3. Доменный процесс

Физико-химические процессы, протекающие в различных зонах доменной печи, определяются существующими там температур­ными условиями.

При загрузке на колошник сырые материалы попадают в об­ласть низких температур 200-300 °С. По мере опускания мате­риалов температура растет, достигает максимума 1900-2100 °С на уровне фурм и в горне снижается до 1450 °С.

На уровне фурм раскаленный кокс сгорает в струе нагретого воздуха с выделением большого количества тепла: С + О₂ = СО₂ + Q. Образующийся углекислый газ реагирует с твердым углеродом кокса и восстанавливается до оксида углерода. Эта реакция идет с поглощением тепла: СО₂ + С == 2СО - Q.

Встречая руду, оксид углерода восстанавливает оксиды железа, превращаясь в углекислый газ:

3Fe₂O₃ + СО = 2Fe₃O₄ + СО₂ + Q

Fe₃O₄ + СО = ЗFeО + СО₂ -Q

FeO + СО = Fe + СО₂ + Q

Восстановление железа оксидом углерода называют непрямым или косвенным восстановлением. Суммарный тепловой эффект косвенного восстановления положителен. Этот процесс протекает в нижней части шахты доменной печи при сравнительно низких температурах.

Прямым восстановлением называют восстановление твердым углеродом кокса. Восстановление твердым углеродом в основном происходит следующим образом: FeO + С = Fe + СО - Q. Эта реакция идет с большим поглощением тепла и протекает при более высоких температурах в зоне распара и верхней части заплечиков. Прямое восстановление может также происходить с помощью сажистого углерода, образующегося по реакции: 2СО = СО₂ + С_сажа и осаждающегося в порах шихтовых материалов.

При температурах выше 900-1000 °С оксид железа (FeO) восстанавливается только прямым путем. Обычно в доменной печи газами, т. е. косвенным путем, восстанавливается около 60-70 % железа, а твердым углеродом 30-40 %. После завершения про­цесса восстановления при температуре 1300-1400 °С железо находится в твердом состоянии и имеет вид пористой губчатой массы (температура плавления железа 1536 °С).

При взаимодействии железа с оксидом углерода или непосред­ственно с углеродом образуется карбид железа (цементит) Fe₃C:

3Fe + 2СО = Fe₃C + СО₂; 3Fe + С = Fe₃C.

Цементит хорошо растворяется в железе и постепенно наугле­роживает его, в результате чего образуется сплав железа с угле­родом, имеющий значительно более низкую температуру плавле­ния. В высокотемпературных зонах (распаре, заплечиках) такой сплав переходит в жидкое состояние и стекает в горн. Одновре­менно с восстановлением и науглероживанием железа происходит восстановление оксидов кремния, марганца, фосфора и некоторых других элементов и их растворение в металле.

Весь фосфор, попавший в доменную печь с сырыми матери­алами, восстанавливается и полностью переходит в чугун. Регу­лирование концентрации фосфора в чугуне возможно лишь соот­ветствующим подбором шихты. Основным источником другой вредной примеси - серы являются кокс, в меньшей степени руда и известь. Около половины серы удаляется с колошниковыми газами в виде SO₂ и H₂S в верхних горизонтах печи. Необходимыми условиями более полного удаления серы (десульфурации) являются избыточное содержание извести в шлаках, их высокая основность, а также высокая температура в горне доменной печи. Сера находится в виде хорошо растворимого в металле сульфида железа FeS. Ее удаление происходит по реакции: FeS + СаО = CaS + FeO. Сернистый кальций нерастворим в чугуне и пере­ходит в шлак.

Образование шлака начинается в области распара при темпе­ратуре около 1200 °С, когда пустая порода сплавляется с известью. Образующийся шлак стекает в горн, скапливается над слоем чугуна и периодически выпускается через шлаковую летку. Шлак состоит в основном из основных и кислотных оксидов. Важнейшей характеристикой доменного шлака является его основность, которая характеризуется отношением суммы кислот­ных оксидов к сумме основных. Степень основности определяют по формуле: (SiO₂ + А1₂О₃)/(СаО + MgO).

Степень основности шлаков при выплавке разных чугунов и ферросплавов колеблется от 0,9 до 1,4. Чем выше основность, тем легче происходит десульфурация чугуна.

Чугун выпускают из печи через чугунные летки 4-6 раз в сутки. Чугун стекает по желобу в специальные чугуновозные ковши емкостью до 100 т, в которых по железнодорожным путям направляется на разливочную машину, либо, в случае передела в сталь, его сливают в специальные обогреваемые копильники - миксеры. Выдержка в миксере способствует выравниванию хими­ческого состава чугуна.

Разливочная машина представляет собой замкнутый конвейер из чугунных форм, в которые заливается чугун. Залитый чугун затвердевает, охлаждается, после чего формы опрокидываются и чугунные чушки массой до 55 кг попадают прямо в железно­дорожные вагоны для отправки на другие заводы. Все операции при работе разливочной машины механизированы и автоматизи­рованы.

Основными показателями работы доменной печи являются коэффициент использования полезного объема - КИПО и расход кокса на 1 т выплавленного чугуна. КИПО представляет собой отношение полезного объема печи (объема от уровня чугунной летки до максимального уровня засыпки сырых материалов) V к суточной выплавке чугуна G: КИПО = V/G, м³/т.

Чем меньше численное значение КИПО, тем лучше работает доменная печь, тем более форсированно ведется плавка. Значения КИПО колеблются в широких пределах (0,4-0,7) и зависят от содержания железа в руде, подготовки шихтовых материалов и сорта выплавляемого чугуна. На отечественных заводах при выплавке передельного чугуна КИПО в среднем составляет около 0,55.

Стоимость кокса составляет 40-50 % от стоимости чугуна. Удельный расход кокса зависит от качества шихты, температуры нагрева дутья и его обогащения кислородом, степени ис­пользования физического тепла и восстановительной способности газов. В отечественном доменном производстве средний удельный расход кокса на 1 т передельного чугуна составляет 550 кг, на передовых предприятиях он снижен до 470-490 кг.

Важными мероприятиями для дальнейшей интенсификации доменного процесса являются увеличение полезного объема до­менных печей, обогащение дутья кис­лородом, использование природного газа, улучшение подготовки шихты, замена железной руды агломератом и окатышами, автоматизация всех процессов плавки.