Михаил Васильев - Металлы и человек
Домна дышит…
Она вдыхает воздух, выдыхает доменный газ.
Но и дышать обычным воздухом, каким дышим все мы, не может доменная печь. И воздух для нее должен пройти специальную подготовку.
Нелегко приготовлять для домны ежеминутно 3500 кубических метров воздуха. Воздуха, содержащегося в зрительном зале Большого театра в Москве, доменной печи не хватит и на десять минут нормального дыхания. За час она вдыхает 270 тонн воздуха, за сутки — 6500 тонн. Чтобы увезти этот воздух в сжиженном, например, виде, понадобилось бы шесть товарных эшелонов.
Подают такое количество воздуха специальные гигантские вентиляторы— воздуходувки. Они засасывают воздух и сжимают его до давления в 3–3,5 атмосферы. Приводятся в действие воздуходувки паровыми турбинами. Мощность паровой турбины, приводящей одну воздуходувку, — 14 тысяч лошадиных сил. Табун в 14 тысяч лошадей, оказывается, нужно, чтобы прогонять сквозь домну ежесуточно 6500 тонн воздуха!
Сжатый воздуходувками воздух надо нагреть до температуры 800—1000 градусов. Для этого на пути его к домне ставят специальные воздухонагреватели — так называемые кауперы. Они представляют собой гигантские, под стать домне башни. Внутри они имеют огнеупорную решетчатую кладку, занимающую большую часть внутреннего пространства. Эта кирпичная кладка и является своеобразным аккумулятором тепла.
Сначала в свободной от кладки части башни сжигают доменный газ. Яростное пламя клокочет в тесной камере. Горячие газы горения с грохотом проносятся сквозь решетку кирпичной кладки и нагревают ее до температуры более 950 градусов. Тогда пламя горелки выключают, а через каупер начинают прокачивать воздух, направляемый в домну. Он нагревается, проходя через кирпичную кладку, до температуры 800–900 градусов.
Конечно, кауперов около каждой домны строят несколько — три, а то и четыре. Пока один обслуживает домну дутьем, другой нагревается, третий находится на ремонте. Но ведь и температура воздуха, проходящего сквозь каупер, постоянно снижается. А ведь домне и воздух нужен с постоянной температурой.
Это обеспечивается специальными автоматическими устройствами, которые направляют в каупер только часть идущего в домну воздуха, причем изменяют постоянно эту часть таким образом, что, смешавшись за каупером с холодной частью потока, они создают смесь постоянной, ровной температуры.
…Когда-то, всего чуть больше ста лет назад, считали, что чем холоднее дутье, подаваемое в домну, тем «ровнее ее ход». Вывод этот делался из того, что зимой печи работали несколько лучше. Первый же опыт в этом направлении изменил все устоявшиеся представления.
Оказалось, что нагрев дутья всего на 300 градусов снижает расходы топлива почти на одну треть. Одновременно процесс интенсифицируется, идет более энергично, производительность домны повышается. Это и понятно: энергии кокса в этом случае не надо тратиться на подогрев воздуха. Заключенное в нем тепло целиком уходит на полезную работу.
Чем выше температура дутья, тем экономичнее работа домны. Поэтому металлурги ведут борьбу за повышение температуры дутья.
В последние годы делаются опыты по обеспечению и постоянства влажности дутья, постоянства содержания в нем водяного пара. Начали добавлять в дутье доменных печей и природный горючий газ — это снижает расход кокса. Доменная печь, оказывается, дышит не только подогретым, а прямо-таки кондиционированным воздухом. Таким воздухом мы едва-едва начали обеспечивать немногие лучшие концертные и театральные залы.
Доменной печи нужно не только есть, дышать, но и пить. Правда, воду она потребляет только для охлаждения. Целые реки ее текут в трубопроводах нижней части стенок печи, ее горна, охлаждают металл фурм, по которым подается дутье.
Для охлаждения доменной печи требуется около 20–25 кубометров воды на каждую тонну выплавляемого чугуна. Значит, в сутки крупная доменная печь прогоняет по венам своей охлаждающей системы 50 тысяч кубометров. Это целое озеро длиной в 100, шириной в 100 и глубиной в 5 м!
Если воду известного Ильмень-озера употребить на охлаждение доменных печей Магнитогорского комбината — а это озеро имеет
1100 кв. км и среднюю глубину около Юм— и не возвращать воду в озеро, оно будет выпито домнами до последней капли меньше чем за три года.
Сам Гаргантюа позавидовал бы ее аппетиту!
Таков аппетит современной доменной печи. Что же представляет она сама — железокаменная башня, увенчанная тяжелой короной переплетающихся труб, окруженная цехами предприятий, непрерывно готовящих для нее руду, флюсы, кокс, воздух и воду? Что творится в ее огненном нутре, в котором плавятся горные породы и рождается главный металл человечества?
Сверху опускаются руда, кокс, флюсы. Снизу, пробиваясь сквозь их слои, поднимаются воздух, газы горения. Проследим, что происходит с шихтой по мере ее опускания сверху вниз на разных этапах ее огнистого пути.
Самая верхняя часть доменной печи называется колошником. Он закрыт тяжелым чугунным приспособлением, выполняющим целый ряд задач. Во-первых, оно равномерно распределяет поступающую сюда шихту по всей площади сечения домны. Во-вторых, не дает уйти доменным газам наружу, рассеяться в воздухе. Доменный газ слишком ценный продукт, чтобы не стоило постараться не упустить его в атмосферу. В-третьих, оно улавливает этот газ и направляет его для использования.
Сложнейшие химические реакции вершатся в огнедышащем чреве домны.
Руда, флюс и кокс поступают в домну отдельными порциями. Их развеска, дозировка, доставка и засыпка полностью автоматизированы. В процессе работы практически весь объем доменной печи заполнен слоями медленно опускающейся смеси этих веществ — шихты. Проходя те или иные участки домны, шихта претерпевает целый ряд превращений.
Прежде всего из нее испаряется влага — ведь доменный газ под колошником имеет температуру 200–300 градусов. При этой температуре начинает выделяться даже так называемая кристаллизационная, то есть химически связанная, влага.
Расширяющаяся книзу часть внутренней полости доменной печи называется шахтой, самый широкий ее участок— распаром. В шахте и распаре происходит восстановление окислов железа газами. Главную роль в этом играет окись углерода. Она имеет интереснейшее свойство отнимать у окислов железа кислород, который присоединяет к себе, и превращаться в углекислый газ При этом выделяется чистое железо.
Окись углерода, пройдя слой руды, у которой она отняла кислород, попадает в слой кокса. Здесь нет кислорода, но зато сколько углерода! И молекула углекислого газа отдает отнятый ею у руды атом кислорода атому углерода, пришедшему из кокса, снова превращаясь в окись углерода. И в следующем слое руды эта молекула окиси углерода снова может восстановить атом железа.
Опускаясь все ниже, руда становится все беднее кислородом, все больше образуется чистого железа. Ведь для восстановления железа из руды вовсе не нужна температура в полторы тысячи градусов. Эта реакция отлично идет при температуре в 450–900 градусов. Восстановленное железо находится в твердом состоянии, представляет собой нечто вроде мягкой губки, в порах которой находятся частицы кокса, шлака, посторонних примесей. Оно очень чисто в это время, только что родившееся железо. В нем нет ни серы, ни фосфора, ни даже углерода. И многих изобретателей мучит мысль: а нельзя ли на этом закончить процесс и, отделив железо от примесей, сразу получить его чистым, а не в виде чугуна? Но шихта опускается ниже, и в железе начинает растворяться углерод. Сразу снижается температура плавления — ведь сталь и чугун плавятся при меньшей температуре, чем чистое железо. И при температуре в 1250–1300 градусов появляются первые капли металла. Они стекают в нижнюю часть доменной печи, в так называемый горн.
В верхней части горна расположены отверстия для дутья. Это сквозь них вдувается в домну нагретый воздух. Вокруг фурм — самое горячее место печи. Здесь бушует пламя, сгорает в кислороде воздуха углерод кокса.
В нижней части печи образуется и шлак. Он тоже стекает в горн, но так как он значительно легче чугуна, он плавает сверху. Внизу остается слой чугуна, над ним — слой шлака. Их и выпускают из домны через два отверстия, называемых летками. Одно отверстие служит для выпуска чугуна, другое — для выпуска шлака.
Конечно, мы рассказали о тех химических и физических процессах, которые протекают в доменной печи, и кратко и неполно. Действительная картина значительно сложнее. А всех ее деталей не представляют себе и ученые. Изучение доменного процесса продолжается.
И еще одно: домны непрерывно совершенствуются. Изменяется — растет — объем доменных печей. Увеличивается давление газов, проходящих сквозь «слоеный пирог». Повышается температура дутья, варьируется его состав. Все это интенсифицирует доменный процесс, повышает производительность. Усовершенствуются и механизмы обслуживания домны. В последнее время делают попытки все управление домной поручить кибернетическим машинам.
