§ 5. Процессы, протекающие в доменной печи

Процесс превращения руды в чугун происходит в результате взаимодействия потока медленно опускающихся материалов и потока подымающихся газов, которые, соприкасаясь с материалами, нагревают и восстанавливают их. Все рабочее пространство печи занято шихтовыми материалами, которые загружаются на колошник через засыпной аппарат. По мере сгорания кокса вблизи фурм в печи образовывается свободное пространство. Это вызывает перемещение (сход) материалов в нижние горизонты печи навстречу движущемуся потоку раскаленных газов. Наиболее высокие температуры (до 1900 ⁰ С) достигаются вблизи фурм. Здесь происходит горение кокса благодаря кислороду воздуха, подогретого до 1200°С по реакции:

С + О = СО₂

В результате этой реакции выделяется большое количество тепла. Образовавшаяся двуокись углерода соприкасается с раскаленным коксом и разлагается по реакции:

СО₂ + С = 2 СО

Газообразные продукты в зоне горна и нижней части заплечиков содержат много окиси углерода и обладают резко восстановительными свойствами.

В доменной печи роль восстановителя выполняют углерод, окись углерода и водород. Восстановление окислов при помощи окиси углерода называется косвенным, и при помощи углерода – прямым.

Прямое восстановление требует больших затрат тепла, поэтому желательно, чтобы доля косвенного восстановления была возможно большей.

Восстановление окислов железа идет по пути последовательного отнятия атомов кислорода по схеме

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe

При температурах до 900°С протекают реакции косвенного восстановления железа:

3 Fe₂O₃ + СО = 2 Fe₃O₄ + СО₂ + выделяется тепло

Fe₃O₄ + СО = 3 FeO + СО₂

FeO + СО = Fe + СО₂

При более высоких температурах свыше 1000 – 1100°С получают развитие реакции прямого восстановления:

FeO + СО = Fe + СО₂

До 50 – 60 % железа образуется по реакциям косвенного восстановления, а 40 – 50 % – прямого.

Прямое восстановление железа происходит в распаре печи и тем лучше, чем выше температура находящихся здесь материалов, так как эта реакция идет с поглощением тепла. Образующееся металлическое железо находится в твердом состоянии, так как имеет высокую температуру плавления 1539°С. В присутствии окиси углерода и раскаленного кокса железо постепенно науглероживается, в результате чего температура его плавления понижается до 1150 – 1200 °С. Науглероженное железо, содержащее 1,8 – 2 % С, переходит в жидкое состояние и стекает между кусками раскаленного кокса на лещадь печи. При этом происходит дополнительное насыщение железа углеродом до 3,5 – 4,0 % С. Аналогично происходит и процесс восстановления железа водородом.

Параллельно с восстановлением и науглероживанием железа в доменной печи происходит частичное восстановление марганца, кремния и фосфора. Эти элементы переходят в металл и изменяют его химический состав. Их восстановление происходит только за счет углерода кокса.

Марганец образуется в результате в результате взаимодействия его низшего окисла с углеродом:

MnО + С = Mn + СО

Эта реакция протекает с поглощением тепла при температуре выше 1100 – 1200°С. Для нее требуется увеличить расход кокса и иметь более высокую температуру дутья 800 – 1000°С.

Кремний восстанавливается из кремнезема по реакции:

SiO₂ + 2 C = Si +2 CO

Наиболее активное восстановление кремния идет при температуре 1100С.

Фосфор восстанавливается из фосфатно-кальциевых солей в присутствии кремнезема:

P₂O₅ (CaO)₄ +5 C + 2 SiO₂ = 2 P + 2 (CaO)₂ SiO₂ + 5 CO

Эта реакция развивается в доменной печи до конца, поэтому фосфор полностью переходит в чугун.

Сера частично удаляется с колошниковыми газами в виде SO₂ и H₂S , но основное ее количество остается в виде сульфидов и распределяется между шлаком и чугуном. Наиболее нежелательным является сульфид железа FeS, который хорошо растворяется в металле.

При большом насыщении шлака известью (45 – 50 %) в горне печи происходят реакции:

FeS + CaO + C = Fe + CaS + CO

MnS + CaO + C = Mn + CaS + CO

В результате сера переходит в шлак в виде нерастворимого в металле серистого кальция CaS. Часть серы в виде S и FeS растворяется в чугуне.

Чугун скапливается в горне печи и периодически (6 – 10 раз в сутки) выпускается через чугунную летку. Жидкий чугун сливается в чугуновозные ковши емкостью 100 тонн и более и транспортируют к разливочной машине, где его разливают в изложницы и получают слитки (чушки) весом 40 – 60 тонн.

В нижней части доменной печи (распаре, заплечиках) образуется шлак. Образование шлака начинается тогда, когда основная масса железа уже восстановлена. Шлак образуется в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы кокса. Шлак формируется постепенно, изменяя состав по мере стекания в горн, где он скапливается над слоем чугуна и выпускается через шлаковую летку. Для транспортировки жидкого шлака от доменной печи служит шлаковоз, представляющий собой тележку со шлаковой чашей, емкостью до 16 – 24 м³. Для удобства транспортировки и дальнейшего использования доменный шлак гранулируют: жидкий шлак поливают струей воды, охлаждаясь он рассыпается на мелкие куски.