Домна - это печь для выплавки чугуна

Для выплавки чугуна в современной металлургической промышленности используется домна. Это печь шахтного типа, представляющая собой не очень сложную конструкцию, которая, впрочем, выглядит внушительно. Чтобы довести производство чугуна до совершенства, человечеству пришлось накопить многовековой опыт.

Отчасти объясняет, что такое домна, старославянский корень ее названия. «Дмить» - значит дуть.

Предки доменных печей - штукофены

Видео: Доменная печь. Рождение стали

В средние века людям нужны были разные металлы. Оружие и инструменты изготовляли из стали, гибкой и твердой, а обычное железо шло на предметы домашней утвари. Сыродутные печи применялись для получения нужного металла с очень давних пор, на протяжении тысячелетий, и они вполне удовлетворяли потребностям до тех пор, пока не истощились запасы легкоплавких руд. Высокой температуры добивались путем увеличения высоты (так усиливалась тяга), воздух качали и ручными мехами. Однако со временем европейцам пришлось переходить на менее качественное сырье, что послужило стимулом к прогрессу. Штукофены стали тем изобретением, после которого появилась первая домна. Это была печь закрытого типа, работавшая по определенному циклу. В нее требовалось загрузить руду, уголь, затем происходил нагрев с поддувом (ручных усилий не хватало, поэтому использовался привод от водяных колес), после чего нужно было дождаться охлаждения и извлечь металл, отделяя его от окалины и других малопригодных побочных продуктов, именуемых крицей. Главное достоинство штукофенов заключалось в лучшей концентрации тепловой энергии за счет закрытости объема в течение рабочего цикла, обусловленной уменьшением его утечки в атмосферу.

Чугунная цивилизация

Главной проблемой средневековых металлургов в тринадцатом веке была тугоплавкость железа. Когда в штукофене получили чугун (то есть железоуглеродистый сплав с концентрацией углерода 1,7% и выше), то удивились его низкой температуре плавления, но при этом в восторг не пришли. Полученный металл получать было проще, чем сталь и тем более железо, но механические качества его с точки зрения тогдашних потребителей оставляли желать лучшего: слишком хрупок и недостаточно прочен. Однако всего за два столетия отношение к чугуну поменялось. Во-первых, извлекать его из печи оказалось делом нехитрым, его можно было просто сливать в расплавленном виде. Во-вторых, металл этот нашел все же свое применение, причем весьма разнообразное. А в-третьих, он представлял собой сырье для дальнейшей очистки от излишнего углерода, и получать из него сталь оказалось намного проще, чем из руды. Так, после вековых экспериментов, была найдена наиболее производительная металлургическая технология, и изобретена домна. Печь в вестфальском городе Зигерланд (вторая половина XV века) могла работать с непрерывным циклом несколько лет, производя ежедневно свыше полутора тонн чугуна. Тогда это было очень много.

Видео: Металлургия

Строение доменной печи

Только побывав рядом с этой гигантской печью, можно понять, насколько велика современная домна. Фото дают представление о ее циклопических размерах только тогда, когда на них изображен человек, кажущийся маленьким, как муравей. Однако, несмотря на впечатляющий внешний вид, принцип действия остался тот же, средневековый. Конструкция включает пять основных узлов. Верхний из них, колошник, предназначен для загрузки сырья и его равномерного распределения внутри печи. Ниже его расположена часть конической формы, в которой происходит нагрев и восстановительный процесс (о нем позже). Третий сверху агрегат называется распарой, там идет плавление железа. Затем еще одна коническая часть, на этот раз сужающаяся книзу, - заплечики, в которых выделяется из кокса монооксид углерода (восстановительный газ). И в самом низу – горн, из которого извлекается готовый продукт и отходы производства.

Химия процесса

Химические процессы бывают окислительными и восстановительными. Первые означают соединение с кислородом, вторые, наоборот, отторжение его. Руда - это окисел, и, чтобы получить железо, требуется некий реагент, способный «отобрать» лишние атомы. Важнейшую роль в этом процессе играет кокс, при горении выделяющий большое количество теплоты и углекислый газ, который при высокой температуре распадается на монооксид, химически активное и неустойчивое вещество. СО стремится вновь стать диоксидом, и, встречаясь с молекулами руды (Fe₂O₃), «отнимает» у них весь кислород, оставляя лишь железо. Есть, конечно, и другие вещества в сырье, ненужные, которые образуют отходы, называемые шлаком. Так работает домна. Это, с точки зрения химии, достаточно несложная восстановительная реакция, сопровождаемая потреблением тепла.

Видео: Металлургия чугуна и стали

Какова она, современная домна?

Срок службы доменной печи относительно невелик для сооружений такого масштаба - примерно десятилетие. За это время конструкция подвергается большим нагрузкам, отягощаемым тепловым нагревом, затем требуется капительный ремонт или снос. Производство чугуна нельзя назвать безвредным, оно сопряжено с выбросами в атмосферу фосфора, серы и других не очень полезных веществ. В совокупности эти обстоятельства побуждают многие страны сворачивать металлургическое производство или модернизировать его (особенно если отрасль является базовой и бюджетообразующей). Современная домна - это достаточно простая по своему принципу система, которая требует, однако, сложной схемы управления с многочисленными контурами регулирования, обеспечивающими наиболее эффективное расходование сырья и энергоресурсов.