Введение
Тип печи, используемой для выплавки промышленных металлов.
A blast furnace is a type of metallurgical furnace used for smelting to produce industrial metals, generally pig iron, but also others such as lead or copper. Blast refers to the combustion air being supplied above atmospheric pressure. In a blast furnace, fuel (coke), ores, and flux (limestone) are continuously supplied through the top of the furnace, while a hot blast of air (sometimes with oxygen enrichment) is blown into the lower section of the furnace through a series of pipes called tuyeres, so that the chemical reactions take place throughout the furnace as the material falls downward. The end products are usually molten metal and slag phases tapped from the bottom, and waste gases (flue gas) exiting from the top of the furnace. The downward flow of the ore along with the flux in contact with an upflow of hot, carbon monoxide rich combustion gases is a countercurrent exchange and chemical reaction process. In contrast, air furnaces (such as reverberatory furnaces) are naturally aspirated, usually by the convection of hot gases in a chimney flue. According to this broad definition, bloomeries for iron, blowing houses for tin, and smelt mills for lead would be classified as blast furnaces. However, the term has usually been limited to those used for smelting iron ore to produce pig iron, an intermediate material used in the production of commercial iron and steel, and the shaft furnaces used in combination with sinter plants in base metals smelting. Blast furnaces are estimated to have been responsible for over 4% of global greenhouse gas emissions between 1900 and 2015, but are difficult to decarbonize. The main chemical reaction producing the molten iron is:
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
This reaction might be divided into multiple steps, with the first being that preheated air blown into the furnace reacts with the carbon in the form of coke to produce carbon monoxide and heat:
2 C(s) + O2(g) → 2 CO(g)
The hot carbon monoxide is the reducing agent for the iron ore and reacts with the iron oxide to produce molten iron and carbon dioxide. Depending on the temperature in the different parts of the furnace (warmest at the bottom) the iron is reduced in several steps. At the top, where the temperature usually is in the range between 200 °C and 700 °C, the iron oxide is partially reduced to iron(II,III) oxide, Fe3O4. 3 Fe2O3(s) + CO(g) → 2 Fe3O4(s) + CO2(g)
As the iron(II) oxide moves down to the area with higher temperatures, ranging up to 1200 °C degrees, it is reduced further to iron metal:
FeO(s) + CO(g) → Fe(s) + CO2(g) In a further process step, the so called basic oxygen steelmaking, the carbon is oxidized by blowing oxygen onto the liquid pig iron to form crude steel. Although the efficiency of blast furnaces is constantly evolving, the chemical process inside the blast furnace remains the same. One of the biggest drawbacks of the blast furnaces is the inevitable carbon dioxide production as iron is reduced from iron oxides by carbon and as of 2016, there is no economical substitute – steelmaking is one of the largest industrial contributors of the CO2 emissions in the world (see greenhouse gases). Several alternatives are being investigated such as plastic waste, biomass or hydrogen as reducing agent, which can substantially reduce the carbon emissions. The injection of, for example, hydrogen into blast furnaces can reduce carbon emissions by 20 percent. The challenge set by the greenhouse gas emissions of the blast furnace is being addressed in an ongoing European Program called ULCOS (Ultra Low CO2 Steelmaking). Several new process routes have been proposed and investigated in depth to cut specific emissions ( per ton of steel) by at least 50%. Some rely on the capture and further storage (CCS) of , while others choose decarbonizing iron and steel production, by turning to hydrogen, electricity and biomass. In the nearer term, a technology that incorporates CCS into the blast furnace process itself and is called the Top Gas Recycling Blast Furnace is under development, with a scale up to a commercial size blast furnace under way.
Доменная печь – это тип металлургической печи, используемый для выплавки промышленных металлов, как правило, чугуна, но также и других, таких как свинец или медь. Под «вдувом» понимается подача воздуха для сгорания под давлением выше атмосферного. В доменной печи топливо (кокс), руды и флюс (известняк) непрерывно загружаются сверху, а горячий воздух (иногда обогащенный кислородом) вдувается в нижнюю часть печи через ряд труб, называемых фурмами, так что химические реакции происходят по всей печи по мере опускания материала вниз. Конечными продуктами обычно являются расплавленный металл и шлак, выпускаемые из нижней части, и отходящие газы (дымовые газы), выходящие из верхней части печи. Нисходящий поток руды вместе с флюсом, контактирующим с восходящим потоком горячих газов сгорания, богатых монооксидом углерода, представляет собой процесс противоточного обмена и химической реакции. В отличие от этого, воздушные печи (например, реверберационные печи) работают за счет естественной тяги, обычно за счет конвекции горячих газов в дымоходе. Согласно этому широкому определению, плавильные печи для железа, оловянные дутильные печи и свинцовые плавильные мельницы можно классифицировать как доменные печи. Однако термин обычно ограничивается печами, используемыми для выплавки железной руды для производства чугуна – промежуточного материала, используемого в производстве товарного железа и стали, а также шахтными печами, используемыми в сочетании с агломерационными установками при выплавке цветных металлов. По оценкам, доменные печи были ответственны за более чем 4% глобальных выбросов парниковых газов в период с 1900 по 2015 год, однако их декарбонизация представляет собой сложную задачу. Основная химическая реакция, в результате которой образуется расплавленное железо, выглядит следующим образом: Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2.
A blast furnace is a type of metallurgical furnace used for smelting to produce industrial metals, generally pig iron, but also others such as lead or copper. Blast refers to the combustion air being supplied above atmospheric pressure. In a blast furnace, fuel (coke), ores, and flux (limestone) are continuously supplied through the top of the furnace, while a hot blast of air (sometimes with oxygen enrichment) is blown into the lower section of the furnace through a series of pipes called tuyeres, so that the chemical reactions take place throughout the furnace as the material falls downward. The end products are usually molten metal and slag phases tapped from the bottom, and waste gases (flue gas) exiting from the top of the furnace. The downward flow of the ore along with the flux in contact with an upflow of hot, carbon monoxide rich combustion gases is a countercurrent exchange and chemical reaction process. In contrast, air furnaces (such as reverberatory furnaces) are naturally aspirated, usually by the convection of hot gases in a chimney flue. According to this broad definition, bloomeries for iron, blowing houses for tin, and smelt mills for lead would be classified as blast furnaces. However, the term has usually been limited to those used for smelting iron ore to produce pig iron, an intermediate material used in the production of commercial iron and steel, and the shaft furnaces used in combination with sinter plants in base metals smelting. Blast furnaces are estimated to have been responsible for over 4% of global greenhouse gas emissions between 1900 and 2015, but are difficult to decarbonize. The main chemical reaction producing the molten iron is:
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
This reaction might be divided into multiple steps, with the first being that preheated air blown into the furnace reacts with the carbon in the form of coke to produce carbon monoxide and heat:
2 C(s) + O2(g) → 2 CO(g)
The hot carbon monoxide is the reducing agent for the iron ore and reacts with the iron oxide to produce molten iron and carbon dioxide. Depending on the temperature in the different parts of the furnace (warmest at the bottom) the iron is reduced in several steps. At the top, where the temperature usually is in the range between 200 °C and 700 °C, the iron oxide is partially reduced to iron(II,III) oxide, Fe3O4. 3 Fe2O3(s) + CO(g) → 2 Fe3O4(s) + CO2(g)
As the iron(II) oxide moves down to the area with higher temperatures, ranging up to 1200 °C degrees, it is reduced further to iron metal:
FeO(s) + CO(g) → Fe(s) + CO2(g) In a further process step, the so called basic oxygen steelmaking, the carbon is oxidized by blowing oxygen onto the liquid pig iron to form crude steel. Although the efficiency of blast furnaces is constantly evolving, the chemical process inside the blast furnace remains the same. One of the biggest drawbacks of the blast furnaces is the inevitable carbon dioxide production as iron is reduced from iron oxides by carbon and as of 2016, there is no economical substitute – steelmaking is one of the largest industrial contributors of the CO2 emissions in the world (see greenhouse gases). Several alternatives are being investigated such as plastic waste, biomass or hydrogen as reducing agent, which can substantially reduce the carbon emissions. The injection of, for example, hydrogen into blast furnaces can reduce carbon emissions by 20 percent. The challenge set by the greenhouse gas emissions of the blast furnace is being addressed in an ongoing European Program called ULCOS (Ultra Low CO2 Steelmaking). Several new process routes have been proposed and investigated in depth to cut specific emissions ( per ton of steel) by at least 50%. Some rely on the capture and further storage (CCS) of , while others choose decarbonizing iron and steel production, by turning to hydrogen, electricity and biomass. In the nearer term, a technology that incorporates CCS into the blast furnace process itself and is called the Top Gas Recycling Blast Furnace is under development, with a scale up to a commercial size blast furnace under way.
Эта реакция может быть разделена на несколько стадий, причем на первом этапе предварительно нагретый воздух, вдуваемый в печь, реагирует с углеродом в виде кокса с образованием монооксида углерода и тепла: 2 C(s) + O2(g) → 2 CO(g).
A blast furnace is a type of metallurgical furnace used for smelting to produce industrial metals, generally pig iron, but also others such as lead or copper. Blast refers to the combustion air being supplied above atmospheric pressure. In a blast furnace, fuel (coke), ores, and flux (limestone) are continuously supplied through the top of the furnace, while a hot blast of air (sometimes with oxygen enrichment) is blown into the lower section of the furnace through a series of pipes called tuyeres, so that the chemical reactions take place throughout the furnace as the material falls downward. The end products are usually molten metal and slag phases tapped from the bottom, and waste gases (flue gas) exiting from the top of the furnace. The downward flow of the ore along with the flux in contact with an upflow of hot, carbon monoxide rich combustion gases is a countercurrent exchange and chemical reaction process. In contrast, air furnaces (such as reverberatory furnaces) are naturally aspirated, usually by the convection of hot gases in a chimney flue. According to this broad definition, bloomeries for iron, blowing houses for tin, and smelt mills for lead would be classified as blast furnaces. However, the term has usually been limited to those used for smelting iron ore to produce pig iron, an intermediate material used in the production of commercial iron and steel, and the shaft furnaces used in combination with sinter plants in base metals smelting. Blast furnaces are estimated to have been responsible for over 4% of global greenhouse gas emissions between 1900 and 2015, but are difficult to decarbonize. The main chemical reaction producing the molten iron is:
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
This reaction might be divided into multiple steps, with the first being that preheated air blown into the furnace reacts with the carbon in the form of coke to produce carbon monoxide and heat:
2 C(s) + O2(g) → 2 CO(g)
The hot carbon monoxide is the reducing agent for the iron ore and reacts with the iron oxide to produce molten iron and carbon dioxide. Depending on the temperature in the different parts of the furnace (warmest at the bottom) the iron is reduced in several steps. At the top, where the temperature usually is in the range between 200 °C and 700 °C, the iron oxide is partially reduced to iron(II,III) oxide, Fe3O4. 3 Fe2O3(s) + CO(g) → 2 Fe3O4(s) + CO2(g)
As the iron(II) oxide moves down to the area with higher temperatures, ranging up to 1200 °C degrees, it is reduced further to iron metal:
FeO(s) + CO(g) → Fe(s) + CO2(g) In a further process step, the so called basic oxygen steelmaking, the carbon is oxidized by blowing oxygen onto the liquid pig iron to form crude steel. Although the efficiency of blast furnaces is constantly evolving, the chemical process inside the blast furnace remains the same. One of the biggest drawbacks of the blast furnaces is the inevitable carbon dioxide production as iron is reduced from iron oxides by carbon and as of 2016, there is no economical substitute – steelmaking is one of the largest industrial contributors of the CO2 emissions in the world (see greenhouse gases). Several alternatives are being investigated such as plastic waste, biomass or hydrogen as reducing agent, which can substantially reduce the carbon emissions. The injection of, for example, hydrogen into blast furnaces can reduce carbon emissions by 20 percent. The challenge set by the greenhouse gas emissions of the blast furnace is being addressed in an ongoing European Program called ULCOS (Ultra Low CO2 Steelmaking). Several new process routes have been proposed and investigated in depth to cut specific emissions ( per ton of steel) by at least 50%. Some rely on the capture and further storage (CCS) of , while others choose decarbonizing iron and steel production, by turning to hydrogen, electricity and biomass. In the nearer term, a technology that incorporates CCS into the blast furnace process itself and is called the Top Gas Recycling Blast Furnace is under development, with a scale up to a commercial size blast furnace under way.
Горячий монооксид углерода является восстановителем железной руды и реагирует с оксидом железа с образованием расплавленного железа и углекислого газа. В зависимости от температуры в различных частях печи (наивысшая – в нижней части) железо восстанавливается в несколько этапов. В верхней части, где температура обычно находится в диапазоне от 200 °C до 700 °C, оксид железа частично восстанавливается до оксида железа(II,III), Fe3O4: 3 Fe2O3(s) + CO(g) → 2 Fe3O4(s) + CO2(g).
A blast furnace is a type of metallurgical furnace used for smelting to produce industrial metals, generally pig iron, but also others such as lead or copper. Blast refers to the combustion air being supplied above atmospheric pressure. In a blast furnace, fuel (coke), ores, and flux (limestone) are continuously supplied through the top of the furnace, while a hot blast of air (sometimes with oxygen enrichment) is blown into the lower section of the furnace through a series of pipes called tuyeres, so that the chemical reactions take place throughout the furnace as the material falls downward. The end products are usually molten metal and slag phases tapped from the bottom, and waste gases (flue gas) exiting from the top of the furnace. The downward flow of the ore along with the flux in contact with an upflow of hot, carbon monoxide rich combustion gases is a countercurrent exchange and chemical reaction process. In contrast, air furnaces (such as reverberatory furnaces) are naturally aspirated, usually by the convection of hot gases in a chimney flue. According to this broad definition, bloomeries for iron, blowing houses for tin, and smelt mills for lead would be classified as blast furnaces. However, the term has usually been limited to those used for smelting iron ore to produce pig iron, an intermediate material used in the production of commercial iron and steel, and the shaft furnaces used in combination with sinter plants in base metals smelting. Blast furnaces are estimated to have been responsible for over 4% of global greenhouse gas emissions between 1900 and 2015, but are difficult to decarbonize. The main chemical reaction producing the molten iron is:
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
This reaction might be divided into multiple steps, with the first being that preheated air blown into the furnace reacts with the carbon in the form of coke to produce carbon monoxide and heat:
2 C(s) + O2(g) → 2 CO(g)
The hot carbon monoxide is the reducing agent for the iron ore and reacts with the iron oxide to produce molten iron and carbon dioxide. Depending on the temperature in the different parts of the furnace (warmest at the bottom) the iron is reduced in several steps. At the top, where the temperature usually is in the range between 200 °C and 700 °C, the iron oxide is partially reduced to iron(II,III) oxide, Fe3O4. 3 Fe2O3(s) + CO(g) → 2 Fe3O4(s) + CO2(g)
As the iron(II) oxide moves down to the area with higher temperatures, ranging up to 1200 °C degrees, it is reduced further to iron metal:
FeO(s) + CO(g) → Fe(s) + CO2(g) In a further process step, the so called basic oxygen steelmaking, the carbon is oxidized by blowing oxygen onto the liquid pig iron to form crude steel. Although the efficiency of blast furnaces is constantly evolving, the chemical process inside the blast furnace remains the same. One of the biggest drawbacks of the blast furnaces is the inevitable carbon dioxide production as iron is reduced from iron oxides by carbon and as of 2016, there is no economical substitute – steelmaking is one of the largest industrial contributors of the CO2 emissions in the world (see greenhouse gases). Several alternatives are being investigated such as plastic waste, biomass or hydrogen as reducing agent, which can substantially reduce the carbon emissions. The injection of, for example, hydrogen into blast furnaces can reduce carbon emissions by 20 percent. The challenge set by the greenhouse gas emissions of the blast furnace is being addressed in an ongoing European Program called ULCOS (Ultra Low CO2 Steelmaking). Several new process routes have been proposed and investigated in depth to cut specific emissions ( per ton of steel) by at least 50%. Some rely on the capture and further storage (CCS) of , while others choose decarbonizing iron and steel production, by turning to hydrogen, electricity and biomass. In the nearer term, a technology that incorporates CCS into the blast furnace process itself and is called the Top Gas Recycling Blast Furnace is under development, with a scale up to a commercial size blast furnace under way.
По мере опускания оксида железа(II) в зону с более высокими температурами, достигающими 1200 °C, он восстанавливается до металлического железа: FeO(s) + CO(g) → Fe(s) + CO2(g). На последующем этапе процесса, известном как кислородно-конвертерный процесс, углерод окисляется путем продувки кислородом в жидкий чугун с образованием стали. Хотя эффективность доменных печей постоянно повышается, химический процесс внутри печи остается неизменным. Одним из основных недостатков доменных печей является неизбежное образование углекислого газа при восстановлении железа из оксидов углеродом, и по состоянию на 2016 год не существует экономически выгодной альтернативы – сталелитейная промышленность является одним из крупнейших промышленных источников выбросов CO2 в мире (см. парниковые газы). Исследуются различные альтернативы, такие как пластиковые отходы, биомасса или водород в качестве восстановителей, которые могут значительно сократить выбросы углерода. Например, вдувание водорода в доменные печи может снизить выбросы углерода на 20 процентов. Проблема выбросов парниковых газов от доменных печей решается в рамках текущей европейской программы ULCOS (Ultra Low CO2 Steelmaking). Было предложено и тщательно изучено несколько новых технологических маршрутов для сокращения удельных выбросов (на тонну стали) как минимум на 50%. Некоторые из них основаны на улавливании и хранении углерода (CCS), а другие – на декарбонизации производства железа и стали путем перехода на водород, электроэнергию и биомассу. В ближайшей перспективе разрабатывается технология, которая интегрирует CCS непосредственно в процесс доменной печи и называется Top Gas Recycling Blast Furnace, с планами масштабирования до коммерческого размера.
A blast furnace is a type of metallurgical furnace used for smelting to produce industrial metals, generally pig iron, but also others such as lead or copper. Blast refers to the combustion air being supplied above atmospheric pressure. In a blast furnace, fuel (coke), ores, and flux (limestone) are continuously supplied through the top of the furnace, while a hot blast of air (sometimes with oxygen enrichment) is blown into the lower section of the furnace through a series of pipes called tuyeres, so that the chemical reactions take place throughout the furnace as the material falls downward. The end products are usually molten metal and slag phases tapped from the bottom, and waste gases (flue gas) exiting from the top of the furnace. The downward flow of the ore along with the flux in contact with an upflow of hot, carbon monoxide rich combustion gases is a countercurrent exchange and chemical reaction process. In contrast, air furnaces (such as reverberatory furnaces) are naturally aspirated, usually by the convection of hot gases in a chimney flue. According to this broad definition, bloomeries for iron, blowing houses for tin, and smelt mills for lead would be classified as blast furnaces. However, the term has usually been limited to those used for smelting iron ore to produce pig iron, an intermediate material used in the production of commercial iron and steel, and the shaft furnaces used in combination with sinter plants in base metals smelting. Blast furnaces are estimated to have been responsible for over 4% of global greenhouse gas emissions between 1900 and 2015, but are difficult to decarbonize. The main chemical reaction producing the molten iron is:
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
This reaction might be divided into multiple steps, with the first being that preheated air blown into the furnace reacts with the carbon in the form of coke to produce carbon monoxide and heat:
2 C(s) + O2(g) → 2 CO(g)
The hot carbon monoxide is the reducing agent for the iron ore and reacts with the iron oxide to produce molten iron and carbon dioxide. Depending on the temperature in the different parts of the furnace (warmest at the bottom) the iron is reduced in several steps. At the top, where the temperature usually is in the range between 200 °C and 700 °C, the iron oxide is partially reduced to iron(II,III) oxide, Fe3O4. 3 Fe2O3(s) + CO(g) → 2 Fe3O4(s) + CO2(g)
As the iron(II) oxide moves down to the area with higher temperatures, ranging up to 1200 °C degrees, it is reduced further to iron metal:
FeO(s) + CO(g) → Fe(s) + CO2(g) In a further process step, the so called basic oxygen steelmaking, the carbon is oxidized by blowing oxygen onto the liquid pig iron to form crude steel. Although the efficiency of blast furnaces is constantly evolving, the chemical process inside the blast furnace remains the same. One of the biggest drawbacks of the blast furnaces is the inevitable carbon dioxide production as iron is reduced from iron oxides by carbon and as of 2016, there is no economical substitute – steelmaking is one of the largest industrial contributors of the CO2 emissions in the world (see greenhouse gases). Several alternatives are being investigated such as plastic waste, biomass or hydrogen as reducing agent, which can substantially reduce the carbon emissions. The injection of, for example, hydrogen into blast furnaces can reduce carbon emissions by 20 percent. The challenge set by the greenhouse gas emissions of the blast furnace is being addressed in an ongoing European Program called ULCOS (Ultra Low CO2 Steelmaking). Several new process routes have been proposed and investigated in depth to cut specific emissions ( per ton of steel) by at least 50%. Some rely on the capture and further storage (CCS) of , while others choose decarbonizing iron and steel production, by turning to hydrogen, electricity and biomass. In the nearer term, a technology that incorporates CCS into the blast furnace process itself and is called the Top Gas Recycling Blast Furnace is under development, with a scale up to a commercial size blast furnace under way.
История
Чугун был найден в Китае, датируемый V веком до н.э., но самые ранние сохранившиеся доменные печи в Китае относятся к I веку н.э., а в Европе – к периоду Высокого Средневековья. Они распространились из региона вокруг Намюра в Валлонии (Бельгия) в конце XV века и были внедрены в Англии в 1491 году. В качестве топлива в этих печах неизменно использовали древесный уголь. Успешная замена древесного угля коксом обычно приписывается английскому изобретателю Абрахаму Дарби в 1709 году. Эффективность процесса была дополнительно увеличена благодаря практике предварительного нагрева воздуха для горения (горячему дутью), запатентованной шотландским изобретателем Джеймсом Бомонтом Нилсоном в 1828 году.
Китай
Археологические данные свидетельствуют о том, что горны появились в Китае примерно в 800 году до н.э. Изначально полагали, что китайцы сразу же начали отливать железо, но эта теория была опровергнута после обнаружения «более десяти» железных земледельческих орудий в гробнице герцога Цзиня из царства Цинь (ум. 537 г. до н.э.), расположенной в уезде Фэнсянь провинции Шэньси (на этом месте сегодня находится музей). Однако после появления доменной печи и чугуна каких-либо свидетельств дальнейшего использования горнов в Китае не обнаружено. В Китае доменные печи производили чугун, который затем либо перековывали в готовые изделия в колокольной печи, либо превращали в кованое железо в плавильной горнице. Хотя орудия труда и оружие из чугуна получили широкое распространение в Китае к V веку до н.э., с привлечением рабочей силы свыше 200 человек на железоделательных заводах начиная с III века, самые ранние доменные печи были построены при династии Хань в I веке н.э. Эти ранние печи имели глиняные стенки и использовали минералы, содержащие фосфор, в качестве флюса. Высота китайских доменных печей варьировалась от двух до десяти метров в зависимости от региона. Самые крупные из них были найдены в современных Сычуани и Гуандуне, а «карликовые» доменные печи – в горах Дабиешань. По уровню технологической сложности они практически идентичны. Эффективность китайских доменных печей, приводимых в действие людьми и лошадьми, была повышена в этот период инженером Ду Ши (ок. 31 г. н.э.), который использовал энергию водяных колёс для привода поршневых мехов при ковке чугуна. Первые механизмы с водяным приводом для работы доменных печей были построены по образцу уже существовавших механизмов с лошадиным приводом. То есть круговое движение колеса, будь то лошадиное или водяное, передавалось посредством комбинации ременной передачи, кривошипа и шатуна, других шатунов и различных валов в возвратно-поступательное движение, необходимое для работы раздувных мехов. Дональд Вагнер предполагает, что ранние доменные печи и производство чугуна развились из печей, использовавшихся для плавки бронзы. Однако, несомненно, железо имело решающее значение для военных успехов к тому времени, когда царство Цинь объединило Китай (221 г. до н.э.). Использование доменных и колокольных печей оставалось широко распространенным во времена династий Тан и Сун. К XI веку китайская железоделательная промышленность династии Сун перешла от использования древесного угля к кокса при литье железа и стали, что позволило сохранить тысячи акров лесов от вырубки. Возможно, это произошло еще в IV веке н.э. Основным преимуществом ранней доменной печи было крупномасштабное производство и более широкая доступность железных орудий для крестьян. Чугун более хрупок, чем кованое железо или сталь, для производства которых требовалась дополнительная очистка, а затем цементация или кофузия, но для простых работ, таких как земледелие, он был вполне пригоден. Использование доменной печи позволяло более эффективно производить большие количества инструментов, таких как плужные лемеха, чем с помощью горнов. В тех областях, где требовалось высокое качество, например, в военном деле, предпочтение отдавалось кованому железу и стали. Почти всё оружие периода Хань изготовлено из кованого железа или стали, за исключением топоров, многие головки которых сделаны из чугуна. Доменные печи также позже использовались для производства порохового оружия, такого как чугунные ядра и чугунные пушки во времена династии Сун.
Средневековая Европа
Самая простая горка, известная как корсиканская, использовалась до появления христианства. Примерами усовершенствованных кричных печей являются Stuckofen, иногда называемые волчьей печью, которые использовались вплоть до начала XIX века. Вместо естественной тяги воздух нагнетался с помощью меха (trompe), что приводило к получению железа более высокого качества и увеличению производительности. Этот способ подачи воздуха с помощью меха известен как холодное дутье, и он повышает топливную эффективность кричной печи и увеличивает выход продукции. Такие печи также могли строиться больше, чем кричные печи с естественной тягой.
Самые старые европейские доменные печи
Самые старые известные на Западе доменные печи были построены в Дурстеле (Швейцария), в Märkische Sauerland (Германия) и в Лаппхюттане (Швеция), где комплекс действовал между 1205 и 1300 годами. В Нораскоге, в шведском приходе Йернбоос, обнаружены следы еще более ранних доменных печей, возможно, датируемых примерно 1100 годом. Эти ранние доменные печи, как и китайские аналоги, были значительно менее эффективны, чем современные. Железо, производимое на комплексе Лаппхюттан, использовалось для изготовления шаров из кованого железа, известных как осмонд, которые экспортировались – возможное упоминание встречается в договоре с Новгородом 1203 года, а также имеются несколько достоверных ссылок в документах английской таможни 1250-х и 1320-х годов. В Вестфалии были найдены другие печи, относящиеся к XIII–XV векам. Технология, необходимая для доменных печей, могла быть заимствована из Китая или возникнуть как местное изобретение. Аль-Казвини в XIII веке и другие путешественники впоследствии отмечали существование железоделательной промышленности в горах Альбурз к югу от Каспийского моря. Близость к Шелковому пути делает вероятным использование технологий, пришедших из Китая. Более поздние описания упоминают доменные печи высотой около трех метров. Поскольку варяги из Скандинавии торговали с Каспийским регионом (по своему волжскому торговому пути), возможно, технология таким образом попала в Швецию. Известно, что викинги использовали двойные меха, значительно увеличивающие объем подачи воздуха в печь. Каспийский регион мог также быть источником конструкции печи в Феррьере, описанной Филарете, с использованием водяного меха в Семого (Вальдидентро, Северная Италия) в 1226 году. В двухступенчатом процессе расплавленное железо дважды в день выливалось в воду, что приводило к его грануляции.
Взносы цистерцианцев
Генеральная глава монахов-цистерцианцев распространила некоторые технологические достижения по всей Европе. Это могло включать в себя доменную печь, поскольку цистерцианцы, как известно, были опытными металлургами. По словам Жана Гимпеля, их высокий уровень промышленной технологии способствовал распространению новых методов: «Каждый монастырь располагал образцовой фабрикой, часто такого же размера, как церковь, и всего в нескольких метрах от нее, а водяная энергия приводила в движение машины различных производств, размещенных на его территории». Монахам часто дарили месторождения железной руды вместе с кузницами для выплавки железа, а со временем излишки предлагались для продажи. Цистерцианцы стали ведущими производителями железа в Шампани (Франция) с середины XIII века до XVII века, а также использовали богатую фосфатами шлак из своих печей в качестве сельскохозяйственного удобрения. Археологи до сих пор открывают для себя масштабы цистерцианских технологий. В Ласкилле, филиале аббатства Ривокс и единственной средневековой доменной печи, обнаруженной в Британии, производимый шлак содержал мало железа. Шлак из других печей того времени содержал значительную концентрацию железа, тогда как в Ласкилле, как полагают, довольно эффективно производили чугун. Точная дата его постройки пока не установлена, но, вероятно, он не дожил до роспуска монастырей Генрихом VIII в конце 1530-х годов, поскольку соглашение (сразу после этого) относительно «кузнецов» с графом Ратлендом в 1541 году упоминает крицы. Тем не менее, механизмы распространения доменных печей в средневековой Европе до сих пор окончательно не установлены.
Происхождение и распространение ранних современных доменных печей
Из-за возросшего спроса на железо для литья пушек, доменная печь получила широкое распространение во Франции в середине XV века. Прямым предшественником печей, использовавшихся во Франции и Англии, был регион Намюр, в современной Валлонии (Бельгия). Оттуда они распространились сначала в область Пэ-де-Бре на восточной границе Нормандии, а затем в Вейлд-оф-Сассекс, где первая печь (под названием Queenstock) в Бакстеде была построена около 1491 года, за ней последовала печь в Ньюбридже в лесу Эшдаун в 1496 году. Их число оставалось небольшим до 1530 года, но в последующие десятилетия было построено множество печей в Вейлде, где железная промышленность, возможно, достигла своего пика около 1590 года. Большая часть чугуна с этих печей отправлялась на кричные горны для производства полосового железа. Первые британские печи за пределами Вейлда появились в 1550-х годах, и многие были построены в оставшуюся часть этого века и в последующие. Производство отрасли, вероятно, достигло пика около 1620 года, после чего последовал медленный спад до начала XVIII века. Это, по-видимому, было связано с тем, что импорт железа из Швеции и других стран оказался более экономичным, чем его производство в некоторых отдалённых районах Великобритании. Древесный уголь, доступный для промышленности, вероятно, расходовался так же быстро, как и древесина, из которой он производился. Первая в России доменная печь была открыта в 1637 году близ Тулы и называлась Городищенский завод. Оттуда доменное производство распространилось в центральную Россию, а затем, наконец, на Урал.
Коксовые высокочастотные печи
В 1709 году в Коалбрукдейле, графство Шропшир, Англия, Абрахам Дарби начал использовать кокс вместо древесного угля для плавки в доменной печи. Первоначальным преимуществом кокса была его более низкая стоимость, главным образом из-за того, что его производство требовало значительно меньше трудозатрат, чем заготовка древесины и изготовление древесного угля, но использование кокса также позволило преодолеть локальный дефицит древесины, особенно в Великобритании и на континенте. Металлургический кокс выдерживает большую нагрузку, чем древесный уголь, что позволяет строить более крупные печи. Недостатком является то, что кокс содержит больше примесей, чем древесный уголь, и сера особенно негативно влияет на качество железа. Проблема примесей в коксе была более острой до внедрения горячей продувки, которая снизила необходимое количество кокса, и до достижения таких температур в печи, при которых шлак из известняка стал свободно вытекать. (Известняк связывает серу. Для связывания серы также может добавляться марганец.) Коксовое железо изначально использовалось только для литейного производства, изготовления горшков и других изделий из чугуна. Литейное производство было незначительной отраслью, но сын Дарби построил новую печь в близлежащем Хорсхее и начал поставлять владельцам кричных горнов коксовый чугун для производства полосового железа. К тому времени коксовый чугун было дешевле производить, чем чугун, выплавленный на древесном угле. Использование топлива, полученного из угля, в металлургической промышленности стало ключевым фактором британской промышленной революции. Оригинальная доменная печь Дарби была археологически раскопана и сохранилась в Коалбрукдейле, являясь частью музейного комплекса «Ущелье Железного моста». Из чугуна, полученного на этой печи, в 1779 году были изготовлены балки для первого в мире чугунного моста. Железный мост пересекает реку Северн в Коалбрукдейле и до сих пор используется для пешеходного движения.
Паровой взрыв
Паровая машина была применена для подачи воздуха при продувке, преодолевая нехватку энергии воды в районах, где располагались уголь и железная руда. Впервые это было сделано в Коалбрукдейле, где в 1742 году паровой двигатель заменил насос, приводимый в действие лошадью. Такие двигатели использовались для перекачки воды в резервуар, расположенный над доменной печью. Первые двигатели, использовавшиеся для непосредственной продувки цилиндров, были поставлены компанией Boulton and Watt на Ново-Уиллийскую доменную печь Джона Уилкинсона. Они приводили в действие чугунный продувочный цилиндр, изобретенный его отцом, Айзеком Уилкинсоном. Он запатентовал такие цилиндры в 1736 году, чтобы заменить кожаные меха, которые быстро изнашивались. Айзеку был выдан второй патент, также на продувочные цилиндры, в 1757 году. Паровая машина и чугунный продувочный цилиндр привели к значительному увеличению производства железа в Великобритании в конце XVIII века. Горячая продувка была запатентована Джеймсом Бомонтом Нилсоном на железоделательном заводе Вильсонтауна в Шотландии в 1828 году. В течение нескольких лет после внедрения горячая продувка была усовершенствована до такой степени, что потребление топлива сократилось на треть при использовании кокса или на две трети при использовании угля, при этом значительно увеличилась и производительность печи. В течение нескольких десятилетий практикой стало строительство "регенеративной печи", сопоставимой по размеру с доменной печью, в которую направлялся и сжигался отходящий газ (содержащий CO) из печи. Выделяемое тепло использовалось для предварительного нагрева воздуха, подаваемого в печь. Горячая продувка позволила использовать в доменной печи сырой антрацит, который было трудно воспламенить. Антрацит впервые был успешно применен Джорджем Крейном на железоделательном заводе Йнисседуин в Южном Уэльсе в 1837 году. В Америке его переняла компания Lehigh Crane Iron Company в Катасаукуа, штат Пенсильвания, в 1839 году. Использование антрацита сократилось, когда в 1870-х годах были построены высокопроизводительные доменные печи, требующие кокса.
Высокопряженные печи из железа
Высокая печь остаётся важной частью современного производства чугуна. Современные печи отличаются высокой эффективностью, включая кауперовские печи для предварительного нагрева дутья и системы рекуперации для извлечения тепла из отходящих газов. Конкуренция в отрасли стимулирует увеличение объёмов производства. Самая большая в мире доменная печь находится в Южной Корее, её объём составляет около 5500 кубических метров, и она способна производить около 7,8 миллионов тонн чугуна в год. Это значительный рост по сравнению с типичными печами XVIII века, которые производили в среднем около 30 тонн в год. В странах, не имеющих собственных запасов угля, были разработаны различные модификации доменных печей, такие как шведская электродоменная печь. По данным Global Energy Monitor, доменные печи, вероятно, устареют в связи с необходимостью достижения целей по сокращению выбросов углекислого газа для борьбы с изменением климата, однако компания BHP с этим не согласна.
Окислительная высокая печь
Процесс кислородной доменной печи (OBF) был всесторонне изучен теоретически благодаря потенциалу значительной экономии энергии и сокращения выбросов. Этот тип может быть наиболее подходящим для использования с технологией CCS. Современные свинцовые доменные печи строятся с использованием водяного охлаждения стальных или медных рубашек для стенок и не имеют огнеупорной футеровки в боковых стенках. Основанием печи является горн из огнеупорного материала (кирпичей или литьевой массы). Доменная печь, используемая на свинцовом плавильном заводе Nyrstar Port Pirie, отличается от большинства других свинцовых доменных печей тем, что имеет два ряда фурм вместо обычно используемого одного ряда. Это связано с тем, что цинк, производимый в этих печах, извлекается в виде металла из паровой фазы, а присутствие кислорода в отходящих газах привело бы к образованию оксида цинка. Однако печи ISP обладают преимуществом возможности переработки цинковых концентратов с более высоким содержанием свинца, чем это возможно на электролитических цинковых заводах. Также образуется очень небольшое количество металлов, являющихся нежелательным побочным продуктом.
Современный процесс изготовления железа
Современные печи оснащены множеством вспомогательных устройств для повышения эффективности, таких как площадки для хранения руды, где разгружаются баржи. Сырье доставляется на складской комплекс при помощи перевалочных мостов, железнодорожных хопперов и вагонеток для перевозки руды. Вес различных видов сырья определяется при помощи рельсовых весовых вагонеток или компьютерных дозаторов, чтобы получить желаемый химический состав жидкого металла и шлака. Сырье подается на вершину доменной печи при помощи скипового вагона, приводимого в движение лебедками или конвейерами. Существуют различные способы загрузки сырья в доменную печь. Некоторые доменные печи используют систему "двойного колокола", где два "колокола" контролируют подачу сырья в печь. Назначение двух колоколов – минимизировать потери горячих газов из доменной печи. Сначала сырье высыпается в верхний или малый колокол, который затем открывается, чтобы сбросить заряд в большой колокол. После этого малый колокол закрывается, герметизируя печь, а большой колокол вращается, обеспечивая необходимое распределение материала перед подачей заряда в доменную печь. Более современная конструкция предусматривает систему "без колокола". В этих системах используются несколько бункеров для каждого вида сырья, которое затем выгружается в доменную печь через клапаны. Сама доменная печь для выплавки чугуна представляет собой высокую конструкцию, футерованную огнеупорным кирпичом и имеющую профиль, позволяющий компенсировать расширение загружаемого материала при нагреве во время его опускания и последующее уменьшение объема при начале плавления. Кокс, известняковый флюс и железная руда (оксид железа) загружаются в верхнюю часть печи в определенной последовательности, что помогает контролировать поток газа и химические реакции внутри печи. Четыре "подъемных канала" обеспечивают выход горячего, загрязненного газа с высоким содержанием монооксида углерода из горловины печи, а "предохранительные клапаны" защищают верхнюю часть печи от резких скачков давления газа. Крупные частицы в отходящих газах оседают в "пылеулавливателе" и сбрасываются в железнодорожный вагон или грузовик для утилизации, а сам газ проходит через скруббер Вентури и/или электростатические осадители и газовый охладитель для снижения температуры очищенного газа. Тепло отходящих газов обычно утилизируется, например, с помощью печи Каупера – разновидности теплообменника. Программа МЭА по исследованиям и разработкам в области парниковых газов (IEAGHG) показала, что на интегрированном сталелитейном заводе 70% выбросов приходится непосредственно на доменный газ (BFG). Возможно использование технологий улавливания углерода из доменного газа до его использования в процессах теплообмена на предприятии. В 2000 году IEAGHG оценила, что улавливание углерода из BFG с использованием химической абсорбции будет стоить 35 долларов США за тонну (дополнительные 8–20 долларов США за тонну потребуется для транспортировки и хранения). Это увеличит стоимость всего процесса производства стали на предприятии на 15–20%.
Влияние на окружающую среду
Результаты показали, что потенциал глобального потепления и потенциал закисления были наиболее значительными воздействиями на окружающую среду. В среднем, при производстве тонны стали выделяется 1,8 тонны CO₂. Однако сталелитейный завод, использующий доменную печь с рециркуляцией верхнего газа (TGRBF), при производстве тонны стали будет выделять от 0,8 до 1,3 тонн CO₂ в зависимости от степени рециркуляции в TGRBF.
Выведенные из эксплуатации высокие печи в качестве музейных объектов
Долгое время обычной практикой было демонтировать выведенную из эксплуатации доменную печь и либо заменять её новой, улучшенной, либо сносить всю площадку, чтобы освободить место для дальнейшего использования территории. В последние десятилетия ряд стран осознали ценность доменных печей как части своей промышленной истории. Вместо сноса заброшенные металлургические заводы превращали в музеи или включали в состав многофункциональных парков. Наибольшее количество сохранившихся исторических доменных печей находится в Германии; подобные объекты также существуют в Испании, Франции, Чехии, Великобритании, Японии, Люксембурге, Польше, Румынии, Мексике, России и Соединенных Штатах.