Устройство доменной печи
Рис.1. Схема доменной печи
1 – верхняя часть печи – колошник; 2 – средняя часть печи – шахта; 3 – средняя цилиндрическая часть печи – распар; 4 – суживающаяся часть печи – заплечики; 5 – горн; 6 – фурмы для вдувания воздуха; 7 – отверстие для выпуска чугуна – летка; 8 – отверстие для выпуска шлака; 9 – загрузочная площадка; 10 – аппарат для загрузки сырых материалов в печь – загрузочный колокол; 11 – отверстие для отвода колошниковых газов.
На рис. 1 представлена схема устройства доменной печи. В шахте 2 печи происходит процесс восстановления железа, в распаре 3 и заплечиках 4 восстановленное железо и пустая порода расплавляются, в горне 5 происходит накопление чугуна и шлаков. Часть железа восстанавливается твердым углеродом в нижних зонах печи.
Высота доменных печей, работающих на коксе, доходит в настоящее время до 35 м.
Футеровку доменной печи делают из огнеупорного кирпича. Кожух печи делают из котельного железа толщиной 15—20 мм. Шахта печи стоит на опорном кольце и опирается на колонны, другая часть — горн и заплечики опираются непосредственно на фундамент. Охлаждение нижней части шахты, горна и заплечиков производят при помощи холодильников с толстыми трубками, по которым циркулирует вода.
Доменный процесс
Загруженные в печь сырые материалы попадают в верхнюю зону шахты. Здесь происходит их сушка и нагрев приблизительно до 200°; на рис. 1 эта зона обозначена буквой а.
Опускаясь вниз и нагреваясь до 350—450°, руда теряет химически связанную с ней влагу. Эта зона обозначена на рис. 1 буквой б.
Загруженное в доменную печь топливо, опускаясь вниз, постепенно нагревается и поступает в раскаленном состоянии в горн, где сгорает за счет кислорода воздуха, нагретого до 500—850°, подаваемого в домну через фурмы под давлением— 1,5—1,8 am. Углерод топлива энергично сгорает против фурм, образуя углекислый газ СО2, который затем восстанавливается и образует оксид углерода СО по реакции:
CO2 + C = 2CO – 162,406 кДж
Опускаясь, руда продолжает нагреваться потоком восходящих газов и восстанавливается. При этом протекают следующие реакции:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + 37,137 кДж
2Fe3O4 + 2CO = 6FeO + 2CO2 – 41,784 кДж
6FeO + 6CO = 6Fe + 6CO2 + 81,643 кДж
3Fe2O3 + 9CO = 6Fe + 9CO2 + 76,995 кДж
Таким образом, реакции восстановления протекают без затраты тепла. Этот процесс начинается при температурах, близких к 400°С, и заканчивается приблизительно при 900°. При температурах выше 950—1000° С оксид железа восстанавливается твердым углеродом по реакциям:
FeO + CO = Fe + CO2 +q1
CO2 + C = 2CO – q2
FeO + C = Fe +CO - q
На рис. 1 зона, где протекает этот процесс, обозначена буквами в и г.
Образовавшийся при восстановлении железа углекислый газ СO2, поднимаясь в верхние зоны доменной печи, при температуре выше 900° встречает раскаленный углерод и вновь превращается в оксид углерода СО по уравнению:
Восстановителем окислов железа в доменной печи, кроме окиси углерода, является и твердый химически чистый углерод, который образуется в шахте доменной печи вследствие распада окиси углерода при 400—600° по уравнению:
Это распадение окиси углерода на углекислый газ и углерод происходит в присутствии руды. Получающийся в виде тонкой сажи углерод осаждается на поверхности кусков руды, проникает через поры внутрь них, растворяется в восстановленном уже железе и при температуре выше 1000° восстанавливает остающуюся еще не восстановленной оксид железа. При доменном процессе восстановленное и расплавленное железо обычно содержит до 3,5—4,0% общего углерода, но в некоторых специальных чугунах количество углерода может доходить до 6% (в зависимости от содержания Si, Mn, Cr, S и Р).
Железо, содержащее свыше 2% углерода, называется чугуном; следовательно, в результате доменного процесса восстановленное железо переходит в чугун.