Сущность процессов, происходящих в доменной печи

Реальное исходное сырье металлургического производства загруженное в доменную печь претерпевает сложные процессы. Так при горении кокса вблизи фурм печи проплавляемые материалы постепенно опускаются навстречу потоку раскаленных газов, образующихся в горне и в заплечиках печи. Под действием потока раскаленных газов шихтовые материалы нагреваются и претерпевают ряд физических и химических изменений. На колошнике печи температура газов равна 300 — 550°С, а вблизи фурм она достигает 1900°С. Здесь происходит горение углерода кокса по реакции

C + O2 = CO2 (6.1)

В результате этой реакции выделяется большое количество тепла (экзотермическая реакция ). При контакте с раскаленным коксом образовавшаяся двуокись углерода почти полностью разлагается по реакции

CO2 + C = 2CO (6.2)

Поэтому газовая фаза приобретает резко восстановительные свойства.

При соприкосновении в печи с отходящими газами шихтовые материалы теряют сначала гигроскопическую, а затем и химически связанную влагу. Вследствие потери влаги (дегидратации) масса кусков шихты уменьшается; они делаются более пористыми и иногда растрескиваются. Удаление связанной (гидратной) влаги начинается при 102— 105°С и в некоторых случаях заканчивается при 450 — 500°С.

Дегидратация шихтовых материалов начинается на колошнике, а заканчивается обычно в верхней половине шахты печи. Здесь же удаляются остатки летучих веществ из кокса (Н₂, СН₄ и др.).

В средней и нижней частях шахты печи происходит термическое разложение (диссоциация) углекислых соединений, содержащихся в флюсе и некоторых видах железной руды (сидерите). Температура начала и конца разложения зависит от химической природы углекислых соединений и величины кусков. Так, разложение известняка с переходом его в известь происходит при 900 — 1000°С по реакции

CaCO3 = CaO + CO2 (6.3)

Разложение сидерита с образованием магнетита наблюдается при более низких температурах (400 — 550°С) по реакции

3FeCO3 = Fe3O4 + 2CO2 + CO (6.4)

Двуокись углерода, выделяющаяся при разложении СаСО₃ и других углекислых соединений, уменьшает концентрацию окиси углерода в колошниковых газах.

Куски железной руды и агломерата после удаления из них влаги восстанавливаются, образуя металлическое железо. Восстановителями железной руды в печи могут быть: окись углерода (образуется возле фурм печи при горении кокса); водород (образуется в нижних горизонтах печи при взаимодействии влаги дутья с углеродом кокса по реакции

твердый углерод находится в раскаленном коксе. Обычно в доменных газах содержится небольшое количество водорода; большая часть железной руды восстанавливается окисью углерода и твердым углеродом. Восстановление руды окисью углерода начинается в шахте и происходит ступенчато.

Наиболее важна реакция, конечным продуктом которой является металлическое железо. Она называется реакцией косвенного восстановления железа и протекает при умеренных температурах (500 — 900°С) с выделением тепла.

В присутствии раскаленного кокса и при более высоких температурах (выше 1000—1100°С) в печи происходит не только восстановление железной руды до металлического железа, но и очень быстрая регенерация окиси углерода.

Одновременное течение реакций позволяет суммировать их и получить

FeO + C = Fe + CO (6.5)

Реакцию (6.5) называют реакцией прямого восстановления железа. Она происходит при взаимодействии окисла с твердым углеродом кокса или углеродом, отложившимся в порах железной руды при низких температурах в виде сажи. Прямое восстановление железа происходит в районе распара печи и чем выше температура находящихся здесь материалов тем лучше, так как реакция эндотермическая идет с поглощением тепла.

Образующееся в печи металлическое железо находится сначала в твердом виде (губчатое железо), поскольку оно имеет высокую температуру плавления (1539°С). В присутствии окиси углерода губчатое металлическое железо постепенно науглероживается.

Температура плавления этого железа понижается до 1150—1200°С. Науглероженное железо (1,8—2%) переходит в жидкое состояние и стекает каплями между кусками раскаленного кокса на лещадь печи. Во время перемещения капельки металла дополнительно насыщаются углеродом примерно до 3,5—4%, т. е. до обычного содержания углерода в жидком чугуне.

Одновременно с восстановлением и науглероживанием железа происходит восстановление из шихты марганца, кремния и фосфора, которые также переходят в чугун. Высшие и средние окислы марганца восстанавливаются до низшего ступенчато окисью углерода по схеме.

Наиболее трудно восстановимый низший окисел марганца (закись) восстанавливается твердым углеродом по реакции

MnO + C = Mn + CO (6.6)

Реакция (6.6) сопровождается поглощением тепла и протекает при температурах выше 1100 — 1200°С. Это определяет режим работы печи при выплавке чугуна марганцовистых марок. Печь должна работать при повышенном расходе кокса и возможно более высоком нагребе дутья (до 1200°С и выше; в перспективе даже до 1400°С).

Кремнезем восстанавливается только твердым углеродом.

Для достижения высоких температур и форсирования плавки шихты в печь подают горячий воздух6 (дутье). Холодный воздух из воздуходувки пропускают через нагретую до 1000—1200°С насадку воздухонагревателя 12. В результате воздух нагревается до 780—950°С. Пока один воздухонагреватель 12 отдает тепло кладки холодному воздуху (и в результате остывает), второй воздухонагреватель 13 нагревается до температуры 1200°С, т.е. регенерирует тепло, выделяющееся при сжигании доменного газа, предварительно очищенного от пыли в газоочистителе14 ; продукты горения удаляются в дымовую трубу 15.

После остывания насадки воздухонагревателя 12 и достаточного нагрева насадки воздухонагревателя 13 производят перекидку клапанов; холодный воздух направляется в воздухонагреватель 13, а воздухонагреватель 12 нагревается. Обычно воздухонагреватель работает на нагрев дутья около 1 ч и на разогрев огнеупорной насадки около 2 ч. Поэтому для бесперебойного обслуживания печи необходимо иметь три воздухонагревателя. Через шлаковую летку 10 удаляется шлак, а через летку 11 — чугун.

Таким образом, доменный цех со вспомогательными производствами представляет сложную систему, призванную бесперебойно и непрерывно работать много лет без остановки.

Рис 2 - Схема работы доменного цеха

Эта реакция в чистом виде развивается при 1450°С, но в присутствии восстановленного металлического железа начинается при более низкой температуре (1050—1100°С). Таким образом, при выплавке чугуна кремнистых марок печь также работает при повышенном расходе кокса и более высоком нагреве дутья.

Фосфор попадает в шихту в виде фосфорнокальциевых солей. В присутствии пустой породы железной руды фосфор восстанавливается твердым углеродом. Реакция происходит в печи очень легко и фосфор полностью переходит в чугун.

Содержащаяся в шихте сера частично удаляется с газами в виде H₂S и SO₂. Однако значительное количество серы остается в печи в виде сульфидов и распределяется между образующимися жидкими шлаком и чугуном. Наименее желательное соединение серы — сульфид железа FeS, хорошо растворимый в металле.

При достаточно большом насыщении шлака известью (45 — 50%) в горне печи наблюдается реакция, в результате которой часть серы переходит в шлак в виде нерастворимого в металле сернистого кальция. Для более полного протекания реакции необходимо регулировать образование шлака в печи. В частности, в шихту следует подавать определенное количество известняка и поддерживать в горне высокую температуру. Последняя зависит от расхода кокса, температуры дутья и правильного режима шлакообразования в верхних частях печи.

Образование шлака в печи происходит в две стадии. Примерно на уровне распара или нижней части шахты сначала образуется первичный шлак на основе легкоплавкой смеси нескольких окислов — извести, кремнезема, глинозема и закиси железа. При некотором соотношении указанных компонентов первые порции жидкого железистого шлака образуются при 1160 — 1200°С. Первичный шлак, стекая в горн, нагревается до более высоких температур и изменяет химический состав в связи с растворением в нем золы кокса, флюсов и остатков пустой породы железной руды. В конечном шлаке остается очень мало закиси железа, но он обогащается известью, окисью магния, иногда глиноземом. В связи с этим обессеривающая способность шлака в горне резко возрастает.

Список литературы

Козлов Ю.С. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

http://biofile.ru/geo/15256.html