3 Доменный процесс

Загруженные в печь сырые материалы попадают в верхнюю зону шахты. Здесь происходит их сушка и нагрев приблизительно до 200°; на рисунке 7 эта зона обозначена буквой а.

Опускаясь вниз и нагреваясь до 350 - 450°, руда теряет химически связанную с ней влагу. Эта зона обозначена на рисунке 6 буквой б.

Рисунок 6 – Схема расположения зон в доменной печи

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 С0₂, который затем восстанавливается и образует окись углерода СО по реакции:

(3)

Полученная окись углерода СО является восстановителем, т. е. веществом, которое отнимает кислород от окислов.

Опускаясь, руда продолжает нагреваться потоком восходящих газов и вос­станавливается. При этом протекают следующие реакции:

(4)

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 закись железа восстанавливается твердым углеродом по реакциям:

(5)

На рисунке 6 зона, где протекает этот процесс, обозначена буквами в и г.

Образовавшийся при восстановлении железа углекислый газ С0₂, подни­маясь в верхние зоны доменной печи, при температуре выше 900° встречает раскаленный углерод и вновь превращается в окись углерода СО по уравнению:

(6)

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:

(7)

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 закись 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.

Одновременно с плавлением железа и переходом его в чугун происходит воздействие углерода на находящиеся в руде Мn и Si. Марганец может находиться в руде в виде окислов МnО₂, Мn₂О₃, Мn₃О₄ и МnО; его восстановление происходит в результате реакций:

(8)

Дальнейшее восстановление Мn идет под действием твердого углерода по уравнению:

(9)

Кремний восстанавливается по уравнению

(10)

Эта реакция протекает при температуре около 1450°; поэтому для получе­ния высококремнистого чугуна необходимо обеспечивать более высокую тем­пературу в печи, чем при выплавке передельного чугуна.

Восстановленные Мn и Si растворяются в расплавленном чугуне.

Наряду с процессом восстановления железа при 600—900° происходит разложение известняка, вводимого в качестве флюса, на окись кальция и угле­кислый газ. Этот процесс может быть выражен уравнением:

(11)

Пустая порода руды сплавляется с окисью кальция флюса, образуя шлак, который периодически выпускают из печи.

В горне печи шлак растворяет золу кокса и, соприкасаясь с чугуном, погло­щает из него серу. Реакция поглощения шлаком серы может быть выражена уравнением FeS (сернистое желе­зо)+CaO = CaS (сернистый каль­ций) + FeO.

Соединение CaS нерастворимо в чугуне, а соединение FeS хорошо растворяется в чугуне.

Процесс освобождения чугуна от серы протекает тем лучше, чем выше температура горна. Вместе с тем с повышением температуры в горне и заплечиках (зона д) увели­чивается и восстановимость крем­ния и марганца.

Так как увеличение содержания в чугуне кремния способствует при остывании выделению части углерода в виде графита, то серые (графитистые) чугуны можно получать при горячем ходе печи.

Фосфор всегда восстанавливается в доменном процессе в результате реакции:

(12)

Фосфор в условиях доменной плавки почти полностью переходит в чугун.

Рисунок 7 – Кривая температуры в разных зонах доменной печи

На рисунке 7 дана кривая, показывающая приблизительную величину темпе­ратуры в различных зонах доменной печи при нормальном ходе процесса. Кривая показывает, что в области шахты повышение средних температур (от колошника к распару) происходит сравнительно медленно, быстрый рост тем­ператур начинается с распара.

Высокие температуры в верхних зонах печи нежелательны, так как, если температура в верхних зонах доменной печи будет слишком высока, плавле­ние руды может начаться прежде полного восстановления железа из окислов, и невосстановленные окислы железа могут вступить в химическое соединение с кремнеземом руды. В результате такого процесса образуются жидкоплавкие силикаты, стекающие вниз в виде шлака черного цвета. Для восстановления железа из его силикатов требуется создать особые условия работы печи, а именно: повысить температуру дутья или увеличить расход горючего. Для избежания возможности перехода железа в шлак необходимо стремиться к тому, чтобы на большей части высоты печи держалась умеренная температура и чтобы переход от умеренных температур к высоким происходил как можно быстрее; при таких условиях железо до плавления успеет полностью восстановиться, а пустая порода будет своевременно расплавлена.