С восстанавливаются из руды, а также обогащаются серой, содержащейся в коксе.
Марганец в виде оксидов в доменную вносится железной, марганцевой рудами или агломератом и восстанавливается в шахте по реакции аналогичной восстановлению оксидов железа:
МnО2 -> Мn2O3 -> Мn4О3 -> МnО
Оксид марганца (Мn0) восстанавливается только твердым углеродом с образованием карбида марганца (Мп3С) при температуре не ниже 1100°с Карбид марганца растворяется в железе, повышая содержание марганца и углерода в чугуне. Другая часть МnО входит в состав шлака.
Кремний, содержащийся в руде в виде SlO2 также частично восстанавливаетcя твердым углеродом и растворяется в железе. Другая часть SiO2 переходит в шлак. Кремний восстанавливается при
температурах не ниже 1450 С.
Фосфор содержится в руде в виде соединений (FeO)3 • Р2О5 и (СаО)3 • Р2О5. При температурах выше 1000°С фосфатжелеза восстанавливается оксидом угле­рода и твердым углеродом с образованием фосфида железа. При температурах выше 1300 °С фосфор восстанавливается из фос­фата кальция. Фосфор и фосфид железа Fe3P полностью растворяются в железе.
Сера присутствует в коксе и руде в виде органической серы и соединений FeS2, FeS, CaSO4. Сера летуча, и поэтому часть ее удаляется с газом при нагреве шихты в печи, а часть в виде серы и FeS растворяется в чугуне. Вследствие реак­ции
FeS + СаО = CaS + FeO
часть серы в виде CaS удаляется в шлак. Фосфор и сера в чугуне являются вред­ными примесями.
Таким образом, в результате, процес­са восстановления оксидов железа, части оксидов марганца и кремния, фосфатов и сернистых соединении, растворения в железе С, Mn, Si, P, S в доменной печи образуется чугун.
Образование шлака. Шлакообразова­ние активно происходит в распаре после окончания процессов восстановления же­леза путем сплавления флюсов, добавляе­мых в доменную печь для обеспечения достаточной жидкотекучести при темпе­ратуре 1400 … 1450 °С, оксидов пустой породы и золы кокса. Основные составля­ющие доменного шлака: оксиды кремния (30 …45 %), оксиды кальция (40 … 50 %), оксид алюминия (10 … 25 %) и другие компоненты. Шлак стекает в горн и скап­ливается на поверхности жидкого чугуна благодаря меньшей плотности.
Чугун выпускают из печи каждые 3 … 4 ч, а шлак — через 1 … 1,5 ч. Чугун выпускают через чугунную летку 16 (см. рис. 2.1) — отверстие в кладке, располо­женное несколько выше лещади, а шлак — через шлаковую летку 17. Чугунную летку открывают бурильной машиной, после выпуска чугуна ее закрывают огнеупор­ной массой. Чугун и шлак сливают в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши. Чугун транспортируют в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи для передела в сталь. Чугун, не используемый в жидком виде, разливают в изложницы разливочной машины, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.
Продукты доменной плавки.Чугун -основной продукт доменной плавки. В до­менных печах получают чугун различного химического состава в зависимости от его назначения.
Передельный чугун выплавляют для передела его в сталь в конвертерах или мартеновских печах. Он содержит 4 …4,4 % С, 0,6 … 0,8 % Si, 0,25 … 1,5 % Mn, 0,15 … 0,3 % Р и 0,03 …0,07 % S.
Литейный чугун используют на ма­шиностроительных заводах при производ­стве фасонных отливок. Он содержит 2,75 … 3,25 % Si. Кроме чугуна в домен­ной печи выплавляют ферросплавы до­менные — сплавы железа с кремнием, мар­ганцем и другими элементами, применяе­мые для раскисления и легирования стали. К ним относятся ферросилиций (9 … 13 % Si и до 3 % Мn), ферромарганец (70 … 75 % Мn и до 2 % Si), зеркальный чугун (10 … 25 % Мn и до 2 % Si).
Побочные продукты доменной плав­ки — шлак и доменный газ. Из шлака изго­товляют шлаковату, цемент, шлакоситаллы, а доменный газ после очистки исполь­зуют как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь.

Кроме железа, в доменной печи происходит восстановление и других элементов, входящих в состав шихты.
2.1. Марганец
Марганец содержится во всех железных рудах в больших или меньших количествах. В соответствии с принципом последовательных превращений, оксиды марганца восстанавливаются последовательно от высших к низшим:
MnO2 > Mn2O3 > Mn3O4 > MnO > Mn.
Высшие оксиды марганца в доменной печи восстанавливаются полностью до MnO непрямым путем, взаимодействуя с СО. Оксид MnO восстанавливается только прямым путем, и то, частично по реакции:
MnO + С = Mn + СО.
Взаимодействуя с твердым углеродом, MnO образует карбид Mn3C, который растворяется в железе, повышая содержание марганца и углерода в чугуне. Другая часть MnO переходит в шлак.
2.2. Кремний
Кремний попадает в доменную печь с шихтой в виде SiO2. Восстановление его, как и марганца, осуществляется частично при высоких температурах твердым углеродом:
SiO2 + 2C = Si + 2CO.
Другая часть SiO2 переходит в шлак, а восстановленный кремний растворяется в железе.
2.3. Фосфор
Фосфор в шихтовых материалах находится в виде соединений (FeO)3 ? P2O5 и (СаО)3 ? P2O5. При температурах выше 1000 °С фосфат железа восстанавливается оксидом углерода и твердым углеродом с образованием фосфида железа Fe3P. При температурах выше 1300 °С фосфор восстанавливается из фосфата кальция. Фосфор и фосфид железа полностью растворяются в железе. Условия доменной плавки не позволяют удалить из металла фосфор. Весь фосфор, содержащийся в шихте, восстанавливается и полностью переходит в чугун. Поэтому, единственным способом получения малофосфористых чугунов является использование чистых по фосфору шихтовых материалов.
2.4. Сера
Сера, наряду с фосфором и мышьяком, относится к вредным примесям чугуна, ухудшающим качество металла. Поэтому, большое внимание уделяется проблеме снижения серы в чугуне, а затем и в стали. Сера может присутствовать в шихтовых материалах в виде органической серы и соединений FeS2, FeS, СaSO4. Независимо от формы, в которой она присутствует в шихте, большая часть серы растворяется в чугуне в виде FeS. Задача удаления серы из чугуна заключается в том, чтобы максимальное количество серы перевести из металла в другие продукты доменной плавки – газ и шлак. Сера летуча, и поэтому часть ее удаляется с газом при нагреве шихты в печи. Количество серы, удаляющееся с газовой фазой невелико – от 5 до 10% от общего содержания серы в шихте. Большая часть серы переводится в шлак в результате химического взаимодействия серы чугуна с оксидом кальция, что требует повышенного содержания СаО в шлаке:

Доменная печь работает по принципу противотока. Шихтовые материалы – агломерат, кокс и др. – загружают сверху при помощи засыпного (загрузочного) аппарата. Навстречу опускающимся материалам снизу вверх движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива (кокса), а также природного газа. В доменной печи протекают следующие основные процессы: Восстановление железа. Этот процесс происходит последовательно от высших оксидов к низшим и далее к чистому металлу : Fe2O3 – Fe3O4 – FeO – Fe Главными восстановителями железа в доменной печи являются оксид углерода(I) и твердый углерод кокса. Оксид углерода(I) образуется при взаимодействии углекислого газа с раскалённым коксом: C + CO2=2CO Восстановление оксидом углерода называется косвенным (непрямым) восстановлением и происходит по реакциям 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + Q; Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 — Q; FeO + CO = Fe + CO2 + Q. Восстановление Fe2O3 начинается при сравнительно низких температурах (400-5000С) в верхней части шахты печи. По мере опускания рудных материалов повышаются температура и содержание СО в доменных газах; при этом создаются условия для окончательного восстановления железа. Эти процессы заканчиваются в нижней части шахты печи при температурах около 900-9500 С. Значение косвенного восстановления очень велико. В зависимости от условий работы печи оксидом углерода СО восстанавливается 60-80% всего железа. Остальная часть железа восстанавливается твердым углеродом. Восстановление твердым углеродом называется прямым восстановлением. Оно происходит при температурах выше 950-10000 С (зона распара печи) по реакции FeO + C = Fe + CO – Q. Следует отметить, что эта реакция отражает лишь конечный результат процесса прямого восстановления, который протекает в две стадии: FeO + CO = Fe + CO2 + Q CO2 + C = 2CO– Q FeO + C = Fe + CO2 – Q Таким образом, при прямом восстановлении расходуется только углерод кокса, хотя реагентом, взаимодействующим с FeO, является оксид углерода СО. Непосредственное восстановление оксидов железа при контакте с углеродом кокса практически не происходит. Уже в шахте доменной печи при температурах выше 400-5000 С наряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание за счет оксида углерода СО по реакции: 3Fe + 2CO = Fe3 C + CO2 + Q. Карбид железа Fe3С хорошо растворяется в твердом железе и постепенно образуется сплав железа с углеродом. С увеличением содержания углерода температура плавления сплава значительно понижается и достигает минимального значения 11470С при 4,3%. В зонах печи с высокими температурами – обычно в нижней части шахты – начинается плавление сплава. Жидкий сплав – чугун, стекая вниз, омывает куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. В нем также растворяются восстановленный марганец, кремний, сера и другие примеси. Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение имеют состав, свойства и количество шлака. Восстановление других элементов. В доменную печь с шихтовыми материалами попадают марганец, кремний, сера и другие элементы в виде различных химических соединений. Эти элементы частично или полностью восстанавливаются и входят в состав чугуна, улучшая или ухудшая его свойства. Постоянными полезными примесями чугуна являются марганец и кремний, вредными – сера и фосфор. Марганец – постоянная примесь железных руд. При выплавке чугунов с повышенным содержанием марганца в доменную печь загружается марганцовая руда. Высшие оксиды марганца восстанавливаются до оксида марганца MnO окисью углерода, аналогично окислам железа: MnO2 — Mn2O3 — Mn3O4- MnO. Закись марганца восстанавливается твердым углеродом по реакции: MnO + C = Mn + CO – Q. Эта реакция протекает при температурах выше 11000 С с поглощением тепла. Поэтому для восстановления марганца требуется увеличить расход кокса и температуру дутья. Например, при выплавке зеркального чугуна с 10-25% Mn расход кокса увеличивается в 2-2,5 раза. Значительная часть MnO находится в виде силикатов, из которых может быть выделена известью. Таким образом, дополнительным условием для увеличения степени восстановления марганца является достаточное количество извести CaO в шлаке, т.е. его повышенная основность. Кремний находится в пустой породе руды и в золе кокса в виде свободного кремнезема SiO2 или в виде силикатов (SiO2·2СaO и др.). Восстановление кремния происходит из кремнезема SiO2 по реакции: SiO2 + 2С = Si + 2СО – Q. По-видимому, кремний восстанавливается из SiO2 и карбидом железа Fe3C. Эта реакция протекает с поглощением тепла при температурах не ниже 14500
С. Поэтому для выплавки чугуна с повышенным содержанием кремния необходимо значительно увеличивать расход кокса и применять высокотемпературное дутье, обогащенное кислородом. Для увеличения количества свободного кремнезема в шлаке необходимо уменьшать в нем содержание извести CaО, т.е. понижать его основность. Другие полезные примеси – никель, ванадий, титан и т.д. – попадают в доменную печь в виде примесей железной руды. При доменной плавке никель восстанавливается и переходит в чугун полностью, хром – на 85-95%, ванадий – на 70-80%. Фосфор – вредная примесь железных руд находится в них главным образом в виде P2O5· 3СaO. Восстановление фосфора происходит окисью углерода СО, водородом, а также твердым углеродом. Весь фосфор, внесенный шихтой, восстанавливается и переходит в чугун практически полностью. Сера – особенно вредная примесь в чугуне (а также в стали). Основное количество серы вносит кокс, часть – железная руда. В доменной печи 10-20% серы удаляется в виде соединений. Остальная часть серы переходит в чугун и в шлак в виде сульфидов FeS, CaS и др. Сульфид железа FeS хорошо растворяется в чугуне. В условиях доменной плавки основным способом десульфурации, т.е. удаления серы из металла, является образование сульфида кальция CaS по реакции FeS + CaO = FeO + CaO + Q. Сульфид кальция CaS нерастворим в чугуне и находится в шлаке. Наиболее интенсивно эта реакция протекает при прохождении капель чугуна через слой шлака. Из этой реакции следует, что одним из основных условий удаления серы из металла является достаточное количество извести CaO в шлаке. Удалению серы способствует высокая температура в горне; с нагревом уменьшается вязкость шлака, что улучшает диффузию сульфидов и способствует восстановлению FeO. Часть серы удаляется с помощью MgO (всегда содержащемся в шлаке), а также марганца по реакциям FeS + MgO = FeO + MgS и FeS + Mn = Fe + MnS. Сульфид магния MgS нерастворим в металле, а сульфид марганца MnS растворяется незначительно. Широкое распространение получило внедоменное удаление серы из чугуна. При выдержке его в ковшах-чугуновозах и в миксере часть серы может переходить из металла в шлак в виде сульфида марганца MnS, так как растворимость этого соединения в металле при понижении температуры уменьшается. Такой способ дает хорошие результаты при содержании в чугуне более 2% Mn. Одним из опробованных в промышленных масштабах способов внедоменного удаления серы является обработка чугуна в выпускном желобе или в чугуновозе содой NaCO3 (1% от массы чугуна). Сера удаляется по реакции: FeS + NaCO3 = FeO + Na2S + CO2. Образующийся при этом сернистый натрий Na2S переходит в шлак. В настоящее время проводят исследование работы по изысканию других недефицитных и дешевых реагентов. Шлакообразование начинается примерно в распаре печи. Первичный шлак образуется в результате сплавления CaO, SiO2, Al2O3 и других окислов, находящихся в составе флюса и пустой породы руды. При определенных соотношениях по массе эти тугоплавкие окислы могут образовывать легкоплавкие смеси – сплавы с Т пл = 1150-12000 С. Стекая вниз и накапливаясь в горне, шлак существенно изменяет свой состав. В результате взаимодействия с расплавленным чугуном и остатками несгоревшего кокса в шлаке восстанавливаются окислы железа и марганца, в нем растворяются FeS, MnS, зола кокса и т.д. Химический состав шлака определяет состав чугуна и поэтому при выплавке передельных, литейных и других чугунов всегда подбирают шлак соответствующего состава. Типовой состав шлака: 40-50% CaO; 38-40% SiO2; 7-10% Al2O3.

Закономерности восстановления железа выявлены академиком Байковым А.А.
Восстановление железа происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте и повышения температуры от высшего оксида к низшему, в несколько стадий:

Температура определяет характер протекания химических реакций.
Восстановителями окcидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород.
Восстановление твердым углеродом (коксом) называется прямым восстановлением, протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры, по реакции:

Восстановление газами ( и ) называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям:

За счет и восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40…60 % металлического железа.
При температуре 1000…1100 0C восстановленное из руды твердое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод. При насыщении углеродом температура плавления понижается и на уровне распара и заплечиков железо расплавляется (при температуре около 1300 0С).
Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4%), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1200 0C восстанавливаются из руды, и серой, содержащейся в коксе.
В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. Шлаки содержат . Шлак образуется постепенно, его состав меняется по мере стекания в горн, где он скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Состав шлака зависит от состава применяемых шихтовых материалов и выплавляемого чугуна.
Чугун выпускают из печи каждые 3…4 часа через чугунную летку 16, а шлак – каждые 1…1,5 часа через шлаковую летку 17 (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади).
Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши.
Чугун поступает в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи, или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

3. Восстановление элементов из их окислов

Восстановительный процесс — это химическое взаимодействие, в результате которого от окислов отнимается кислород. Восстановителями в доменной печи являются окись углерода, твердый углерод и водород. Назначение доменной плавки заключается в том, чтобы отнять кислород от окислов железа и ряда других элементов, содержащихся в шихтовых материалах.
Хорошее развитие процессов восстановления было бы невозможно без противотока газа и шихты.
Печные газы отдают тепло шихте, что обеспечивает протекание химических реакций, и удаляют газообразные продукты восстановления. На рис. 75 представлена кривая изменения температуры газа 1 и шихты 2 по высоте доменной печи.

Рис. 75. Изменение температур газа и шихты по высоте доменной печи
С повышением температуры химическое сродство металлов к кислороду снижается, а к углероду возрастает, вследствие чего при соответствующих температурах он может служить восстановителем. Это используется в доменной плавке, где основными восстановителями являются твердый углерод и его окись. Углерод поступает в доменную печь с коксом и природным газом. Содержание метана (Сн4) в природном газе составляет 95 — 97%, а содержание углерода в коксе 85 — 87%.
Восстановление элементов в доменной печи происходит двумя путями: газами (окись углерода, водородом) и твердым углеродом. В первом случае восстановление называется непрямым (косвенным), а во втором — прямым.
Основные закономерности процесса восстановления железа из его окислов были выявлены акад. А. А. Байковым. Он установил последовательность превращений при восстановлении от высших окислов до металлического железа, которую можно представить в следующем виде:
Fe2О3 > Fe3О4 > FeO > Fe.
Косвенное восстановление окисью углерода начинается при температурах 300 — 400°С и происходит по таким реакциям;
3Fe2О3 + СО = 2Fe3О4 + СО2 + 37,137 Мдж (8 870 ккал);
Fe3О4 + СО = 3FeO + СО2 — 20,892 Мдж (4990 ккал);
FeO + СО = Fe + CО2+ 13,607 Мдж (3250 ккал).
Общий тепловой эффект непрямого восстановления железа является положительным.
Восстановление водородом начинается при 300°С и протекает по такой же схеме, но все реакции сопровождаются поглощением тепла:
3Fe2О3 + Н2 = 2Fe3О4 + Н2О — 21,813 Мдж (5210 ккал);
Fe3О4 + H2 = 3FeО + H2О — 62,216Мдж (14 860 ккал);
FeO + Н2 = Fe + Н2О — 27,717 Мдж (6620 ккал).
При восстановлении окислов железа твердым углеродом происходит большое поглощение тепла:
3Fe2О3 + С = 2Fe3О4 + CO — 104,328 Мдж (24840 ккал);
Fe3О4 + С = 3FeO + CO — 190,008 Мдж (45 240 ккал);
FeO + C = Fe +CO — 153,308 Мдж (36 740 ккал).
Первая реакция начинается при температуре 390 — 400°С, а вторая и третья — при 700 — 800°С. Взаимодействие твердых окислов с твердым углеродом кокса возможно только в точках их соприкосновения, т. е. реакционная поверхность значительно меньше, чем в случае восстановления газами. Однако если окись железа находится в жидкой фазе, то взаимодействие окиси с твердым углеродом протекает более интенсивно, так как жидкая фаза как бы омывает куски кокса (так же как и газ, содержащий окись углерода, или водород омывает куски агломерата или руды). Следует также учитывать, что твердый углерод в виде сажистого углерода откладывается в порах железной руды или агломерата, что резко увеличивает реакционную поверхность и способствует протеканию восстановительных процессов. Восстановление окислов железа по высоте доменной печи проиллюстрировано на рис. 76.

Рис. 76. Восстановление железа по высоте доменной печи: а — магнитогорская; б — завода ‘Запорожсталь’
Агломерат или железная руда могут содержать силикаты железа. Такие соединения первоначально взаимодействуют с окисью кальция, имеющей большое сродство к кремнезему, в результате чего получаются силикаты кальция. Выделяющаяся при этом закись железа восстанавливается твердым углеродом со значительной, в конечном итоге, затратой тепла.
Чем больше в шихте содержится силикатов железа, тем больше расходуется горючего на выплавку чугуна. Чаще всего встречается силикат в виде Fe2SiО4, восстановление железа из которого происходит по реакциям:
Fe2SiО4 + 2СаО = Са2 SiО4 + 2FeO + 92,148 Мдж (21 940 ккал);
2FeO + 2C = 2Fe +2СО — 308,616 Мдж (73 480 ккал).
Эти реакции начинают хорошо протекать при температуре 800 — 850°С. Силикаты железа могут восстанавливаться окисью углерода в незначительных количествах.
Непрямое восстановление сопровождается выделением небольшого количества тепла и требует много СО, получить которую можно только путем сжигания угле- рода в печи. При прямом восстановлении расходуется меньшее количество углерода, но требуется много тепла, которое можно получить в основном при сжигании углерода и путем нагрева дутья. Таким образом, в доменной печи в первом случае при получении необходимого количества окиси углерода выделяется тепло и во втором — получение тепла связано с образованием окиси углерода. Поэтому минимальный расход углерода на восстановление в целом может быть тогда, когда лучше используется восстановительная энергия газов в печи, что достигается оптимальным распределением в первую очередь шихтовых материалов на колошнике и хорошим качеством агломерата (отсутствие мелочи, достаточная прочность, хорошая восстановимость).
Процессы восстановления могут протекать быстро и медленно. Это зависит от ряда условий, в том числе от качества сырых материалов. Скорость восстановления зависит прежде всего от качества железной руды или агломерата. Под качеством необходимо понимать величину кусков, пористость, содержание трудновосстановимых окислов, пустой породы и т. д. Чем больше размер куска руды или агломерата, тем больше затрачивается времени на его восстановление. На рис. 77 показана зависимость между размером кусков руды и степенью восстановления.

Рис. 77. Зависимость между величиной куска и степенью восстановления
Однако не только величина куска, но и его пористость (в большей степени) влияет на скорость восстановления. Чем более пориста руда, тем лучше ее восстановимость (агломерат является более пористым сырьем, чем руда). Чем больше в агломерате силикатов железа и его закиси, тем резче снижается восстановимость. Объясняется это тем, что с увеличением содержания FeO температура размягчения агломерата понижается, что приводит к образованию «тестообразных» масс, закрывающих поры и ухудшающих доступ газа к окислам. Такое явление может происходить и у руд, если температура их размягчения низкая.
На рис. 78 представлены зависимости степени восстановления от содержания в агломерате закиси железа. Как видно из диаграммы, агломерат при температуре 1100°С восстанавливается хуже, чем при 1000°С (при одинаковом содержании FeO). Это вызвано тем, что в данном случае агломерат при более высокой температуре размягчается, теряет пористость и окислы контактируют с газом только на поверхности куска.

Рис. 78. Зависимость степени восстановления агломерата от содержания в нем закиси железа
Скорость восстановительных процессов во многом зависит от состава газа-восстановителя. Увеличение содержания в газовой смеси углекислоты и паров воды тормозит восстановление. Чем больше в отходящем из доменной печи газе додержится углекислоты, тем более полно была использована его восстановительная способность. Однако не следует забывать, что в состав отходящих газов входит и СО2, выделившаяся вследствие разложения карбонатов (в частности, известняка).
Поэтому применение офлюсованного агломерата, помимо прочих преимуществ, позволяет освободить печь от дополнительного количества углекислоты.
Азот — инертный газ. Он непосредственно в процессе не участвует, а лишь увеличивает общее количество газа, проходящего через столб шихты, и разбавляет газ-восстановитель, что является отрицательным фактором. Поэтому определенное обогащение вдуваемого кислородом воздуха позволяет снизить содержание азота в газе и увеличить количество окиси углерода. Однако, не участвуя непосредственно в процессах восстановления, азот является основным переносчиком тепла по высоте доменной печи. Поэтому резкое уменьшение его содержания во вдуваемом воздухе (например, путем значительного обогащения дутья кислородом без проведения дополнительных специальных мероприятий) приведет к недостатку тепла в верхних частях доменной печи и к протеканию основных реакций только на нижних горизонтах. В результате материалы придут к горну неподготовленными.
Одновременно с железом в доменной печи восстанавливаются и переходят частично или полностью в чугун Si, Mn, S, Р и другие элементы. Некоторые элементы в виде окислов или соединений входят в состав шихты, некоторые из них специально вводят в шихту для получения их в составе чугуна. В частности, для получения марганцовистых чугунов в шихту вводят марганцевую руду, в которой могут содержаться следующие окислы марганца: перекись Мn2O, окись Мn2О3, закись-окись Мn3О4 и закись МnО.
Перекись и окись марганца относятся к непрочным соединениям и при воздействии на них окиси углерода отдают часть своего кислорода: первая — при температуре 565°С и вторая — при 1090°С. Закись марганца восстанавливается только твердым углеродом, что сопровождается большим поглощением тепла.
Восстановление марганца проходит по схеме:
2МnO2 + СО = ЗМn2O3 + + СO2 + 277,556 Мдж (54 170 ккал);
3Мn2О3 + СО = 2Мn3О4 + СO2 + 170,235 Мдж (40 660 ккал);
Мn3O4 + СО = 3МnО + СO2 + 51,916 Мдж (12 400 ккал);
МnO + С = Мn + СО — 287,381 Мдж (68640 ккал).
Окончательное восстановление марганца из его закиси сопровождается затратой тепла, примерно в два раза большей, чем восстановление железа из его закиси. Значительная часть закиси марганца, не успев восстановиться, соединяется с кремнекислотой и образует трудновосстановимое соединение — силикат марганца:
MnO + SiO2 = MnSiO3,
восстановление марганца из которого начинается при температуре не ниже 1300°С твердым углеродом и сопровождается большим поглощением тепла. При этом кремнекислота соединяется с окисью кальция по реакции
MnSiО3 + CaO + 0 = Mn + CaSiO3 + CO — 229,068 Мдж (54 540 ккал).
Раньше марганцевая руда при выплавке мартеновских чугунов потреблялась в больших количествах. Марганец частично соединяется с серой с образованием соединения MnS, которое удаляется со шлаком. Добавка марганцевой руды в шихту может преследовать и другие цели. При выплавке ферромарганца, или зеркального чугуна, марганец является составной частью ферросплава.
Некоторые заводы, главным образом на Юге страны, и сейчас выплавляют мартеновские чугуны с несколько повышенным содержанием марганца. Это объясняется повышенным содержанием серы в южных коксах.
Помимо того, что восстановление марганца требует большой затраты тепла, вместе с марганцевой рудой вносится также дополнительно пустая порода в виде кремнезема и глинозема, что увеличивает количество шлака. В отличие от железа марганец переходит не полностью в чугун и, восстановившись, может испаряться и уноситься газами. При высоких температурах, особенно в нижних горизонтах печи, во время выплавки ферромарганца испарение может происходить довольно интенсивно, чему способствует также большая скорость газов. Если железо при выплавке обычных чугунов распределяется между чугуном и колошниковой пылью, то марганец распределяется между чугуном, пылью и шлаком, куда его переходит чуть ли не половина. Все это делает невыгодным использование марганцевой руды при выплавке обычных чугунов.
Следующим элементом, который обязательно присутствует в чугуне, является кремний. Окислы кремния находятся во всех видах сырья, применяемого в доменной плавке (даже в золе кокса). Окислы или другие соединения кремния в шихту доменных печей, как правило, при выплавке передельных чугунов специально не добавляют.
Кремнийсодержащие породы, такие как кварциты, применяют только при выплавке доменного ферросилиция, а чистый кварц — при выплавке высококремнистого ферросилиция в электропечах. Кремний образует соединения не только с кислородом, но и с железом, марганцем и другими элементами. Восстановление кремния в доменной печи происходит твердым углеродом и сопровождается очень большим поглощением тепла:
SiO2 + 2C = Si + 2СО — 635,096 Мдж (151 690 ккал).
Чем выше содержания кремния в чугуне, тем больше расходуется горючего. На каждый процент кремния (свыше 0,7%) в чугуне необходимо около 0,1 т дополнительного расхода кокса на 1 т чугуна.
Восстановление кремния в присутствии железа начинается при температуре 1050°С, а без железа — при 1360°С. В противоположность марганцу кремний лучше восстанавливается при более кислых шлаках, так как образует кислые окислы.
К вредным примесям относятся сера, фосфор и мышьяк. Сера вносится в доменную печь рудами (агломератом), добавками, заменителями руд и коксом. Заводы Юга располагают относительно чистыми по сере рудами, но большое количество серы в южных коксах делает весьма высоким содержание ее в шихте доменных печей. В руде и флюсе сера может быть в виде пирита (FeS2) или сульфатов (CaSO4 и BaSO4), в коксе может быть в свободном виде, в соединении с углеродом или в виде сульфатов и сульфидов в золе кокса.
Сера распределяется между чугуном, шлаком, газом и пылью примерно так, как указано в табл. 14. Как видно из таблицы, большая часть серы остается в шлаке.
Сера может улетучиваться в виде паров, сернистого газа (SO2), сероводорода (H2S) и других газообразных соединений. С увеличением температуры процесс улетучивания серы из ряда ее соединений возрастает. Улетучивание сульфатной серы происходит следующим путем:
CaSO4 + 4C = CaS + 4CO;
CaS + 3CaSO4 = 4 CaO + 4SO2.
Однако если бы образующиеся в печи сернистые газы уносились из печи вместе с колошниковым газом полностью, то было бы очень легко бороться с серой в доменной печи.
Сернистое газообразное соединение SO2 при движении в печи вместе с газами быстро восстанавливается твердым углеродом и водородом, образуя соединения CS, CS2, COS, HS и H2S. Из этих соединений сера жадно поглощается шихтой, образуя сернистое железо и сернистый кальций, которые вместе с шихтой опускаются в низ печи.
Таблица 14
Распределение серы между чугуном, шлаком, колошниковой пылью и газом при различных условиях работы доменной печи

Вследствие того, что большая часть серы остается в доменной печи, получение чугуна, требуемого по сере состава, возможно только при таком составе шлака, который сможет поглотить основную ее массу, предупредив ее переход в чугун.
Фосфор и мышьяк ведут себя в доменной печи примерно одинаково. Они переходят в чугун почти полностью, за исключением тех количеств, которые могут улетучиться. Так как эти элементы вносятся в печь шихтовыми материалами в виде различных соединений (мышьяк в условиях СССР редко встречается), то они вначале восстанавливаются, а затем растворяются в чугуне. Так, например, восстановление фосфора из фосфата кальция происходит с помощью углерода и кремнекислоты при очень большом поглощении тепла:
2(СаО)3 · Р2O5 + 3SiO2 = 3(СаО)2 · SiO2 + 2Р2O5 — 920,98 Мдж (219 280 ккал);
2Р2O5 + 1 ОС = 4Р + 10CО — 1928,64 Мдж (459 200 ккал).
Восстановленный фосфор энергично испаряется и немедленно соединяется с восстановившимся железом. Поэтому он практически с газами не выносится.
Очень нежелательной примесью железных руд является цинк. Он в железных рудах встречается в виде сернистого соединения — сфалетита (цинковой обманки) или в виде кремне- и углекислых солей. Эти соединения под действием окиси кальция превращаются в окись цинка, которая восстанавливается газами при температуре более 450°С. Восстановленный цинк в чугун не переходит и, не доходя до горна, испаряется. Часть цинка уносится газами, а часть конденсируется, оседая на кусках шихты или на стенках шихты. Последнее приводит к разрушению огнеупорной кладки и образованию настылей.
Хорошо восстанавливаются в доменной печи никель и медь. Ванадий и хром восстанавливаются, но несколько труднее, и процессы восстановления их протекают примерно по такой же схеме, как и при восстановлении марганца. Хром, никель и медь, восстановившись, полностью переходят в чугун.
В условиях доменной плавки ванадий и титан переходят в чугун частично. Свинец очень хорошо восстанавливается, но в чугуне не растворяется, а из-за высокого удельного веса скапливается на лещади и способствует ее разрушению.
Окислы кальция, магния и алюминия в доменной печи не восстанавливаются, а полностью переходят в шлак.

По конкурентной цене ботинки нитрил у нас на сайте. . Сетка тканая нержавеющая нержавеющая сетка.

Восстановление железа. Этот процесс происходит последовательно от высших окислов к низшим и далее к чистому металлу:

Главными восстановителями железа в доменной печи являются окись углерода и твердый углерод кокса. Некоторое количество железа восстанавливается водородом.
Восстановление окисью углерода называется косвенным восстановлением и происходит по реакциям:

Восстановление Fe703 начинается при сравнительно низких температурах (400—500 °С) в верхней части шахты печи. По мере опускания рудных материалов повышаются температура и содержание СО в доменных газах; при этом создаются условия для окончательного восстановления железа. Эти процессы заканчиваются в нижней части шахты печи при температуре около 900—950 °С.
Одновременно в шахте печи происходит также косвенное восстановление окислов железа водородом по реакциям, аналогичным реакциям восстановления окисью углерода:

В зависимости от условий работы печи окисью углерода и водородом восстанавливаются 60—80% всего железа. Остальная часть железа восстанавливается твердым углеродом. Восстановление твердым углеродом называется прямым восстановлением. Оно происходит при температурах 950—1000°С (зона распара печи) в результате двух одновременно протекающих реакций:

Таким образом, восстановление железа начинается при 400—500°С и заканчивается при 1300—1400 °С (в распаре печи). При этих температурах железо находится в твердом состоянии в виде пористой губчатой массы.
Науглероживание железа. Науглероживание железа начинается в шахте доменной печи при температуре выше 400—500°С наряду с восстановлением железа по реакции

Карбид железа Fe3C хорошо растворяется в твердом железе и постепенно образует сплав железа с углеродом. С увеличением содержания углерода температура плавления сплава значительно понижается и достигает минимального значения 1147 °С. В результате этого, обычно в нижней части шахты, начинается плавление сплава.
Жидкий сплав — чугун, стекая вниз, омывает куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. В нем также растворяются восстановленный марганец, кремний и другие примеси. Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение имеют состав, свойства и количество шлака.
Удаление серы. Сера — особенно вредная примесь в чугуне. Основное количество серы вносит кокс, часть — железная руда, агломерат, окатыши. В доменной печи 10—20% S удаляется в виде газообразных соединений (S02, H2S и др.). Остальная часть серы переходит в чугун и в шлак в виде сульфидов FeS, CaS.
В условиях доменной плавки основным способом десульфурации, т.е. удаления серы из металла, является образование сульфида кальция CaS по реакции

Сульфид кальция CaS нерастворим в чугуне и находится в шлаке.
Фосфор — вредная примесь железных руд — находится главным образом в виде Р205 • ЗСаО. Весь фосфор, внесенный шихтой, восстанавливается и переходит в чугун практически полностью.
Шлакообразование начинается примерно в распаре печи. Стекая вниз и накапливаясь в горне, шлак существенно изменяет свой состав. Типовой состав шлака: 40—50% СаО; 38—40% Si02; 7—10% А1203.
Продуктами доменной плавки являются чугун, доменный шлак, доменный газ и колошниковая пыль.
В доменных печах выплавляют передельные и литейные чугуны, а также некоторые ферросплавы.
Доменный гранулированный шлак (полученный в результате мокрой грануляции при выливании жидкого шлака в воду) используют для производства цемента, шлаковых строительных кирпичей, блоков, щебня и т.д. Доменный газ содержит значительное количество горючих составляющих (26—32% СО, до 4% Н2), его теплотворная способность 830—930 кал/м3. После очистки от пыли (частиц руды, топлива, флюсов) доменный газ используют как топливо для нагрева воздухонагревателей доменных печей, водяных и паровых котлов. Колошниковая пыль содержит 45—50% Fe, и ее используют при агломерации.
Технико-экономическими показателями работы доменных печей
являются коэффициент использования полезного объема доменной печи КИПО и удельный расход кокса. Коэффициент КИПО (м3/т) определяется как отношение полезного объема печи V(м3) к ее среднесуточной производительности (Р) (т) выплавленного объема передельного чугуна:

Чем выше производительность доменной печи, тем ниже КИПО (для большинства доменных печей в нашей стране КИПО = 0,5—0,7). Значение этого коэффициента зависит от трех факторов: 1) сорта выплавляемого чугуна; 2) содержания пустой породы в железной руде; 3) способа подготовки шихты к плавке.
зз
Удельный расход кокса К — отношение расхода Л кокса за сутки к количеству Р в тоннах передельного чугуна, выплавленного за то же время, — составляет обычно 0,5—0,7:

Он является показателем работы доменной печи, так как стоимость кокса составляет более 50% общей стоимости чугуна.
Улучшение технико-экономических показателей работы доменной печи достигается: 1) повышением производительности доменных печей путем улучшения их конструкций; 2) использованием специальных способов подготовки шихты; 3) интенсификацией доменного процесса.
Основным направлением повышения эффективности доменного процесса является увеличение объема печей до 5000 м3 и выше, так как с увеличением полезного объема улучшаются оба показателя эффективности.
Улучшение подготовки шихтовых материалов — обогащение руд, применение при плавке офлюсованного агломерата и окатышей — обеспечивает прирост выплавки чугуна и снижает расход кокса. Например, увеличение содержания железа в шихте на 1 % дает прирост выплавки чугуна на 3% и снижает расход кокса на 1,5—2,0%; применение агломерата повышает производительность печей на 10—13%, а замена агломерата окатышами снижает расход топлива и дополнительно увеличивает выплавку чугуна еще на 5—8%.
Интенсификация доменного процесса достигается за счет:
• повышения давления газа на колошнике, что позволяет уменьшить объем газов, увеличить время пребывания их в печи и, соответственно, улучшить теплообменные и химические процессы между материалами и газами. В результате производительность домен увеличивается с 4 до 9%, а расход кокса снижается на 3—7%;
• обогащения дутья кислородом, что ускоряет процесс горения кокса, увеличивает концентрацию окиси углерода, следовательно, ускоряются процессы восстановления кремния и марганца, что особенно важно при выплавке доменных ферросплавов и литейных чугунов;
• вдувания в горн природного газа, что позволяет увеличить содержание газов-восстановителей, повышает температуру дутья, что позволяет снизить расход кокса на 10—15% и повысить производительность печи на 2—3%.

Доменная печь представля­ет собой шахтную печь кругло­го сечения объемом 2 тыс. м3 и более (рис. 1.1). Стальной ко­жух выложен изнутри огне­упорным материалом 3. Колош­ник цилиндрической формы служит для загрузки печи ших­той, доменный (колошниковый) газ удаляется через газоотво­ды 2. Горячий газ, нагревая шихту, охлаждается и в районе колошника имеет температуру всего 300…400°С. Агломерат, известняк и кокс подаются на колошник через засыпной аппарат 1.
Рис. 1.1. Схема доменной пе­чи шахтного типа
Шахта печи пред­ставляет собой расширяющийся книзу конус, что обес­печивает свободное перемещение шихты сверху вниз по мере ее расплавления. В распаре шихта плавится и объ­ем ее уменьшается, в заплечиках образуется губчатое железо. Заплечики, имеющие форму усеченного конуса, сужаются книзу. Это необходимо для удержания твердой шихты в распаре и шахте. Губчатое железо каплями сте­кает в горн, в процессе перемещения оно насыщается уг­леродом.
Цилиндрический горн состоит из двух зон: верхней (фурменной) и нижней (металлоприемник). В верхней зоне установлены фурмы 4, через которые подается горя­чий воздух (дутье) и топливо (жидкое, пыле- или газо­образное), температура здесь достигает 2000 °С. В ниж­ней зоне собираются жидкий чугун и расплавленный шлак, которые выпускают через чугунную 6 и шлаковую 5 летки в ковши.
Доменный процесс относят к восстановительному противоточному процессу. Совершается взаимодействие опускающихся сверху вниз шихтовых материалов с под­нимающимся снизу вверх потоком нагретых восстанови­тельных газов.
При сжигании топлива в доменной печи первым про­цессом является сгорание углерода раскаленно­го кокса в небольших объемах вблизи фурм, при этом образуется диоксид углерода СО2. Вследствие воздейст­вия высокой температуры и отсутствия твердого углеро­да кокса СО2 неустойчив, поэтому конечная стадия горе­ния углерода может быть записана так:
2С + О2 — 2СО + Q.
Так возникает конечный продукт горения кокса — оксид углерода СО.
Второй процесс характеризуется восстановлени­ем железа, марганца, кремния, фосфора, серы и других элементов. Восстановителями являются СО, Н2 (об­разующийся в результате воздействия углерода на вла­гу дутья в виде водяного пара) и твердый углерод С. Вос­становление оксидов железа газами называется косвенным, а твердым углеродом — прямым..
Восстановленное в доменной печи железо активно по­глощает углерод (науглероживается) и другие элементы, что приводит к образованию чугуна. Капли жидкого металла интенсивнее взаимодейству­ют также с углеродом при контакте с раскаленным кок­сом. Насыщенное углеродом железо имеет пониженную (до 1150… 1200 °С) в сравнении с чистым железом (1539 °С) температуру плавления, что повышает экономическую эф­фективность процесса.

Схема химических процессов, протекающих в доменной печи

Задача 1121.
Дать схему химических процессов, протекающих в различных частях доменной печи, для чего при выплавке чугуна к руде добавляют карбонат кальция?
Решение:
а) В нижней части доменной печи кокс сгорает, образуя СО2, который поднимаясь вверх и проходя сквозь слои накалённого кокса, взаимодействует с ним и образует СО.

Протекаемые химические реакции в доменной печи имеют вид:

С + О2 = СО2;
С + СО2 = 2СО
б) Образовавшийся оксид углерода и восстанавливает большую часть железной руды, переходя снова в СО2. Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части доменной шахты:
Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2
Восстановление руды протекает по стадиям в зависимости от температуры:
1). Fe2O3 + 3CO 2Fe3O4 + CO2;
2). Fe3O4 + CO 3FeO + CO2;
3). FeO + CO Fe + CO2
в) В руде содержится пустая порода, которая состоит главным образом из диоксида кремния SiO2. Диоксид кремния – это тугоплавкое вещество. Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляется флюс. Обычно в качестве флюса используют карбонат кальция СаСО3. При взаимодействии его с SiO2 образуется CaSiO3 легко отделяющийся в виде шлака.
Химизм процесса:
СаСО3 = СаО + СО2;
СаО + SiO2 СаСО3.
Образующийся СО2 превращается в СО, который расходуется на восстановление руды, а СаСО3 в виде шлака выводится из доменной шахты.

Известные способы переработки чугуна в сталь

Задача 1122.
Перечислить известные вам способы переработки чугуна в сталь. Какие химические процессы протекают при этом?
Решение:
Существует несколько способов переработки чугуна в сталь. Они основаны на окислении, содержащегося в чугуне углерода и примесей, и отделении образующихся оксидов в газовую фазу или в шлак.
а) Мартеновский способ переработки чугуна в саль ведут в пламенной отражательной печи, в которую загружают чугун, металлический лом и некоторое количество руды. В печь вводятся предварительно нагретые воздух и топливо (в виде газа или расплавленной жидкости). При сгорании топлива образуется факел с температурой 1800 – 1900 0С. Метал и руда плавятся, и в расплав вводят добавки, необходимые для получения стали заданного состава. Выгорание примесей происходит главным образом за счёт кислорода воздуха.
б) Конверторный способ (бессемеровский метод) переработки чугуна в саль состоит в продувании струи воздуха через расплавленный чугун. При этом углерод и примеси сгорают и удаляются в виде газов или переходят в шлак. Этот метод имеет ряд недостатков по сравнению с мартеновским методом. Качество бессемеровской стали ниже, чем мартеновской. Это объясняется тем, что в ходе дутья в металле растворяется много азота из воздуха, что и обусловливает склонность данной стали к старению – утрате с течением времени пластичности и возрастанию хрупкости. Качество бессемеровской стали можно улучшить, используя кислородное дутьё.
в) Способ получения стали в электрических печах. В электрических печах легко обеспечивается быстрый подъём и точное регулирование температуры; в ней можно создавать окислительную, восстановительную или нейтральную атмосферу. Это позволяет получать сталь высокого качества.
При выплавке стали протекают процессы окисления-восстановления углерода и примесей. Выгорание примесей происходит главным образом за счёт кислорода:
С + О2 = СО2;
4P + 5O2 = P4O10;
Si + O2 = SiO2

В зависимости от того, через какую температурную зону доменной печи проходит загруженный материал, он претерпевает те или иные физико-химические процессы:
разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид,
восстановление железа и других элементов,
науглероживание железа,
плавление металла,
образование и плавление шлаков,
горение топлива и др.
Топливо, опустившись до уровня фурм, сгорает в струе поступающего нагретого воздуха по реакции
С + О2= СО2+ 97 650 кал.
Температура в фокусе горения кокса достигает 1800—1900°.
СО2, в присутствии раскаленного углерода кокса восстанавливается по реакции
СО2+ С > 2СО — 37 100 кал
и увеличивает содержание окиси углерода в газовой смеси. При более низких температурах окись углерода снова распадается по реакции
2СО>СО2+ С + 37 100 кал
и образует сажистый углерод, который участвует в процессах восстановления и науглероживания железа.
Для снижения расхода кокса в доменных печах применяют природный газ. Для получения лучших технико-экономических показателей дутье, подаваемое в доменную печь, обогащают кислородом до 30 35%. Чем выше содержание кислорода в воздухе, тем больше кокса может быть заменено природным газом. Соотношение природного газа и кислорода, подаваемых в доменную печь, регулируется автоматически.
Процесс выделения гидратной воды бурых железняков начинается при 250° и заканчивается при 450?500°. Выделение летучих веществ из кокса заканчивается при более высоких температурах.
Углекислые соли, содержащиеся в рудах и флюсах, при нагреве разлагаются с поглощением значительного количества тепла. Поэтому считают более целесообразным флюсы добавлять к руде перед обжигом ее на агломерат.
Восстановление железа в доменной печи происходит за счет последовательного отщепления кислорода от окислов железа. Bосстановление железа из окиси Fe2О3 окисью углерода проходит следующие стадии:
3Fe2O3+ СО>2Fe3O4+ СO2+ 8870 кал;
2Fe3O4 + 2СО>6FeO + 2СO2 — 9980 кал;
6FeO + 6CO>6Fe + 6CO2 + 19500 кал.
Степень восстановления железа окисью углерода зависит от качества руды — ее естественных свойств и характера предварительной обработки;

Образование в домне чугуна и шлака.
Науглераживание железа
Восстановленное в доменной печи из руды железо поглощает углерод и другие элементы, образуя чугун. Процесс науглераживания железа начинается с момента его появления в виде твердой губки в зоне умеренных температур. Механизм науглераживания железа сводится к следующему. Свежевосстановленное железо служит катализатором реакций разложения оксида углерода на сажистый углерод и диоксид углерода. Эта реакция протекает на поверхности губки. Обладая повышенной химической активностью, сажистый углерод взаимодействует с атомами железа и образует карбиды железа. Науглераживание губчатого железа уже заметно протекает при 400 – 500° С. По мере науглераживания железа температура плавления его понижается. Если чистое железо плавится при 1539° С, то сплав железа с углеродом, содержащий 4,3 % С, плавится при 1135° С. Однако науглераживание железа в твердом состоянии является лишь начальной стадией этого процесса, способствующей понижению температуры плавления металла. Более интенсивно науглераживание протекает после перехода металла в жидкое состояние. Капли металла, стекая в горн печи, контактируют на поверхности кусков раскаленного кокса с углеродом, в результате чего содержание углерода в сплаве резко возрастает. На горизонте фурм за пределами зон горения содержание углерода в чугуне достигает 3,8 – 4,0%. Окончательное науглераживание металла происходит в горне печи.
Переход других элементов в чугун (марганца, кремния, фосфора и серы) осуществляется по мере их восстановления на различных горизонтах рабочего пространства печи. Марганец при выплавке передельного чугуна заметно переходит в металл уже в распаре, однако наиболее интенсивное насыщение чугуна марганцем происходит в заплечиках и горне при восстановлении марганца. Основная масса кремния переходит в чугун в нижней части заплечиков и в горне. Содержание фосфора в пробах металла из распара почти такое же, как и в конечном чугуне, а иногда и выше. Это объясняется тем, что в металл из распара, попадает не только фосфор, который восстановился здесь и выше, но и фосфор, возгоняющийся из нижних горизонтов печи. Фосфор начинает переходить в металл уже в нижней части шахты.
Окончательное содержание углерода в чугуне не поддается регулированию и зависит от элементов в сплаве. Марганец и хром, являясь корбидообразующими элементами, способствуют увеличению содержания углерода в чугуне. Кремний и фосфор, образуя более прочные с железом соединения, разрушают карбиды железа и понижают содержание углерода в чугуне. Если в передельном маломарганцовистом чугуне содержится 4 – 4,6% углерода, то в зеркальном чугуне, содержащем 10 – 25 % марганца, углерода содержится 5 – 5,5 %, а в 75 %-ом ферромарганце содержание углерода достигает 7 – 7,5 %. Наоборот, в литейном чугуне, содержащем 2,5% кремния, содержание углерода не превышает 3,5 %, а в ферросилиции содержание углерода понижается до 2 % и ниже.
Содержание марганца и кремния сильно влияет на структуру чугуна, что имеет очень важное значение при производстве литейного чугуна, используемого в машиностроении. Известно, что углерод в чугуне может находиться в химически связанном состоянии в виде карбида и в свободном состоянии в виде графита. В литейном чугуне благодаря повышенному содержанию кремния значительная часть углерода находится в виде графита, что способствует повышению прочности отливок. В изломе такой чугун имеет серый цвет. Увеличение содержания карбидов железа в чугуне повышает его хрупкость. В изломе такой чугун имеет белый цвет. Качество чугуна для отливок также зависит и от условий выплавки чугуна в доменной печи.
Образование шлака
В доменной печи шлак образуется под действием высоких температур в результате плавления пустой породы железосодержащих материалов и флюса, к которым в горне присоединяется зола сгоревшего кокса. Шлакообразующими оксидами являются SiO2, CaO, MgO, Al2O3, FeO, MnO, а также сульфиды металлов, преобладающим из которых является CaS.
Образованию шлака предшествуют процессы размягчения и спекания пустой породы и флюса, сопровождающиеся образованием твердых растворов и различных химических соединений. Эти процессы представляют собой промежуточное звено при переходе вещества из твердого состояния в жидкое. Чем больше температурный интервал, в котором протекает превращение шлакообразующих компонентов из твердого состояния в жидкое, тем большую часть по высоте печи занимает вязкая масса, заполняющая пустоты между кусками кокса и препятствующая движению и распределению газов. В связи с этим температурный интервал размягчения шлакообразующих компонентов должен быть по возможности меньшим.
В процессе шлакообразования различают первичный, промежуточный и конечный шлаки. Первичный шлак появляется в начальной стадии шлакообразования в результате плавления легкоплавких соединений. Первичный шлак, перемещаясь в зоны с более высокими температурами, нагревается, а химический состав его непрерывно изменяется в следствии восстановления железа и марганца из соответствующих оксидов и растворения в шлаке новых количеств CaO и MgO, увеличивающих количество шлака. Конечный шлак образуется в горне после растворения в шлаке золы сгоревшего кокса и остатков извести и окончательного распределения серы между чугуном и шлаком.
С применением офлюсованного агломерата условия шлакообразования изменяются. Присутствие извести в агломерате обеспечивает хороший контакт шлакообразующих оксидов, по этому их размягчение при нагреве и образование первичного шлака протекает в сравнительно не большой зоне по высоте печи, от чего значительно повышается газопроницаемость этой зоны. Восстановление железа из офлюсованного агломерата протекает интенсивнее и равномернее по сечению, вследствие чего в первичном шлакообразовании участвует меньшее количество FeO, а зона начала образования шлака смещается в область более высоких температур.
Производство стали
Сталь является материальной основой промышленного производства и строительства, важнейшим продуктом черной металлургии. В сравнении с чугуном она имеет боле высокие механические свойства, ее можно обрабатывать давлением; многие сорта стали, в расплавленном состоянии обладают достаточной жидкотекучестью для получения фасонных отливок.
Основная масса стали (до 90-92 %) подвергаются обработке давлением (прокатке, прессованию, ковке, штамповке). Стальные изделия получают также из порошков.
Шихтовыми материалами для плавки стали являются жидкий или твёрдый чугун, стальной и чугунный лом, стружка, обрезки (скрап), железорудные окатыши, ферросплавы (перечисленные материалы называют металлошихтой); известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, марганцевая руда, кварцевый песок (флюсы); железная руда, окалина, агломерат, кислород, воздух (окислители). Отнесение перечисленных материалов к группам металлошихты, флюсов и окислителей сделано в соответствии с основным их назначением; многие из материалов одной группы содержат элементы другой (например, в окалине, боксите есть железо, в скрапе – кислород и т. п.)
Задача передела чугуна в сталь состоит в том, чтобы из чугуна удалить избыток углерода, кремния, марганца и других примесей. Особенно важно при этом удалить вредные примеси серы и фосфора, придающие стали хрупкость. Углерод чугуна, соединяясь с кислородом, превращается в газ (оксид углерода CO), который улетучивается. Другие примеси переходят в различные соединения, нерастворимые или малорастворимые в металле; эти соединения вместе с флюсами образуют на поверхности металла шлак.
При окислении марганец и кремний образуют оксиды MnO и SiO2, нерастворимые в металле. Образующийся оксид фосфора P2O5 в соединение (CaO)4 · P2O5, нерастворимое в металле. Непосредственным окислителем примесей в процессе производства стали является оксид железа FeO, растворенный в металле.
Сера растворена в чугуне в составе соединения FeS, ее удаляют с помощью марганца или извести, которые образуют с ней или плохо растворимые в металле соединения MnS или нерастворимое соединение CaS, переходящие в шлак. Конечной операцией процесса выплавки стали является ее раскисление (восстановление железа из FeO). Для легированной стали, раскисление обычно совмещают с легированием.

Основные реакции, протекающие в доменной печи, можно представить простыми уравнениями.
1) Когда вдуваемый воздух приходит в контакт с коксом, последний горит, образуя газообразный оксид углерода (II).
2C + O2 = 2CO
2) Этот газ является основным восстановительным агентом для оксида железа. Восстановление оксидов железа протекает ступенчато от высших окислов к низшим до элементарного железа:
Fe2O3 > Fe3O4 > FeO > Fe
В результате образуется твердое, но пористое губчатое железо, которое затем плавится в нижней, более горячей части доменной печи (горне).
3) Чтобы отделить полученное железо от пустой породы, состоящей, главным образом, из силикатов, последние необходимо перевести в жидкую форму и удалить из печи. Для этого в печь вместе с рудой загружают флюс, содержащий известняк CaCO3.
Известняк разлагается в верхней части печи соответственно реакции:
CaCO3 = CaO + CO2
образуя известь (CaO), необходимую для перевода силикатных примесей железной руды в жидкий шлак.
Силикаты, содержащиеся в железной руде, при взаимодействии с известью образуют расплавленный шлак.
. Из сказанного выше вытекают основные требования к конструкции доменной печи. Конструкция должна обеспечивать:
1) непрерывную загрузку топливом, рудой и флюсом сверху;
2) непрерывную подачу воздуха и периодический отводжидких продуктов в виде чугуна и шлаков снизу.
Печь должна быть достаточно высокой, чтобы успевали протекатьнеобходимые химические реакции.
Обычно печь работает непрерывно до ее остановки для ремонта внутренней кирпичной кладки (футеровки).
Доменная печь(Рис 9.5.) представляет собой башню высотой до 36 метров, состоящую из двух усечённых конусов, между широкими основаниями которых расположен невысокий цилиндр – распар диаметром 12-16 метров.
Снаружи доменная печь заключена в металлический кожух, внутри выложена огнеупорным кирпичом. Толщина стенок домны увеличивается сверху вниз и в области горна достигает 1,5 м.
В доменной печи различают следующие части: колошник, шахту, распар, заплечики, горн и лещадь (дно).
Сверху печь закрывают засыпным аппаратом, который служит для герметичной загрузки сырья без выходов газов наружу.
Руда, топливо и флюс подаются скиповыми подъемниками – небольшими сосудами (скипами), движущимися на колесах по наклонным рельсам от нижних засыпных бункеров до верхней загрузочной площадки, где они автоматически опрокидываются, разгружаясь в приёмную воронку засыпного аппарата.
. Сырьё загружают в печь отдельными порциями (колошами) через каждые 10-15 минут, по мере опускания шихты.
Цилиндрическая часть печи, которая служит для приёма шихты, называется колошником.

Чугун, выпущенный из печи, содержит около 4% углерода, все количество фосфора и большую часть марганца, имевшихся в сырых материалах. Содержание кремния и серы в железе до некоторой степени регулируется тщательным выбором сырья и главным образом определенным составом шлака, т. е. регулированием как пропорции окиси кальция к кремнезему, так и температуры.
Последняя зависит от количества кокса, температуры дутья, количества водяного пара в дутье (влажности) и других переменных. Управление современной доменной печью и производство дешевого чугуна удовлетворительного качества являются искусством, которое требует продолжительного опыта и высокой квалификации.
Для производства мелких бытовых приборов, например овощемойки, которая используется в быту для мытья овощей, также требуются различные сплавы железа с другими металлами, для повышения прочности готовых изделий. Подробнее здесь: http://www.kofe-kofe.ru/catalog.php?item=430
Восстановление железных руд и производство стали представляют собой химические процессы, единственные в своем роде среди промышленных операций крупного масштаба в том смысле, что входящие в них химические реакции протекают при высоких температурах, почти всегда выше 1100°, и обычно в интервале 1400-1900°. Немногие огнеупорные материалы выдерживают такие температуры; лишь некоторые из них относительно дешевы (окислы кремния, кальция и магния). Эти окислы сравнительно инертны при нормальной температуре и становятся химически активными при температуре производства стали: кремнезем становится активной кислотой, а окислы кальция и магния активными основаниями.
Характерная особенность таких силикатов заключается в том что они плавятся при температурах гораздо более низких чем температуры плавления окислов.

На рис. 9.4 представлен разрез доменной печи и распределение температур по её высоте.
При установившемся режиме работы печи в ней создается и поддерживается определенный температурный режим и протекают химические и физико-химические процессы, которые могут быть сведены к нескольким группам. Они приведены ниже, причем номера их отмечены на схеме печи в тех зонах ее, ) которых они протекают.
1. Подготовительные процессы. К подготовительным процессам, протекающим в интервале температур 100—400°С, относятся выделение гигроскопической и гидратной воды и летучих веществ из твердого топлива
2. Образование газообразных восстановителей. В зоне горна газообразные восстановители образуются в результате полного сгорания углерода кокса и природного газа при температуре 1800-1900ºС. При этом протекают следующие реакции:
а) сначала углерод кокса окисляется кислородом воздуха до оксида углерода (IV), а метан – до оксида углерода (IV) и воды:
C + O2 = CO2
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

Рис. 9.4. Профиль доменной печи
. При установившемся режиме работы печи в ней создаётся и поддерживается определённый температурный режим и протекают следующие физико-химические процессы:
1. Подготовительные процессы;
2. Образование газообразных восстановителей;
3. Восстановление оксидов железа;
4. Науглероживание железа и получение чугуна;
5. Восстановление примесей;
6. Образование шлака.
б) оксид углерода (IV) на поверхности раскалённого кокса восстанавливается до оксида углерода (II), а вода до свободного водорода:
CO2 + C = 2CO
H2O + C = CO +H2
Образовавшийся в горне восстановительный газ поднимается в верхнюю часть печи шахту, нагревает и восстанавливает компоненты шихты (железную руду и флюсы) при температуре 600-1200ºС.
2. Восстановление оксидов железа. Восстановление оксидов железа начинается при температуре 570ºС и протекает ступенчато от высших окислов к низшим до элементарного железа:
Fe2O3 > Fe3O4 > FeO > Fe
Заканчивается восстановление при температуре 1200ºС в распаре.
3. Восстановление железа оксидом углерода (II) принято называть косвенным (непрямым), а восстановление непосредственно углеродомкокса – прямым.
В доменных печах преобладает процесс косвенного восстановления оксидом углерода (II) и водородом:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 — ?Q
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 + ?Q
FeO + CO = Fe + CO2 — ?Q
и
3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O — ?Q
Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O + ?Q
FeO + H2 = Fe + H2O + ?Q
Прямое восстановление начинается в распаре при 1200ºС и особенно интенсивно протекает в заплечиках при 1500ºС:
FeO + C = Fe + CO
В результате реакций восстановления образуется губчатое металлическое железо.

Источник http://agro-aspect.ru/kommunikaczii/domennaya-pech-chto-eto-takoe-i-kakovo-ee-ustrojstvo

Источник http://eco-kotly.ru/domennaa-pec-cto-eto-takoe-i-kak-ona-rabotaet/

Источник http://topask.ru/kakie-himicheskie-reaktsii-protekayut-v-domennoj-pechi-pri-vosstanovlenii