37. Процессы в горне.

В горне доменной печи встречаются и взаимодействуют два потока: опускающаяся шихта и горновые газы. Сверху в горн опускаются твердые, нагретые до высокой температуры куски кокса, а также жидкий чугун и шлак. Извне через фурмы, расположенные в верхней части горна, поступает нагретое дутье и обычно еще углеводородсодержащие добавки. Вблизи фурм происходит процесс сжигания углерода топлива и углеводородов природного газа или мазута. Получающиеся горновые газы поднимаются вверх навстречу опускающейся шихте.

В горне доменной печи не только накапливаются чугун и шлак, но идут такие процессы, как горение топлива, восстановление элементов, науглероживание и десульфурация чугуна.

Основным и важнейшим процессом в горне является сжигание углерода кокса, обеспечивающее выделение необходимого тепла, образование восстановительных газов и освобождение объема, который заполняется вышележащими материалами, способствуя движению шихты в печи сверху вниз.У фурм горна доменной печи, через которые подают воздушное дутье, нагретое до 900—1200° С, образуются очаги, называемые окислительными зонами. Кокс горит перед фурмами не в слое, а во взвешенном состоянии. У фурм образуются полости, в которых возникает вихревое движение газов, приводящее к циркуляции горящих кусков кокса. Куски кокса отталкиваются воздухом от фурм, а на их место попадают раскаленные потоком восходящих газов примерно до 1500° С новые куски кокса, которые сгорают в окислительной атмосфере. При горении развиваются температуры, превышающие 1900—2000° С.

Глубина зоны циркуляции составляет 1200—1500 мм. В этой зоне, как видно из , еще не израсходовался кислород дутья. Вокруг зоны циркуляции располагается область глубиной 100—200 мм, в газовой фазе которой содержится СО2. Пространство перед фурмами, в котором происходит окисление углерода кокса кислородом дутья и двуокисью углерода, называют окислительной зоной.

Участок исчезновения СО2 из газовой фазы соответствует границе окислительной зоны. Размеры окислительной зоны как вдоль оси воздушной фурмы, так и вдоль оси печи возрастают с повышением количества воздуха или, точнее, с ростом кинетической энергии струи дутья и сокращаются при увеличении давления дутья, повышении температуры дутья и концентрации кислорода в дутье.

Основная химическая реакция в окислительной зоне — горение углерода твердого топлива с образованием СО2 и СО.

Окислительно-восстановительные процессы в горне.

Помимо процессов горения топлива в горне доменной печи происходят процессы окисления элементов чугуна, стекающего по коксовой насадке над фурменными очагами, а также процессы повторного восстановления окисленных в фурменных очагах элементов и довосстановления оксидов железа из шлаковой фазы. В первую очередь из капель чугуна проходящих через окисленную зону, окисляются элементы с максимальным сродством к кислороду: углерод, кремний, марганец, фосфор и железо. Образующиеся оксиды металлов переходят в шлак, а затем, контактируя с углеродом кокса в горне, снова восстанавливаются или восстанавливаются частично. Как хорошо видно, в результате окисления элементов чугуна в фурменной зоне часть кислорода из газовой фазы переходит в жидкую фазу, при этом уменьшается отношение кислорода к азоту в газе. За пределами окислительной зоны при стекании первичного шлака по коксовой насадке происходит восстановление оксидов железа из шлака, а так же частичное или полное восстановление окисленных элементов чугуна (за исключением углерода ). В результате отношение кислорода к азоту повышается и превышает таковое в дутье благодаря переходу в газ кислорода оксидов железа, восстанавливаемого из шлаковой фазы.

Кремний восстанавливается и переходит в чугун выше уровня фурм. В окислительной зоне он окисляется до уровня ниже содержания в конечном чугуне. За пределами окислительной зоны содержание кремния существенно выше его содержания в конечном чугуне. В горне печи кремний чугуна играет роль восстановителя.

Аналогично, но в гораздо меньшей степени ведет себя марганец, который восстанавливается окончательно в металлоприемнике углеродом чугуна из шлака. Содержание марганца в пробах на уровне фурм обычно ниже, чем в конечном чугуне.

Окончательное науглероживание чугуна происходит лишь в горне. На уровень фурм чугун проходит с меньшим, чем в конечном чугуне, содержанием углерода, который и окисляется из чугуна, проходящего через окислительные зоны.

Железо до уровня фурм не успевает полностью восстановиться из шлака, и содержание оксидов железа в шлаке до уровня фурм составляет 3-10%. Изменение содержания оксидов железа в пробах шлака отобранных из фурмы вдоль окислительной зоны до ее границы, качественно повторяет изменение содержания CO₂ в газе, составляя от 10-20% на расстоянии 100-200 мм от фурмы, до 40-43% ( в некоторых эксперементах до 60 – 75%) в фокусе горения и затем уменьшаясь до 25 – 7,5% на границе окислительной зоны. За пределами окислительной зоны содержание оксидов железа в шлаке уменьшается, составляя несколько процентов. На коксовой насадке от уровня фурм до металоприемника железо из FeO шлака быстро восстанавливается до содержания FeO в конечном шлаке не более 0,5 – 0,7% при нормальной работе печи.