Идея использования печей длительного горения для отопления жилища часто реализуется в довольно экстравагантных вариантах, например, в виде постройки доменной печи. Действительно, доменная печь практически ничем не отличается от обычных печей длительного горения, ну разве что в ней, кроме сжигания топлива еще идет плавка чугуна. Да и опыт коммунистического Китая времен Культурной революции показывает, что иметь свою доменную печь способна любая деревня. Так почему бы не присмотреться к этому оборудованию промышленного производства поближе?
Содержание
Назначение доменной печи и принцип работы
Оказывается, современный вид, доменная печь приобрела относительно недавно. Прообраз нынешнего вида и конструкции доменной печи был окончательно оформлен только в 15 веке, да и сам процесс выплавки металла был настолько трудоемким и тяжелым что понадобится еще почти век, чтобы металлурги того времени признали чугун основным продуктом производства. А до этого он считался «грязным металлом» ни на что ни годным – ковать сталь из него не получалось, делать прокат тоже, только в качестве отливок плит для надгробий и форм для укладки перед домовыми воротами.
Сегодня доменная печь – это высокотехнологичная постройка, обеспечивающая выплавку чугуна. Основное место постройки доменной печи это металлургические заводы и комбинаты. При высоте более 70 метров и внутреннем объеме равном 2700 м3 это очень внушительное сооружение. Впрочем, есть печи и поменьше, например, в литейных цехах фабрик, железнодорожных мастерских, даже в мастерских у некоторых художников имеются небольшие доменные печи. Промышленная доменная печь металлургического завода способна в сутки выплавить до 5000 тонн чугуна, и это ежедневно, на протяжении нескольких лет. Почему так, просто печь шахтной конструкции нельзя останавливать, процесс горения топлива в ней производится постоянно, даже когда нет плавки металла, температура в ней не должна опускаться ниже 900-1000 градусов в горне. Вот и получается, что запустив, или правильно будет сказать, задув домну, ее необходимо топить беспрерывно от 3 до 12 лет. Именно такой срок эксплуатации имеет доменная печь в зависимости от размеров и назначения.
Принцип работы этого устройства примерно такой, как и у печи длительного горения. Внутри доменная печь представляет собой два полых конуса, обращенных основанием друг к другу. Верхний конус примерно в 3 раза выше, чем нижний, заправка печи топливом осуществляется через верхнюю горловину, внутри топливо не сжигается как в обычной печи, а медленно тлеет, постепенно набирая температуру и опускаясь. Вместе с топливом засыпается сырье для производства металла – окатыши агломерата, и шихта. Окатыши представляют собой шарики красно-коричневого цвета диаметром от 2 до 3 см, это спрессованная железная руда со специальными добавками. А шихта представляет собой смесь веществ и больше похожа на пудру. В процессе нагревания и сложных химических реакций окатыши агломерата сначала проходят превращение в окись железа, а потом и в сплав, состоящий из железа и углерода который и называется чугун.
Составляющие доменной печи
То, что доменная печь высокотехнологическое сооружение можно судить не только по размерам. Не менее внушительные и поражающие своей точностью и другие факты, связанные с современными доменными печами. Внутренность доменной печи выложена из шамотного кирпича. Сама кладка осуществляется с предельной точностью, так, чтобы по всей высоте печи, если провести рукой по внутренней поверхности практически не ощущались швы. Учитывая, что высота сооружения составляет более 70 метров, а вес шамотного кирпича примерно в 1,2-1,4 раза больше чем весит обычный красный керамический кирпич то нетрудно представить, что фундамент под такое сооружение заливается на глубину до 20 метров.
Сам фундамент по технологии строительства таких сооружений несколько возвышается над поверхностью площадки. Верхняя часть фундамента отливается из специального бетона с жаростойкими добавками. При этом конструкция верхней части фундамента – лещади, имеет еще и закладку труб водяного охлаждения. Ведь на ней располагается горн печи, температура в котором может достигать и 2500 градусов. Самый верх выкладывается из усиленного шамотного блока, способного выдержать как динамическую, так и температурную нагрузку.
Снаружи печь имеет металлический кожух. Его основное назначение создать необходимую прочность конструкции из шамота. Именно поэтому толщина металлических листов обшивки печи составляет от 40 до 60 мм. В нижней части кожух усилен дополнительно конструкциями прочности из конструктивной стали.
Сам процесс плавки металла представляет собой непрерывный процесс химических реакций при разной температуре и давлении. При этом температура в верхней части составляет всего 200-250 градусов. Каждая часть конструкции доменной печи имеет свои названия. Так уж сложилось исторически, что большинство названий было переиначено с немецкого на русский манер, так, по всей видимости, чтобы легче объяснять строителям и металлургам из неграмотных крестьян названия элементов конструкции.
Устройство доменной печи состоит из нескольких конструктивных элементов:
- Колошник, так называется верхняя часть печи, расположена она в самом верху и именно через нее идет загрузка топлива и сырья. Еще одним назначением колошника является отвод доменных газов – продуктов горения образующихся при сгорании кокса и шихты. Стоит отметить, что доменные газы очень ядовиты, и выброс их в атмосферу без предварительной очистки приводит к пагубным последствиям для флоры и фауны.
- Шахта (или еще этот участок называют тахта) представляет собой вытянутый конусообразный участок суженный сверху и расширяющийся к низу. В этом участке начинается происходить процесс плавки с постепенного разогрева углеводородного сырья под действием горячих газов и начало реакции восстановления железа.
- Распар – эта часть напоминает кольцо, вставленное между двумя конусами. Кстати, это самое широкое место доменной печи. Именно в нем температура достигает 1200-1400 градусов и именно здесь начинается процесс разделения плавких веществ на шлаки и чугун.
- Заплечики. Так называется нижняя воронка печи. Ее высота примерно составляет 1/3 от шахты. Она имеет сужение книзу, здесь происходит основной процесс плавки – при температуре 1600 градусов металл начинает каплями стекать вниз через слой кипящего шлака. В процессе плавки температура в этой части может изменяться от 1600 до 1900 градусов в результате чего можно выплавить разные сорта чугуна.
- Горн, нижняя часть печи. Здесь достигается самая высокая температура. Именно в этой чаше и происходит отделение шлака от чугуна. Сам процесс напоминает снятие сливок – легкие сливки поднимаются вверх, а молоко оседает снизу. Так и в горне – тяжелый металл в жидком виде оседает на дне, а сверху, подобно сливкам кипит слой жидких шлаков – отходов доменного производства.
Конструкция доменной печи имеет еще несколько элементов, играющих важную роль в производстве металла. В горне находятся два отверстия – летки. В классическом варианте они расположены на разном расстоянии – выше расположена летка для спуска шлаков, а ниже у самого днища печи летка для слива в формы чугуна.
Основы доменного производства
Принцип работы доменной печи заключается в движении противоположных потоков при постоянно происходящих химических процессов восстановления железа в условиях постоянного повышения температуры.
Подготовленное в процессе высокотемпературной обработки сырье из окатышей агломерата и шихты поступает в бункер, из которого при помощи подъемного ковша поднимается на уровень колошника и засыпается в печь. Таким же образом в печь доставляется и кокс – запеченный в коксовых батареях уголь специальных сортов. Особенность кокса заключается в том, что он выделяет больше тепла, чем простой уголь, при этом объем шлаков и отходов при его сгорании меньше.
По мере наполнения шахты сырьем оно опускается вниз, при этом поднимается температура, сначала до 200, потом до 400 и далее до 1100-1400 градусов. По мере опускания агломерат и шихта вступают в реакцию, выделяя большое количество доменных газов. В колошнике имеется несколько отверстий для отвода газов, поскольку газы имеют высокую температуру, то они, перед тем как попасть в фильтр очистки направляются в теплообменник для нагрева воздух, поставляемого фурмы для поддержания процесса горения.
Постепенно жидкая масса из чугуна, шлака и горящего кокса опускается к распару, а сверху вновь засыпается очередная порция агломерата и шихты. В заплечиках происходит основной процесс превращения агломерата в чугун. Постепенно спекаясь под действием высокой температуры, железо мелкими каплями стекает вниз, оставляя на плаву отработанные шлаки.
Для поддержания процесса горения на этом этапе в печь подается нагретый воздух, из-за чего температура плавления повышается до 1900 градусов. В горне металл находится в жидком состоянии, он занимает практически все пространство внизу горна. По достижении объема металла определенного уровня осуществляется пробивка летки и слив чугуна в формы. На сегодняшний день технология производства чугуна позволяет делать слив не через две летки отдельно для металла, а отдельно для шлака, а через одну, и уже в процессе литья делать сепарацию.
Основным моментом технологии доменного производства выступает то, что доменная печь должна работать постоянно с момента задувки и до полной остановки. Полная остановка доменной печи осуществляется в крайних случаях – для планового ремонта, для капитального ремонта, при авариях и для полного демонтажа. Учитывая то, что шамотный кирпич для доменных печей изготавливается из специальной глины, меняющей свои свойства в процессе работы, то нетрудно догадаться, что сам процесс остановки домны занимает довольно продолжительное время. При этом снижается не только температура, но и меняется внутренняя структура материала внутренней кладки, повышается его влажность, меняются конструктивные качества.
Использование доменной печи для отопления частного дома
Итак, в чем состоит привлекательность использования доменной печи для отопления частного жилища.
Конструкция доменной печи для домашнего использования может быть разной. Чаще всего за основу берется металлическая толстостенная бочка. Как и в печи длительного горения печи типа бубафоня здесь присутствует подвижный гнет для топлива, разница заключается лишь в том, что подача воздуха осуществляется не сверху, а снизу.
В небольших помещениях реально установить доменную печь из металлической бочки с внутренним слоем из шамотного кирпича. На всю высоту бочки внутренняя поверхность выкладывается шамотным кирпичом. При этом в такой печи, присутствуют и подувало с регулируемой задвижкой для подачи воздуха и колосниковая решетка для поддержания топлива. Само же топливо закладывается в печь через верхнюю часть – съемную крышку. Розжиг топлива осуществляется сверху, по мере того как начинается процесс горения регулируется подача воздуха.
Еще один вариант постройки доменной печи представлен В. Быковым. Его проект доменной печи размером 51х89 высотой в 32 ряда кирпича вполне может быть выполнен и начинающим печником. Преимущество такой печи заключается в легкости сооружения и простоте эксплуатации.
