Как работает доменная печь: принцип выплавки чугуна по этапам
Доменная печь работает по принципу противоточного восстановления: рудное сырьё с коксом и флюсом загружается сверху, а снизу подаётся горячее дутьё (воздух, обогащённый кислородом). Кокс сгорает и восстанавливает железо из оксидов, температура в зоне горения достигает 1900–2100 градусов Цельсия. Расплавленный чугун стекает вниз и периодически выпускается через лётку. Процесс непрерывен и длится от нескольких лет до десяти и более без остановки.
Устройство доменной печи
Рабочее пространство печи имеет форму двух усечённых конусов, соединённых основаниями. Снизу вверх расположены: горн (зона горения и накопления чугуна), заплечики (зона восстановления), шахта (зона подготовки шихты), колошник (зона загрузки). Полезный объём современных доменных печей на российских металлургических комбинатах составляет от 1000 до 5500 кубических метров. Высота агрегата достигает 30–35 метров. Стены печи выложены огнеупорным кирпичом (каолин, шамот) и охлаждаются встроенными холодильниками.
Шихта: сырьё и роль каждого компонента
Шихту составляют три основных материала. Железорудное сырьё подаётся в виде агломерата или окатышей с содержанием железа 55–65%. Кокс выполняет двойную роль: он является топливом и одновременно восстановителем. Удельный расход кокса на ведущих предприятиях составляет 340–380 кг на тонну чугуна. Флюсы (известняк, доломит) связывают пустую породу в шлак с температурой плавления ниже температуры плавления чугуна. На одну тонну чугуна образуется от 200 до 350 кг шлака, который используют как сырьё для цементной промышленности.
Процесс восстановления железа
В горне при сгорании кокса образуется монооксид углерода CO, который поднимается навстречу опускающейся шихте. В зоне шахты при 700–900 градусах CO восстанавливает оксид железа Fe2O3 до металлического железа. Одновременно железо насыщается углеродом: в чугуне его содержание составляет 2,5–4,5%, что принципиально отличает чугун от стали. Дутьё подаётся через 12–40 фурм, равномерно расположенных по периметру горна, с давлением 3–5 атмосфер и температурой 1100–1300 градусов. Для экономии кокса в дутьё вдувают природный газ или мазут.
Выпуск чугуна и газовое хозяйство
Чугун и шлак накапливаются в горне и выпускаются раздельно через чугунную и шлаковую лётки. Чугунная лётка открывается буровой машиной каждые 1,5–4 часа, за один выпуск из печи поступает от 200 до 600 тонн чугуна. Доменный (колошниковый) газ отбирается с верха печи: его теплота сгорания составляет 3,2–3,7 МДж на куб. м, и он используется для подогрева воздухонагревателей (кауперов), которые разогревают дутьё. Таким образом, тепловая система доменного производства замкнута: избыточный газ направляется в цеховую энергосистему.
