Основні фізико – хімічні процеси отримання чавуну в доменних печах

Доменная печь представля­ет собой шахтную печь кругло­го сечения объемом 2 тыс. м³ и более (рис. 1.1). Стальной ко­жух выложен изнутри огне­упорным материалом 3. Колош­ник цилиндрической формы служит для загрузки печи ших­той, доменный (колошниковый) газ удаляется через газоотво­ды 2. Горячий газ, нагревая шихту, охлаждается и в районе колошника имеет температуру всего 300...400 °С. Агломерат, известняк и кокс подаются на колошник через засыпной аппарат 1. Шахта печи пред­ставляет собой расширяющийся книзу конус, что обес­печивает свободное перемещение шихты сверху вниз помере ее расплавления. В распаре шихта плавится и объ­ем ее уменьшается, в заплечиках образуется губчатое железо. Заплечики, имеющие форму усеченного конуса, сужаются книзу. Это необходимо для удержания твердой шихты в распаре и шахте. Губчатое железо каплями сте­кает в горн, в процессе перемещения оно насыщаеется уг­леродом.

Цилиндрический горн состоит из двух зон: верхней (фурменной) и нижней (металлоприемник). В верхней зоне установлены фурмы 4, через которые подается горя­чий воздух (дутье) и топливо (жидкое, пыле- или газо­образное), температура здесь достигает 2000 ^СС. В ниж­ней зоне собираются жидкий чугун и расплавленный шлак, которые выпускают через чугунную 6 и шлаковую 5 летки в ковши.

Доменный процесс относят к восстановительному нро- тивоточному процессу. Совершается взаимодействие опускающихся сверху вниз шихтовых материалов с под­нимающимся снизу вверх потоком нагретых восстанови­тельных газов.

При сжигании топлива в доменной печи первым про­цессом является сгорание углерода раскаленно­го кокса в небольших объемах вблизи фурм, при этом образуется диоксид углерода С0₂. Вследствие воздейст­вия высокой температуры и отсутствия твердого углеро­да кокса С0₂ неустойчив, поэтому конечная стадия горе­ния углерода может быть записана так:

2С + 0₂ = 2СО + Q.

Так возникает конечный продукт горения кокса — оксид углерода СО.

Второй процесс характеризуется восстановлени­ем железа, марганца, кремния, фосфора, серы и других элементов. Восстановителями являются СО, Н₂ (об­разующийся в результате воздействия углерода на вла­гу дутья в виде водяного пара) и твердый углерод С. Вос­становление оксидов железа газами называется косвен­ным, а твердым углеродом — прямым. Главные реакции восстановления:

Восстановление оксидов водородом осуществляется по аналогичным реакциям. Отличие лишь в том, что реакция

ЗFе₂0з + Н₂ = 2Fе₂0₄ + Н₂0

является экзотермической, а остальные — эндотермичес­кими.

В доменных печах с применением природного газа или мазута степень прямого восстановления железа, протека­ющая по реакции, FеО+С=Fе+СО – Q составляет 20......40 %.

Восстановленное в доменной печи железо активно по­глощает углерод (науглероживается) и другие элементы, что приводит к образованию чугуна:

ЗFе + 2СО = C+ + Q.

Капли жидкого металла интенсивнее взаимодейству­ют также с углеродом при контакте с раскаленным кок­сом по реакции

ЗFе + С = Fе₃С.

Насыщенное углеродом железо имеет пониженную (до 1150... 1200 °С) в сравнении с чистым железом (1539°С) температуру плавления, что повышает экономическую эф­фективность процесса.

Жидкий чугун стекает вниз и собирается в горне. Пус­тая порода, известняк и кокс при опускании вниз попа­дают в зону более высоких температур и на уровне рас­пара расплавляются и образуют жидкий шлак.

В получаемом чугуне кроме железа содержатся полез­ные (Мп и 51) и вредные (Б и Р) примеси. Марганец вос­станавливается твердым углеродом по реакциям

МnО + С = Мn + СО — Q,

МnSi + СаО + С = Мn + СаSiO₃ + СО — Q.

В чугун переходит лишь часть марганца шихты, некото­рое количество в виде соединений МnО удаляется шла­ком и в виде соединения — в газовую фазу домен­ной печи.

Восстановление кремния осуществляется по реакции

Часть полученного кремния растворяется в чугуне, а часть остается в шлаке.

Фосфор, как и железо, полностью восстанавливается в доменной печи и переходит в металл.

В доменном процессе удалению серы из металла при­дается большое значение. Сера вносится в печь коксом (основная доля) и железорудными материалами. Часть серы удаляется в виде газов, большая же часть входит в состав шлака в виде CaS и FeS, последний растворяет­ся в чугуне. Поэтому главная задача удаления серы из чугуна (десульфурация металла) заключается в том, чтобы перевести ее в нерастворимые тз железе сое­динения в присутствии шлака по реакции

FeS + СаО + С = СаS + Fе + СО.