ДО́МЕННЫЙ ПРОЦЕ́СС

ДО́МЕННЫЙ ПРОЦЕ́СС, по­лу­че­ние чу­гу­на из же­ле­зо­руд­ных ма­те­риа­лов в до­мен­ной пе­чи. В ос­но­ве Д. п. ле­жит прин­цип про­ти­во­то­ка: за­гру­жае­мая в верх­нюю часть пе­чи (ко­лош­ник) ис­ход­ная ших­та (же­ле­зо­руд­ный ма­те­ри­ал, твёр­дое то­п­ли­во, флюс) дви­жет­ся вниз, а га­зо­об­раз­ные про­дук­ты, об­ра­зо­вав­шие­ся в ниж­ней час­ти пе­чи (гор­не) при сжи­га­нии то­п­ли­ва в по­то­ке ду­тья (на­гре­тый воз­дух или воз­дух, обо­га­щён­ный ки­сло­ро­дом ли­бо во­дя­ным па­ром), – вверх. Про­ти­во­ток спо­соб­ст­ву­ет эф­фек­тив­но­му про­те­ка­нию мас­со- и те­п­ло­об­мен­ных про­цес­сов, что обу­слов­ли­ва­ет вы­со­кие по­ка­за­те­ли ис­поль­зо­ва­ния ре­сур­сов в до­мен­ных пе­чах: по­лез­ное ис­поль­зо­ва­ние те­п­ло­ты со­став­ля­ет 80–90%, сте­пень из­вле­че­ния же­ле­за – 99,5–99,8%. Для обес­пе­че­ния те­п­ло­вых по­треб­но­стей про­цес­са ис­поль­зу­ет­ся зна­чит. из­бы­ток кок­са, ко­то­рый обу­слов­ли­ва­ет по­вы­шен­ное со­дер­жа­ние уг­ле­ро­да в чу­гу­не (3,4–5,2% С по мас­се).

В Д. п. вы­со­кие тре­бо­ва­ния предъ­яв­ля­ют­ся к ка­че­ст­ву ших­ты и её проч­но­сти при по­вы­шен­ной темп-ре, осо­бен­но к проч­но­сти то­п­ли­ва. По­сле об­ра­зо­ва­ния рас­плав­лен­ных ме­тал­ла и шла­ка то­п­ли­во яв­ля­ет­ся един­ст­вен­ной твёр­дой сре­дой, на ко­то­рую ока­зы­ва­ет дав­ле­ние вся мас­са ших­ты. Для при­го­тов­ле­ния ших­ты при­ме­ня­ют кус­ко­вой же­ле­зо­руд­ный ма­те­ри­ал, ка­мен­но­уголь­ный кокс, в ка­че­ст­ве флю­са – из­вест­няк. Бо­лее 90% же­ле­зо­руд­ной час­ти ших­ты со­став­ля­ют ис­кус­ст­вен­но оку­ско­ван­ные ма­те­риа­лы – аг­ло­ме­рат и же­ле­зо­руд­ные ока­ты­ши.

В хо­де Д. п. об­ра­зу­ют­ся про­дук­ты: ос­нов­ные – пе­ре­дель­ный чу­гун для произ-ва ста­ли в ста­ле­пла­виль­ных аг­ре­га­тах, ли­тей­ный – для чу­гун­ных от­ли­вок, а так­же спец. чу­гу­ны (напр., зер­каль­ный чу­гун, фер­ро­си­ли­ций, фер­ро­мар­га­нец); по­боч­ные – до­мен­ный газ, яв­ляю­щий­ся вто­рич­ным энер­го­ре­сур­сом (по­сле очи­ст­ки от пы­ли ис­поль­зу­ет­ся в воз­ду­хо­наг­ре­ва­те­лях, за­во­дских ко­тель­ных и др.), до­мен­ный шлак (при­ме­нет­ся гл. обр. в про­из-ве стро­ит. ма­те­риа­лов) и ко­лош­ни­ко­вая пыль (со­дер­жит 30–50% Fe), воз­вра­щае­мая в ших­ту по­сле её пред­ва­рит. оку­ско­ва­ния (аг­ло­ме­ра­ции). Т. о., вос­тре­бо­ва­ны все про­дук­ты до­мен­но­го про­цес­са.

Доменная печь

Устройство доменной печи: 1 – чугуновозный ковш; 2,3 – соответственно чугунная и шлаковая летки; 4 – воздухопровод; 5 – система охлаждения; 6 – футеровка (огнеупорный кир...

Пред­став­ля­ет со­бой шахт­ную печь круг­ло­го се­че­ния (рис.); вклю­ча­ет: ко­лош­ник (верх­няя часть), шах­ту (ос­нов­ная по объ­ё­му часть, пред­став­ляю­щая со­бой усе­чён­ный ко­нус), рас­пар (са­мая ши­ро­кая часть), за­пле­чи­ки (в фор­ме об­рат­но­го усе­чён­но­го ко­ну­са), горн (ниж­няя часть пе­чи). В верх­ней час­ти гор­на рав­но­мер­но рас­пре­де­ле­ны по ок­руж­но­сти фур­мы, че­рез ко­то­рые из воз­ду­хо­во­да в печь по­да­ют на­гре­тый воз­дух. В ниж­ней час­ти гор­на рас­по­ло­же­ны (на раз­ной вы­со­те) чу­гун­ные и шла­ко­вые лет­ки – от­вер­стия для вы­пус­ка чу­гу­на и шла­ка в чу­гу­но­воз­ный и шла­ко­воз­ный ков­ши. Сна­ру­жи печь обо­ру­до­ва­на сис­те­мой ох­ла­ж­де­ния, внутр. часть пе­чи вы­ло­же­на ог­не­упор­ным кир­пи­чом. За­груз­ка пе­чи ших­той про­из­во­дит­ся свер­ху ски­па­ми с по­мо­щью за­сып­но­го ап­па­ра­та, ко­то­рый при этом гер­ме­тич­но за­кры­ва­ет печь, изо­ли­руя её внутр. про­стран­ст­во от ат­мо­сфе­ры. Об­ра­зую­щий­ся в пе­чи до­мен­ный (ко­лош­ни­ко­вый) газ от­во­дит­ся че­рез га­зо­от­во­ды, рас­по­ло­жен­ные в ко­лош­ни­ке. Печь под­дер­жи­ва­ет­ся ко­лон­на­ми, ус­та­нов­лен­ны­ми на фун­да­мен­те. Рас­стоя­ние ме­ж­ду осью чу­гун­ной лет­ки и ниж­ней кром­кой под­виж­но­го эле­мен­та за­сып­но­го ап­па­ра­та в опу­щен­ном со­стоя­нии на­зы­ва­ет­ся по­лез­ной вы­со­той пе­чи, со­от­вет­ст­вен­но, объ­ём ра­бо­че­го про­стран­ст­ва – по­лез­ным объ­ё­мом пе­чи. Про­из­во­ди­тель­ность пе­чи со­став­ля­ет 2,5–3 т/м³ по­лез­но­го объ­ё­ма. Наи­бо­лее круп­ные пе­чи име­ют вы­со­ту ра­бо­че­го про­стран­ст­ва ок. 30 м, ра­бо­чий объ­ём 5000 м³ и вы­ше, су­точ­ную про­из­во­ди­тель­ность бо­лее 12000 т чу­гу­на (или 4 млн. т/год). Од­на из са­мых круп­ных в ми­ре – до­мен­ная печь № 5 ОАО «Се­вер­сталь» (г. Че­ре­по­вец) име­ет ра­бо­чий объ­ём 5580 м³.

По­сле строи­тель­ст­ва, вво­да в дей­ст­вие сис­те­мы ох­ла­ж­де­ния и суш­ки фу­те­ров­ки ра­бо­та пе­чи на­чи­на­ет­ся с по­да­чи ду­тья. Пер­вый чу­гун и шлак вы­пус­ка­ют че­рез 12–24 ч, по­сле че­го ко­ли­че­ст­во ду­тья и руд­ную на­груз­ку (от­но­ше­ние мас­сы ру­ды к мас­се кок­са) по­сте­пен­но уве­ли­чи­ва­ют, до­во­дя в те­че­ние не­сколь­ких су­ток до нор­маль­но­го ре­жи­ма. Не­пре­рыв­ная ра­бо­та (т. н. кам­па­ния) пе­чи от за­дув­ки до вы­дув­ки (с ос­та­нов­кой на ка­пи­таль­ный ре­монт) про­дол­жа­ет­ся от 5–6 до 10–12 лет и бо­лее. Для оп­ти­ми­за­ции хо­да плав­ки про­во­дят ком­пь­ю­тер­ную ди­аг­но­сти­ку пе­чи. В до­мен­ном про­из-ве при­ме­ня­ют АСУ, обес­пе­чи­ваю­щие ав­то­ма­тич. ра­бо­ту ме­ха­низ­мов и аг­ре­га­тов ших­то­по­да­чи, ава­рий­ной и пре­ду­пре­дит. сиг­на­ли­за­ции и др.

Основные физико-химические процессы

: го­ре­ние то­п­ли­ва, вос­ста­но­вит. и га­зо­ди­на­мич. про­цес­сы, те­п­ло­об­мен, об­ра­зо­ва­ние чу­гу­на, шла­ко­об­ра­зо­ва­ние. Осн. ко­ли­че­ст­во кок­са опус­ка­ет­ся в горн и сго­ра­ет вме­сте с до­пол­ни­тель­но вду­вае­мым то­п­ли­вом (га­зо­об­раз­ным, жид­ким или пы­ле­вид­ным) у фурм; в уп­ро­щён­ном ви­де сум­мар­ный про­цесс го­ре­ния сво­дит­ся к ре­ак­ции: 2C+O₂=2CO. Га­зы с темп-рой 1600–2300 °C, со­дер­жа­щие 35–45% СО, 1–12% Н₂ и 45–65% N₂, под­ни­ма­ясь, на­гре­ва­ют опус­каю­щую­ся ших­ту (темп-pa вы­хо­дя­щих из пе­чи га­зов со­став­ля­ет 100–300 °C). Часть кок­са рас­хо­ду­ет­ся на вос­ста­нов­ле­ние по­сту­паю­щих в до­мен­ную печь Fe₂O₃ и Fe₃O₄ (со­дер­жа­щих­ся в же­ле­зо­руд­ных ма­те­риа­лах) по ре­ак­ци­ям:

3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂

Fe₃O₄+CO=3FeO+CO₂

FeO+CO=Fe+CO₂

FeO+C=Fe+CO

По­ми­мо ок­си­дов же­ле­за поч­ти пол­ностью вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся ок­си­ды Ni, Cu, As, P и со­от­вет­ст­вую­щие эле­мен­ты пе­ре­хо­дят в чу­гун; ок­сид цин­ка так­же пол­но­стью вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся, цинк воз­го­ня­ет­ся и от­ла­га­ет­ся в по­рах фу­те­ров­ки, вы­зы­вая её час­тич­ное раз­ру­ше­ние. Эле­мен­ты, об­ра­зую­щие бо­лее проч­ные со­еди­не­ния с ки­сло­ро­дом, чем Fe, вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся из ок­си­дов час­тич­но (V – 75–90%, Мn – 40–80%, Si и Ti в не­боль­ших ко­ли­че­ст­вах) или со­всем не вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся (Al, Mg и Са). S (вред­ная при­месь) по­па­да­ет в до­мен­ную печь в осн. с кок­сом и пе­ре­хо­дит боль­шей ча­стью в шлак (в ви­де FeS, MnS, CaS), в ма­лой сте­пе­ни (до 5%) в чу­гун (FeS) и в га­зо­вую фа­зу. Об­ра­зо­вав­шее­ся же­ле­зо по­гло­ща­ет С в твёр­дом со­стоя­нии, что спо­соб­ст­ву­ет сни­же­нию темп-ры плав­ле­ния на­уг­ле­ро­жен­но­го про­дук­та и бо­лее пол­но­му на­сы­ще­нию его уг­ле­ро­дом. Со­дер­жа­ние С в чу­гу­не за­ви­сит от темп-ры чу­гу­на, его со­ста­ва и др. Шлак со­сто­ит из ок­си­дов: SiO₂, Al₂O₃, СаО, MgO (в сум­ме 90–95%), FeO (0,3–1,0%).

Д. п. – эко­ло­ги­че­ски безо­пас­ный, вы­со­ко­тех­но­ло­гич­ный энер­го- и ре­сур­сос­бе­ре­гаю­щий про­цесс; рас­ход энер­го­но­си­те­ля со­став­ля­ет 16–17 ГДж/т чу­гу­на, а с учё­том ис­поль­зо­ва­ния вто­рич­ных энер­го­ре­сур­сов – 12–13 ГДж/т чу­гу­на; рас­ход наи­бо­лее де­фи­цит­но­го ком­по­нен­та ших­ты (ка­мен­но­уголь­но­го кок­са) – 300–350 кг/т чу­гу­на, при этом ис­поль­зу­ет­ся 100–150 кг за­ме­ни­те­лей кок­са.

Историческая справка

По­яв­ле­ние соб­ст­вен­но до­мен­но­го произ-ва от­но­сят к сер. 14 в. Д. п. воз­ник в ре­зуль­та­те эво­лю­ции сы­ро­дут­но­го про­цес­са по­лу­че­ния пла­сти­че­ской низ­ко­уг­ле­ро­ди­стой же­лез­ной мас­сы (т. н. крич­но­го же­ле­за) не­по­сред­ст­вен­но из же­лез­ной ру­ды пу­тём вос­ста­нов­ле­ния её в низ­ких сы­ро­дут­ных гор­нах (яма, фу­те­ро­ван­ная ог­не­упор­ной гли­ной, или ка­мен­ный очаг), ра­бо­тав­ших на ес­теств. тя­ге. То­п­ли­вом слу­жил дре­вес­ный уголь. По­сле окон­ча­ния про­цес­са сы­ро­дут­ный горн раз­би­рал­ся, по­лу­чен­ный ме­талл из­вле­кал­ся и спец. мо­ло­та­ми пе­ре­ра­ба­ты­вал­ся в за­го­тов­ку или из­де­лие. По­сте­пен­ное уве­ли­че­ние вы­со­ты сы­ро­дут­ных гор­нов и мощ­но­сти воз­ду­хо­дув­ных средств спо­соб­ст­во­ва­ло по­вы­ше­нию темп-ры про­цес­са, что обу­сло­ви­ло уве­ли­че­ние рас­тво­ри­мо­сти уг­ле­ро­да в ме­тал­ле и сни­же­ние темп-ры его плав­ле­ния. Т. о., на­ря­ду с кри­цей по­лу­чал­ся не­же­ла­тель­ный ме­тал­лич. про­дукт в жид­ком со­стоя­нии (чу­гун), а сы­ро­дут­ный горн пре­вра­тил­ся в вер­ти­каль­ную шахт­ную печь, по­лу­чив­шую назв. «вы­со­кая печь» (нем. Hochofen, франц. Haut four­neau) или до­мен­ная (дуть­е­вая) печь (от слав. «дме­ние» – ду­тьё, англ. blast fur­nace). Пер­вые до­мен­ные пе­чи, пред­на­зна­чен­ные толь­ко для про­из-ва чу­гу­на, поя­ви­лись в Ев­ро­пе в сер. 14 в., в Рос­сии – ок. 1630 (близ г. Ту­ла). На Ура­ле пер­вый чу­гун по­лу­чен в 1701. При пре­вы­ше­нии вы­со­ты пе­чи 16–18 м при­ме­няв­ший­ся дре­вес­ный уголь те­рял свою проч­ность, рас­сы­пал­ся на мел­кие час­ти­цы и тем са­мым де­лал не­воз­мож­ным нор­маль­ное дви­же­ние га­зов вверх сквозь слой ших­ты. Важ­ным фак­то­ром, обу­сло­вив­шим рост про­из-ва чу­гу­на и, со­от­вет­ст­вен­но, уве­ли­че­ние раз­ме­ров и про­из­во­ди­тель­но­сти до­мен­ной пе­чи, ста­ло изо­бре­те­ние А. Дер­би (см. Дер­би) в 1735 спо­со­ба про­из-ва ка­мен­но­уголь­но­го кок­са, став­ше­го осн. то­п­ли­вом Д. п. Боль­шое зна­че­ние для раз­ви­тия Д. п. име­ло при­ме­не­ние па­ро­вой воз­ду­хо­дув­ной ма­ши­ны (1762, И. И. Пол­зу­нов; 1769, Дж. Уатт); воз­ду­хо­наг­ре­ва­те­ля с ог­не­упор­ной на­сад­кой (1857, Э. Кау­пер); оф­лю­со­ван­но­го аг­ло­ме­ра­та (1945–50, Маг­ни­то­гор­ский ме­тал­лур­гич. ком­би­нат); тех­но­ло­гии с вду­ва­ни­ем в горн при­род­но­го га­за и ки­сло­ро­да (1958–70; «За­по­рож­сталь», Но­во­ли­пец­кий ком­би­нат) и др. Зна­чит. вклад в раз­ви­тие Д. п. вне­сли отеч. ме­тал­лур­ги М. А. Пав­лов, М. К. Ку­ра­ко, И. П. Бар­дин и др.