Материалы, поступающие в доменную печь (топливо, рудная часть, флюсы, воздух), претерпевают физические и химические изменения в соответствии с температурными законами. В печи происходит горение топлива (кокса), восстановление оксидов железа и других элементов, науглероживание железа и образование жидкого чугуна, формирование и плавление шлака, разложение карбонатов, удаление влаги и другие процессы.
Удаление влаги, включая гидратную, заканчивается в верхней части шахты, при температурах 400–600°С. Карбонаты (известняк) разлагаются при 900–1000°С с поглощением тепла.
Основным физико-химическим процессом доменной плавки является восстановление оксидов железа монооксидом углерода и углеродом.
Загруженное в доменную печь топливо опускается до уровня фурм и сгорает в струе воздуха, нагретой до 1200–1400°С, подаваемой под давлением 3–4 атм.,
С + О2 = СО2 + 394 кДж.
Диоксид углерода взаимодействует с углеродом кокса
С + СО2 = 2СО – 172 кДж.
В фокусе горения развивается наивысшая температура доменной печи, достигающая 1850–1900°С.
Оксид углерода, поднимаясь в верх печи, восстанавливает содержащиеся в рудной части оксиды в следующей последовательности:
2Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + co2 + 63 кДж;
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 – 22 кДж;
FeO + CO = Feтв + СО2 + 13 кДж.
Восстановление FeO возможно также твердым углеродом (прямое восстановление).
FeO + C = Fe + CO – 159 кДж.
С оксидами железа в доменной печи полностью восстанавливаются оксиды никеля, свинца, меди, цинка, фосфора за счет твердого углерода и частично – оксиды кремния, марганца, хрома, ванадия, титана и др. На качество чугуна влияют фосфор и сера. Фосфор придает выплавляемой из чугуна стали хладноломкость (пониженную прочность при отрицательных температурах). Сера дает стали красноломкость (пониженные механические свойства при повышенных температурах).
Восстановление рудной части заканчивается образованием железной губки, которая при контакте с коксом науглероживается, образуя железо-углеродный сплав (чугун), который формируется на уровне распара и каплями стекает по кускам кокса, растворяя углерод. Чугун, содержащий 4,3 % С, плавится при температуре 1130°С.
Невосстановленная часть доменной шихты, представленная преимущественно кислыми (SiO2, Al2O3) и основными (CaO, MgO) оксидами пустой породы и золы кокса, составляет шлак.
Чугун содержит более 90% Fe, 4,0–4,5% C, некоторое количество кремния, марганца, фосфора и серы. По назначению чугуны разделяются на передельные, предназначенные для переработки в сталь, и литейные.
Основными компонентами шлака являются, %: 35–45 CaO, 32–40 SiO2, 10–20 Al2O3, 6–8 MgO, 0,5–1,0 FeO. Выход шлака составляет 0,5–1,0 от массы чугуна.
Доменный передел имеет значительное количество точек пылевыделения, воздействие которых стремятся уменьшить.
На рудных дворах пылящие материалы увлажняют, запыленный воздух подбункерных помещений аспирируют и очищают, в двух- и трехступенчатых системах. Наиболее эффективна очистка в электрофильтрах.
На литейном дворе над чугунными и шлаковыми летками устанавливают отсасывающие зонты, выделяющиеся газа очищают в электрофильтрах. Над разливочными машинами устраивают перекрытия с аспирацией и последующей очисткой газов в рукавных фильтрах или электрофильтрах. Выход пыли, содержащей 50% Fe и 5–10% С, достигает 650 г/т чугуна. Основное количество пыли и газов доменной плавки удаляется через колошник доменной печи, их очистка не производится, но существует система пылеулавливания.
Характеристика колошниковых газов: температура 175–250°С, выход 1100–2200 м3 на тонну чугуна, состав в %: 23–40 СО, 12–22 СО2, 1,5–6,0 Н2, остальное – азот; теплота сгорания 4 МДж/м3; запыленность от 30 г/м3 (работа на подготовительном сырье и под давлением до 0,4 МПа) до 60 г/м3 (при низком давлении на колошнике и работе на неподготовленном сырье). Вынос пыли с колошниковыми газами достигает 100 кг/т чугуна.
Колошниковые газы проходят три стадии очистки от пыли: грубую, полутонкую и тонкую.
Грубую очистку осуществляют в газоходах и сухих циклонах при степени улавливания до 80%.
Полутонкую очистку с эффективностью 80–96% производят в скрубберах (остаточное содержание пыли 0,4–1,6 г/м3).
Тонкая очистка газов осуществляется в мокрых электрофильтрах, где устанавливают трубы Вентури. Содержание пыли в газах после тонкой очистки снижается до 5–15 мг/м3.
Очищенный от пыли колошниковый газ, используется как топливо в доменных воздухонагревателях, в коксохимии, прокатных цехах и на заводских электростанциях.
