Domna — augstā krāsns dzelzs kausēšanai: uzbūve un darbības princips
Uzzini domnas — augstās krāsns uzbūvi un darbības principu: kā tiek ražots čuguns, tehnoloģijas, materiāli un dzesēšana efektīvai dzelzs kausēšanai.
Domnu krāsns ir īpaša veida krāsns dzelzs kausēšanai no rūdas. Domnas ir ļoti lielas. To augstums var sasniegt 60 metrus un diametrs - 15 metrus (49 pēdas). Domnu krāsns ir lielākais ķīmiskais reaktors. Domnās sauc arī par augstajām krāsnīm.
Domnu krāsni parasti būvē ar tērauda korpusu un ķieģeļiem no magnija oksīda vai cita ugunsizturīga materiāla korpusa iekšpusē. Karstā krāsns nevar izkausēt šos ķieģeļus. Krāsns tiek atdzesēta ar ūdeni, kas ieplūst korpusa un ķieģeļu daļā.
Dzelzs ražošanas process ir vienkāršs. Dzelzs rūda būtībā ir dzelzs oksīds. Dzelzi iegūst, atdalot skābekli. Tā rodas neapstrādāta dzelzs, ko sauc par čugunu. Šo skābekļa atdalīšanas procesu sauc par kausēšanu. Redukcijas procesā izmanto oglekli, rūdas karsējot augstā temperatūrā. Augstā temperatūrā ogleklis viegli noņem skābekli no rūdas.
Uzbūves galvenās daļas
Domna sastāv no vairākām funkcionālām zonām, kurām katrai ir nozīmīga loma materiālu pārstrādē:
- Augšējā daļa (kakls): šeit no augšas tiek iemetināta izejviela (rūda, kokskura vai kokss un kalkakmens).
- Vidējā daļa (bosh vai vēders): notiek intensīva ķīmiskā pārvērtība un sadegšana; temperatūra paaugstinās, un materiāli sāk kust.
- Apakšējā daļa (hearth/pamats): šeit uzkrājas izkusušais čuguns un šlakis; regulāri tiek izlaists caur kanalizācijas atverēm.
- Tuyeres (pūšas vietas): caur šiem atveriem krāsns apakšā tiek iepludināts karstais gaiss, kas nodrošina nepieciešamo siltumu un oksidētājus.
- Ārējais tērauda apvalks un dzesēšanas sistēma: korpuss tiek dzesēts ar ūdeni (ūdensjakas, dzesēšanas stabi), lai saglabātu ugunsizturīgā oderējuma ilgmūžību.
Darbības princips — kā tas notiek soļos
- No augšas tiek iekrautas slāņi: dzelzs rūda, oglekļa avots (parasti kokss) un kalkakmens kā plūstošs saista materiāls.
- Karstais gaiss (bieži ap 900–1200 °C, vietām tuvāk tuvjerēm līdz apmēram 2000 °C) tiek iepūsts caur tuyērēm no lejas, veidojot pretstraumju — gaiss ceļas uz augšu, bet izejmateriāls krīt uz leju.
- Ogleklis (kokss) ķīmiski reducē dzelzs oksīdus, atdalot skābekli un veidojot čugunu. Kalkakmens reaģē ar zemāku temperatūru piemaisījumiem un izveido šlaki, kuri ir vieglāki par izkusušo dzelzi un nosēžas virs tām.
- Izkusušais čuguns un šlakis periodiski tiek izlaižami caur atsevišķām iztekas atverēm — parasti čuguns (hot metal) tiek izvadīts no krāsns pamatnes, bet šlakis atdaloši.
- Veidojas arī domnas gāze (blast furnace gas) — siltumenerģijas un dažādu oglekļa savienojumu maisījums, kuru attīra un izmanto kā degvielu rūpniecībā.
Papildu elementi un modernizācija
Lai uzlabotu efektivitāti un mazinātu izmaksas, mūsdienu domnās bieži izmanto:
- koksa patēriņa samazināšanai — pulverveida ogles vai dūmjgāzes injekciju tuvērēs;
- gaisa bagātināšanu ar skābekli, kas palielina temperatūru un samazina nepieciešamo koksa daudzumu;
- gāzu attīrīšanu (putekļu noņemšana, sēra savienojumu un NOx samazināšana) pirms to tālākas izmantošanas;
- enerģijas atgūšanu no karstās domnas gāzes un tās izmantošanu ražošanas iekārtu apkurei vai elektroenerģijas ražošanai.
Produkti un vide
Galvenie produkti ir:
- Čuguns (neapstrādāts dzelzs), kas pēc tam tiek tālāk pārstrādāts tēraudā vai citos produktos;
- Šlakis, ko izmanto celtniecībā (piem., kā šķembu materiālu), cementa ražošanā vai ceļu būvē;
- Domnas gāze, ko attīra un izmanto kā rūpniecisko degvielu.
Tomēr domna ir arī nozīmīgs CO2 un citu emisiju avots. Mūsdienu rūpniecība tiecas samazināt izmešus ar tehnoloģiskiem uzlabojumiem, gāzu attīrīšanu un alternatīvām reducēšanas metodēm (piem., tiešās samazināšanas procesiem).
Kopsavilkums
Domna ir centrālais elements lielmēroga dzelzs ražošanā — masīvs, sarežģīts ķīmiskais reaktors, kurā izejvielas fizikāli un ķīmiski pārveidojas, lai iegūtu čugunu un šlaku. Pareiza uzbūve (tērauda apvalks, ugunsizturīgs oderējums, dzesēšana) un procesu vadība (temperatūra, gaisa pūšana, barošanas secība) ir būtiskas, lai nodrošinātu efektīvu un drošu darbību.
Domnas shēma1 . Karstā strūkla ("vējš") no Cowpera krāsnīm 2. Kušanas zona (bosh) 3. Dzelzs oksīda reducēšanas zona (muca) 4. Dzelzs oksīda reducēšanas zona (skurstenis) 5. Priekšsildīšanas zona (rīkle) 6. Rūdas, kaļķakmens un koksa padeve7 . Izplūdes gāzes8 . Rūdas, koksa un kaļķakmens kolonna9 . Izdedžu noņemšana10 . Izkausēta čuguna iepludināšana11 . Izplūdes gāzu savākšana
Process
Rūdas, kaļķakmens un ogleklis koksa veidā slāņos tiek iebērti domnas augšdaļā. Tajā pašā laikā krāsns iekšpusē tiek pūsts karsts gaiss, ko sauc par "vēju". Gaisa iepludināšanai krāsnī izmanto īpašas sprauslas, ko sauc par "tjērēm". Sprauslas atrodas krāsns apakšā. Šo procesu sauc par "spridzināšanu". Tāpēc to sauc par domnu krāsni. Kokss aizdegas (aizdegas) un sadeg. Tā rodas oglekļa monoksīds, jo trūkst skābekļa, lai veidotos oglekļa dioksīds. Oglekļa monoksīds tad reducē metāla oksīdu līdz metālam un veido oglekļa dioksīdu. Šo procesu izmanto, lai iegūtu dzelzi. Kaļķakmens kopā ar dzelzs rūdas iežiem veido vielu, ko sauc par izdedžiem.
Krāsns apakšējo daļu sauc par kurtuvi. Kad tā ir piepildīta ar šķidro čugunu un izdedžiem, izdedžus noņem. To sauc par skemmēšanu. Izdedži ir vieglāki par dzelzi un nesajaucas ar dzelzi. Tie peld dzelzs virspusē. Ar speciālu urbi izdara caurumu kurtuvē sārņu līmenī. Šķidrie izdedži caur caurumu izplūst konteinerā, ko sauc par sārņu katlu. Pēc tam dzelzs tiek izvadīta no kurtuves. To sauc par sāna atsūknēšanu. Apakšā izdara caurumu, un šķidrais čuguns izplūst ārā. To izmanto vai nu tieši tērauda ražošanai, vai iepilda īpašā dzelzceļa vagonā, ko sauc par torpedu vagonu, vai arī no tā izgatavo veidnes. Kad viss čuguns ir izņemts, abus caurumus aiztaisa ar ugunsizturīgu mālu. Lielā karstuma dēļ māls ļoti ātri kļūst ciets.
Čuguns satur aptuveni 4 % oglekļa, un tas būtu pārāk ciets un trausls, lai to izmantotu. Papildu ogleklis vispirms ir jāsadedzina. Čugunu pārstrādā tēraudā, dekarbonizējot (sadedzinot lieko oglekli). Mūsdienīga metode čuguna dekarbonizācijai un attīrīšanai tēraudā ir pamata skābekļa krāsns. Vēsturiski ir bijušas arī citas metodes, piemēram, Besemēra konvertors, atklāta kurtuve un pudlinga krāsns.
Gāzes paceļas augšup un tiek savāktas krāsns augšpusē. Tā kā gāze satur daudz oglekļa monoksīda, tā ir vērtīgs kurināmais. Gāzi, kas uzkrājas domnas augšpusē, sauc par domnas gāzi. Pēc tam to mazgā un žāvē, un visas cietās daļiņas, piemēram, kvēpi vai rūdas putekļi, tiek savāktas. Pēc tam gāzi sadedzina īpašās krāsnīs, ko sauc par Kovpera krāsnīm vai karstajām domnu krāsnīm, un tā kļūst par oglekļa dioksīdu. Siltumu, kas rodas, sadedzinot domnu gāzi, pēc tam izmanto, lai uzsildītu domnu gaisu, "vēju", kas savukārt tiek iepūsts pašā domnā.
Izdedži nav atkritumi. Tos var izmantot dažādos veidos. No tiem var izgatavot ķieģeļus un izmantot būvniecībā, vai arī tos var sajaukt ar betonu. Betons, kas satur domnu sārņus, ir stiprāks par parasto betonu un ir gandrīz tīri balts, bet parastais betons ir netīri pelēks.
Domnu krāsns parasti var strādāt 10 līdz 20 gadus bez apstāšanās. To sauc par "kampaņu".
Ķīmiskais piemērs
900-1600 °C temperatūrā notiek reducēšana ar oglekli:
| 1. | 3 {\displaystyle 3} | Fe2O3{\displaystyle Fe_{2}O_{3}} | ⟶ {\\displaystyle \ garās taisnās bultas } | 2 {\displaystyle 2} | Fe3O4{\displaystyle Fe_{3}O_{4}} |
| 2. | F e 3 O 4 + C {\displaystyle Fe_{3}O_{4}+C} | ⟶ {\\displaystyle \ garās taisnās bultas } | 3 {\displaystyle 3} | FeO{\displaystyle FeO} | |
| 3. | F e O + C {\displaystyle FeO+C} | ⟶ {\\displaystyle \ garās taisnās bultas } | Fe{\displaystyle Fe} |
Tagad dzelzs ir izgatavota.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir domnas?
A: Domnu krāsns ir liela krāsns, ko izmanto dzelzs kausēšanai no rūdas.
J: Cik lielas var būt domnas?
A: Domnas var būt līdz 60 metru augstas un 15 metru diametrā.
J: Kāds ir cits domnas nosaukums?
A: Domnās krāsnis sauc arī par augstajām krāsnīm.
J: No kādiem materiāliem ir izgatavotas domnas?
A: Domnas parasti būvē no tērauda korpusa un ķieģeļiem, kas izgatavoti no magnija oksīda vai citiem ugunsizturīgiem materiāliem.
J: Kā augstās krāsnis tiek dzesētas?
A: Domnu atdzesē ar ūdeni, kas ieplūst daļā korpusa un ķieģeļu.
J: Kāds ir kausēšanas process un kā tiek ražota dzelzs?
A: Dzelzs iegūšanas process ir kausēšana, kas ietver skābekļa atdalīšanu no dzelzs rūdas. Redukcijas procesā izmanto ogli, rūdas karsējot augstā temperatūrā. Tā rodas neapstrādāta dzelzs, ko sauc par čugunu.
K: Kāda ir oglekļa loma reducēšanas procesā, lai iegūtu dzelzi?
A: Augstā temperatūrā ogleklis viegli noņem skābekli no rūdas.
Meklēt