Учебное пособие: Металлургия железа

Рис. . Схема доменной печи 2700 м³ и ее примерный суточный баланс:1 — чугунная летка; 2 — шлаковая летка; 3 — фурменный прибор; 4 — лещадь; 5 — чугу-нопоз; 6 — шлаковозы; 7 — газоотводы; 8 — засыпное устройство; 9 — фундамент; 10 — воздухопривод дутья

Условно процесс, протекающий в доменной печи, можно разде­лить на следующие этапы:

горение углерода топлива;

разложение компонентов шихты;

восстановление окислов;

науглероживание же­леза;

шлакообразование.

Горение углерода топлива происходит главным образом возле фурм, где основная масса кокса, нагреваясь, встречается с нагретым до температуры 900—1200 °С кислородом воздуха, поступаю­щим через фурмы. Образовавшаяся при этом углекислота вместе с азотом воздуха, поднимаясь, встречается с раскаленным коксом и взаимодействует с ним по реакции СО ₂ + С = 2СО.

Эта реакция обратима, причем ее равновесие сдвигается вправо при повышении температуры и влево при понижении.

Восстановление окислов может происходить окисью углерода, углеродом и водородом. Главная цель доменного процесса - вос­становление железа из его окислов. Восстановление окислов железа идет ступенчато по следующей схеме: Fе₂ О₃ → Fе₃ O₄ → FeO → Fe.

Главную роль в восстановлении окислов играет окись углерода:

Эта реакция практически необратима, протекает легко при очень низкой концентрации СО в газовой фазе. Для развития следующей реакции вправо необходимы температура не ниже 570 °С и значи­тельный избыток СО в газах:

Fе₃ O₄ + СО = 3 FeO + СО ₂ + Q.

Затем происходит образование твердой железной губки по реакции

Науглероживание железа происходит за счет взаимодействия твердого губчатого железа с печными газами, содержащими значи­тельное количество СО:

Образование сплава железа с углеродом, имеющего температуру плавления ниже, чем чистое железо, приводит к формированию ка­пель жидкого чугуна, которые, стекая в нижнюю часть печи через слой раскаленного кокса, еще более насыщаются углеродом.

Шлакообразование активно развивается при прохождении шихты в области распара после окончания процессов восстановления окис­лов железа в доменной печи. Шлак состоит из окислов пустой породы и золы кокса, а также флюса, специально добавленного в печь, чтобы обеспечить достаточную жидкотекучесть шлака при температуре 1400—1450 °С. Основные составляющие доменного шлака — кремнезем (30—45 %), окись кальция (40—50 %), глинозем (10— 25 %).

Шлаки, получаемые в доменной печи, в последние годы широко используют в промышленности, перерабатывают на цемент и другие строительные материалы(шла­ковую вату для теплоизоляции, шлаковые блоки и др.).

В верхней части печи из шихты отделяются газообразные про­дукты реакций и азот воздуха. Газы, выделяющиеся из доменной печи, называют обычно колошниковыми. Газ со­стоит из 26—32 % окиси углерода, 9—14 % двуокиси углерода и 54—58 % азота.

Восстановление других элементов

В доменную печь с шихтовыми материалами попадают марганец, кремний, сера и другие элементов в виде различных химических соединений. Эти элементы частично или полностью восстанавливаются и входят в состав чугуна, улучшая или ухудшая его свойства.

Марганец: Высшие окислы марганца восстанавливаются до закиси марганца (Mn) окисью углерода, аналогично окислам железа:

MnO₂ →Mn₂ O₃ → Mn₃ O₄ → MnO

При температуре выше 1100 ^о С протекает реакция с образованием марганца:

MnO + CO→ Mn + CO₂

Кремний находится в пустой породе руды и в золе кокса в виде свободного кремнезема SiO₂ или в виде силикатов (SiO₂ * 2 CaO и др.).