Открыть сервис
Главная → Блог → Доменная плавка

Доменная плавка

Доменная плавка — это металлургический процесс получения чугуна из железорудного сырья в шахтной печи (доменной печи) путём восстановления оксидов железа, их науглероживания и отделения от пустой породы. Является основным способом производства первичного чугуна, который затем перерабатывается в сталь или используется в качестве литейного материала. Процесс осуществляется непрерывно в течение нескольких лет (кампании печи) и характеризуется высокой производительностью, достигающей 10–12 тысяч тонн чугуна в сутки на крупных агрегатах.

История

Древние и средневековые предшественники

Прообразом доменной плавки считается сыродутный процесс, при котором железо получали в небольших горнах при температуре около 1200 °C, не достигающей плавления металла. Кричное железо извлекали в виде губчатой массы (крицы), которую затем проковывали для удаления шлака. Однако такой метод был малопроизводительным и не позволял получать жидкий чугун.

Первые сведения о получении жидкого чугуна в шахтных печах относятся к IV–VI векам н. э. в Китае, где использовались печи с водяными мехами для подачи воздуха. В Европе доменный процесс начал развиваться в XIII–XIV веках в регионе Валлония (современная Бельгия) и в Швеции. К XV веку доменные печи достигли высоты 3–4 метров и производили до 1–2 тонн чугуна в сутки.

Развитие в России

В России первая доменная печь была построена в 1637 году на тульском заводе Андрея Виниуса. В XVIII веке, при Петре I, уральские заводы (например, Невьянский, Каменский) стали крупнейшими в мире по производству чугуна. К концу XVIII века Россия занимала первое место в мире по выплавке чугуна, обеспечивая около 30 % мирового производства. В XIX веке с развитием бессемеровского и мартеновского процессов доменная плавка стала основным поставщиком сырья для сталеплавильного производства.

Современный этап

В XX веке доменные печи значительно увеличились в размерах: высота современных печей достигает 30–40 метров, а полезный объём — 5–5,5 тысяч кубических метров. Внедрение кислородного дутья, повышение давления под колошником, использование природного газа и пылеугольного топлива позволили снизить расход кокса и увеличить производительность. В СССР в 1980-х годах на Череповецком металлургическом комбинате была введена в эксплуатацию доменная печь № 5 объёмом 5 500 м³, одна из крупнейших в мире.

Устройство доменной печи

Доменная печь представляет собой шахтную печь шахтного типа, футерованную огнеупорным кирпичом и заключённую в металлический кожух. Основные конструктивные элементы:

  • Колошник — верхняя часть печи, через которую загружаются шихтовые материалы (железная руда, кокс, флюсы) с помощью скипового подъёмника или конвейера. Оборудован засыпным аппаратом для герметизации и распределения шихты.
  • Шахта — коническая часть, расширяющаяся книзу, где происходит нагрев шихты и начало восстановительных реакций. Высота шахты составляет 2/3 общей высоты печи.
  • Распар — цилиндрическая часть печи, где достигается максимальная температура (до 2000 °C) и происходит интенсивное плавление.
  • Заплечики — коническая часть, сужающаяся книзу, где формируется чугун и шлак.
  • Горн — нижняя часть печи, где скапливаются жидкий чугун и шлак. В горне расположены фурмы — отверстия для подачи горячего дутья (воздуха, обогащённого кислородом). Чугун выпускается через лётку (чугунную лётку), шлак — через шлаковую лётку.

Сырьё и материалы

Для доменной плавки используются следующие компоненты:

  • Железная руда — основной источник железа. Наиболее распространены магнетитовые, гематитовые и бурые железняки. Содержание железа в руде должно быть не менее 50–60 %, иначе требуется предварительное обогащение (агломерация или окатывание).
  • Кокс — твёрдое топливо, получаемое из каменного угля. Выполняет функции топлива (сгорает с выделением тепла) и восстановителя (образует оксид углерода CO). Расход кокса составляет 400–600 кг на тонну чугуна.
  • Флюсы — добавляются для связывания пустой породы и золы кокса в легкоплавкий шлак. Обычно используют известняк (CaCO₃) или доломит.
  • Дутьё — горячий воздух, обогащённый кислородом (до 30–35 %), подаваемый через фурмы. Температура дутья достигает 1000–1200 °C. Для снижения расхода кокса вдувают природный газ или пылеугольное топливо.

Химизм процесса

Доменная плавка основана на химических реакциях восстановления оксидов железа. Основные стадии:

  1. Горение кокса в нижней части печи: C + O₂ → CO₂, затем CO₂ + C → 2CO. Образуется восстановительный газ — оксид углерода (CO).
  2. Восстановление оксидов железа газом CO и твёрдым углеродом:
  • Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ (при 400–900 °C)
  • Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂
  • FeO + C → Fe + CO (прямое восстановление при высоких температурах)
  1. Науглероживание железа: восстановленное железо в твёрдом виде реагирует с CO, образуя цементит Fe₃C, который понижает температуру плавления до 1150–1200 °C. Жидкий чугун содержит 4–4,5 % углерода.
  2. Шлакообразование: флюсы разлагаются с образованием CaO, который связывает SiO₂ и Al₂O₃ пустой породы в силикатный шлак. Шлак всплывает на поверхность чугуна благодаря меньшей плотности.

Продукты доменной плавки

Основным продуктом является передельный чугун, который содержит 4–4,5 % углерода, 0,3–1,2 % кремния, 0,5–1,5 % марганца, а также фосфор и серу. Он используется для производства стали в конвертерах или мартеновских печах. Также получают литейный чугун (с повышенным содержанием кремния) для изготовления отливок.

Побочные продукты:

  • Доменный шлак — используется в производстве цемента, шлакоблоков, дорожных покрытий.
  • Доменный газ — содержит CO, H₂, CH₄ и имеет теплотворную способность 3–4 МДж/м³. Применяется для нагрева воздухонагревателей и в энергетике.
  • Колошниковая пыль — улавливается в газоочистке и возвращается в шихту после агломерации.

Технологические параметры

Современная доменная печь работает в непрерывном режиме. Основные показатели:

  • Коэффициент использования полезного объёма (КИПО) — отношение объёма печи к суточной производительности. Для современных печей составляет 0,4–0,6 м³·сут/т.
  • Расход кокса — 400–500 кг/т чугуна при использовании природного газа.
  • Температура чугуна на выпуске — 1350–1450 °C.
  • Давление под колошником — 0,2–0,4 МПа.
  • Стойкость футеровки — 10–15 лет (кампания печи).

Экологические аспекты

Доменная плавка сопровождается значительными выбросами в атмосферу: оксиды углерода (CO, CO₂), диоксид серы (SO₂), оксиды азота (NOₓ), пыль. В России и других странах применяются системы газоочистки (электрофильтры, рукавные фильтры), а также технологии утилизации доменного газа. Выбросы CO₂ составляют около 1,5–2 тонн на тонну чугуна, что делает доменный процесс одним из крупнейших источников парниковых газов в металлургии. В последние десятилетия ведутся разработки альтернативных технологий, таких как прямое восстановление железа (DRI) с использованием водорода, однако доменная плавка остаётся доминирующим способом производства чугуна в мире.

Перспективы

Несмотря на развитие альтернативных методов, доменная плавка сохраняет ключевое значение в металлургии благодаря высокой производительности и отработанной технологии. В России основные мощности сосредоточены на комбинатах «Северсталь» (Череповец), Магнитогорском металлургическом комбинате, Новолипецком металлургическом комбинате и других. В рамках декарбонизации металлургии рассматриваются проекты по улавливанию и захоронению CO₂, а также частичной замене кокса водородом. Однако полный отказ от доменных печей в ближайшие десятилетия маловероятен из-за экономических и технологических ограничений.

Источники

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →

Похожие материалы