ОСНОВНЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ДОМЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ И ИННОВАЦИИ В СФЕРЕ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Наукосфера. №11 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 135 http://nauko-sfera.ru/ ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ УДК 669 DOI 10.5281/zenodo.17636881 Научная статья ОСНОВНЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ДОМЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ И ИННОВАЦИИ В СФЕРЕ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ THE MAIN PRODUCTION PROCESSES IN BLAST FURNACE PRODUCTION AND INNOVATIONS IN THE FIELD OF ENERGY SAVING БОРОДИН ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ, Липецкий государственный технический университет. BORODIN DMITRY ALEXANDROVICH, Lipetsk State Technical University. В статье были рассмотрены основные процессы производства чугуна, инновации в доменном производстве, их особенности и параметры. Исследованы принципы работы доменной печи, включая ее конструкцию, компоненты, назначение и экологическую устойчивость. Проанализированы химические реакции, протекающие в печи при производстве чугуна, в частности процессы восстановления железа, марганца, кремния и серы, а также горение топлива и формирование шлака. В доменном производстве для энергосбережения в качестве инноваций были рассмотрены следующие параметры: сокращение расхода кокса, увеличение температуры дутья, использование низкосортных руд, модернизация шихтоподачи, внедрение автоматизации. В заключении была проведена оценка наилучших инновационных технологий в доменном производстве в сфере энергосбережения. The article reviewed the main processes of pig iron production, innovations in blast furnace production, their features and parameters. The principles of operation of a blast furnace, including its design, components, purpose and environmental sustainability, are investigated. The chemical reactions occurring in the furnace during the production of cast iron, in particular, the processes of reduction of iron, manganese, silicon and sulfur, as well as fuel gorenje and slag formation, are analyzed. In blast furnace production, the following parameters were considered as innovations for energy saving: reduction of coke consumption, increase in blast temperature, use of low-grade ores, modernization of charge feed, introduction of automation. In conclusion, an assessment of the best innovative technologies in blast furnace production in the field of energy conservation was carried out. Ключевые слова: металлургия, доменное производство, энергосбережение, процессы, инновации, чугун, железо. Key words: metallurgy, blast furnace production, energy saving, processes, innovations, cast iron, iron. Наукосфера. №11 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 136 http://nauko-sfera.ru/ ведение. Доменный процесс осуществляет производство чугуна в печи путем последовательного применения всех этапов производства. По мнению Третяка А.А., данный процесс, по всей видимости, продолжит свое ведущее значение в долгосрочной перспективе. Он считает, что, хоть методы прямого восстановления железа с последующей выплавкой в электродуговых печах демонстрируют рост, они пока не способны полностью заменить доменный способ. Жидкий чугун преобладает в металлошихте: 10–35 % в электропечах и 75–90 % в конвертерном производстве [8]. Одной из проблем в доменном производстве является высокий расход энергоресурсов. Среди причин, приводящих к высоким энергетическим расходам, выделяется наличие устаревших технических решений и оборудования, так как кирпичная кладка огнеупорной футеровки является неэффективной, требуя значительных тепловых затрат. Также причинами являются низкое содержание железа в исходной руде и связанные с этим повышенные затраты на ее обогащение и получение товарного концентрата. Лазуткин А.Е., Чижиков А.Г., Шахпазов Е.Х., отмечают, что для решения данной проблемы необходима реализация следующих задач: 1. Экономия на топливных ресурсах: достижение экономии за счет сокращения потребления всех видов ископаемого топлива в промышленном производстве [4]. 2. Замещение неэффективных энергоносителей: переход от дорогостоящих и ограниченных в наличии видов топлива к более экономичным и доступным альтернативам. Например, применение пылеугольного топлива обеспечивает экономию кокса на уровне 20–30 %, с возможностью дальнейшего роста до 40–50 %. Применение природного газа также экономит кокс, выделяя тепло при горении и усиливая восстановительные свойства горновых газов. Подача дутья с более высокой температурой позволяет сократить расход кокса [4]. 3. Инновационное развитие доменного производства: в производстве происходит внедрение новых технологий, что обеспечивает ему стремительное развитие. Повышение энергоэффективности происходит за счет использования ВЭР и инновационных процессов. Также новые внедрения позволяют бороться с экологической нагрузкой, исходящей от такого производства. Утилизация энергии доменного шлака способствует снижению затрат на топливо, одновременно решая экологические проблемы, которые связанные с предотвращением шлаковых отвалов и сокращая вредные выбросы в атмосферу [4]. Основными загрязнителями атмосферы при данном производстве являются выбросы пыли, парниковых газов, оксидов серы, углерода, железа и других вредных для окружающей среды элементов. Чтобы сократить нагрузку на окружающую среду, специалисты разрабатывают инновационные методы по борьбе с загрязнителями. Среди инновационных экологических аспектов существует метод сухого обогащения руды, используются передовые технологии пылеподавления и улавливания пыли с помощью фильтрации [8]. Цель исследования — анализ путей повышения энергоэффективности и рентабельности доменного производства за счет внедрения инновационных технологий. Задачи исследования: 1. Исследовать основные производственные процессы, протекающие в доменном производстве. 2. Изучить ключевые химические реакции, обеспечивающие выплавку чугуна в доменной печи. 3. Проанализировать влияние ВЭР на энергосбережение и снижение затрат в доменном производстве. 4. Рассмотреть ключевые на сегодняшний день инновационные методы снижения энергоемкости при производстве чугуна. Материалы и методы. В Наукосфера. №11 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 137 http://nauko-sfera.ru/ Для решения поставленной задачи был проведен теоретический анализ научной литературы по данной проблеме. Собранные данные были систематизированы для исследования основных производственных процессов и наилучших инновационных методов энергосбережения в доменном производстве с целью повышения энергоэффективности, рентабельности и снижения затрат. Результаты и обсуждение. Рассмотрим сущность и основные стадии технологического процесса доменной плавки. Сама конструкция доменной печи включает в себя шахтную печь с круглым сечением, выложенную внутри огнеупорным кирпичом, так называемой футеровкой. Для эффективного отвода тепла и предотвращения разрушения огнеупорной кладки, а также для защиты корпуса печи от высоких температур, применяются системы водяного охлаждения замкнутого цикла [7]. Колонны, устанавливаемые на фундаменте, обеспечивают поддержку кожуха печи и колошникового устройства (рис. 1). Рис. 1. Схема доменного производства Чтобы использовать кокс в качестве топлива его следует загрузить в горн и заплечики. Смесь различных материалов, то есть задувочная шихта, загружается в шахту. Загрузка шихты в колошник осуществляется преимущественно скиповым подъемом, в отдельных случаях — ленточными конвейерами. Скипы выгружают сыпучие материалы в печь, для этого используют приемную воронку и засыпной аппарат, установленный на колошнике. Нагретый до 1000–1200°С воздух подается в печь в виде раскаленного дутья через воздухонагреватели и фурменные приборы по периметру горна. Затем происходит горение топлива, кокс начинает воспламеняться. Следующим этапом является загрузка сырьевых материалов. Фурмы осуществляют подачу дополнительного топлива: природный газ, мазут и угольная пыль [7]. Наукосфера. №11 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 138 http://nauko-sfera.ru/ Эффективность данных мер подтверждается не только литературными данными, но и практическими расчётами. Например, для типовой доменной печи полезным объёмом 2000 м³ годовой расход кокса может составлять порядка 800 тыс. тонн. Внедрение пылеугольного топлива с уровнем замещения 25 % позволяет снизить этот расход на 200 тыс. тонн в год. При средней стоимости кокса в 300 долл за тонну годовая экономия только на топливной составляющей достигает 60 млн долл, что существенно повышает рентабельность производства. Аналогично, повышение температуры дутья с 1100°С до 1300°С, согласно данным промышленных испытаний, обеспечивает дополнительное снижение удельного расхода кокса на 8–12 кг/т чугуна, что в масштабах крупного завода даёт экономию в десятки тысяч тонн топлива ежегодно [4; 6]. В первые 12–24 ч работы в доменной печи происходит выпуск чугуна и шлака. Затем, путем постепенного увеличения подачи дутья и рудной нагрузки производительность печи стабилизируется в течение нескольких дней. Расплавленный металл и шлак из печи выпускаются в специальные ковши (чугуновозные и шлаковые) через отверстия в нижней части горна. Внутри установки протекают два ключевых химических превращения: первое — это сжигание топлива, а второе — восстановление химических элементов. Основная масса кокса, двигаясь вниз по шахте печи к ее нижней части (горну), вступает в реакцию горения. Это происходит в месте подачи воздуха или другого топлива через специальные отверстия — фурмы. Также кокс частично участвует в восстановлении. Горячие газы 1600–2300°С, состоящие в основном из азота (45–65 %) с примесями оксида углерода (35–45 %) и водорода (1– 12 %), движутся вверх. Поднимаясь, они передают тепло поступающей шихте, в результате чего происходит частичное окисление CO и H2 до CO2 и H2O [7]. Рассмотрим механизм горения кокса в области фурменных устройств, где происходит окисление углерода и формирование восстановительной атмосферы. Для начала следует поговорить о том, что такое окислительные зоны. Окислительными зонами называются очаги горения, которые возникают у фурм доменной печи, в этих зонах поток газов, закручиваясь, перемещает частицы кокса. Следующим этапом является горение кокса. Этот процесс характеризуется реакцией между его твердой и газовой фазой. В ходе сгорания твердого топлива кислород сначала соединяется с углеродом, тем самым образуя временные соединения (СхОу), которые впоследствии разлагаются. При горении твердого топлива кислород образует с углеродом промежуточные комплексы, которые затем распадаются. Когда уголь горит в печи, происходит химическая реакция, в результате которой выделяется тепло. Эта реакция называется экзотермической и выглядит она так: 2C + O2=2CO. В ходе взаимодействия углерода с кислородом образуется угарный газ [5]. Рис. 2. Сжигание кокса в зоне подачи воздуха доменной печи Наукосфера. №11 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 139 http://nauko-sfera.ru/ Процесс окисления углеводородов, составляющих основу природного газа и мазута, приводит к образованию CO и H2. При горении углерода (С) происходит значительное поглощение выделяемого тепла, что приводит к снижению температуры в фурмах. Для того, чтобы противодействовать этому эффекту, необходимо повышать температуру и обогащать дутье кислородом (рис. 2). В условиях доменной печи медь, мышьяк и фосфор ведут себя аналогично железу (Fe): они восстанавливаются и в значительной степени переходят в состав чугуна. Цинк, напротив, после полного восстановления испаряется. Степень восстановления элементов в доменной печи зависит от прочности их связи с кислородом. Если эта связь прочнее, чем связь с железом, то восстановление будет неполным или отсутствовать [9]. Например, ванадий восстанавливается в пределах 75–90 %, марганец — от 40 до 75 %. Кремний и титан восстанавливаются лишь в малых объемах, а такие элементы, как алюминий, магний и кальций (включая барий), не восстанавливаются. В то же время оксиды железа (Fe2O3 и Fe3O4) восстанавливаются в доменной печи последовательно, путем отщепления кислорода, согласно следующим реакциям: 3Fe2O3 + CO (H2) = 2Fe3O4 + CO2 (H2O), Fe3O4 + CO (H2) = 3FeO + CO2 (H2O). Закись железа FeO восстанавливается до Fe газами и углеродом: FeO + CO (H2) = Fe + CO2 (H2O), FeO + C = Fe + CO. Оксиды марганца в высших степенях окисления (MnO2, Mn2O3 и Mn3O4) реагируют с газами, образуя продукты и выделяя тепло. Для полного восстановления марганца до металлического состояния требуется углерод, причем этот процесс, в отличие от восстановления железа, является эндотермическим и требует примерно вдвое больше энергии. Кремний также восстанавливается только при высоких температурах в ходе эндотермической реакции: SiO2 + 2C + Fe = FeSi + 2CO. Расход кокса является ключевым фактором, определяющим степень восстановления кремния и марганца. Однако увеличение содержания кремния в чугуне на 1 % требует пропорционального увеличения расхода кокса на 5–7 %, что приводит к избыточному образованию горячих газов и, в конечном итоге, к перегреву шахты печи [9]. Основным источником серы в доменной печи является кокс. В ходе работы печи сера трансформируется: часть ее выходит с газами в виде оксида серы, сероводорода и других соединений, тогда как большая доля связывается в шихте, формируя сульфиды железа (FeS) и кальция (CaS). Примечательно, что FeS находит свое место в расплавленном чугуне. Для очистки чугуна от серы требуется ее химическое превращение в формы, не способные растворяться в нем, такие как CaS: FeS + CaO = CaS + FeO. Железо опускается в нижнюю часть печи, растворяет углерод и превращается в чугун. Расплавленный чугун собирается внизу печи. Формирование шлака — это сложный процесс, зависящий от целого ряда параметров, включая состав шихты и температурные условия. Важно отметить, что шлакообразование протекает по-разному, в зависимости от того, добав- Наукосфера. №11 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 140 http://nauko-sfera.ru/ ляется ли известняк или используется офлюсованный агломерат. Оптимальная основность для доменного шлака составляет 1,0 [1]. Поговорим о решение проблем при помощи утилизации ВЭР. Для начала давайте поговорим о том, что такое ВЭР? ВЭР расшифровывается как вторичные энергетические ресурсы — это энергия, которая вырабатывается в результате производственных процессов, но не используется для основной цели производства. ВЭР бывают нескольких видов: тепловые, горючие и ресурсы избыточного давления. Утилизация ВЭР позволяет обеспечить энергосбережение, повысить энергоэффективность, улучшить экологическую обстановку и рентабельность производства. Этапы утилизации ВЭР в доменном производстве включают в себя несколько процессов, первым из которых является использование тепла дымовых газов. Эти газы могут нагреваться до 150–600°С и применяться в котлах-утилизаторах. Этот процесс позволяет увеличить термический КПД печей, снизить расход топлива, повысить энергоэффективность, улучшить экологическую обстановку. В атмосферу выбрасывается меньше вредных веществ благодаря полному сгоранию и уменьшению образования отходов [10]. Вторым процессом является использование теплоты шлака. Этот шлак имеет температуру 1200–1500°С, его продувают воздухом, нагретым до 600°С. Воздух можно использовать для выработки пара, а тепло гранул шлака — для нагрева воды, что способствует повышению энергосбережения и улучшению экологии за счет утилизации отходов [6]. Третьим процессом можно назвать использование физического тепла чугуна. Это позволяет снизить энергопотребление при производстве металла. Расплавленный чугун, выплавленный в доменной печи, направляется для дальнейшей обработки в конвертеры. Этапы преобразования ВЭР представлены на рисунке 3. Рис. 3. Этапы преобразования ВЭР В качестве инноваций для обеспечения устойчивого развития доменного производства, на примере энергосбережения, используются параметры, предложенные аналитиками данного производства. Наукосфера. №11 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 141 http://nauko-sfera.ru/ Первым таким параметром является уменьшение расхода кокса, который является основным источником энергии. Для достижения этой цели внедряются дополнительные виды топлива, увеличивается содержание кислорода в дутье, повышается давление газа на колошнике. Вторым этапом можно назвать внедрение автоматизации. Она осуществляет контроль за всем производством [3]. Здесь в работу вступает математическое моделирование, благодаря которому происходит обнаружение проблем в процессе работы доменного производства и предпринимаются шаги по их устранению. В результате чего возможна экономия всех производственных ресурсов (рис. 4). Рис. 4. Автоматическая система управления доменным производством Третьим параметром является увеличение температуры дутья. Сократить расход кокса и увеличить производительность печи на 5–8 % можно благодаря повышению температуры дутья до 1400°С с помощью воздухонагревателей конструкции Калугина [2]. Четвертым параметром аналитики предлагают использование низкосортных руд, некоксующихся и слабококсующихся углей и отходов, направленных на энергои ресурсосбержение. Пятым свойством является модернизация шихтоподачи. Данное обновление может позволить осуществить загрузку шихты одновременно с доменным производством в любой последовательности, обеспечить эффективный отсев мелочи и корректировать влажность кокса. Перспективные альтернативные технологии. Наряду с оптимизацией традиционного процесса, ключевым вектором развития является поиск принципиально новых решений. Одним из наиболее обсуждаемых является исполь- Наукосфера. №11 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 142 http://nauko-sfera.ru/ зование водорода в качестве восстановителя. Подача водорода в доменную печь позволяет частично или полностью заменить углеродсодержащие восстановители (кокс, природный газ), что ведёт к радикальному сокращению выбросов CO₂. Пилотные проекты, такие как HYBRIT в Швеции, демонстрируют техническую возможность такого перехода, хотя его широкомасштабная реализация сдерживается высокой стоимостью «зелёного» водорода и необходимостью глубокой модернизации агрегатов [8]. Другим стратегическим направлением является развитие технологий прямого восстановления железа (DRI/HBI) с последующей переплавкой в электродуговых печах (ЭДП). Данный путь, хотя и не является прямым аналогом доменного процесса, представляет собой альтернативную цепочку получения стали с существенно более низким углеродным следом. Его экономическая целесообразность сильно зависит от доступности и цены природного газа или водорода, а также от стоимости электроэнергии. Таким образом, будущее доменного производства видится в его симбиозе с новыми технологиями: постепенная гибридизация с водородными решениями для декарбонизации и сохранение роли как основного поставщика жидкого чугуна для конвертерных и электропечных цехов в обозримой перспективе [8; 10]. Заключение. Делая вывод, можно сказать, что результаты исследования свидетельствуют о значимости контроля за всеми режимными параметрами и процессами производства чугуна. Важно регулировать качество сырья, режимные параметры плавки, химический состав и температуру. В ходе анализа данной металлургической отрасли были изучены инновации, внедряемые в доменное производство в сфере энергосбережения. Это такие инновации, как: автоматизация, модернизация шихтоподачи, уменьшение расхода кокса путем замены его другим видом топлива, увеличение температуры дутья и использование низкосортных руд. Данные аспекты улучшают качество сырьевых материалов и экологическую обстановку, увеличивают энергоэффективность, рентабельность. В результате исследования было определено, что наиболее эффективными инновациями являются автоматизация, модернизация шихтоподачи и уменьшение расхода кокса. Так как данные процессы имеют в своем составе наибольшее число аспектов по снижению энергоемкости доменного производства. Автоматизация, как было выяснено в ходе исследования, отвечает за контроль всех технологических процессов и за своевременное прогнозирование сбоев в производстве. В результате чего возможна экономия всех производственных ресурсов. Модернизация шихтоподачи позволяет повысить энергоэффективность путем рационального использования энергоносителей, отсева мелочи и одновременной загрузки шихты в любой последовательности в темпе с производством. Увеличение температуры дутья является ключевым шагом к энергосбережению. Эта мера позволяет снизить потребление кокса и одновременно увеличить выпуск чугуна. Основное преимущество заключаются в ускорение химических реакций внутри печи, что улучшает процесс сжигания топлива. Оптимизация расхода кокса ведет к сокращению закупок энергетических ресурсов и уменьшению энергоемкости при выплавке чугуна. В основном кокс заменяют более дешевым видом топлива с целью его экономии. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Бодяков А.Н., Бугряшов Д.В. Актуальные проблемы металлургических шлаков // Образование. Наука. Производство. 2021. С. 1016–1020. Наукосфера. №11 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 143 http://nauko-sfera.ru/ 2. Буткарев А. А., Буткарев А. П., Птичников А. Г. Увеличение температуры горячего дутья доменных воздухонагревателей с помощью подсистемы оптимального управления // Сталь. 2015. № 3. С. 28–34. 3. Жильцов А.П., Вишневский Д.А., Козачишен В.А., Бочаров А.В. Разработка алгоритма и компьютерной программы для расчета надежности оборудования и производственного риска в металлургической отрасли // Черные металлы. 2018. № 11. С. 27–33. 4. Лазуткин А.Е., Чижиков А.Г., Шахпазов Е.Х. Перспективные пути энергосбережения в доменном производстве России // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2010. № 1. С. 5–12. 5. Павлов А. В., Онорин О. П., Спирин Н. А. Работа доменных печей ОАО «ММК» с высокой долей окатышей в шихте. Ч. 1 // Металлург. 2016. № 6. С. 36–42. 6. Пашкевич М. А., Куликова Ю. А. Современные тенденции управления отходами доменного производства // Вестник Евразийской науки. Т.14. № 36. С. 1–13. 7. Петерс К., Кройцер И., Люнген Г. Развитие доменного производства // Черные металлы. 1987. № 6. С. 31–40. 8. Третяк А. А. Наилучшие доступные технологии в доменном производстве // Сталь. 2019. № 12. С. 7–11. 9. Филоненко А.В. Анализ современных технологий переработки шлаков доменного производства // Экология и промышленность. 2018. №3-4. С. 91–104. 10. Юсфин Ю.С. Основные направления ресурсосбережения в доменном производстве и его влияние на окружающую среду // Сталь. 2010. № 4. С. 12–13. Поступила в редакцию: 12.11.2025 © Бородин Д. А., 2025. Принята в печать: 12.12.2025