Доменная печь: что это такое, устройство, принцип работы, изготовление своими руками

1 Понятие доменной печи и плавки

Современная цивилизация неразрывно связана с развитием техники производства, неосуществимой без совершенствования орудий труда и материалов, применяемых для их производства.

Посреди всех материалов природного происхождения либо сделанных человеком, самое важное место занимают темные металлы – сплав железа и углерода с присутствием других частей.

Сплавы, в составе которых часть углерода составляет 2 – 5%, относятся к чугунам, при наличии углерода наименее 2% сплав относится к сталям. Для плавки металлов употребляется особая разработка доменного производства.

Доменная плавка – это процесс производства чугуна из стальной руды, перерабатываемой в доменных печах либо, как их еще именуют, домнах.

Основными материалами, необходимыми в процессе такового производства, являются:

• горючее, в виде получаемого из каменного угля кокса;
• стальная руда, являющаяся конкретным сырьем для производства;
• флюс – особые добавки из известняка, песка, также других материалов.

Доменные печи также использовались для выплавки цинка. В отличие от печей, выплавляющих железо, они несколько ниже, не имеют огнеупорной футеровки в боковых стенках и полностью герметичны. Но из-за высочайшей себестоимости цинковые доменные печи практически не используются.

В итоге бессчетных разработок и внедренных мыслях доменное создание перетерпело большенные высококачественные конфигурации, а повышение объемов производства чугуна и стали привело к созданию высокопроизводительных доменных печей.

к меню ↑

1.4 Предназначение доменной печи и механизм работы

В целом, можно выделить такие процессы:

• процесс разложения известняка, в итоге которого появляется угольный ангидрид и окись кальция;
• восстановление железа и иных частей;
• науглероживание железа;
• металлоплавление;
• появление и плавление шлака;
• сгорание горючего и остальные.

Воздухонагреватель доменной печи — аппарат, в каком происходит подготовительный нагрев воздуха. Потом этот воздух подается в печь.

Преждевременное оборудование для выплавки чугуна не имело такового элемента, как воздухонагреватель. Разработка устройства позволила намного уменьшить издержки горючего.

Доменная печь представляет собой безпрерывно работающий агрегат, состоящий из последующих зон:

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

Внутреннее очертание вертикального разреза доменной печи именуют профилем печи.

Рабочее место печи включает:

• колошник;
• шахту;
• распар;
• заплечики;
• горн.

1. Колошник.

   Верхняя (узенькая) часть печи именуется колошником. Колошник имеет засыпной аппарат для загрузки шихты (руды, горючего, флюсов) и газоотводные трубы, по которым из доменной печи отводятся газы, именуемые доменными либо колошниковыми. Часть печи меж колошником и распаром именуется шахтой.

   Часть печи, обращенная усеченным конусом ввысь и поддерживающая шихту в распаре вкупе с шихтой и колошником, носит заглавие заплечиков. В этой части печи происходит достаточно резкое сокращение объема загружаемых материалов в итоге выгорания кокса и образования водянистых товаров плавки.

2. Шахта.

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

   Значимая высота шахты позволяет производить термическую и хим обработку материалов поднимающимися жаркими газами.

3. Распар.

   Это средняя цилиндрическая часть рабочего места печи, имеющая наибольший поперечник. Распар делает некое дополнительное повышение объема печи и избавляет вероятные задержки шихтовых материалов.

4. Заплечики.

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

5. Горн.

   Нижняя часть печи, имеющая форму цилиндра, в какой накапливаются продукты плавки — водянистый чугун и шлак, — именуется горном. В горне имеются радиально расположенные на схожем расстоянии друг от друга отверстия (10—16, зависимо от размера домны).

   В эти отверстия вставлены из красноватой меди, бронзы либо алюминия трубы с двойными стенами. Эти отверстия носят заглавие фурмы.

   Через фурмы вдувается вентилятором либо воздуходувными машинами подогретый в воздухонагревателях (кауперах) жаркий воздух. Фурмы охлаждаются водой, циркулирующей в пространстве меж стенами труб.

Колошник

Это верхний элемент, который служит для загрузки сырья (шихты) и отвода отработанных газов. Основная часть колошника – засыпной агрегат. Почти всегда аппараты для засыпки шихты двуконусные. Меж засыпками оба конуса прикрыты. После подачи сырья наименьший элемент опускается, и стальная руда попадает в больший. Как набирается нужная порция, малый конус запирается, из огромного руда попадает в печь. После чего герметизируется и большое устройство.

Более продвинутые домны имеют усовершенствованную конструкцию колошника. Роль огромного конуса играет крутящийся желоб с регулируемым углом наклона. Благодаря этому вероятна засыпка сырья с хоть какой стороны.

Колошник служит и газоотводом. В процессе выплавки появляется неограниченное количество газа. Совместно с ним удаляется и железосодержащая пыль, которую улавливают газоочистители.

Шахта

Шахта занимает огромную часть печного места. Конструкция, расширяющаяся книзу, представляет собой усечённый конус. Благодаря этому подача шихты происходит умеренно. Доменная печь – сооружение вертикальное и довольно высочайшее. Это нужно для обеспечения хим- и термической обработки сырья нагретыми газами.

Распар

Элемент в форме цилиндра размещен в средней части рабочей доменной зоны. Для распара характерен больший поперечник. Предназначение конструкции – повышение печного места и ликвидация ненадобного сырья. Тут появляется пустая порода.

Заплечики

Укороченный конусообразный вариант распара – усечённый компонент обращён широкой частью ввысь. При помощи заплечиков понижают объём выплавляемой шихты при производстве чугуна.

Горн

Основная часть, в какой и происходит выплавка металлов. Тут пылает кокс и появляется газ, скапливается шлак и чугун и происходит постоянный выпуск водянистого металла из конструкции. Состоит горн из фурменной зоны и металлоприёмника. Через фурмы, средством воздухонагревателя и кольцевого воздуховода, в печь поступает жаркий воздух. Он нужен для горения горючего. Дно металлоприёмника именуется лещадь.

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

Шлаковые отверстия находятся на 1,5-2 м выше металлических леток. Их закрывают при помощи железных штопоров с наконечниками. От чугуна шлак отделяется средством агрегата, размещенного на печном желобе. Обе составляющие подаются в особые ковши.

Всё это циклопическое сооружение имеет гигантскую массу. Таковой вес нужно передавать грунту умеренно. Потому домну устанавливают на мощном бетонном фундаменте, толщина подошвы которого может достигать 4 м. Подошва служит опорой колоннам, на которые, в свою очередь, опираются металлоконструкции. Верхнюю фундаментную часть делают из жаростойкого бетона в формате цельного цилиндра.

Давление большой массы на грунт компенсируется устройством массивного фундамента

В таблице представлена связь размеров неких современных печей.

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

Лещадь

Это подина металлоприемника. Беря во внимание массогабаритные характеристики и механизм работы доменной печи, лещадь является одним из ее более ответственных частей. Она испытывает существенное гидростатическое давление и температурные напряжения и потому производится из углеродистого и высокоглиноземистого материала и имеет особенный вид остывания.

Размеры профиля	Нужный объем печи, м3
	1033	1513	2000	2700	3000	5000
Высота, мм
полная (Hп)	28700	30750	32358	33650	34950	36100
нужная (H0)	26000	28000	29400	31200	32200	33500
горна (hг)	3200	3200	3600	3900	3900	4400
заплечиков (hз)	3000	3200	3000	3400	3200	3700
распара (hp)	2000	1800	1700	2200	2000	1700
шахты (hш)	15000	17300	18200	18700	20100	20700
колошника (hк)	2800	2500	2900	3000	3000	3000
«мертвого слоя»	600	766	1101	1699	1740	1113
Поперечник, мм
горна (dг)	7200	8600	9750	11000	11600	14700
распара (D)	8200	9600	10900	12300	12800	16100
колошника (dк)	5800	6600	7300	8100	8400	10800
огромного конуса	4200	4800	5400	6200	6500	—
Колошниковый зазор, мм	800	900	950	950	950	—
Отношение H0:D	3,18	2,92	2,70	2,64	2,51	2,24
Отношение dк:D	0,71	0,69	0,67	0,66	0,656	0,67
Отношение D:dг	1,14	1,12	1,12	1,12	1,12	1,095
Количество воздушных фурм	16	18	20	20	28	36
Количество металлических/шлаковых леток	½	½	1 (2)/2	2/2	3/1	4/1

Разряды ремонта домны

Для поддержания рабочего состояния домны часто проводится полный ремонт (каждый 3-15 лет). Он делится на три вида:

1. 1-ый разряд содержит в себе работы по выпуску товаров плавления, осмотру оборудования, занятого в технологическом процессе.
2. 2-ой разряд – это полная подмена частей оборудования, подлежащего средним ремонтным работам.
3. 3-ий разряд просит полной подмены устройства, после этого производится новенькая засыпка сырья с правкой колошников.

Скип

Скипы – это особые подъемники шихты. С помощью таких подъемников калошей из скиповой ямы захватывается сырье, подаваемое наверх по наклонной эстакаде.

Потом калоши опрокидываются, подавая шихту в загрузочную область, и ворачиваются вниз за новейшей порцией. Процесс этот сейчас осуществляется автоматом, для управления употребляются особые компьютеризированные узлы.

Фурмы и летки

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

Летки употребляются для слива чугуна и шлака, сходу после выпуска они плотно запечатываются специальной глиной. Ранее использовались пушки, которые выстраивали пластичным глиняным ядром, сейчас используются дистанционно управляемые пушки, которые могут подходить к конструкции впритирку. Такое решение отдало возможность понизить травматичность и аварийность процесса, сделать его более надежным.

Кауперы

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

Доменная печь просит неизменного обслуживания, в особенности при выпуске шлака и чугуна. Для этого адаптированы литейные дворы, которые оборудованы мостовыми кранами.

Нагрев воздуха для работы печи, высочайшая температура плавки при наименьшем количестве воздуха обеспечивают воздухонагреватели. Например, в печь, имеющую нужный объем 2000 м³, такое оборудование должно подавать за минуту 3800 м³ воздуха, температура которого составляет 1200 градусов.

Пар, образующийся за счет поступления воздуха в воздухонагреватель, должен быть повсевременно мокроватым. Значение этого показателя регулируется с помощью автоматической системы.

Сжатый воздух, который нужен для сжигания горючего, поступает в печь благодаря воздуходувным машинам. Его давление на колошнике у современных печей добивается 25 МПа. Чистка колошникового газа происходит средством газоочистителя.

к меню ↑

1.8 Описание и процеcсы

Доменная печь представляет собой безпрерывно действующий аппарат шахтного типа. Загрузка шихты осуществляется сверху, через типовое загрузочное устройство, которое сразу является и газовым затвором доменной печи. В домне восстанавливают богатую металлическую руду (на современном шаге припасы богатой стальной руды сохранились только в Австралии и Бразилии), агломерат либо окатыши . Время от времени в качестве рудного сырья употребляют брикеты.

Доменная печь состоит из 5 конструктивных частей: верхней цилиндрической части — колошника, нужного для загрузки и действенного рассредотачивания шихты в печи; наибольшей по высоте расширяющейся конической части — шахты, в какой происходят процессы нагрева материалов и восстановления железа из оксидов; самой широкой цилиндрической части — распара, в каком происходят процессы размягчения и плавления восстановленного железа; суживающейся конической части — заплечиков, где появляется восстановительный газ — монооксид углерода ; цилиндрической части — горна , служащего для скопления водянистых товаров доменного процесса — чугуна и шлака .

В высшей части горна размещаются фурмы — отверстия для подачи нагретого до высочайшей температуры дутья — сжатого воздуха , обогащенного кислородом и углеводородным топливом.

На уровне фурм развивается температура около 2000 °C. По мере удаления ввысь температура понижается, и у колошников доходит до 270 °C. Таким макаром в печи на разной высоте устанавливается различная температура, по этому протекают разные хим процессы перехода руды в металл .

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 подготовительного нагрева (колошник).6. Загрузка железорудных материалов, известняка и кокса.7. Доменный газ.8. Столб железорудных материалов, известняка и кокса.9. Выпуск шлака.10. Выпуск водянистого чугуна.11. Сбор отходящих газов.

Для удачной плавки чугуна в доменной печи должны всегда соблюдаться главные моменты. Во-1-х, температура по всему объему печи и тепло должны обеспечивать протекание требуемых реакций в подходящем месте и в определенное время. Это происходит за счет движения навстречу друг дружке 2-ух потоков. Газ от сгорания горючего подымается снизу ввысь, а шихта, нагревающаяся теплом газа, спускается сверху вниз. Во-2-х, шлак должен создаваться только тогда, как завершится восстановление железа и нужных примесей из руды. Тут принципиально верно подобрать тугоплавкость шлака сорту чугуна. Это нужно для того, чтоб шлак заблаговременно не сплавил руду, что приведет потом к изменению состава чугуна и может вызвать сбой в процессе плавки.

Началом данного процесса является горение горючего. При содействии с кислородом, природный газ и углерод кокса сгорают, образуя существенное выделение тепла.

C + O2 = CO2 + Q; CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Q

Происходит взаимодействие товаров сгорания с коксом в согласовании с реакциями:

CO2 + C = 2CO – Q; H2O + C = CO + H2 – Q

В этой консистенции окись углерода – главный восстановитель железа из оксидов железа. Чтоб прирастить производительность печи, воздух, поступающий в печь, увлажняют, за счет чего возрастает количество восстановителя. При поднятии газы, температура которых довольно высока, нагревают шихту. Сами они при всем этом охлаждаются примерно до 300-400 градусов. Шихта двигается вниз навстречу газу. Когда температура достигнет примерно 570°С, происходит восстановление оксидов железа. Этот процесс состоит из нескольких поочередных шагов по схеме: Fe2O3 -> Fe3O4 -> FeO -> Fe.

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

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

к меню ↑

1.9 Продукты доменного производства

Продуктами доменной плавки являются:

• чугун;
• шлак;
• доменный (колошниковый) газ.

Чугун

Шлак — побочный продукт, он является очень дешевеньким строительным материалом высочайшего свойства и идет на изготовка цемента, бетона, кирпича, на грунтовку дорог.

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

Шлаки бывают главные и кислые.

Кислый шлак имеет высшую крепкость. Если его в водянистом виде продуть паром либо воздухом, получится шлаковая вата, являющаяся неплохим изолятором.

Доменный (колошниковый газ)

Работа доменной печи — принципиальная составная современной темной металлургии. В современном производстве применяется только оборудование с высочайшим уровнем производительности. Не считая того, прогрессивные доменные печи обустроены системами автоматики. Роль автоматики состоит в том, чтоб регулировать, держать под контролем и регистрировать главные свойства рабочих операций по выплавке. Современная печь может держать под контролем уровень, на который засыпана шихта, подачу руды, температуру дутья и давление газа.

Производительность таких печей вырастает, можно сказать, в ногу с течением времени. Усовершенствования системы выплавки позволяют прирастить производительность оборудования в пару раз.

Схема доменной печи дает зрительное понятие принципа ее работы. Тут можно пронаблюдать, как изменяется конструкция оборудования в местах завышенного температурного режима. Также, с учетом схемы, можно узреть, где засыпаются составляющие сырья и до какого уровня.

Процессы в доменной печи происходят в строго установленном порядке. Сама печь имеет вертикальную форму, сравнимую с шахтным типом. Высота может мало отличаться, но не превосходит 35 м. Поперечник сооружения, обычно, в 2,5 – 3 раза меньше. Процесс протекает в определенной последовательности. Поначалу происходит восстановление железа. Потом восстанавливаются другие элементы – фосфор, сера и остальные. Образующийся шлак, уже значительно поменявший свои составные, стекает вниз и скапливается в области горна. Конкретно хим составом шлака определяется состав чугуна.

к меню ↑

1.11 Самая широкая часть доменной печи

Конструкция доменной печи состоит из огромного количества частей и помещений, о которых написано выше.

к меню ↑

2 Как сделать доменную печь своими руками?

Самостоятельное изготовка доменной печи на 1-ый взор кажется несуразной затеей. Навряд ли кому-то придёт в голову организовать на своём участке маленький металлургический цех. Обстоятельств этому несколько:

1. Отсутствие сырья. В мире осталось всего 2 месторождения с богатой рудой — в Бразилии и в Австралии. Приобрести окатыши либо агломерат фактически нереально — их нет в свободной продаже, все поставки идут через сырьевые биржи и исчисляются тыщами тонн.
2. Получить разрешение на строительство маленького металлургического производства нереально. Чёрная металлургия — источник значимых экологических заморочек, потому ни один бюрократ не рискнёт дать разрешение на схожую затею.
3. Соседи завалят жалобами все инстанции, так как неизменный дым и чад сделают их жизнь нестерпимой.

Указаны только самые главные предпосылки, в реальности их еще больше. Внедрение доменной печи для производства металла в критериях личного дома исключено.

Но если учитывать специфику работы домны, а именно — непрерывный режим горения, то можно использовать её для подогрева помещений. Это действенное решение для подачи тепла как в жилые, так и в служебные помещения — гараж, теплицы, вспомогательные постройки и т. д. В отличие от обыкновенной твёрдотопливной печи, где нужно нередко загружать горючее, а КПД достаточно низок, домна обеспечивает ровненькое тление материала в течение 15–20 часов. Это выходит благодаря ограниченному поступлению воздуха, не позволяющего горючему интенсивно пылать и растягивающему процесс на долгий срок.

к меню ↑

2.1 Аспекты

Создание чугуна является высокорентабельным делом, но сделать изготовка темного металла без суровых денежных инвестиций нереально. Доменная печь своими руками в «кустарных условиях» – это просто нереализуемо, что связано со многими особенностями:

• очень высочайшая цена домны (такие расходы могут для себя позволить только большие комбинаты);
• сложность конструкции, невзирая на то, что чертеж доменной печи можно отыскать в свободном доступе (выше схемы), собрать настоящий 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 темной металлургии фактически исчерпаны, окатышей либо агломерата в свободной продаже нет.

Но в домашних критериях можно собрать имитацию печи (мини-доменную печь), с помощью которой можно плавить металл.

Но работы эти требуют наибольшего внимания и очень не рекомендуются при отсутствии опыта. Для чего может потребоваться изготовка схожей конструкции? В большинстве случаев – это подогрев для теплицы либо дачи с очень отлично применяемым топливом.

к меню ↑

2.2 Инструменты и материалы

Для производства конструкции в домашних критериях, нужно приготовить:

• железная бочка (можно поменять на трубу с огромным поперечником);
• два отрезка трубы круглого сечения с наименьшим поперечником;
• отрезок швеллера;
• листовая сталь;
• уровень, ножовка по металлу, рулетка, молоток;
• инвертор, набор электродов;
• кирпичи, глиняный раствор (нужны для фундамента конструкции).

Все работы нужно проводить лишь на улице, потому что процесс довольно грязный и требующий наличия свободного места.

к меню ↑

2.3 Пошаговая аннотация

1. На приготовленной заготовке в виде бочки срезается верх (его следует бросить, потому что он пригодиться далее).
2. Из стали вырезается круг с поперечником, наименьшим чем поперечник бочки, в нем делается отверстие для трубы.
3. Труба аккуратненько приваривается к кругу, понизу сваркой крепятся отрезки швеллера, которые будут придавливать горючее во время работы печи.
4. Крышка печи делается из отрезанного ранее дна бочки, в каком делается отверстие для закладного лючка с дверкой. Также нужно сделать дверку, через которую будут удаляться остатки золы.
5. Печь непременно устанавливается на фундамент, потому что в процессе работы она очень очень греется. Для этого поначалу устанавливается бетонная плита, потом выкладывается несколько рядов из кирпича, образующих углубление в центре.
6. Для отвода товаров сгорания устанавливается дымоходная труба, поперечник прямой части будет больше, чем поперечник корпуса печи (требуется для наилучшего отвода газов).
7. Отражатель не является неотклонимым элементом конструкции, но его внедрение позволяет повысить КПД печи.

к меню ↑

2.4 Особенности конструкции

Особенностями таковой без помощи других сделанной печи являются:

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

Основным различием «бытовой» доменной печи будет ограничение доступа воздуха к камере сгорания, другими словами тление дров либо угля будет происходит при малом уровне кислорода. По похожему принципу работает и промышленная домна, но бытовая применяется только для отопления, плавить металл в ней нельзя, хотя температура снутри камеры будет достаточной.