Доменне виробництво, виробництво чавуну відновною плавкою залізняку або окуськованних залізорудних концентратів в доменних печах. Д. п. — галузь чорній металургії .
Історична довідка. Чавун був відомий за 4—6 вв.(століття) до н.е.(наша ера) Д. п. виникло в результаті розвитку сиродутного процесу — «прямого» здобуття заліза в тому, що твердому складається безпосередньо із залізняку шляхом відновлення її в низьких горнах або шахтних печах (домниці) за допомогою деревного вугілля. Перші доменні печі в Європі з'явилися в середині 14 ст, а в Росії — близько 1630, поблизу Тули і Кашири. На Уралі перший чавун отриманий в 1701, а в середині 18 ст завдяки розвитку уральської металургії Росія вийшла на 1-е місце в світі, яке утримувала до початку 19 ст До середини 18 ст єдине паливо в Д. п. — деревне вугілля. У 1735 А. Дербі застосував в доменній плавці кам'яно-вугільний кокс.
Основні етапи розвитку Д. п.: вживання парової повітродувної машини (І. І. Повзунів, 1766), нагрів дуття (Дж. Нілсон, 1829), винахід цегельного воздухонагревателя регенеративного типа (Е. Каупер, 1857). У 1913 в Росії було виплавлено 4,2 млн. т чавуну і вона займала 5-е місце в світі. У 1940 в СРСР було виплавлено 15 млн. т чавуну (3-е місце в світі), а з 1947 Радянський Союз поступався лише США. У 1970 СРСР вийшов на 1-е місце в світі. Виплавка чавуну в СРСР в 1971 склала 89,3 млн. т . Велику роль в розвитку Д. п. в СРСР зіграли М. А. Павлов, М. До. Курако, І. П. Бардін . Д. п. в СРСР характеризується вживанням високомеханізованих і автоматизованих агрегатів і передової технології.
Вихідними матеріалами (шихтою) в Д. п. є: залізняк, марганцева руда, агломерат, окатиши, а також пальне і флюси . Широке вживання в шихті доменних печей СРСР отримав офлюсований агломерат (понад 90%), який містить 50—60% Fe при основності 1,1—1,3; розширюється вживання офлюсованих окатишей. Найважливіші властивості залізовмісних шихтових матеріалів, що визначають техніко-економічні показники доменної плавки: вміст заліза, склад порожньої породи, кількість шкідливих домішок, а також гранулометричний склад, міцність і відновлюваність. Основним пальним в Д. п. служить каменноугольний кокс . Набуває поширення плавка із заміною частини коксу газоподібним, рідким або твердим паливом, що вдувається в горн доменної печі. Як флюси використовується вапняк, інколи доламає.
Основні види чавуну, що виплавляється в доменних печах: передільний чавун використовуваний для виробництва стали в сталеплавильних агрегатах; літейний, йде для чавунних відливань; спеціальні чавуни. Побічні продукти Д. п.: доменний газ [теплота згорання 3,6—4,6 Мдж/м 3 (850—1100 ккал/м 3 )] після очищення від пилу використовується для нагріву дуття у воздухонагревателях, а також в заводських котельних установках, коксохімічних, агломераційних і деяких ін. цехах; доменний шлак знаходить вживання головним чином в промисловості будівельних матеріалів; колошниковий пил, що виноситься з печі і уловлювана системою газоочистки, містить 30—50% Fe, повертається в шихту доменних печей після її попереднього кускування (головним чином дорогою агломерація ).
Доменний цех ( мал. 1 ) заводу з повним металургійним циклом має, як правило, не менше 3 доменних печей з воздухонагревателямі і системою газоочистки. Запас шихти (коксу на 6—12 ч , агломерату або руди, а також флюсів на 1—2 діб роботи печей) зберігається в бункерах естакади (загальною для всіх доменних печей). На багатьох металургійних заводах до складу доменного цеху входить так званий рудний двір, де зберігається основний запас залізняку, що укладається в штабелю рудними перевантажувачами. Формування штабелю і забір з нього матеріалів виробляються з врахуванням усереднювання руд. У доменному цеху є також машини для розливання чавуну.
Доменна піч ( мал. 2 ) є шахтною піччю круглого перетину; футерована вогнетривкою кладкою (верхня частина шамотною цеглиною, ніжняя — переважно вуглецевими блоками). Для запобігання розпалу кладки і захисту кожуха печі від високих температур використовують холодильники, в яких циркулює вода. Кожух печі і колошниковий пристрій підтримуються колонами, встановленими на фундаменті.
Шихта подається на колошник печі ськипамі, рідше стрічковими конвеєрами. Ськипи розвантажуються в піч через приймальну воронку і засипний апарат, встановлений на колошнику. Повітря (дуття) від повітродувних машин подається в піч через воздухонагревателі (у яких нагрівається до 1000—1200°С) і фурмені прилади, встановлені по колу горна . Через фурми вводиться також додаткове паливо (природний газ, мазут або вугільний пил).
Продукти плавки випускаються в чугуновозниє і шлакові ковши через льотки, розташовані в нижній частині горна. Колошниковий газ, що утворюється в печі, відводиться через газовідводи, розташовані в куполі печі ( мал. 3 ).
Відстань між віссю чавунної льотки і нижньою кромкою великого завантажувального конуса в опущеному стані називається корисною висотою доменної печі, а відповідний об'єм — корисним об'ємом доменної печі. Потужні доменні печі в СРСР мають корисний об'єм 2000—3000 м 3 і є одними з найбільших в світі. Директиви по 9-у п'ятирічному плану передбачають будівництво доменних печей об'ємом 5000 м 3 .
Основні хімічні процеси в доменній печі — горіння палива і відновлення Fe, Si, Mn і ін. елементів. Частина коксу витрачається на процеси відновлення, але основна кількість опускається в горн і згорає разом з вдуваним паливом у фурм. Гази з t 1600—2300°С, що містять 35—45% CO, 1—12% H 2 і 45—65% N 2 , піднімаючись по печі, нагрівають шихту, що опускається, при цьому CO і H 2 частково окислюються до Co 2 і H 2 O. Гази, що виходять з печі, мають t 150—300°С.
Горіння у фурм. У фурм доменної печі виникають вогнища горіння, звані окислювальними зонами, в яких вихровий рух газів приводить до циркуляції шматків коксу. Горіння коксу розвивається на поверхні контакту твердої і газоподібною фаз. При цьому кисень з'єднується з вуглецем в складні комплекси С х О в , які потім розпадаються. У спрощеному вигляді сумарний процес горіння вуглецю твердого палива у фурм зводиться до екзотермічної реакції 2c + O 2 = 2co. При вдуванні природного газу або мазуту, в яких головною складовою є вуглеводні (наприклад, метан), протікає реакція з виділенням CO і H 2 ; при цьому поглинається значна частина тепла, що виділяється при спалюванні З, а отже, знижується температура горіння у фурм. Щоб уникнути цього необхідно підвищувати температуру дуття і збагачувати його киснем. Позитивний вплив вдування вуглеводневих палив — в підвищенні концентрації водню в газі і поліпшенні завдяки цьому його відновної здатності.
Відновлення заліза і ін. елементів. У доменній печі Cu, As, Р, подібно Fe, відновлюючись майже повністю переходять в чавун. Повністю відновлюється і Zn, який потім переганяється, переходить в гази і відкладається в порах кладки, викликаючи її руйнування. Ті елементи, які утворюють міцніші з'єднання з киснем, чим Fe, відновлюються частково або зовсім не відновлюються: V відновлюється на 75—90%, Mn на 40—75%, Si і Ti в невеликих кількостях, Al, Mg і Ca не відновлюються.
Відновлення тих, що поступають в доменну піч оксидів Fe 2 O 3 і Fe 3 O 4 відбувається шляхом послідовного відщеплення кисню по реакціях:
3fe 2 O 3 + CO (H 2 ) = 2fe 3 O 4 + Co 2 (H 2 O),
Fe 3 O 4 + CO (H 2 ) = 3feo + Co 2 (H 2 O).
Закис заліза FEO відновлюється до Fe газами (непряме відновлення) і вуглецем (пряме відновлення).
FEO + CO (H 2 ) = Fe + Co 2 (H 2 O),
FEO + C = Fe + CO.
Вищі оксиди марганцю Mno 2 , Mn 2 O 3 і Mn 3 O 4 відновлюються газами з виділенням тепла. У подальшому MNO відновлюється до Mn лише вуглецем з витратою тепла приблизно в 2 рази більшою, ніж при відновленні Fe. Si також відновлюється лише З при високих температурах по ендотермічній реакції:
Sio 2 + 2c + Fe = Fesi + 2co.
Міра відновлення Si і Mn залежить в основному від витрати коксу; на кожен відсоток підвищення вмісту Si в чавуні витрата коксу збільшується на 5—7%, що збільшує кількість гарячих газів в печі, викликаючи перегрів шахти. Збагачення дуття киснем, забезпечуючи високий нагрів горна, зменшує кількість газів, що утворюються, а отже, і температуру в шахті печі.
Сірка в доменному процесі. S вноситься до доменної печі в основному коксом і переходить в гази у вигляді пари (So 2 , H 2 S і ін.), але велика частина залишається в шихті (у вигляді FES і CAS); при цьому FES розчиняється в чавуні. Для видалення S з чавуну необхідно перевести її в з'єднання, нерозчинні в чавуні, наприклад в CAS:
FES + CAO = CAS + FEO.
Це досягається освітою в доменній печі жідкоподвіжних шлаків з підвищеним вмістом САО. Відновне середовище сприятливо впливає на цей процес, т.к. сніжаєт вміст FEO в шлаку. Міра знесірчення досить висока, і лише в деяких випадках чавун додатково знесірчує поза доменною піччю різними реагентами.
Утворення чавуну і шлаку. Відновлене в доменній печі Fe частково науглерожіваєтся в твердому, а потім в рідкому станах. Вміст C в чавуні залежить від температури чавуну і його складу. Шлак складається з оксидів Sio, що не відновилися, 2 , Ai 2 O 3 і САО (90—95%), MGO (2—10%), FEO (0,1—0,4%), MNO (0,3—3%), а також 1,5—2,5% S (головним чином у вигляді CAS). Для характеристики шлаків користуються зазвичай показником основності Cao/sio 2 або (САО + MGO) /sio 2 . Основність Cao/sio 2 для різних умов плавки вагається в межах 0,95—1,35%. При виплавці чавуну на коксі з підвищеним вмістом S (донецький кокс) працюють на шлаках з верхньою межею основності і прагнуть забезпечити вміст MGO в шлаку 6—8% і більш, покращуючи його жідкоподвіжность.
Робота доменної печі починається з її задування. При цьому горн і заплечики завантажуються коксом, а шахта — так званою задувочной шихтою. У повністю завантажену піч подається нагріте дуття (зменшена кількість), кокс запалав, і починається опускання матеріалів. Перший випуск чавуну і шлаку виробляється через 12—24 ч , після чого кількість дуття і рудне навантаження (відношення маси руди до маси коксу в подачі) поступово збільшуються, і через декілька днів після задування доменна піч досягає нормальної продуктивності.
Безперервна робота (кампанія) доменної печі від задування до видувки (зупинки на капітальний ремонт) продовжується 5—6, а в деяких випадках 8—10 років і більш, протягом яких пекти 1—2 рази зупиняється на так званий середній ремонт для заміни зношеної кладки шахти. Виплавка чавуну на потужних печах за одну кампанію досягає 5—8 млн. т чавуну і більш.
Управління роботою (ходом) доменної печі полягає в регулюванні (відповідно до якості сирих матеріалів і вигляду чавуну, що виплавляється) складу шихти, кількості, температури і вологості дуття, а також величини подачі або послідовності завантаження окремих компонентів шихти і рівня засипі. Хід доменної печі контролюється вимірювальними приладами, реєструючими основні параметри завантаження, дуття колошникового газу, температуру кладки печі на різних горизонтах.
Набули поширення плавка з вдуванням додаткових видів палива, збагаченням дуття киснем і робота з підвищеним тиском колошникових газів. При підвищенні тиску на колошнику зменшується перепад тиску між низом і верхи доменній печі; це обумовлює рівніший схід шихти, покращує відновну роботу газів, зменшує винесення пилу.
Д. п. характеризується високою мірою автоматизації. На сучасній доменній печі автоматично здійснюються всі операції шихтоподачі: набір компонентів шихти з відсівом дрібниці, зважування, транспортування на колошник і завантаження в піч за заданою програмою. Автоматично підтримуються оптимальний рівень засипі і розподіл шихтових матеріалів на колошнику, тиск колошникового газу, витрата води на охолоджування, температура і вологість дуття, а також вміст в нім кисню і витрата природного газу. Автоматизовано перемикання воздухонагревателей і управління режимом їх нагріву. Автоматичні аналізатори забезпечують безперервну реєстрацію складу колошникового газу і дуття. Упроваджуються системи автоматичного регулювання подачі дуття і природного газу як по загальній витраті, так і по окремих фурмам.
Нові доменні печі оснащуються системами централізованого контролю і управління, які забезпечують усереднювання показників приладів і підрахунок комплексних показників роботи печі. Ведуться роботи по комплексній автоматизації Д. п., у тому числі управління тепловим режимом доменної печі за допомогою ЕОМ(електронна обчислювальна машина).
Показники роботи доменної печі залежать головним чином від якості сирих матеріалів і міри підготовки їх до плавки. Основні показники: добова продуктивність доменної печі в т і витрата коксу на 1 т чавуну. У СРСР продуктивність доменних печей інколи характеризується коефіцієнтом використання корисного об'єму (кипо), тобто відношенням корисного об'єму в м 3 до добової виплавки передільного чавуну в т . Продуктивність доменної печі об'ємом 3000 м 3 — 7000 т чавуну в добу. У 1970 середній кипо склав 0,597 (в деяких випадках 0,43—0,45). Витрата коксу на одиницю чавуну, що виплавляється, має велике економічне значення унаслідок високої вартості коксу. Вживання додаткового палива дозволяє зменшити витрату коксу на 8—20% і понизити завдяки цьому собівартість чавуну. У СРСР при виплавці передільного чавуну з добре підготовленої багатої залізом шихти витрата коксу 550—600 кг/т , а на деяких заводах — не більше 450—500 кг/т .
Вдосконалення Д. п. направлено на поліпшення підготовки сирих матеріалів до плавки, збільшення потужності (об'єму) доменних печей, впровадження прогресивної технології, автоматичного управління ходом доменної печі.
Літ.: Збірка праць по теорії доменної плавки, сост. М. А. Павлов, т. 1, М., 1957; Леонідов Н. До., Удосконалення конструкцій доменних печей, М., 1961; Доменний процес по новітніх дослідженнях. [Сб. ст.]. До 100-ліття з дня народження акад.(академік) М. А. Павлова, М., 1963; Доменне виробництво. Довідник, під ред. І. П. Бардіна, т. 1—2, М., 1963; Готліб А. Д., Доменний процес, 2 видавництва, М., 1966.
