1.2. Основные физико-химические процессы в современных доменных печах

1. засыпной аппарат

2. газоотводы

3. огнеупорный материал

4. фурмы

5. шлаковая летка

6. чугунная летка

Сущность процесса получения чугуна, заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом твердым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива в печи.

Доменная печь представля­ет собой шахтную печь кругло­го сечения объемом 2-3 тыс. м³ рис. 1.1), с полезной высотой 35 м. Стальной ко­жух выложен изнутри огне­упорным материалом 3 шамотным кирпичем.. 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 расширяющейся книзу конус, что обеспечивает свободное перемещение шихты сверху вниз по мере 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-°С. 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 противоточному 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 СО₂. Вследствие воздейст­вия высокой температуры и отсутствия твердого углеро­да кокса СО₂ неустойчив, поэтому конечная стадия горе­ния углерода может быть записана так:

2С + О₂ = 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,(сопров выделен теплоты- экзотермическая),

а твердым углеродом — прямым. сопров поглощен теплоты- эндотермическая Главные реакции восстановления: от высшего оксида к низшему

3Fe₂O₃ + СО = 2Fe₃O₄ + CO₂ + Q;

Fe₃O₄ + СО = 3FeO + CO₂ — Q;

FeO + CO = Fe + CO₂ + Q.

В доменных печах с применением природного газа или мазута степень прямого восстановления железа, протека­ющая по реакции, FeO+ C==Fe+CO—Q, составляет 20... ...40%.

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

3Fe + 2СО = Fe₃C + CO_{2 +} Q.

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

3Fe +С = Fe₃ C.

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 Si) и вредные (S и Р) примеси.

В чугун переходит лишь часть марганца шихты, некото­рое количество в виде соединений МпО удаляется шла­ком и в виде соединения МпзО4 — в газовую фазу домен­ной печи. t - 1100

Восстановление кремния осуществляется по реакции SiO₂ + 2С = Si + 2СО — Q.

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 в железе сое­динения в присутствии шлака по реакции

FeS + СаО + С = CaS + Fe + CO.

Продукты доменного производства и области их при­менения.

Главной продукцией доменного производства являются чугуны. Чугуны разделяются на

• передельные,

• литейные

• специальные.

Передельные чугуны вы­пускаются трех видов:

• для сталеплавильного (марки П1 и П2)

• литейного (ПЛ1 и ПЛ2) производств;

• фосфорис­тый (ПФ1, ПФ2 и ПФЗ);

• высококачественный (ПВКЛ, ПВК2 и ПВКЗ).

Доля углерода в этих чугунах составля­ет в среднем 4 %.

Для производства фасонных чугунных отливок выпус­каются литейные чушковые чугуны: обычные (мар­кировка Л) и рафинированные магнием (ЛР).

Специальные чугуны, или ферросплавы, приме­няются для раскисления и легирования сталей. К ним относятся сплавы железа с кремнием и марганцем: зер­кальные чугуны, ферросилиции и ферромарганцы.

Качество чугунов может быть улучшено внедоменной обработкой в ковшах, направленной на удаление серы и кремния.

Побочными продуктами доменной плавки являются шлак и колошниковый газ.

Из доменного шлака изготовляют шлаковые блоки, цемент, кирпичи, шлаковату, шлакоситаллы и др., для чего его подвергают мокрой грануляции (быстрому ох­лаждению в воде).

Колошниковый газ в больших объемах используется в качестве газообразного топлива для нагрева воздухона­гревателей доменных печей, водяных и паровых котлов, для отопления мартеновских и нагревательных печей.

Выплавка чугуна в доменных печах является самым распространенным и производительным процессом по сравнению с другими процессами получения чугуна. До­менный процесс широко механизирован и автоматизиро­ван.