Физико-химическая сущность доменного процесса

Доменная печь работает по принципу противотока: шихтовые материалы движутся сверху вниз, а навстречу им поднимается поток горячих газов  продуктов сгорания топлива. При этом происходит горение топлива, восстановление и науглероживание железа, восстановление других элементов, образование шлака.

В районе воздушных фурм углерод кокса, взаимодействуя с кислородом дутья, сгорает, в результате чего температура в этой зоне печи достигает 1800…2000 С. В таких условиях углекислый газ СО₂ взаимодействует с углеродом кокса и образуется оксид углерода СО  главный восстановитель железа. Несколько выше, в зоне печи с температурой 700…450 С часть оксида углерода разлагается с образованием сажистого углерода.

Шихтовые материалы, опускаясь навстречу потоку раскаленных газов, нагреваются, из них испаряется влага, выделяются летучие вещества. При достижении температуры 750…900 С в шихте восстанавливается железо до образования закиси железа FeO. Часть закиси железа опускается до распара и заплечников и восстанавливается углеродом кокса.

В восстановлении железа участвуют также сажистый углерод и водород.

В результате этих реакций образуется твердое губчатое железо. При 1000…1100 С губчатое железо науглероживается.

Углерод понижает температуру плавления железоуглеродистого сплава, поэтому, опускаясь в нижнюю часть шихты, сплав начинает плавиться, дополнительно насыщается углеродом и другими элементами, восстанавливаемыми из руды  марганцем, кремнием, фосфором, серой.

Марганец содержится в руде в виде оксидов, легко восстанавливаемых до оксида MnO, который затем частично восстанавливается твердым углеродом.

Кремний содержится в пустой породе руды в виде кремнезема SiO₂, также восстанавливается твердым углеродом. Невосстановленные оксиды марганца и кремния переходят в шлак.

Фосфор находится в руде главным образом в виде соединения Р₂О₅  3СаО, восстанавливается оксидом углерода и твердым углеродом и почти полностью переходит в сплав.

Сера вносится в доменную печь в составе руды и кокса в виде соединений FeS₂, FeS, CaSO₂, CaS. Значительная часть серы удаляется в виде летучих соединений (SO₂, H₂S и др.), другая переходит в сплав (FeS) или шлак (СаS).

Таким образом, в зоне распара в доменной печи между собой взаимодействуют кокс, окислы, газы, шлак и сплав из Fe, C, Mn, Si, S, P и других элементов. Сплав железа с углеродом (С от 2,14 до 6,67 %) называется чугуном. Температура его плавления около 1200 С, поэтому сплав находится в жидком состоянии, капельки его стекают и накапливаются в горне.

Одновременно с чугуном в нижней части печи собирается шлак  сплав пустой породы, флюсов, золы топлива, а также часть невосстановившихся оксидов.

По мере образования и накопления чугун и шлак выпускают из печи: чугун через 3…4 ч, а шлак  через 1…1,5 ч.

Вывод: Рассмотренные процессы показывают сущность выплавки чугуна в доменных печах. В результате процессов выплавки чугуна получают также ряд побочных продуктов, которые используют в производстве. Их рассмотрим в следующем вопросе.