§ 10. Физико-химические процессы, происходящие в доменной печи

Сырые материалы — руды 9 (фиг. 12), топливо 8, флюсы 10 — загру­жают отдельными слоями в верхнюю часть печи.

На фиг. 12 приведена схема распределения материалов в доменной печи и даны сравнительные размеры отдельных частей по высоте для типовой доменной печи объемом 1300 'м³.

Материалы, опускаясь вниз и соприкасаясь с газами в различных тем­- пературных зонах, претерпевают физические и химические изменения, в результате которых расплавленный чугун стекает каплями. И и собирается в горне; его выпускают через летку 2. Шлак, образующийся от взаимодей-­ ствия пустой породы, флюсов и золы топлива, также плавится и кап-­ лями 12 опускается в горн. Шлак имеет меньший удельный вес, поэтому он собирается на поверхности чугуна. Его выпускают через шлаковую летку 4.

Фиг. 12. Схема распределения шихтовых материалов и температур­ных зон по высоте в типовой доменной печи:

1—жидкий чугун; 2 — чугунная летка; 3 — жидкий шлак; f — шлаковая

летка; В — желоб для выпуска чугуна; 6 — фурмы; 7 — желоб для выпуска шлака;

S — топливо; 9 — руда; 10 — флюс; // — капли чугуна; 12 — капли шлака.

Распределение температурных зон по высоте типовой доменной лечи показано на фиг. 12. В этих температурных зонах происходят следующие физико-химические процессы: разложение известняка на окись кальция и углекислоту, восстановление железа и других элементов из окислов, науглероживание железа, плавление металла, образование и плавление шлаков, горение топлива и др.

Горение топлива. Опустившись до уровня фурм 6 (фиг. 12), раскален­ный кокс сгорает в струе поступающего нагретого до 600—900° воздуха по реакции

С + 0₂ = С0₂+ 97 650 кал.

Температуру в фокусе горения можно принять равной 1800—1900°. Опыт показывает, что при избытке углерода при 1000° и выше С0₂ вос­станавливается по реакции

С0₂ + С 2СО — 37 100 кал

и увеличивает содержание окиси углерода в газовой смеси. При более низких температурах окись углерода распадается в присутствии катализа­тора (железа и железоуглеродистых сплавов) по реакции

2СО СО₂ + С + 37 100 кал.

В результате взаимодействия газов и углерода образуются в зависи­мости от температуры определенные газовые смеси.

Испарение влаги и выделение гидратной воды и летучих веществ. Испа­рение влаги начинается тотчас после загрузки шихты.

Процесс выделения гидратной воды из бурых железняков начинается при 250° и заканчивается при 450—500°. Выделение летучих веществ из кокса заканчивается при температурах выше 600°.

Разложение углекислых солей. Углекислые соли содержатся в рудах и флюсах, которые загружают в доменную печь.

Температуры диссоциации естественных углекислых солей следующие: MgC0₈-FeC0₃ 520—550°; MgC0₃ 640—660°: CaCO_s-MgC03 735—905°: CaC0₃ 900—921°.

Реакции разложения углекислых солей сопровождаются поглощением значительного количества тепла. Так, например,

3FeCO_s Fe₃0₄ + 2С0₂ + СО — 57800 кал;

ЗМпС0₃ ^Мпз°4 + ^2С02 + СО — 81 220 кал;

СаС0₃ СаО + C0₂ — 42 500 кал.

Образующиеся продукты разложения окиси кальция и магния исти­раются в порошок движущимися материалами. При более высоких темпе­ратурах они сплавляются с пустой породой и золой и образуют шлак.

Восстановление окислов железа из руды и оборотных материалов. Вос­становление железа в доменной печи происходит за счет последователь­ного отщепления кислорода от окислов железа.

По признаку убывания кислорода железные окислы можно располо­жить в следующий ряд:

Fe₂0₃ Fe₃0₄ FeO Fe.

Главными восстановителями в доменной печи являются углерод, окись углерода и водород. Водород в. доменной плавке большого значения не имеет, так как он присутствует в доменных газах в незначительном коли­честве.

Восстановление окислов до чистого железа идет по следующим реакциям:

3Fe₂0₃ + CO -> 2Fe₃0₄ + C0₂ + 8870 кал;

2Fe₃0₄ + 2CO 6FeO +2C0₂ — 9980 кал;

6FeO + 6СО -* 6Fe + 6С0₂ + 19 500 кал.

Восстановление железа окисью углерода зависит:

1) от качества руды — ее естественных свойств и характера предваритель-­ ной обработки;

2. от температуры, при которой идет восстановление;

3. от состава газа-восстановителя.

Восстановление железных окислов окисью углерода требует большей затраты топлива, так как в газах должна быть определенная концентра­ция СО.

Процесс восстановления железа окисью углерода называется непря­мым восстановлением. Восстановление твердым углеродом закиси железа идет по реакции

FeO +С Fe + СО — 34 460 кал

с поглощением значительного количества тепла. Процесс восстановления железа твердым углеродом называется прямым восстановлением. При этом процессе восстановления большую роль играет сажистый углерод, который получается при реакции

2СО С0₂ + С + 37 700 кал.

Этот углерод в виде сажи откладывается во всех порах руды. Сажи­стый углерод при высокой температуре сгорает за счет кислорода руды и восстанавливает железо.

В доменных печах при обычных условиях работы прямым путем вос­станавливается из руды от 40 до 60% всего железа.

В доменную печь загружают оборотные материалы, которые содержат соединения железа: сварочный шлак, окалину, шлаки сталеплавильных печей, колошниковую пыль, стружку и т. п. Соединения железа из этих материалов восстанавливаются до чистого железа.

Восстановление марганца и условия получения высокомарганцовистых чугунов и ферросплавов. Марганец вводят в шихту с содержащими мар­ганец рудами и оборотными продуктами производства металлургических заводов. Марганец образует с кислородом ряд окислов такого же типа, как и железо. Окислы марганца по признаку убывания кислорода могут быть расположены в ряд

Мn0₂ Mn₂O_s Мn₃0₄ МnО Мn.

Восстановление окислов марганца до закиси марганца происходит в средних горизонтах печи при умеренных температурах и заканчивается при 700°, но получающаяся закись марганца МпО является прочным соединением и может быть восстановлена только твердым углеродом при 1100° и выше по реакции

МnО + С Мn + СО — 61 830 кал.

Эта реакция идет с поглощением тепла, при высоких температурах. Основные условия восстановления марганца следующие: высокая основ­ность шлака, высокая температура нагрева дутья (минимум 750°) и боль­шой расход топлива. При выплавке ферромарганца (80% Мп) расход кокса в 2,5 раза больше, чем при выплавке предельнго мартеновского чугуна.

Восстановление кремния и условия получения высококремнистых чугунов и ферросплавов. Восстановление кремния из кремнезема требует боль­шого расхода тепла, высокой температуры и происходит за счет твердого углерода:

Si0₂ + 2C Si + 2CO — 147 910 кал.

Реакция начинается при 1450°

В присутствии карбидов железа восстановление кремния начинается уже при 1050° Основные условия для получения чугуна с повышенным содержанием кремния и ферросилиция следующие: высокий нагрев дутья, повышенный расход горючего, сравнительно трудноплавкие кремнистые шлаки, легковосстановимые руды с равномерно распределенным кремнезе­мом в массе окислов железа и пониженная интенсивность плавки.

Восстановление фосфора. Фосфор входит в состав шихты доменных печей главным образом в виде фосфорнокальциевой соли и реже в виде других соединений. Фосфор почти полностью восстанавливается в домен­ной печи. Кремнезем вытесняет фосфорную кислоту из ее солей, а потом уже свободный фосфорный ангидрид реагирует с твердым углеродом:

Ca₃P₂0₈ + 3Si0₂ + 5С 2Р + 3CaSi0₃ + 5CO — 314 250 кал.

Реакция эта идет с затратой большого количества тепла Восстановление титана, хрома, ванадия и никеля. Восстановление

титана окисью углерода идет медленно. Полное восстановление возможно

лишь твердым углеродом:

Ti0₂+C Ti +2CO—165 830 кал.

Хром вводят в шихту доменных печей в виде хромита Твердый углерод начинает восстанавливать хром из окиси хрома лишь при 1185°:

Сг₂0₃ + С 2Сг + ЗСО.

Для выпуска высокохромистого сплава из печи надо, чтобы сплав был нагрет до 1450—1500°.

Ванадий принадлежит к трудновосстановимым элементам Для вос­становления ванадия требуется, как и для марганца, высокая основность шлака и высокая температура. Ванадий восстанавливается из шихты до 80—90%.

Никель в доменной печи восстанавливается из руд легче, чем железо Восстанавливаться он может окисью углерода, водородом и твердым углеродом.

Восстановление окисью углерода идет по реакции;

Ni_raO_m + nСО mNi + nС0₂

Никель восстанавливается из руды полностью.

Условия удаления серы из чугуна. Сера в шихту доменной печи попадает с материалами (рудой, топливом и флюсами). В верх­ней части доменной печи сера переходит в газ в виде SO?

Часть серы может быть окислена при сгорании топлива около фурм. Восстановление железа из FeS ведется при помощи окиси кальция и угле­рода по реакции

FeS + СаО + С Fe + CO + CaS — 33 730 кал

Для лучшего перехода серы в шлак надо создавать следующие усло­вия:

1. более основные известковые шлаки;

2. большее количество шлаков;

3. высокую температуру в горне.

Процессы науглероживания восстановленного железа и образование чугуна

Науглероживание железа в доменной печи никаких затруднений не представляет. В зависимости от содержания других элементов количество углерода в чугуне устанавливается в следующих пределах: в ферромар­ганце 7—7,5%; в зеркальном чугуне 5—5,5%; в предельных чугунах 3,7— 4,2%; в литейных 3,5—3,8%.

Главным реагентом, науглероживающим железо, является окись углерода, и науглероживание идет по реакции

3Fe + 2СО Fe₃C + С0₂.

Карбид железа Fe₃C хорошо растворяется в железе. При содержании в железе углерода 4,3% сплав плавится при 1130°. Сплавы железа более чем с 2,0 % С называют чугунами.

Процессы шлакообразования

Шлакообразование заключается в сплавлении пустой породы руды, оплавленной футеровки и золы топлива с флюсами. Продукты, образую­щиеся после такого сплавления, называют шлаком.

Пустая порода руды, а также зола топлива состоят главным образом из кремнезема Si0₂, глинозема А1₂0₃, окиси кальция СаО и окиси маг­ния MgO.

Общий ход шлакообразования в доменных печах может быть представ­лен в следующем виде: шлакообразующие материалы, опускаясь в печи, постепенно нагреваются потоком горячих газов. Расплавление отдельных составляющих шлакообразующих материалов может начинаться при 900—1000°; далее расплавляются более тугоплавкие элементы и образуют шлак.

В зависимости от состава выплавляемого чугуна берут соответствую­щие составы шлаков. Для трудновосстанавливаемых элементов Si, Mn, Сг и др. используют более тугоплавкие шлаки. Наиболее легкоплавкие шлаки применяют при выплавке передельных чугунов.

Чем больше в шихте содержится серы, тем больше СаО должно содер­жаться в шлаке, так как сера из печи удаляется в значительном количе­стве в виде CaS, который растворяется в известковых шлаках.