Доменний процес — комплекс процесів, що відбуваються у працюючій доменній печі. Теорія доменного процесу є основою технології доменного виробництва.
На сучасному рівні розвитку чорної металургії (2016 рік) доменний процес є основним процесом одержання заліза з залізних руд, не дивлячись на розпочаті ще в середині 20 століття спроби замінити при відновленні заліза доменний процес іншими процесами. Продуктом доменного процесу є чавун і процес є лише проміжним етапом у двохступеневому процесі отримання кінцевого продукту — сталі. Позадоменні процеси одержання заліза з залізних руд називаються процесами безпосереднього (прямого) одержання заліза.
За даними World Steel Association, у 2014 році доменним процесом у світі було вироблено 1183,451 млн т чавуну (абсолютна більшість якого стала сировиною для виробництва сталі), а конкуруючими з ним процесами безпосереднього (прямого) відновлення — 73,202 млн т безпосередньо відновленого заліза. Про значення доменного процесу говорить зокрема й те, що за 14 років у період між 2000 і 2014 роками світове виробництво чавуну у доменних печах зросло у понад як 2 рази — з 575,87 млн т до 1183,451 млн т відповідно.
Загальний опис процесу
Доменний процес проводиться у доменних печах, що є агрегатами шахтного типу. Процес плавки чавуну безперервний. Зверху, через колошник, в доменну піч завантажують шихтові матеріали (агломерат, обкотиші, кокс, флюси, металодобавки — зварний шлак, окалину, скрап). В доменній печі завантажені шихтові матеріали в результаті протікання фізичних і фізико-хімічних процесів поступово перетворюються на чавун, шлак і доменний газ. В нижню частину печі через фурми вдувають повітря (дуття), нагріте до 1100 — 1300 °C, з додаванням кисню, природного газу, пиловугільного палива або інших добавок. У доменну піч залежно від її об'єму вдувається від 2000 м³ до 10000 м³ повітря на хвилину (2800000 м³ — 14400000 м³ на добу). Наприклад, в доменну піч об'ємом 3800 м³ вдувається повітря 6500 м³/хв.Maarten Geerdes, Hisko Toxopeus, Cor van der Vliet. Modern Blast Furnace Ironmaking: An Introduction . — Amsterdam: IOS Press, 2009. P. 9, 16. ISBN 978-1-60750-040-7 В результаті того, що згорає кокс, в нижній частині печі утворюється газ, який складається з оксиду вуглецю CO, азоту N2 і водню H2. Під дією тиску вдуваємого повітря газ спрямовується вгору, до колошника. Вихідний потік газу нагріває шихтові матеріали, які у міру згорання коксу і проплавлення шихти, що призводить до вивільнення об'єму внизу печі, опускаються. Оксид вуглецю і водень є відновниками, які відновлюють залізо з залізної руди. При певних температурах починається розкладання складних сполук і відновлення заліза з оксидів. Цей процес завершується навуглецюванням відновленого заліза (утворенням чавуну) та його розплавленням (на горизонті низа шахти печі або у верхній частині розпару). Розплав накопичуюється в нижній частині печі, і до нього переходить ті елементи, що частково відновилися: кремній Si, манган Mn, а також фосфор P, сірка S. Цей розплав — чавун, містить більше 92 % Fe; 3,5-4,6 % С, певну кількість Mn, Si, P та інших елементів. З печі чавун і шлак періодично випускаються через спеціальний отвір (льотку).
Виплавка чавуну — пірометалургійний процес.
Продуктивність доменних печей сягає 2000-13500 т чавуну на добу. Вона залежить, за всіх інших рівних умов, від об'єму печі. Найбільша доменна піч має об'єм 6000 м³ (на Кавн'янському металургійному комбінаті у Південній Кореї). Liming Lu, editor. Iron Ore: Mineralogy, Processing and Environmental Sustainability . — Elsevier Ltd, 2015. P. 508. За добу в доменну піч завантажується кілька тисяч тонн шихтових матеріалів.
Історія
Доменне виробництво виникло приблизно у 14 столітті в Західній Європі внаслідок розвитку сиродутного процесу. Техніка і технологія доменного виробництва, починаючи з його виникнення, безперервно удосконалюються під впливом постійно зростаючої потреби в металі й прагнення скоротити витрати на його виробництво. Відповідно розвивалися і методи підготовки до плавки сировини і палива. Основні риси сучасної доменної плавки були сформовані до кінця XIX століття. До того часу в більшості розвинутих країн завершився перехід на мінеральне паливо — кокс, а конструкція доменної печі знайшла форми, принципово не відмінні від нинішніх.
Подальша еволюція доменної плавки йшла шляхом укрупнення агрегатів, підвищення їхньої продуктивності за рахунок інтенсифікації процесів при одночасному зниженні питомої витрати коксу і витрат праці на виробництво одиниці чавуну.
Вивчення доменного процесу Протягом багатьох століть доменники не мали уяви про процеси, що відбуваються всередині доменної печі. Лише з 2-ї половини 19 століття почалося наукове дослідження доменного процесу. Знання теорії доменного процесу поглиблювалися і розширялися, на основі чого доменний процес вдосконалювався.
Доменний процес вивчається теоретично, шляхом лабораторних експериментів та безпосереднім дослідженням працюючих доменних печей. Іноді з метою вивчення деяких процесів охолоджують азотом експериментальну доменну піч, розбирають пошарово матеріали, що знаходяться в ній, і піддають їх дослідженню. У СРСР у 1960-х роках азотом була охолоджена («заморожена») промислова доменна піч Єнакієвського металургійного заводу об'ємом 426 м³. Такі експерименти проводилися і в інших країнах, зокрема у Швеції і Японії.
Початок процесу Щойно збудована або капітально відремонтована доменна піч являє собою порожню вертикально розташовану конструкцію, що має характерний внутрішній профіль. Її пошарово завантажують через верхню частину — колошник — так званою задувною шихтою (має деякі відмінності від звичайної шихти — характеризується підвищеною витратою коксу, забезпечує одержання чавуну з високим вмістом Si, дає кислі шлаки тощо). У повністю завантажену піч через 16-42 фурми (кількість фурм залежить від об'єму печі) задувають нагріте до температури 800 °C дуття (потім температуру поступово підвищують). Від високої температури дуття і наявності в ньому кисню кокс у горні загоряється і починається робота доменної печі. Через деякий час у горну накопичуються рідкі чавун і шлак, які випускають з печі.
Робота печі від задувки (початку роботи) до видувки на капітальний ремонт (кампанія) триває 10-12 років, весь цей час вона заповнена шихтовими матеріалами і продуктами плавки. Доменний процес називається безперервним, однак насправді при потребі доменну піч зупиняють — для проведення планово-запобіжних ремонтів, заміни охолоджувального обладнання тощо. Зупинка полягає у припиненні подачі дуття в піч, при цьому вона залишається заповненою шихтою і її робота може бути відновлена у будь-який момент подачею повітря.
Зони у працюючій доменній печі У працюючій доменній печі утворюються кілька зон, кожна з яких характеризується певним фізичним станом матеріалів (тверді, розм'яклі, рідкі), хімічним складом і температурою матеріалів і газів, фізико-хімічними процесами, що відбуваються в цих зонах. Ці зони в печі можна виокремити у будь-який момент.
+ Структура стовпу матеріалів у працюючій доменній печі великого об'єму. За результатами досліджень охолоджених промислових доменних печей.ЗонаОпис зони1. Зона твердих коксу і руди Кокс і рудні матеріали завдяки відповідній системі завантаження, розташовані окремими шарами. Шаристий характер залягання матеріалів зберігається при їхньому опусканні по всьому об'єму печі аж до зони розм'якшення і плавлення. Згори до низу нараховується від 35 до 45 шарів рудної частини. Товщина шарів становить 0,5-1 м.2. Зона розм'якшення і плавлення (зона «злипання», також зона «когезії») Ця зона має форму у вигляді перевернутої латинської літери «V» (Λ-подібна зона) і складається з шарів коксу і шарів розм'яклих та таких, що розплавляються, пустої породи, флюсу і заліза. Окремі шматки породи злипаються у єдине ціле, між ними зникають прозори, тому газ тут проходить переважно через шари коксу. Утворення саме такої форми зони можливе при проходженні газів у осьовій частині печі.3. Зона розпушеного коксу В цій зоні у твердому стані зберігається лише кокс, а шлак і чавун краплями і окремими струмками стікають між шматками коксу донизу. Через проходження тут великої кількості газу кокс тут більш розпушений порівняно з коксом у осьовій частині печі. Це зона «рухомого коксу», переважно звідси кокс потрапляє у зони горіння.4. Зона щільно запакованого коксу Кокс запакований щільно, він тут малорухомий, через нього проходить менше газу, ніж у зоні розпушеного коксу.Фурмена зона (і її складова — зона циркуляції) Вдуваєме у горно дуття реагує з коксом з виділенням тепла і утворенням урешті-решт відновлювального газу.
Рудні матеріали і кокс завантажуються у піч окремими шарами. Шари руди і коксу при опусканні вниз зберігаються до тих горизонтів печі, на яких досягається достатньо велика температура для початку розм'якшення і плавлення металу і шлаку і стікання їх. Товщина шарів — 0,5-1 м. Їхня кількість і товщина залежать від розмірів печі і характеру завантаження. Товщина більше у печей з більшими поперечними перерізами. В цій зоні відбувається відновлення заліза, причому у верхній її частині, до рівня температур 1000 °C, відбувається непряме відновлення, у нижній її частині, з температурами вище 1000 °C, розвиваються процеси прямого відновлення.
Зона розм'якшання і плавлення Λ-подібної форми відіграє важливу роль у роботі доменної печі. По-перше, ця зона завдяки тиску газу під нею підтримує розташований вище стовп шихтових матеріалів, по-друге, шари коксу у цій зоні забезпечують радіальне розподілення відновлювальних газів по перетину доменної печі. Шари розм'яклої і частково розплавленої пустої породи є практично непроникними для газового потоку. Внаслідок цього, аби піднятися вгору до колошника, газ має пройти через горизонтальні «коксові щілини» в цій зоні. Основним фізичним процесом у цій зоні є плавлення металу і шлаку за рахунок тепла газу, що рухається вгору. На момент повного розплавлення шлак тут майже не містить заліза. Оксиди заліза, що можуть перебувати у шлаку в цій зоні, повністю відновлюються при його стіканні у горно печі через коксівну насадку.
У зоні розпушеного коксу у твердому стані перебуває лише кокс. Нижні грудки коксу цього шару періодично поступають у зони циркуляції і згорають у струмені дуття. Основним фізико-хімічним процесом тут є процес передачі тепла від потоку газів, що піднімаються, грудкам коксу і краплям чавуну і шлаку. У зоні коксової насадки — найсильніша відновлювальна атмосфера в печі, тут завершуються всі процеси відновлення. Під час проходження чавуну і шлаку через шар коксової насадки завершується процес відновлення, чавун насичується вуглецем. Розпушений і рухливий шар коксу, упакованого не дуже щільно через те, що тут проходить газ між грудками коксу і не дозволяє їм злежатися. Нижні шматки коксу цього шару поступають у зони циркуляції і згорають. Завдяки цьому відбувається опускання сюди нових порцій коксу.
Рух шихтових матеріалів і газів у доменній печі У працюючій доменній печі матеріали безперервно опускаються, звільняючи об'єм на колошнику для нових порцій. Опускання шихти в доменній печі відбувається завдяки тому, що згоряє кокс, відбувається ущільнення матеріалів і утворення рідких продуктів, які займають менший об'єм. Назустріч ним рухаються гази, що утворилися внизу печі при згоянні коксу біля фурм. При безперервному зустрічному русі шихти (вниз) і газів (угору) відбувається взаємодія шихтових матеріалів і висхідного потоку газів.