Физико-химические основы доменного процесса

Все физико-химические процессы в доменной печи определяются существующими на разных уровнях температурными режимами. При загрузке через конус сырые материалы попадают в область низких температур 200-300 0С и по мере опускания температура шихты растет, достигая порядка 1900 2100 0С в нижней части распора, а потом постепенно снижается до температуры 1450 0С в горне. Горение топлива. Вблизи фурм углерод кокса взаимодействует с кислородом и сгорает: C + O2 = CO2 + 393,51 кДж. При высоких температурах и в присутствии твердого углерода кокса двуокись углерода неустойчива и частично переходит в окись углерода: CO2 + C = 2CO – 171,88 кДж. Одновременно, на некотором расстоянии от фурм, идет реакция неполного горения углерода кокса: C + 1/2O2 = CO2 + 110 кДж. В результате горения кокса в доменной печи выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий CO и CO2, и другие газы. При этом в печи немного выше уровня фурм температура становится более 20000С. Горячие газы поднимаются вверх, отдают свою теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь при до 300 – 400 0С у колошника. В зоне печи, где температура газов достигает 450 – 7000С, часть окиси углерода разлагается с образованием сажистого углерода, оседающего на шихтовых материалах: 2СО = СО2 + С. Остальная часть газа (СО, СО2, N2, Н2, СН4-колошниковый газ) отводится из печи по трубам и после очистки используется как топливо для воздухонагревателей. Восстановление окислов железа и других металлов. Шихтовые материалы (агломерат, кокс) опускаются вниз навстречу потоку газов и нагреваются. В результате в них: удаляется влага, из топлива выделяются летучие вещества, происходит основной процесс – восстановление окислов желез которых осуществляется в несколько стадий – от высших окислов к низшим и далее к чистому металлу: Fe2O3 → Fe3O4 → FeО → Fe. В восстановлении железа участвуют газы (СО, Н2) и твердый углерод кокса. Восстановление газами называют косвенным, а твердым углеродом – прямым. Реакции косвенного восстановления экзотермические, т.е. сопровождаются выделением тепла и происходят, главным образом, в верхних горизонтах печи. Реакции прямого восстановления эндотермические, т.е. сопровождаются поглощением тепла и протекают в нижней части печи. Косвенное восстановление происходит в несколько стадий по реакциям: 1) Fe2O3 + CO = 2 Fe3O4 + CO2+Q 2) Fe3O4 + 4CO = 3FeО + CO2+Q 3) FeO + CO = Fe + CO2+Q В процесс косвенного восстановления определенный вклад вносит водород (Н2) по аналогичным реакциям: 1) 3Fe2O3 + Н2 = 2Fe3O4 + Н2O+Q 2) Fe3O4 + Н2 = 3FeО + Н2O +Q 3) FeO + Н2 = Fe + Н2O +Q Реакции косвенного восстановления начинаются при температурах 400 – 500 0С (первая реакция) и заканчиваются при 900 – 950 оС (третья реакция). Косвенное восстановление имеет большое значение, т.к. за счет него восстанавливается 60 – 80 % всего железа, и лишь остальная часть восстанавливается твердым углеродом кокса (прямое восстановление). Прямое восстановление происходит в зоне распара печи при температуре 950 – 10000С по реакции FeO + CO = Fe + CO2 - Q. В прямом восстановлении участвует только низший оксид FeО, который единственно присутствует в шихте при этих температурах. Науглероживание железа. Восстановление железа заканчивается при 1300 – 1400 оС в распаре печи. При этих температурах восстановленное железо (Тпл.=15390С) находится в твердом состоянии в виде пористой губчатой массы (кричное железо). Наряду с реакциями восстановлении происходит его науглероживание при температурах более 5000С за счет его взаимодействия с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом по реакции 3Fe + 2CO = Fe3С + CO2+Q Продуктом науглероживания является карбид железа Fe3С, который хорошо растворяется в твердом железе и постепенно образует сплав железа с углеродом. При концентрации углерода в сплаве ~ 4,3 мас. % температура плавления уменьшается до 11470С. В результате в нижней части печи на уровне распара и заплечиков начинается плавление. Жидкий расплав – чугун – стекает вниз, омывает куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. В нем также растворяются восстановленные марганец, кремний, фосфор (из руды), а также сера (из кокса). Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение имеют состав, свойства и количество шлака. Восстановление других элементов. В доменную печь с шихтовыми материалами попадают Mn, Si, S, P, As и др. элементы в виде различных химических соединений. Эти элементы частично или полностью восстанавливаются и входят в состав чугуна, улучшая или ухудшая его свойства. Эти примеси считают постоянными и подразделяют их на вредные (S, P, Pb, As) и полезные (Mn, Si). Mn и Si частично восстанавливаются и переходит в состав чугуна. Другая часть в виде MnO и SiO2 входит в состав шлака. P полностью восстанавливается и входит в состав чугуна. S образует летучие соединения (SO2 и H2S) и в значительной части удаляется с газом при нагреве шихты. Определенная ее часть взаимодействует с известью CaO и переходит в шлак. Большая часть (до 50 %) серы взаимодействует с железом и входит в состав чугуна. Сера – наиболее вредная примесь в чугуне и стали, поэтому разрабатывают различные способы ее удаления из металла как доменные, так и внедоменные. В состав чугуна могут попасть и другие примеси, если они содержатся в руде (никель, хром, ванадий)