Физико-химические процессы, происходящие в доменной печи

 

Все физико-химические процессы в доменной печи определяются существующими на разных уровнях температурными режимами. При загрузке через конус сырые материалы попадают в область температур 200-300 °С, по мере опускания температура шихты растет, достигая 1900-2100 °С в нижней части распара, а потом постепенно снижается до температуры 1450 °С 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, CO₂,и другие газы. При этом в печи немного выше уровня фурм температура становится более 2000 °С. Горячие газы поднимаются вверх, отдают свою теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь при до 300 – 400 °С у колошника.

В зоне печи, где температура газов достигает 450 – 700 °С, 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 железа из окислов, которое осуществляется в несколько стадий – от высших окислов к низшим в следующей последовательности: 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 железа происходит в несколько стадий по следующим 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 °С (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 железа происходит в зоне распара печи при температуре 950 – 1000 °С по реакции FeO + CO = Fe + CO₂ - Q.

В прямом восстановлении участвует только низший оксидFeО, который один присутствует в шихте при этих температурах.

Науглероживание железа. Восстановление железа заканчивается при 1300–1400 °С в распаре печи. При этих температурах восстановленное железо (Т_пл.=1539 °С) находится в твердом состоянии в виде пористой губчатой массы. Наряду с реакциями восстановления железа происходит его науглероживание при температурах более 500 °С за счет 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 1147 °С. 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 расплаве 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)

Марганец и кремний частично восстанавливаются и переходят в состав чугуна. Другая часть в виде MnO и SiO₂ входит в состав шлака. Фосфор полностью восстанавливается и входит в состав чугуна. Сера 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).