Доменный процесс

Успешный ход доменного процесса обеспечивают два основных условия:

1. количество тепла и температура по высоте печи долж­ны быть распределены так, чтобы все реакции протекали в определенном месте и в определенное время;
2. образование шлака долж­но происходить только после окончания восстановления из руды железа и необходимых примесей.

Процесс получения чугуна состоит из трех стадий: восстановле­ния железа из его окислов; науглероживания железа и шлакообра­зования.

В доменной печи непрерывно взаимодействуют шихтовые материалы, движущиеся сверху вниз, и продукты горения, движущиеся снизу вверх. Загрузка шихтовых материалов состоит в правильном чередовании поступления в печь руды, топлива и флюсов. Руда восстанавливается благодаря горению кокса. Горение начинается в области горна. Через фурменные отверстия раскаленный воздух поступает в печь и на уровне фурм кислород воздуха вступает в реакцию с углеродом кокса:

С + O₂ = СO₂

Полученный углекислый газ поднимается кверху и вступает в соприкосновение с раскаленным коксом, при этом образуется окись углерода:

СO₂ + С = 2СО

Окись углерода поднимается кверху; являясь сильным восстановителем, она вступает во взаимодействие с окислами железа и восстанавливает их. Восстановление идет в строгой последовательности от высших к низшим окислам, т. е. от менее прочных к более прочным:

Fe₂O₃→ Fe₃O₄ → FeO→ Fe

При температуре 900—1000° С окись углерода вступает в реакцию с чистым железом:

3Fe + 2СО = Fe₃C + СO₂

Образуется карбид железа Fe₃C, который способствует науглероживанию железа, растворяясь в нем. Науглероженное железо (1,8—2% С) переходит в жидкое состояние, стекая каплями между кусками раскаленного кокса, дополнительно насыщается углеродом до 3,5—4% и скапливается на лещади горна печи. Одновременно с восстановлением и науглероживанием железа происходит Восстановление из шихты кремния, марганца, серы, фосфора. Эти элементы восстанавливаются главным образом твердым углеродом. реакции идут с поглощением тепла при высоких температурах 1200—1300° С.

Марганец восстанавливается твердым углеродом по реакции

МnО + С = Mn + СО + Q

Восстановление кремния идет по реакции

SiO₂ + 2С = Si + 2СО — Q,

протекающей при более высокой температуре (1450° С).

Фосфор, находящийся в рудах в виде фосфорнокислого кальция Са₃Р₂O₈, восстанавливается также раскаленным углеродом топлива в присутствии SiO₂.

Сера, частично образуя с железом соединение FeS, растворяется в остальном железе.

В результате восстановления всех указанных элементов в доменной печи получается чугун — сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, серой и фосфором.

В современных доменных печах общая продолжительность пребывания шихтовых материалов в печи с момента загрузки их в печь 6—7,5 часа.

Шлак в доменной печи образуется в области распара из пустой породы, золы и серы кокса, примесей руды. Значение шлака в доменном процессе очень велико: от характера получающегося шлака зависит качество чугуна.

Для выплавки одной тонны чугуна расходуют около 1,8 т руды, 0,7—0,8 т кокса, 0,25—0,40 т флюса и 3,5 т воздуха.