Как работает домна: процесс выплавки чугуна от загрузки шихты до выпуска металла
Доменная печь работает как непрерывный химический реактор: железная руда, кокс и флюс (известняк) загружаются сверху, снизу вдувается раскалённый воздух, и в результате серии химических реакций железо восстанавливается из оксидов и стекает на дно печи в виде жидкого чугуна. Температура в зоне горения достигает 1900–2100 °C. Современная доменная печь работает без остановки 10–15 лет, производя 5 000–12 000 тонн чугуна в сутки.
Из чего состоит шихта и зачем нужен каждый компонент
Шихта представляет собой смесь материалов, которые загружают в домну. Главный компонент: железорудный агломерат или окатыши — это спечённая мелкая руда с содержанием железа 55–65%. Сырую руду перед доменной печью не используют, потому что мелкие частицы забивают пространство между кусками и мешают газам подниматься.
Второй компонент: кокс, который одновременно выполняет три функции: служит топливом, восстановителем оксидов железа и «скелетом», удерживающим столб шихты в печи. Кокс делают из коксующихся углей при нагреве без доступа воздуха до 1100 °C. Прочность кокса критически важна: он не должен крошиться под давлением столба шихты высотой 25–35 метров.
Третий компонент: известняк или доломит. Флюс реагирует с пустой породой руды и золой кокса, образуя жидкий шлак с температурой плавления 1300–1400 °C. Без флюса порода оставалась бы твёрдой и засоряла печь.
Как устроена доменная печь
Домна выглядит как стальной цилиндр высотой 30–80 метров, облицованный изнутри огнеупорным кирпичом. Внутреннее пространство имеет форму двух конусов, соединённых основаниями: это позволяет шихте равномерно распределяться и опускаться. Самое широкое место называется «распар» и находится примерно на трети высоты снизу.
Вверху расположен колошник с затворным устройством, через которое загружают шихту транспортёрами или скипами. Внизу, в горне, по окружности расположены фурмы: от 20 до 40 сопел диаметром 130–160 мм, через которые вдувается воздух, нагретый в кауперах до 1050–1200 °C. Горячее дутьё снижает расход кокса на 10–15% по сравнению с холодным воздухом.
В нижней части горна накапливается чугун, а над ним плавает более лёгкий шлак. Для их раздельного выпуска устроены разные лётки: чугунная в самом низу и шлаковая немного выше.
Химия процесса: как железо извлекают из руды
Восстановление железа происходит поэтапно по мере опускания шихты в зоны всё более высокой температуры. В верхних горизонтах при 400–500 °C оксиды железа частично восстанавливаются монооксидом углерода: Fe2O3 превращается сначала в Fe3O4, затем в FeO. В средней зоне при 700–900 °C твёрдое железо восстанавливается полностью. В зоне плавления при 1100–1300 °C железо науглероживается (растворяет 3–4,5% углерода из кокса) и превращается в чугун с температурой плавления около 1150 °C, значительно ниже, чем у чистого железа (1535 °C).
Реакция горения кокса в фурменной зоне: углерод + кислород = монооксид углерода (CO). Именно CO является основным восстановителем и поднимается вверх по печи навстречу опускающейся шихте, отдавая кислород оксидам железа и окисляясь до CO2. Доменный газ, выходящий из колошника, содержит 22–27% CO и используется как топливо для нагрева кауперов и котлов.
Выпуск чугуна и шлака
Чугун выпускают через чугунную лётку каждые 3–5 часов. Лётку открывают бурильной машиной, и жидкий металл при температуре 1420–1480 °C вытекает в главный жёлоб, откуда распределяется по ковшам объёмом 300–600 тонн. Ковши перевозят на сталеплавильный участок, где чугун переплавляют в сталь в конвертерах или электропечах. После выпуска лётку закрывают огнеупорной пробкой из специальной массы с помощью пушки.
Шлак выпускают отдельно каждые 1–1,5 часа. На тонну чугуна образуется 250–350 кг шлака. Его гранулируют водой и используют в производстве цемента и дорожных покрытий, так что доменный процесс фактически безотходен по основным продуктам.
Крупнейшие доменные производства России сосредоточены на предприятиях Череповца, Магнитогорска, Новолипецка и Нижнего Тагила. Суммарный объём выплавки чугуна в стране составляет около 50 миллионов тонн в год.
