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 згорання (доменним газом) і при цьому зазнають відповідних перетворень. У верхній частині шахти при порівняно невисокій температурі (100...400 °С) спочатку вони підсушуються, згодом виділяється з руди хімічно зв'язана вода та розкладаються вуглекислі солі, а з палива виділяються леткі речовини у вигляді СН₄ та інших вуглеводнів.

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

С + О, = CO, + 400,780 кДж. (1.1.1)

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

С + CO, = 2CO-165,797 кДж. (1.1.2)

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

С + Н,0 - Н, + 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 + СО,-165,797кДж. (1.1.4)

Отже, вгору рухаються гази, що складаються із N,, CO,, CO, СН₄ і Н,, 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 Н,. Відновлення твердим вуглецем називається прямим і газами — непрямим від­новленням.

За законом діючих мас швидкість хімічних реакцій пропорційна концентрації реагуючих речовин. 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:

3Fe,O, + CO = 2Fe,O₄ + CO, + 37,137 кДж, (1.1.5)

Fe,O₄ + CO = 3FeO + CO,- 17,166 кДж, (1.1.6)

FeO + CO = Fe + CO,+13,607 кДж. (1.1.7) Реакція прямого відновлення заліза відбувається при 950... 1000 °С:

FeO + C = 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 тепло, йдуть інтенсивніше при низьких температурах, а реакції, що вбирають тепло — при високих температурах. Тому у верхній частині печі, де температура невисока, інтенсивніше йдуть 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:

2MnO, + CO = Mn,O, + CO, + 425,379 кДж, (1.1.9)

3Mn₂O, + CO = 2Mn,O₄ + CO, + 170,235 кДж, (1.1.10)

Mn,O₄ + CO - ЗМпО + CO, + 51,916 кДж, (1.1.11)

МпО + С = Mn + CO, -287,382 кДж. (1.1.12) Відновлення кремнію вуглецем починається при 1050 °С:

SiO₂ + 2С = Si + 2CO - 635,096 кДж. (1.1.13)

О/І

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

1.1.8. Продукти доменного виробництва

Головним продуктом доменного виробництва є чавун, а побічними — шлак і доменний газ. За призначенням чавуни, що витоплюються у доменній печі, по­діляються на переробні, ливарні й феростопи.

Переробний чавун [12] використовують для виробництва сталі в кисневих конверторах, в мартенівських печах і в незначній кількості в електропечах. Він може застосовуватися також і для виготовлення відливок. У доменних печах виробляють більше як 90 % переробного чавуну.

Ливарний чавун відрізняється від переробного підвищеним вмістом крем­нію і використовується в чавуноливарних цехах машинобудівних заводів. Частка ливарного чавуну постійно зменшується і не перевищує 4...5 %.

Феростопи призначені для дезоксидації й легування сталей. Витоплюван­ня феростопів у доменній печі вимагає великих затрат дефіцитного коксу й не завжди є економічно вигідне. Тому частка їх серед доменних чавунів постійно знижується і не перевищує 0,5 %. Найпоширенішими феростопами є феромар­ганець, феросиліцій і силікомарганець. Тепер феросиліцію в доменних печах не виробляють.

Феромарганець [13] містить 70...95 % Мп.

Доменний шлак складається з SiO,, CaO, A1,O,, MgO, а також невеликої кількості FeO, МпО та сульфідів металів. На 1 т чавуну припадає 0,3...0,6 т шлаку [2]. Ще донедавна шлак йшов у відходи, а тепер більша його частина переробляється на цемент, бруківку, шлакову цеглу, шлакову вату тощо.

Доменний (колошниковий) газ містить горючі гази: CO (24...32 %), СН₄ (до 0,5 %) та Н₂ (1...2 %) і має теплотворну здатність 3,5...4 МДж/м³. Очистивши від пилу, його використовують для опалення повітронагрівачів, коксових батарей, котлів тощо.