12.7 Физико-механические процессы в доменной печи

Доменный процесс является непрерывным металлургическим процессом, характеризующимся постоянными условиями на различных горизонтах печи, не изменяющимся во времени и колеблющимся лишь при изменении распределения материалов на колошнике, скорости их опускания в печи и свойств поднимающегося газового потока. Периодичность выпусков чугуна и шлака не вызывает существенного нарушения постоянства условий по высоте и сечению рабочего пространства печи. Непрерывность доменного процесса выгодно отличает его от других металлургических процессов, в первую очередь сталеплавильного, осуществляемого циклично, отдельными плавками. Как известно, непрерывные процессы легче поддаются управлению, контролю и автоматизации. Однако доменный процесс идёт в закрытом пространстве большой высоты и объёма, что уменьшает возможности управляющих воздействий и увеличивает их инерционность. Так, для изменения состава шлаков в горне печи изменениями в загрузке шихтовых материалов требуется 5-7 ч. (в основном продолжительность прохождения рудными материалами и флюсами высоты печи). Гораздо менее инерционным является изменение свойств дутья, подаваемого в печь.

12.8 Физико-химические процессы в доменной печи

Для физико-химических превращений материалов в верхних горизонтах доменной печи основную роль играет температурный фактор.

Если в шихте находятся карбонаты (известняк, MnCo_3, FeCo₃), то они будут разлагаться по реакции; MeCО₃ = MeO+CO_2. Наиболее прочный из них- известняк(CaCO₃), в крупных кусках интенсивно разлагается лишь при >1000⁰С с поглощением тепла. Присутствие известняка в шихте нежелательно.

Основными физико-химическими процессами в доменной печи являются восстановительные процессы, определяющие цель доменной плавки. Для этих процессов, кроме температурных условий, решающее значение имеют свойства восстановителя и особенно состав газовой фазы. Восстановителями оксидов железа служат СО, Н₂ и С. При умеренных температурах основную восстановительную работу выполняют составляющие доменного газа - монооксид углерода и водород. Водород содержится в доменном газе в гораздо меньших количествах, чем СО, однако его роль в восстановительных процессах возрастает благодаря более быстрому взаимодействию с оксидами, чем СО, и его восстановлению по реакции СО+Н₂О=СО₂+2Н_.

Процесс восстановления оксидов железа монооксидом углерода СО, как и водородом при температурах >570 ⁰С, имеет три стадии (от высшего оксида к низшему); 1) 3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂; 2) Fe₃O₄+CO=3FeO+CO₂; 3) FeO+CO=Fe+CO₂.

Кроме восстановления оксидов железа, в доменной печи происходит восстановление ряда других оксидов с переходом восстанавливаемых элементов в состав образующегося металлического продукта (чугуна или ферросплава). Наиболее легко восстановимыми являются оксидные соединения фосфора.

В большой степени происходит в доменной печи восстановление марганца. В агломератах марганец присутствует в основном в виде силикатов MnOSiO₂ и 2MnO SiO₂ , восстановление которых облегчается присутствием СаО (также имеющимся в составе агломератов) и происходит по реакции MnOSiO₂ +2СаО = MnО +(СаО)₂SiO₂.

При выплавке обычных чугунов степень восстановления марганца составляет ~50% или несколько выше. Элементом, всегда присутствующим в шихтовых материалах доменной плавки и частично восстанавливаемым в чугун, является кремний. Условием, несколько облегчающим восстановление, является переход восстанавливаемого кремния в раствор (жидкий чугун), а также образование железом и кремнием химических соединений (силицидов). Восстановление кремния в основном протекает в горне доменной печи.

По мере продвижения шихтовых материалов в печи наблюдается перераспределение серы и частичный переход ее в газовую фазу, например по реакциям:1) FeS + 10 Fe₂O₃ = 7Fe₃O₄ + SO₂; 2) 3CaSO₄ + CaS = 4CaO + 4SO₂ . Сульфид железа хорошо растворяется в жидком чугуне (до 2,5%). Для удаления серы из чугуна необходимо связать ее в прочное соединение или группировки в шлаке, не растворимые в чугуне. Таким соединением является CaO. При наличии в печи хорошо нагретого шлака с повышенным содержанием оксида CaO протекает реакция: [FeS] + (CaO) + C = [Fe]+ (CaS) + CО. Тепловой эффект этой реакции является отрицательным, поэтому реакция протекает более полно с повышением температуры. Таким образом основными способами удаления серы в доменной печи являются повышенная основность шлака (повышенное соотношение CaO/SiО₂ ) и высокотемпературный режим горна. Первое достигается увеличением содержания CaO в шихте или применением более основного агломерата, а второе - увеличением расхода кокса, повышением температуры дутья, обогащением дутья кислородом.