Что такое доменная печь в истории
Доменная печь
Еще 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.
Доменная печь
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 открытой грудью. Производительность 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.
Доменная печь
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.
Доменная печь: что такое, как появилась, как работает
Что такое доменная печь
Первые доменные печи: история появления
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.
Первая доменная печь появилась в 1630 году в городе Тула.
Температура в доменной печи
Самая высокая температура печи в верхней части горна. Там она развивается до 2250 °C. По мере удаления вверх накал снижается, и у колошников доходит до 270 °C. На разной высоте в домне устанавливается определенная температура, благодаря чему протекают химические процессы перехода руды в металл. На выходе чугун голыми руками не возьмешь. Его температура 1400 °C.
Подача дутья в доменную печь
Современный форсированный режим работы мощных доменных печей требует снабжения их дутьем с соответствующими давлением и температурой. Первые два из этих параметров обеспечиваются воздуходувными средствами, а последний — работой воздухонагревателей.
Доменный воздухонагреватель (варианты названия: воздухонагреватель, регенератор, каупер) — аппарат для нагрева воздуха (холодного дутья, поступающего из воздуходувной машины) перед подачей его в доменную печь. Введение воздухонагревателей стало самым эффективным способом экономии топлива (кокса) за всю историю доменного производства. 
Принцип работы доменной печи
Сначала чугун выплавляется из железных руд в специальных печах, называемых доменными. Отсюда процесс получения чугуна из железных руд называется доменным процессом.
Доменная печь имеет большое количество специальных устройств и механизмов, обеспечивающих беспрерывность процесса. Большинство механизмов работает автоматически. Можете посмотреть на схему выше!
Смесь из руды, кокса и флюса подготовляется в определенной пропорции для загрузки в доменную печь. Такая смесь называется шихтой. Специальный подъемник — скип перемещающийся по наклонным путям, доставляет шихту к верхней части доменной печи, откуда она через засыпной аппарат поступает в печь.
Для поддержания интенсивного горения загружаемого кокса необходимо большое количество воздуха. Воздух подается в печь через специальные отверстия в нижней части печи, которые называются фурменными отверстиями. Чтобы воздух пробил высокий столб шихты и проник во все части печи, а также чтобы имелось достаточное количество кислорода для сгорания всего топлива, воздух вдувают в печь под давлением в 1—2 ати. Воздух подогревается до температуры 600—800°, так как вдувание большого количества холодного воздуха снижает температуру внутри печи, в результате чего процесс плавки руды замедляется.
Подогрев воздуха осуществляется в воздухонагревателях, которые строятся рядом с доменной печью. Воздухонагреватели отапливаются доменным (колошниковым) газом, получающимся при выплавке чугуна. Доменный газ предварительно очищается от пыли в специальных газоочистительных устройствах. Продукты сгорания из воздухонагревателей удаляются через дымовую трубу.
Полученный в печи жидкий чугун опускается в нижнюю ее часть, откуда периодически выпускается через отверстие, называемое чугунной леткой. В специальных ковшах большой емкости чугун от доменной печи отвозится в сталеплавильные цехи для переработки в сталь или к разливочной машине для получения чугунных чушек.
Пустая порода, флюсы и зола топлива образуют в печи жидкий шлак, который имеет меньший удельный вес, чем чугун, и поэтому располагается над жидким чугуном. Шлак выпускается из печи через шлаковую летку и направляется для переработки и дальнейшего использования в качестве строительного материала или в шлаковый отвал.
Доменная печь работает беспрерывно по принципу противотока: исходные материалы загружаются сверху, постепенно опускаются вниз, превращаясь в чугун и шлак, а газы, нагревшиеся в нижней зоне печи, поднимаются кверху навстречу исходным материалам. Печь имеет наружную стальную оболочку, которая называется кожухом, и внутреннюю кладку, или футеровку. Футеровка должна устойчиво сопротивляться износу от трения беспрерывно опускающихся столбом исходных материалов, выдерживать действие высоких температур, не расплавляясь и не давая деформаций. Поэтому для футеровки применяется высококачественный огнеупорный (шамотный) кирпич.
Доменная печь: что такое, как появилась, как работает
Что такое доменная печь
Первые доменные печи: история появления
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.
Первая доменная печь появилась в 1630 году в городе Тула.
Температура в доменной печи
Самая высокая температура печи в верхней части горна. Там она развивается до 2250 °C. По мере удаления вверх накал снижается, и у колошников доходит до 270 °C. На разной высоте в домне устанавливается определенная температура, благодаря чему протекают химические процессы перехода руды в металл. На выходе чугун голыми руками не возьмешь. Его температура 1400 °C.
Подача дутья в доменную печь
Современный форсированный режим работы мощных доменных печей требует снабжения их дутьем с соответствующими давлением и температурой. Первые два из этих параметров обеспечиваются воздуходувными средствами, а последний — работой воздухонагревателей.
Доменный воздухонагреватель (варианты названия: воздухонагреватель, регенератор, каупер) — аппарат для нагрева воздуха (холодного дутья, поступающего из воздуходувной машины) перед подачей его в доменную печь. Введение воздухонагревателей стало самым эффективным способом экономии топлива (кокса) за всю историю доменного производства. 
Принцип работы доменной печи
Сначала чугун выплавляется из железных руд в специальных печах, называемых доменными. Отсюда процесс получения чугуна из железных руд называется доменным процессом.
Доменная печь имеет большое количество специальных устройств и механизмов, обеспечивающих беспрерывность процесса. Большинство механизмов работает автоматически. Можете посмотреть на схему выше!
Смесь из руды, кокса и флюса подготовляется в определенной пропорции для загрузки в доменную печь. Такая смесь называется шихтой. Специальный подъемник — скип перемещающийся по наклонным путям, доставляет шихту к верхней части доменной печи, откуда она через засыпной аппарат поступает в печь.
Для поддержания интенсивного горения загружаемого кокса необходимо большое количество воздуха. Воздух подается в печь через специальные отверстия в нижней части печи, которые называются фурменными отверстиями. Чтобы воздух пробил высокий столб шихты и проник во все части печи, а также чтобы имелось достаточное количество кислорода для сгорания всего топлива, воздух вдувают в печь под давлением в 1—2 ати. Воздух подогревается до температуры 600—800°, так как вдувание большого количества холодного воздуха снижает температуру внутри печи, в результате чего процесс плавки руды замедляется.
Подогрев воздуха осуществляется в воздухонагревателях, которые строятся рядом с доменной печью. Воздухонагреватели отапливаются доменным (колошниковым) газом, получающимся при выплавке чугуна. Доменный газ предварительно очищается от пыли в специальных газоочистительных устройствах. Продукты сгорания из воздухонагревателей удаляются через дымовую трубу.
Полученный в печи жидкий чугун опускается в нижнюю ее часть, откуда периодически выпускается через отверстие, называемое чугунной леткой. В специальных ковшах большой емкости чугун от доменной печи отвозится в сталеплавильные цехи для переработки в сталь или к разливочной машине для получения чугунных чушек.
Пустая порода, флюсы и зола топлива образуют в печи жидкий шлак, который имеет меньший удельный вес, чем чугун, и поэтому располагается над жидким чугуном. Шлак выпускается из печи через шлаковую летку и направляется для переработки и дальнейшего использования в качестве строительного материала или в шлаковый отвал.
Доменная печь работает беспрерывно по принципу противотока: исходные материалы загружаются сверху, постепенно опускаются вниз, превращаясь в чугун и шлак, а газы, нагревшиеся в нижней зоне печи, поднимаются кверху навстречу исходным материалам. Печь имеет наружную стальную оболочку, которая называется кожухом, и внутреннюю кладку, или футеровку. Футеровка должна устойчиво сопротивляться износу от трения беспрерывно опускающихся столбом исходных материалов, выдерживать действие высоких температур, не расплавляясь и не давая деформаций. Поэтому для футеровки применяется высококачественный огнеупорный (шамотный) кирпич.
Доменная печь
С развитием промышленности требовалось всё больше железа. Запас легкоплавких руд иссяк, и пришлось из глубин земли извлекать тугоплавкие руды, требующие высокотемпературной переработки. Совершенствование плавильных печей в XIII-XVI вв. привело к появлению доменной печи. Попутно металлурги открыли ещё неизвестные свойства железа и новый способ его выплавки — кричный передел.
Штукофен — первый шаг
Для получения железа из тугоплавких руд нужно было повысить температуру и усилить дутьё. Появились штукофены — высокие (до 3,5 м) конусообразные печи из огнеупорного кирпича с открытым верхом (колошником) для загрузки угля и шихты (измельчённой руды) и с отверстием (фурмой) для поддува и извлечения крицы (губчатого железа). В высокой печи возникала сильная тяга, нагнетавшая жар, а дутьё усилили, раздувая мехи с помощью водяных колёс. Использование этих гидравлических двигателей вызвало массовый «переезд» плавильного производства с гор, где добывался металл, на равнины, к рекам с сильным течением.
Негодный чугун
При высоких температурах плавления рудное железо быстрее избавляется от окислявших его атомов кислорода и соединяется с атомами углерода (из угля). В штукофене железо обогащалось углеродом раньше, чем от него успевал отделиться шлак (иные примеси). Шлак выплавлялся, когда в печи уже образовывался не только комок крицы — железа с небольшим содержанием углерода, но и расплавленный чугун — переобогащённое углеродом железо.
Высокое содержание углерода делало чугун хрупким, не поддающимся ни ковке, ни сварке. Что было делать с таким металлом? А чугуна при выплавке тугоплавких руд получалось много, и он смешивался с жидким шлаком. Поначалу эту смесь выбрасывали, но в XIV в. стали извлекать из раздробленного шлака корольки — однородные кусочки чугуна и отливать из него грубые изделия.
Шаг второй — блауофен
Открытие литейных качеств чугуна привело к ещё более важному открытию переделочного процесса. Оказалось, что, если чугун снова переплавить с углём при сильном поддуве, углерод из расплавленного металла соединится с кислородом из воздуха и образует летучий углекислый газ. Так, у чугуна «отбирали» лишние атомы углерода, превращая его в крицу. Крица из чугуна оказалось лучше той, что выплавляли из руды, — в ней было меньше шлака.
Для переплавки чугуна стали строить ещё более высокие (до 6 м) печи с гидравлическим поддувом — блауофены. Плавка 70 кг руды в блауофене длилась 15 часов. После плавки печь охлаждали, извлекали крицу (до 40 кг) и чугун (до 20 кг), который вручную очищали от шлака для повторной переплавки в крицу.
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.
Развитие идеи
Усовершенствованные и механизированные доменные печи используются и по сей день. А на смену кричным печам в 1856 г. англичанин Г Бессемер предложил особый аппарат — конвертер, перерабатывающий расплавленный чугун в сталь путём продувки через него сжатого воздуха. Кислород из воздуха соединяется с углеродом из чугуна, образуя летучий углекислый газ и освобождая металл от избытка углерода. Бессемеровский процесс, экономя уголь, удешевил производство стали.
В 1864 г. француз П. Мартен для передела чугуна сконструировал печь с низким потолком, раскаляемую смесью горючего газа и воздуха. Мартеновские печи использовали больше 100 лет.
С 1970-х гг. сталь выплавляется преимущественно конвертерным способом (близким к бессемеровскому) и электроплавкой (с помощью электрического тока).