1.1.7. Доменний процес

Шихтові матеріали, в складі яких у певних співвідношен­нях є залізна й марганцева руда, кокс та флюси, безперервно опускаючись в доменній печі, поступово нагріваються продук­тами згоряння (доменним газом) і при цьому зазнають відповід­них перетворень. У верхній частині шахти при порівняно неви­сокій температурі (100...400 °С) вони спочатку підсушуються, згодом виділяється з руди хімічно зв'язана вода та розклада­ються вуглекислі солі, а з палива виділяються леткі речовини у вигляді метану СН₄ та інших вуглеводнів.

Гаряче повітря, що вдувається в піч крізь фурмені отвори, контактує з розпеченим коксом і спричинює його горіння за реакцією:

С + 0₂ = С0₂ + 400,780 кДж. (1-1.1)

Температура біля фурм зростає до 1700...1800 °С, а у разі збагачення дуття киснем і вдування природного газу вона сягає 2000 °С. При цій температурі за наявності надлишку вуглецю вуглекислий газ CO, нестійкий і частково переходить у оксид вуглецю CO:

С + С0₂ = 2СО — 165,797 кДж. (1.1.2)

Одночасно відновлюється водень із пари води, яка є в повітрі:

С + Н₂0 = Н₂ + CO — 124,475 кДж. (1.1.3)

У зоні печі, де температура газів становить 700...450 °С, ча­стина чадного газу розкладається, утворюючи сажу С, що осі­дає в порах шихтових матеріалів:

2СО = С + С0₂ — 165,797 кДж. (1.1.4)

Отже, вгору рухаються гази, що складаються із N₂, C0₂, CO, CH і Н₂, їх температура на виході з печі становить 300...400 °С.

Головною метою доменного процесу є відновлення заліза з його сполук. Відновниками служать оксид вуглецю CO, сажа С і певною мірою водень Н₂. Відновлення твердим вуглецем нази­вається прямим, а газами — непрямим.

За законом діючих мас швидкість хімічних реакцій про­порційна концентрації речовин, що реагують. Оскільки в ши­хтових матеріалах сполук заліза найбільше, то вони повин­ні відновлюватися насамперед. Реакції непрямого віднов­лення починаються при температурі 570 °С і закінчуються при 950 °С:

3Fe₂0₃ + CO = 2Fe₃0₄ + С0₂ + 37,137 кДж, (1.1.5)

Fe₃0₄ + CO = 3FeO + С0₂ — 20,892 кДж, (1.1.6)

FeO + CO = Fe + C0₂ + 13,607 кДж. (1.1.7)

Реакція прямого відновлення заліза відбувається при 950...1000 °С:

FeO + С = Fe + CO — 152,190 кДж. (1.1.8)

Швидкість відновлення заліза залежить не лише від концен­трації його сполук, але й від температури і підпорядковується принципу Ле Шательє, згідно з яким хімічні реакції, що виділя­ють теплоту, інтенсивніші при низьких температурах, а реа­кції, що вбирають теплоту — при високих температурах. Тому у верхній частині печі, де температура невисока, інтенсивнішими є екзотермічні реакції непрямого відновлення, а в нижній час­тині печі при високих температурах — реакція прямого відно­влення заліза. Під час стікання в горно залізо контактує з кок­сом і навуглецьовується.

Марганець відновлюється за такими реакціями:

2Mn0₂ + CO = Мп₂0₃ + С0₂ + 425,379 кДж, (1.1.9)

3Mn₂0₃ + CO = 2Мп₃0₄ + С0₂ + 170,235 кДж, (1.1.10)

Мп₃0₄ + CO = ЗМпО + С0₂ + 51,916 кДж, (1.1.11)

МпО + С = Мп + CO — 287,382 кДж. (1.1.12)

Відновлення кремнію вуглецем починається при 1050 °С:

Si0₂ + 2C = Si + 2CO — 635,096 кДж. (1.1.13)

Частина сірки (10...20 %) виходить з газами переважно як S0₂ і H₂S. Решта сірки переходить у чавун і шлак. Під час ви­плавлення переробного чавуну практично весь фосфор шихти залишається у чавуні. Отже, в горні збирається складний сплав — чавун, до якого входять Fe (основна маса), С (> 2,14 %), Mn, Si, Р, S та інші елементи.