Процессы в доменной печи

В зависимости от того, через какую температурную зону доменной печи проходит загруженный материал, он претерпевает те или иные физико-химические процессы:

• разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид,
• восстановление железа и других элементов,
• науглероживание железа,
• плавление металла,
• образование и плавление шлаков,
• горение топлива и др.

Топливо, опустившись до уровня фурм, сгорает в струе поступающего нагретого воздуха по реакции

С + О₂ = СО₂ + 97 650 кал.

Температура в фокусе горения кокса достигает 1800—1900°.

СО₂, в присутствии раскаленного углерода кокса восстанавливается по реакции

СО₂ + С → 2СО - 37 100 кал

и увеличивает содержание окиси углерода в газовой смеси. При более низких температурах окись углерода снова распадается по реакции

2СО→СО₂ + С + 37 100 кал

и образует сажистый углерод, который участвует в процессах восстановления и науглероживания железа.

Для снижения расхода кокса в доменных печах применяют природный газ. Для получения лучших технико-экономических показателей дутье, подаваемое в доменную печь, обогащают кислородом до 30 35%. Чем выше содержание кислорода в воздухе, тем больше кокса может быть заменено природным газом. Соотношение природного газа и кислорода, подаваемых в доменную печь, регулируется автоматически.

Процесс выделения гидратной воды бурых железняков начинается при 250° и заканчивается при 450÷500°. Выделение летучих веществ из кокса заканчивается при более высоких температурах.

Углекислые соли, содержащиеся в рудах и флюсах, при нагреве разлагаются с поглощением значительного количества тепла. Поэтому считают более целесообразным флюсы добавлять к руде перед обжигом ее на агломерат.

Восстановление железа в доменной печи происходит за счет последовательного отщепления кислорода от окислов железа. Bосстановление железа из окиси Fe2О3 окисью углерода проходит следующие стадии:

3Fe₂O₃ + СО→₂Fe₃O₄ + СO₂ + 8870 кал;
2Fe₃O₄ + 2СО→6FeO + 2СO₂ — 9980 кал;
6FeO + 6CO→6Fe + 6CO₂ + 19500 кал.

Степень восстановления железа окисью углерода зависит от качества руды — ее естественных свойств и характера предварительной обработки; температуры, при которой идет восстановление; состава газа восстановителя.

При более высоких температурах в нижней части доменной печи железо из окислов может восстанавливаться углеродом (сажистым и коксом):

FeO + С→Fe + СО - 34 460 кал.

Восстановленное железо науглероживается по реакции

3Fe + 2СО → Fe₃С + СО₂.

Карбид железа Fe3C растворяется в железе. При содержании в железе более 2% углерода полученные сплавы начинают плавиться при 1145° и называются чугунами. Обычно чугун в доменной печи науглероживается до эвтектического (4,3%) и даже заэвтектического состава (выше 4,3%).

Восстановление окислов марганца до закиси марганца происходит в зоне температур до 700°. Закись марганца восстанавливается углеродом при температуре 1100° и выше и идет с поч глощением тепла по реакции

МnО + С→Мn + СО — 61 830 кал.

Восстановление кремния из кремнезема углеродом требует большого расхода тепла, высокой температуры:

SiO₂ + 2C→Si + 2CO

Для восстановления марганца, кремния и других элементов — хрома, титана, никеля, ванадия — затрачивается дополнительное количество топлива, требуются специальные шлаки и форсированный режим плавки. Фосфор в доменной печи восстанавливается полностью. Реакции восстановления фосфора идут с поглощением большого количества тепла. Восстановившиеся Cr, Ni, V, Ti и другие элементы переходят в состав чугуна, что приводит к получению природно-легированных чугунов.

Сера в шихту доменной печи попадает с материалами — рудой, топливом и флюсами. В составе чугуна и стали она растворена в виде сульфида FeS и является вредной примесью. Поэтому при плавке стремятся связать ее с компонентами флюсов и перевести в шлак при помощи окиси кальция по реакцииFeS + СаО + С→Fe + CaS + CO.
Для более полного удаления серы необходимо применять более основные известковые шлаки и создавать более высокую температуру в горне.

Шлак в доменной печи образуется в результате сплавления пустой породы руды, золы топлива и добавляемых флюсов. При плавке в доменной печи на 1 кг выплавленного чугуна получается 0,5—0,7 кг шлака.