Домна - це піч для виплавки чавуну

Для виплавки чавуну в сучасній металургійній промисловості використовується домна. Це піч шахтного типу, що представляє собою не дуже складну конструкцію, яка, втім, виглядає переконливо. Щоб довести виробництво чавуну до досконалості, людству довелося накопичити багатовіковий досвід.

Частково пояснює, що таке домна, старослов`янську корінь її назви. «Дмитий» - значить дути.

Предки доменних печей - штукофени

У середні віки людям потрібні були різні метали. Зброя та інструменти виготовляли зі сталі, гнучкою і твердою, а звичайне залізо йшло на предмети домашнього начиння. Сиродутние печі застосовувалися для отримання потрібного металу з дуже давніх пір, протягом тисячоліть, і вони цілком задовольняли потребам до тих пір, поки не вичерпалися запаси легкоплавких руд. Високої температури домагалися шляхом збільшення висоти (так посилювалася тяга), повітря качали і ручними міхами. Проте з часом європейцям довелося переходити на менш якісну сировину, що послужило стимулом до прогресу. Штукофени стали тим винаходом, після якого з`явилася перша домна. Це була піч закритого типу, що працювала по визначеному циклі. У неї вимагалося завантажити руду, вугілля, потім відбувався нагрів з піддувом (ручних зусиль не вистачало, тому використовувався привід від водяних коліс), після чого потрібно було дочекатися охолодження і витягти метал, відокремлюючи його від окалини та інших малопридатних побічних продуктів, іменованих крицею. Головне достоїнство штукофенов полягало в кращій концентрації теплової енергії за рахунок закритості об`єму протягом робочого циклу, обумовленої зменшенням його витоку в атмосферу.

Чавунна цивілізація

Головною проблемою середньовічних металургів у тринадцятому столітті була тугоплавкість заліза. Коли в штукофене отримали чавун (тобто залізовуглецевих сплав з концентрацією вуглецю 1,7% і вище), то здивувалися його низької температури плавлення, але при цьому в захват не прийшли. Отриманий метал отримувати було простіше, ніж сталь і тим більше залізо, але механічні якості його з точки зору тодішніх споживачів залишали бажати кращого: занадто крихкий і недостатньо міцний. Проте всього за два століття ставлення до чавуну помінялося. По-перше, витягувати його з печі виявилося справою нехитрим, його можна було просто зливати в розплавленому вигляді. По-друге, метал цей знайшов все ж своє застосування, причому досить різноманітне. А по-третє, він являв собою сировину для подальшого очищення від зайвого вуглецю, і отримувати з нього сталь виявилося набагато простіше, ніж з руди. Так, після вікових експериментів, була знайдена найбільш продуктивна металургійна технологія, і винайдена домна. Пекти в вестфальському місті Зігерланда (друга половина XV століття) могла працювати з безперервним циклом кілька років, виробляючи щодня понад півтора тонн чавуну. Тоді це було дуже багато.

Будова доменної печі

Тільки побувавши поряд з цієї гігантської піччю, можна зрозуміти, наскільки велика сучасна домна. Фото дають уявлення про її циклопічних розмірах тільки тоді, коли на них зображена людина, що здається маленьким, як мурашка. Однак, незважаючи на вражаючий зовнішній вигляд, принцип дії залишився той же, середньовічний. Конструкція включає п`ять основних вузлів. Верхній з них, колошник, призначений для завантаження сировини та її рівномірного розподілу всередині печі. Нижче його розташована частина конічної форми, в якій відбувається нагрів і відновний процес (про нього пізніше). Третій зверху агрегат називається розпарити, там йде плавлення заліза. Потім ще одна конічна частина, на цей раз звужується донизу, - заплечики, в яких виділяється з коксу монооксид вуглецю (відновлювальний газ). І в самому низу - горн, з якого витягується готовий продукт і відходи виробництва.

Хімія процесу

Хімічні процеси бувають окисними і відновними. Перші означають з`єднання з киснем, другий, навпаки, відторгнення його. Руда - це оксид, і, щоб отримати залізо, потрібно якийсь реагент, здатний «відібрати» зайві атоми. Найважливішу роль у цьому процесі відіграє кокс, при горінні виділяє велику кількість теплоти і вуглекислий газ, який при високій температурі розпадається на монооксид, хімічно активне і нестійке речовина. СО прагне знову стати діоксидом, і, зустрічаючись з молекулами руди (Fe₂O₃), «Забирає» у них весь кисень, залишаючи лише залізо. Є, звичайно, й інші речовини в сировині, непотрібні, які утворюють відходи, звані шлаком. Так працює домна. Це, з точки зору хімії, досить нескладна відновна реакція, супроводжувана споживанням тепла.

Яка вона, сучасна домна?

Термін служби доменної печі відносно невеликий для споруд такого масштабу - приблизно десятиліття. За цей час конструкція піддається великим навантаженням, обтяжують тепловим нагріванням, потім потрібно капітельного ремонт або знесення. Виробництво чавуну можна назвати нешкідливим, воно пов`язане з викидами в атмосферу фосфору, сірки й інших не дуже корисних речовин. У сукупності ці обставини спонукають багато країн згортати металургійне виробництво або модернізувати його (особливо якщо галузь є базовою і бюджетоутворювальної). Сучасна домна - це досить проста за своїм принципом система, яка вимагає, проте, складної схеми управління з численними контурами регулювання, що забезпечують найбільш ефективне витрачання сировини та енергоресурсів.