2.4.4. Доменный процесс

Горение топлива.

В районе воздушных фурм кокс взаимодействует с кислородом воздушного дутья и сгорает с большим выделением тепла

С + О₂ = СО₂ + Q

В результате этого в домне устанавливается Т=1800-2000⁰С.

Углекислый газ СО₂ взаимодействует с углеродом кокса и восстанавливается до окиси углерода.

СО₂ + С = 2СО

В результате горения кокса в доменной печи устанавливается высокая температура и образуются газы СО₂, СО, Н₂ и т.д. Водород появляется за счет взаимодействия воды с углеродом раскаленного кокса

Н₂О + С = СО + Н₂

СО – играет главную роль при восстановлении металла из его окислов.

Восстановление железа происходит последовательно от высших окислов к низшим. Процесс последовательный, по принципу А.А.Байкова.

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe

Восстановление Fe из FeO осуществляется двумя путями:

СО – косвенное (не прямое) восстановление.

Твердым углеродом С - прямое восстановление.

Кроме этого Н₂ также восстанавливает Fe. Таким путем восстанавливается 60-80% всего железа шихты.

Процесс идет при температуре выше 950 – 1000⁰С.

Науглераживание железа. При температуре порядка 1000⁰ С происходит образование цементита.

3Fe + 2CO → Fe ₃C + CO₂

По диаграмме Fe – Fe₃C, при высоких температурах Fe хорошо растворяет цементит, а с увеличением углерода в сплаве понижается температура его плавления и достигает min 1147⁰С при С = 4,3%.

Таким образом, появляется жидкий сплав, т.е. чугун, который стекает из зоны распара. Сплав еще более науглераживается и растворяет кроме этого, марганец, кремний, серу, фосфор и т.д.

Конечный состав чугуна устанавливается в горне.

Восстановление других элементов. Марганец - постоянная примесь в железной руде. Восстановление его идет с помощью СО и С по схеме:

MnO₂ → Mn₂O₃ → Mn₄O₃ → MnO

MnO + C = Mn + CO

Процесс идет при Т≥1100С. Mn – растворяется в железе.

Кремний – находится в пустой породе в золе кокса в виде кремнезема.

Восстановление идет по схеме:

SiO₂ + 2C – Si + 2CO

Процесс идет при Т≥1450⁰С. Si растворяется в железе.

Фосфор – вредная примесь железных руд, находится в виде Р₂О₅ . 3СаО, т.к. фосфор не летуч и хорошо растворяется в Fe то он весь переходит в чугун.

Сера - вредная примесь, содержится в руде и коксе, в виде сульфидов FeS, Fe₂S. В соединениях СО₂ и Н₂ образует летучие соединения, порядка 10-20%S удаляется из домны, остальная часть ее растворяется железом и образует FeS.

В условиях доменной плавки основным способом десульфурации (очищение от серы) является применение флюса CaO, т.к.

FeS + CaO = FeO + CaS

Сульфат кальция CaS – нерастворим в чугуне и выводится в шлак.

Шлакообразование – происходит в распаре домны. При Т=1200⁰ С образуется первичный шлак в результате сплавления пустой породы, состоящей из CaO, SiO₂, Al₂O₃. Температура плавления такого шлака ~ 1150С. Далее в шлаке растворяются FeS, MnS, CaS зола и при выплавке передельного, литейного и других чугунов добиваются получения шлака определенного состава. Изменение состава шлака осуществляется путем введения флюса.