3.3 Образование чугуна и шлака

До горизонта с температурами 1000-1100°С все химические процессы проходят с компонентами шихты, находящимися в твердом состоянии. К этому времени основная часть оксидов железа восстановилась до металлического железа, а оставшееся количество его находится в виде FeO.

В твердом состоянии восстанавливающееся в доменной печи железо в виде губки частично науглероживается по реакциям: 1) ЗFе + 2СО = [Fе3С] + СО₂: 2) 2СО = [С] + СО₂: 3) 3Fe + [С] = [Fе₃С]. Первые две реакции происходят за счет СО при 450-600 °С до содержаний в губке 1 % [C], третья - за счет углерода при более высоких температурах. Углерод понижает температуру плавления железа и начиная с 1200 °С происходит оплавление частиц железа и образование капель чугуна. Начиная с этого момента, интенсивно развиваются процессы прямого восстановления SiO₂, MnO, Р₂О₅ и других примесей. Достигая горна, капли науглероживаются до 3,7-4,2 % [С], в них переходят также восстанавливающиеся фосфор, марганец и кремний.

Кокс не изменяет своего физического состояния. Расходуется только часть углерода кокса на прямое восстановление FeO и других составляющих шлака и науглероживание восстановленного железа.

Появление первых порций жидкого шлака (расплава невосстановленных оксидов) предшествует началу образования чугуна. Горизонт образования первичного шлака не является постоянным и зависит от состава шихты и распределения поднимающихся газов. До 1100 ⁰С происходит спекание железосодержащих материалов с образованием химических соединений, например 2FeO^.SiO₂, при 1100-1150 ⁰С происходит размягчение кусков и их деформация. После образования первичного шлака в нем растворяются все большие количества оксидов SiO₂, А1₂О₃, СаО и MgO, а содержания восстанавливающихся оксидов FeO и МnО уменьшаются. На горизонте фурм в состав шлака входит зола сгоревшего кокса и извлекается сера чугуна.

Свойства доменного шлака влияют на ход доменного процеcca и технико-экономические показатели доменной плавки. Шлак является регулятором химического состава чугунa.

Такие физические свойства шлака как температура плавления и вязкость определяют температурный режим процесса, газопроницаемость доменной шихты в нижней части печи, условия выпуска металла и шлака из горна. Температура плавления шлака и его вязкость влияют и на состав чугуна. Основную часть доменных шлаков (>90%) составляют три компонента: SiО₂, А1₂О₃, СаО. Соотношение этих трех составляющих определяет физико-химические свойства доменного шлака. Свойства трехкомпонентных расплавов SiО₂ - А1₂О₃ - СаО изучены достаточно хорошо. Для характеристики состава шлака используют два показателя: основность шлака и содержание А1₂О₃. Область типичных доменных шлаков ограничивается следующими пределами: CaO/SiO₂ = 0,8÷1,3 и 5-20 % А1₂О₃, так как в этой области шлаки имеют минимальные температуры плавления и вязкости.

3.4 Процессы горения топлива и образования доменного газа

Основная часть тепла поступает в доменную печь в зоне фурм при взаимодействии углерода кокса с кислородом нагретого воздушного дутья. От условий горения кокса у фурм зависит опускание шихтовых материалов и их физико-химические превращения, а также движение в печи газовых потоков, выполняющих большую тепловую и химическую работу.

При взаимодействии кокса с кислородом дутья у фурм происходит циркуляция кусков, уменьшение их размеров и полный переход в газообразные продукты и золу. Изменением размеров зон циркуляции и горения можно регулировать движение и обработку используемых в печи материалов.

Несмотря на то, что горение топлива сосредоточено в небольших по объему очагах (длиной 1,5-2,0 м), расположенных в верхней части горна - перед фурмами, этот процесс играет большую роль в доменной плавке по следующим причинам: 1) выделяющееся при горении тепло обеспечивает протекание химических реакций с высокой скоростью, а также плавление чугуна и шлака; 2) монооксид углерода СО образующийся при сгорании углерода кокса, является основным восстановителем в доменной печи; 3) горение кокса является основным процессом, в результате которого в нижней части доменной печи образуется свободное пространство (благодаря превращению кусков твердого топлива в газ); этот процесс обеспечивает опускание столба шихты, т. е. создает необходимые условия непрерывности доменной плавки.

Зона горения у фурм имеет сложную конфигурацию. Она состоит из очагов горения у каждой фурмы, граничащих и смыкающихся друг с другом. При воздушном дутье кислород расходуется на расстоянии 1100-1500 мм от фурмы, превращаясь в СО₂ по реакции С + О₂ = СО₂. Далее на расстоянии от фурмы 1300-2000 мм СО₂ расходуется с образованием СО: СО₂ + С = 2СО.

В области максимального содержания СО₂ температура газов в горне достигает 1900 ⁰С, при продвижении к оси печи вследствие эндотермических реакций она понижается до 1200-1300 °С. Состав газовой фазы в области горения кокса у фурм является окислительным, во всем остальном объеме печи он восстановительный.

При продвижении образовавшегося в горне печи газа вверх наблюдается изменение его состава, наиболее сильное в шахте. В ее середине содержание СО₂ возрастает от 3 до 8-12, а вблизи колошника - до 16 % , и основном в результате развития реакций косвенного восстановления. Содержание СО в газе изменяется от 35-45 в горне до 23-30 % на выходе из печи, содержание N₂ изменяется незначительно (от 55 до 58 %), при обогащении дутья кислородом оно соответственно ниже. Колошниковый газ выходит из печи с температурой 150-300 ⁰С.