4. Физико-химические процессы, протекающие при выплавке чугуна и устройство доменной печи.

Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топ­ливо, флюсы. Комплексные руды используют для выплавки природно-легированных чугунов. Флюсом при выплавке чугуна в до­менных печах является известняк СаСО₃ или доломитизированный из­вестняк, содержащий СаСО₃ и MgCO₃.

Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения про­изводительности доменной печи, сни­жения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Цель этой подготов­ки— увеличение содержания железа в шихте и уменьшение в ней примесей — серы, фосфора, повышение ее однородности по кусковатости и хи­мическому составу. Метод подготовки добываемой руды зависит от ее ка­чества.

Чугун выплавляют в печах шахтного типа—доменных печах. Сущность про­цесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выдел-ся при сгорании топлива в печи.

Горение топлива: углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорает. В ре­зультате горения выделяется теплота и образуется газовый поток, содер­жащий СО, СО₂, N₂, H₂, СН₄ и др. При этом в печи несколько выше уровня фурм развивается температура выше 2000° С.Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при тем­пературе ~ 570° С начинается восст-ие оксидов железа.

В результате взаимодействия ок­сидов железа с оксидом углерода и тве­рдым углеродом кокса, а также с во­дородом происходит восстановление железа. Восстановление газами назы­вают косвенным, а восстановление тве­рдым углеродом — прямым. Реакции косвенного восстановления—экзотер­мические (сопровождаются выделением теплоты), они происходят главным об­разом в верхних горизонтах печи. Ре­акции прямого восстановления — эндо­термические (сопровождаются поглоще­нием теплоты), они протекают в ниж­ней части доменной печи, где тем­пература более высокая.

Восстановление железа из руды в до­менной печи происходит по мере про­движения шихты вниз по шахте печи и повышения температуры в несколько стадий от высшего оксида к низшему: Fe₂O₃->Fe₃O₄->FeO->FeО пускаясь, шихта достигает зоны в печи, где температура 1000—1100° С. При этой температуре восстановленное из руды твердое железо, взаимодейст­вуя с оксидом углерода, коксом и са­жистым углеродом, интенсивно раство­ряет углерод, вследствие чего темпе­ратура плавления железа понижается и на уровне распара и заплечиков оно расплавляется. Капли железоуглероди­стого сплава, протекая по кускам кокса, насыщаются углеродом (4% и более), марганцем, кремнием, фосфором, ко­торые при температуре 1000—1200° С восст-ся из руды, а также серой, содержащейся в коксе.

Продукты доменной плавки. Чугун — основной продукт доменной плавки. В доменных печах получают чугун различного хим. состава в за­висимости от его назначения.

Передельный чугун выплавляют для передела его в сталь в конвертерах или мартеновских печах. Литейный чугун используют на ма­шиностроительных заводах при произ­водстве фасонных отливок. Кроме чугуна в до­менной печи выплавляют сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Их применяют для раскисления и легирова­ния стали. Побочные продукты доменной плав­ки — шлак и доменный газ.

Доменная печь имеет стальной кожух, выложенный внутр огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи вкл колошник (для загрузки и эффективного распределения шихты в печи), шахту, распар, заплечики, горн, лещадь. В верхней части колошника нах засыпной аппарат, через который в печь загружают шихту. Шихту взвешивают, подают в вагонетки, подъемника, ктр передвигаются по мосту к засыпному аппарату и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку распределителя шихты. При опускании малого конуса засыпного аппарата шихта попадает в чашу, а при опускании большого конуса – в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи. для равномерного распределения шихты в доменной печи малый конус и приемная воронка после очередной загрузки поворачивается на угол, кратный 60⁰. В верхней части горна находятся фурменные устройства, через ктр в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлава. Газы проходят через насадку нагревают ее и удаляются через дымовую трубу.

Доменная печь состоит из пяти конструктивных элементов: верхней цилиндрической части — колошника, необходимого для загрузки и эффективного распределения шихты в печи; самой большой по высоте расширяющейся конической части — шахты, в которой происходят процессы нагрева материалов и восстановления железа из оксидов; самой широкой цилиндрической части — распара, в котором происходят процессы размягчения и плавления восстановленного железа; суживающейся конической части — заплечиков, где образуется восстановительный газ — монооксид углерода; цилиндрической части — горна, служащего для накопления жидких продуктов доменного процесса — чугуна и шлака.

В верхней части горна располагаются фурмы — отверстия для подачи нагретого до высокой температуры дутья — сжатого воздуха, обогащенного кислородом и углеводородным топливом.

На уровне фурм развивается температура около 2000 °C. По мере удаления вверх температура снижается, и у колошников доходит около 270 °C. Таким образом в печи на разной высоте устанавливается разная температура, благодаря чему протекают различные химические процессы перехода руды в металл.