Доменный процесс. Доменная печь

ЦитатаИсторическая справка. 
Появление собственно доменного производства относят к середине 14 века. Доменный  процесс возник в результате эволюции сыродутного процесса получения пластической низкоуглеродистой железной массы (так называемого кричного железа) непосредственно из железной руды путём восстановления её в низких сыродутных горнах (яма, футерованная огнеупорной глиной, или каменный очаг), работавших на естественной тяге. Топливом служил древесный уголь. После окончания процесса сыродутный горн разбирался, полученный металл извлекался и специальными молотами перерабатывался в заготовку или изделие. Постепенное увеличение высоты сыродутных горнов и мощности воздуходувных средств способствовало повышению температуры процесса, что обусловило увеличение растворимости углерода в металле и снижение температуры его плавления. Таким образом, наряду с крицей получался нежелательный металлический продукт в жидком состоянии (чугун), а сыродутный горн превратился в вертикальную шахтную печь, получившую название «высокая печь» (немецкий Hochofen, французский Haut fourneau) или доменная (дутьевая) печь (от славянского «дмение» - дутьё, английский blast furnace). Первые доменные печи, предназначенные только для производства чугуна, появились в Европе в середине 14 века, в России - около 1630 (близ г. Тула). На Урале первый чугун получен в 1701 году. При превышении высоты печи 16-18 м применявшийся  древесный  уголь  терял свою прочность, рассыпался на мелкие частицы и тем самым делал невозможным нормальное движение газов вверх сквозь слой шихты. Важным фактором, обусловившим рост производства чугуна и, соответственно, увеличение размеров и производительности доменной печи, стало изобретение А. Дерби (смотри Дерби) в 1735 способа производства каменноугольного кокса, ставшего основным топливом доменного процесса. Большое значение для развития доменного процесса имело применение паровой воздуходувной машины (1762, И. И. Ползунов; 1769, Дж. Уатт); воздухонагревателя с огнеупорной насадкой (1857, Э. Каупер); офлюсованного агломерата (1945-50, Магнитогорский металлургический комбинат); технологии с вдуванием в горн природного газа и кислорода (1958-70; «Запорожсталь», Новолипецкий комбинат) и др. Значительный вклад в развитие доменного процесса внесли отечественные металлурги М. А. Павлов, М. К. Курако, И. П. Бардин и др.

Лит.: Металлургия / Под редакцией В. И. Коротича. Екатеринбург, 2001; Металлургия чугуна / Под редакцией Ю. С. Юсфина. 3-е изд. М., 2004.

Ю. С. Юсфин.

ЦитатаЕще в древние времена человек научился добывать железо в сыродутных печах. Такой способ применялся в течение многих веков и полностью удовлетворял потребности производства. Для этих целей вполне хватало легкоплавких руд, в изобилии встречающихся 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.
В штукофенах получали три вида железного сырья: сталь, ковкое железо и чугун. Все три вида представляют собой сплав химического железа и углерода. Различие между ними состоит в количестве содержащегося в них углерода. Так, содержание углерода в стали составляет до 1,7%, в ковком железе — менее 0,04%, в чугуне — более 1,7%. Количество углерода в металле оказывает огромное влияние на их свойства. Например, железо является мягким, хорошо поддающимся ковке металлом, а чугун, напротив, хрупкий и твердый, не поддается ковке. Сталь — очень твердая, имеет отличные режущие качества. 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. Чтобы не выбрасывать негодный материал, чугун стали выбирать из шлака, добавлять к руде и пускать на повторную плавку. Так было положено начало величайшему открытию в металлургии — переделочному процессу. Неожиданно мастера обнаружили, что после усиленного дутья чугун превращается в кричное железо, причем, по своим свойствам и качеству он нисколько не уступал железу, полученному из руды, но был даже лучше. На плавку чугуна уходило меньше времени и требовалось меньше топлива. Расплавленный чугун проще выпустить из печи, чем твердую крицу. Благодаря отличным литейным качествам из чугуна стали отливать ядра, отдельные части пушек, печные котлы, молоты и другую продукцию. Так было положено начало величайшему открытию в металлургии — переделочному процессу. Правда, широчайшее применение он получил в XVI веке с появлением доменных печей. Важным шагом к доменной печи стало появление блауофен — поддувных печей. Они были значительно выше штукофены (5-6 м) и позволяли совершать непрерывный процесс плавки при довольно высокой температуре. Они позволяли одновременно получать железо и чугун. Наконец появилась идея сделать процесс плавки двухступенчатым. Блауофены были усовершенствованы, они превратились в доменную печь, или как ее часто называют, домну, предназначенную для получения чугуна. Переделочный процесс получил окончательное признание. Двухступенчатый процесс плавки начал быстро вытеснять сыродутный процесс. На первой стадии, называвшейся доменным процессом, из руды выплавляли чугун. Вторая стадия, получившая название кричного передела, заключалась в переплавке чугуна в железо. Первые домны появились в Вестфалии примерно во второй половине пятнадцатого века. Они отличались от блауофенов большей высотой шахты, большим объемом верхней части шахты и более мощным воздуходувным аппаратом. Вначале домны были с закрытой грудью, позже стали строить домны с
роизводительность домны высотой 4,5 м достигала 1600 кг в день. Процесс переработки чугуна происходил в кричном горне. Вначале загружали древесный уголь и подавалось дутье. Когда древесный уголь разгорался, возле сопла ложили чугунные чушки. Чугун плавился и стекал вниз. Проходя против фурм, он терял часть углерода. В результате получали малоуглеродистое железо тестообразной консистенции. Это железо подавали к соплу. Под действием дутья выгорала большая часть углерода, а мягкий, легко сваривающийся металл оседал на дно горна. Образовавшуюся на дне горна крицу, весом от 50 до 100 и больше килограмм, извлекали и проковывали под молотом для уплотнения и удаления жидкого шлака. Коэффициент извлечения готового кричного железа достигал 90-92% от веса чугуна. Кричное железо было более высокого качества, чем сыродутное из-за меньшего содержания шлака. Благодаря двухступенчатому процессу в несколько раз возросла производительность труда, что позволило удовлетворить возросший спрос на металл. Однако вскоре в металлургии наметилась проблема нехватки топлива. В результате использования древесного угля вырубались десятки тысяч гектаров леса. Остро встал вопрос поиска и применения в плавке нового вида топлива. В 1619 году Додлей первым заменил древесный уголь на каменный. Большим недостатком каменного угля было наличие в нем серы, что мешало хорошей выделке железа. Лишь в 1735 году Дерби предложил поглощать серу, используя негашеную известь во время термической обработки каменного угля в закрытых тиглях. Таким образом был получен кокс. С этого момента каменный уголь нашел широкое применение.