Доменная печь: что такое, как появилась, как работает

Доменная печь — это плавильная печь, которую используют для выплавки из руд металлов, преимущественно железа и меди.

Первые доменные печи появились в Западной Европе примерно в середине XIV века.

Еще в древние времена человек научился добывать железо в сыродутных печах. Для этих целей вполне хватало легкоплавких руд, встречающиеся на поверхности земли. Однако уже в средние века потребность в железе стремительно возросла и возникла необходимость в использовании тугоплавких руд.

Чтобы извлечь железо из такой руды, необходима была очень высокая температура плавки. Повысить температуру можно было путем увеличения высоты печи либо за счет усиления дутья. Таким образом, на смену сыродутной печи пришла новая плавильная печь, названная штукофена. Более высокая и значительно более усовершенствованная штукофена стала началом на пути к созданию доменной печи. Несмотря на то, что не изменился процесс добычи железа из руды, наблюдался явный прогресс. Закрытая шахта в штукофенах позволяла концентрировать тепло, а благодаря высоте, достигающей 3,5 м, плавка стала равномернее и полнее, увеличился коэффициент использования руды.

Со временем тугоплавким рудам необходимо было более сильное дутье. К концу XIV века плавильные печи были усовершенствованы гидравлическими двигателями, которые приводили в действие кожаные меха. Благодаря этому усилилось дутье, что отразилось на всем процессе. Температура в печи стала настолько высокой, что при восстановлении железа из руды большая его часть стала превращаться в чугун. Вначале это неприятно поразило мастеров, так как новый металл не поддавался ковке, не сваривался, был хрупкий и не пригоден для изготовления из него прочных инструментов, острого оружия.

Первая доменная печь появилась в 1630 году в городе Тула.

Для того чтобы начать пользоваться доменной печью в этом моде, её нужно правильно установить к теплогенератору.

Теплогенераторы бывают следующих видов:

  • твердотельный (работает на любом горючем топливе, будь то лава, уголь, палки блейзов и прочее);
  • жидкостный (этот механизм работает на любом жидком горючем топливе);
  • электрический (работает на электричестве из любого энергохранилища);
  • радиоизотопный (такой механизм работает на особых дорогостоящих пеллетах).

Теплоотдача от каждого генератора производится через оранжевый квадрат на одной стороне механизма, поэтому и доменную печь нужно поставить так, чтобы её «приёмник» соприкасался с выводом тепла у теплогенератора.

Это можно сделать следующим образом: сначала нужно поставить теплогенератор, а рядом с ним разместить доменную печь. После этих действий нужно взять в руки любой ключ (гаечный или электрический), зажать «Шифт» (клавишу, на которую выполняется приседание) и нажать ПКМ (правой кнопкой мыши) на доменную печь, чтобы развернуть её в противоположную сторону, то есть прямо к генератору.

Чтобы удостовериться, что всё работает правильно, нужно загрузить в генератор топливо, а затем разместить на доменной печи рычаг или любой другой активирующий предмет (также с помощью «Шифта»).

Затем нужно зайти в интерфейс печи и проверить, заполняется ли индикатор нагрева (красная полоска). Если всё сделано правильно, то печь должна начать нагреваться.

Теперь, чтобы закалить железо в этой печи, нужно поместить в неё сами слитки этого металла, а в качестве вспомогательного элемента разместить капсулы со сжатым воздухом. Их можно очень просто сделать с помощью компрессора, в который достаточно поместить пустую капсулу, чтобы та заполнилась сжатым воздухом. Естественно, предварительно компрессор нужно подключить к источнику энергии.

Постройка

Печь строится в виде параллелепипеда 3х3х4 (4 блока в высоту) с пустым местом в центре из 34 специальных блоков доменных кирпичей. В общем для постройки одной печи потребуется 36 блоков адского кирпича, 36 блоков песка души и 9 единиц лавового крема (2 блока получатся лишние). Когда печь закончена, внизу должны появиться окошки в нижних блоках по бокам. Печи не могут быть построены на смежных блоках, между ними должно быть расстояние минимум в 1 блок.

Также есть пламенный кирпич, который выглядит как доменный кирпич, но из него не получится построить печь. Его можно попробовать использовать для декоративных целей или же сделать доменный кирпич.

Обслуживание и ремонт доменной печи

Любому оборудованию, работающему в круглосуточном режиме, требуется постоянное обслуживание. Регламенты закладываются в технический паспорт оборудования. Несоблюдение графика технического обслуживания влечет за собой сокращение срока эксплуатации.

Работы по техническому обслуживанию доменных печей делятся на периодические и капитальные ремонты. Периодические работы проводятся без остановки рабочего процесса.

Капитальный же ремонт по объему выполняемых работ делится на три разряда. Во время первого разряда производится осмотр всего оборудования, при этом из шахты извлекаются расплавы. Во время второго разряда производится ремонт футеровки, замена вышедших из строя элементов оборудования. При третьем разряде производится полная замена агрегата. Обычно такой ремонт совмещают с модернизацией или реконструкцией домны.

Устройство и принцип работы

Доменная печь представляет собой вертикальную конструкцию шахтного типа, напоминающую конус, расширяющийся книзу. Высота печи может достигать 70 м, рабочий объём — 2700 м³. Суточная производительность домны таких размеров достигает 5000 т чугуна. Основной особенностью работы доменных печей является непрерывность процесса. Работа ведётся круглосуточно и не прекращается до момента капитального ремонта или демонтажа печи, что может занимать период от 3 до 15 лет. Если работу остановить и оставить печь без топлива, произойдёт так называемое «закозление», застывание материалов, находящихся внутри. Запустить вновь печь, остановленную нештатным способом, невозможно. Такая специфика заставляет специалистов постоянно заботиться о соблюдении режима работы установки, но и позволяет получить максимальную производительность.

Материалы, необходимые для реализации доменного процесса:

  • Каменноугольный кокс (топливо);
  • Железная руда (агломерат, окатыши);
  • Флюс (песок, известняк и другие необходимые материалы, организующие подъём шлаков вверх).

Месторождений железной руды, качество которой позволяет без предварительной обработки использовать её в процессе плавки, в мире осталось очень мало. Поэтому в большинстве случаев используется специально подготовленное сырьё — агломерат или окатыши, представляющие собой комки обогащённого рудного материала. Они имеют форму округлых гранул (окатыши) или частиц неправильной формы (агломерат) размером 2–5 см.

Схема устройства доменной печи

Конструкция печи представляет собой массивную вертикальную башню, изнутри выложенную шамотным (огнеупорным) кирпичом. Она установлена на прочном фундаменте, поднятом над нулевым уровнем на определённую высоту. Верхняя, жароустойчивая часть основания называется пнём. Верхушка фундамента имеет горизонтальную площадку — лещадь, которая принимает на себя все динамические и температурные нагрузки, в связи с чем имеет водяное охлаждение. Печь снаружи защищена прочным металлическим кожухом, толщина которого составляет 4–6 см.

Внутренняя часть печи представляет собой конусообразную башню, состоящую из нескольких участков:

  • Колошник. Верхний отдел башни, где производится загрузка шихты и выводятся колошниковые газы.
  • Шахта (или тахта). Конусообразная часть башни, понемногу расширяющаяся книзу.
  • Распар. Самая широкая (средняя) часть башни, в которой происходит начало процессов шлакообразования и плавления сырья. Температура в этом участке составляет от 1400°.
  • Заплечики. Относительно короткий участок в виде конуса, сужающегося в нижней части. В нём происходит окончательное плавление металла. Температура в этом участке составляет 1600–1900°.
  • Горн. Нижняя часть башни, где расположены отверстия для подачи воздуха (фурмы). Там же располагаются чугунная и шлаковая летки (отверстия для выпуска чугуна и шлака). Днище горна — это верхняя часть фундамента (лещадь).
Читайте также  Вязание ковриков крючком из старых вещей

С помощью засыпного аппарата в колошник подаются шихта и флюс. По мере расплава и вывода чугуна и шлака материалы опускаются вниз, а их место занимают новые порции. Газы, образующиеся во время протекания химических процессов, выводятся посредством трубопроводов, размещённых в колошниковой части башни. Они имеют высокую температуру и используются для нагрева свежего потока, поступающего в домну для наддува. Нагрев производится в кауперах — установках, осуществляющих забор свежего воздуха, нагрев в теплообменных устройствах и подачу горячего воздуха в печь.

Самодельная доменная печь

Схема доменной печи, для производства собственными силами.

Если вы решили сделать такую конструкцию своими руками, то будьте готовы к тому, что при выполнении работ будет много грязи и шума, поэтому выполнять их лучше всего на улице.

Основным секретом такой конструкции является наличие специального ограничителя доступа воздуха к углю или дровам. Он пропускает небольшое количество кислорода, которого достаточно для поддержания тления загруженной порции топлива, при этом активного горения не происходит, поэтому тепло выделяется равномерно длительное время.

Для того чтобы сделать эту печь самостоятельно, вам потребуются такие расходные материалы и инструменты:

  • бочка или труба большого размера;
  • два отрезка трубы;
  • швеллер;
  • рулетка, уровень, молоток, ножовка по металлу;
  • листовая сталь
  • сварочный аппарат, электроды;
  • раствор и кирпичи для фундамента.

Сначала необходимо на бочке срезать верх, делать это надо аккуратно, так как она вам понадобится в дальнейшем. Вместо бочки можно использовать трубу большого диаметра. Чтобы сделать дно для трубы, лучше приварить прямоугольный лист металла, он придаст ей большую устойчивость.

Из листа вырезается круг, диаметр которого немного меньше диаметра бочки, в нем делается отверстие под другую трубу. Приваривают трубу диаметром 10 см к стальному кругу. Снизу к этому кругу привариваются отрезки швеллера, они служат для того, чтобы придавливать топливо по мере его прогорания.

Для крышки бочки берут лист метала или отрезанную ранее верхнюю часть и в ней делают отверстие для трубы. Для того чтобы закладывать топливо, необходимо вырезать люк и установить дверцу. Под ней делается дверца для удаления остатков закладки.

Дополнительные печные элементы

Функционирование печи требует работы вспомогательных устройств. Среди них:

  • воздухонагреватели; крупные элементы башенного типа располагают рядом с печью; в них поступает колошниковый газ, который затем сгорает; благодаря этому образуется ещё более горячий газ, посредством сложной системы нагревающий воздух; последний – нагретый до температуры, как минимум, 1000 градусов – идёт в ход для выплавки чугуна;
  • воздуходувные машины; сжатый воздух необходим для топливного горения; в печь воздух поступает благодаря устройствам, образующим давление порядка 25 МПа;
  • устройства для подъёма и засыпки шихты;
  • газоочистители для очистки колошниковых газов;
  • прочие вспомогательные устройства – например, мостовые краны, которыми оборудованы литейные дворы.

Рисунок 4. Пример современной доменной печи

Современные печи оснащаются системами автоматики. Компьютеризация позволяет контролировать и регулировать основные параметры, связанные с функционированием домны. Под контролем уровень засыпки сырья, давление газа, температура дутья и т. п.

Современные домны даны на откуп автоматике. Компьютер контролирует основные производственные процессы

Домна и кричный горн

Остывание печи, извлечение из неё крицы, чугуна и шлака, подготовка печи к новой плавке занимали до 10 часов, и очистка чугуна от шлака требовала много труда. Поэтому переделочный процесс в металлургии закрепился только в конце XV в., когда была изобретена доменная печь (домна) и найден двухступенчатый способ изготовления железа. В доменной печи руда плавилась долго и при высокой температуре и вся переплавлялась в переобогащённый углеродом чугун (крицу уже не извлекали). Выплавка в печи шла непрерывно — через колошник загружали шихту и уголь, они плавились в шахте печи и стекали вниз. Лёгкий шлак образовывал верхний слой расплава и вытекал через верхнюю лётку (отверстие), а тяжёлый чугун со дна стекал по нижней лётке. Домна была выше блауофена (высота современных доменных печей до 35 м), и для поддува в неё подавался не сырой, а горячий воздух, что позволяло увеличить нагрев до 2000 °С.

Чугун плавится при более низких температурах, чем руда, и его перерабатывали в железо в кричных горнах, сходных с сыродутными печами. За 1-2 часа плавки с углём углерод выгорал из чугуна, и на дне горна оседала мягкая масса кричного железа с низким содержанием шлака, который потом удаляли ковкой. В средневековых горнах за сутки из тонны чугуна получали около 920 кг железа. Процесс восстановления железа из чугуна называется кричный передел.

Чугунная лётка

Это канал прямоугольной формы шириной 250—300 мм с высотой 450—500 мм. Канал делают в огнеупорной кладке горна на высоте 600—1700 мм от поверхности лещади. Каналы для шлаковых лёток выкладывают на высоте 2000—3600 мм. Канал чугунной летки закрыт огнеупорной массой. Открывают чугунную лётку путём высверливания бурильной машиной отверстия диаметром 50—60 мм. После выпуска чугуна и шлака (на современных больших доменных печах выпуск чугуна и шлака осуществляется через чугунные лётки) отверстия забивают с помощью электрической пушки. Носок пушки входит и в неё из пушки под давлением подают лёточную огнеупорную массу. Шлаковая лётка на доменной печи защищена водоохлаждаемыми элементами, которые в совокупности называют шлаковыми стопорами и рычажной конструкции с пневматическим приводом, управляемым дистанционно. Доменные печи большого объёма (3200—5500 м³) оборудованы четырьмя чугунными лётками, работающими попеременно, и одной шлаковой лёткой. Выпуск чугуна и шлака из доменной печи включает в себя следующие операции:

  1. открытие чугунной лётки (в необходимых случаях в шлаковой);
  2. обслуживание, связанное непосредственно с вытеканием чугуна и шлака;
  3. закрытие чугунной лётки (если шлак выпускали через шлаковую, то и шлаковой);
  4. ремонт лётки и желобов.