Основные физико-химические процессы в доменной печи

Доменная печь, это сложный агрегат, в котором происходят многочисленные физико-химические процессы, направленные на восстановление железа из железных руд. В печи одновременно протекают процессы горения топлива, плавления и восстановления руды, а также образование шлака, который удаляется из печи.

Подготовка шихтовых материалов

Подготовка шихтовых материалов является важнейшим этапом в доменном процессе, от которого напрямую зависит эффективность работы печи и качество получаемого чугуна.

К шихтовым материалам относятся⁚

• Железная руда ‒ основной источник железа. Она содержит оксиды железа (Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO), а также примеси, такие как кремнезем (SiO₂), глинозем (Al₂O₃), известь (CaO) и др. Перед загрузкой в печь руду подвергают дробленью, измельчению и обогащению, чтобы повысить содержание железа и снизить количество примесей.
• Кокс — твердое топливо, используемое для получения тепла и восстановления железа из руды. Кокс получают путем коксования каменного угля, при котором происходит удаление летучих веществ и формирование пористой структуры, обеспечивающей хорошую проницаемость для газов.
• Флюсы, вещества, вводимые в шихту для регулирования состава шлака. В качестве флюсов используют известняк (CaCO₃), доломит (CaCO₃·MgCO₃), известковый шлак и др. Флюсы способствуют снижению температуры плавления шлака, улучшают его текучесть и облегчают удаление из печи.
• Металлолом — добавка, используемая для снижения расхода железной руды и повышения производительности печи. Металлолом предварительно сортируют, очищают от примесей и дробят до необходимых размеров.

Качество шихтовых материалов оказывает существенное влияние на ход доменного процесса. Например, низкое содержание железа в руде приводит к увеличению расхода кокса и снижению производительности печи. Недостаточное количество флюсов может привести к образованию вязкого шлака, затрудняющего его удаление из печи. Поэтому

Важным аспектом подготовки шихтовых материалов является их гранулометрический состав, т.е. распределение частиц по размерам. Оптимальное соотношение крупности и мелкости частиц обеспечивает необходимую проницаемость шихты для газового потока, равномерное распределение тепла и эффективное взаимодействие между шихтовыми материалами.

Кроме того, важное значение имеет влажность шихтовых материалов. Избыточная влажность приводит к снижению температуры в печи, так как часть тепла затрачивается на испарение воды. Поэтому шихтовые материалы перед загрузкой в печь подвергают сушке.

Таким образом, подготовка шихтовых материалов является важным этапом в доменном процессе, от которого напрямую зависит эффективность работы печи и качество получаемого чугуна.

Процессы в нижней части печи

Нижняя часть доменной печи, называемая горном, является зоной наиболее интенсивных физико-химических процессов. Здесь происходит плавление шихтовых материалов, образование чугуна и шлака, а также их отделение друг от друга.

В горне печи поддерживается высокая температура, достигающая 1500-1600 °C. Основные процессы, протекающие в горне, следующие⁚

• Плавление шихтовых материалов. При высокой температуре в горне плавятся железная руда, кокс, флюсы и металлолом.
• Восстановление железа. В процессе плавления происходит восстановление железа из оксидов, содержащихся в руде, под действием восстановительных газов, образующихся при горении кокса. Основным восстановителем является монооксид углерода (CO)⁚
  
  Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂
  
  FeO + CO = Fe + CO₂
• Образование чугуна. Восстановленное железо растворяет в себе углерод, образуя жидкий чугун. Содержание углерода в чугуне зависит от температуры, состава шихты и других факторов.
• Образование шлака. Примеси, содержащиеся в руде, флюсах и коксе, реагируют с оксидами железа, образуя жидкий шлак. Шлак представляет собой силикатную расплавленную массу, которая плавает на поверхности чугуна, отделяя его от металла.
• Отделение чугуна и шлака. Жидкий чугун и шлак, имеющие разную плотность, отделяются друг от друга. Чугун собирается в нижней части горна, а шлак плавает на его поверхности.

В горне печи происходит также ряд других процессов, таких как⁚

• Горение кокса. Кокс, опускающийся в горн, сгорает в присутствии воздуха, подаваемого в печь через фурмы. При этом выделяется тепло, которое обеспечивает плавление шихтовых материалов и протекание других процессов.
• Образование восстановительных газов. При горении кокса образуются восстановительные газы, такие как монооксид углерода (CO) и водород (H₂), которые участвуют в восстановлении железа из руды.
• Перенос тепла. Тепло от горящего кокса передается шихтовым материалам и расплавленному чугуну, обеспечивая их нагрев и плавление.

Таким образом, процессы, протекающие в нижней части доменной печи, являются ключевыми для получения чугуна. В горне печи происходит плавление шихтовых материалов, восстановление железа, образование чугуна и шлака, а также их отделение друг от друга.

Процессы в шахтной части печи

Шахтная часть доменной печи, расположенная над горном, является зоной предварительной подготовки шихтовых материалов к плавлению. Здесь происходит ряд важных процессов, которые обеспечивают эффективное протекание реакций в горне.

Основные процессы, протекающие в шахтной части печи, следующие⁚

• Прогрев шихтовых материалов. По мере движения шихты вниз по шахте, она подвергается воздействию горячих газов, поднимающихся из горна. Прогрев шихты является важным этапом, так как он обеспечивает ее подготовку к плавлению в горне.
• Предварительное восстановление железа. В шахтной части печи происходит частичное восстановление железа из руды под действием восстановительных газов, поднимающихся из горна. Этот процесс протекает при более низких температурах, чем в горне, и является менее интенсивным.
• Образование восстановительных газов. В шахте печи происходит образование восстановительных газов, таких как монооксид углерода (CO) и водород (H₂), которые участвуют в восстановлении железа из руды. Образование этих газов происходит при взаимодействии кокса с воздухом, подаваемым в печь через фурмы.
• Перенос тепла. Горячие газы, поднимающиеся из горна, передают тепло шихтовым материалам, обеспечивая их прогрев. Перенос тепла происходит за счет конвекции и теплопроводности.
• Движение шихты. Шихта, загружаемая в верхнюю часть печи, постепенно опускается вниз, проходя через шахту. Движение шихты обеспечивается силой тяжести и происходит с определенной скоростью, которая регулируется подачей шихты в печь;
• Регулирование газового потока. В шахте печи осуществляется регулирование потока газов, поднимающихся из горна. Это необходимо для обеспечения оптимальных условий для протекания процессов в печи.

В шахтной части печи также происходит ряд других процессов, таких как⁚

• Разложение карбонатов. В составе шихты могут присутствовать карбонаты, которые разлагаются при высоких температурах в шахте печи, выделяя углекислый газ.
• Десульфуризация. В шахте печи происходит частичная десульфуризация шихты, то есть удаление серы из руды. Это важно для получения чугуна с низким содержанием серы.
• Прокаливание. В шахте печи происходит прокаливание шихтовых материалов, что способствует удалению влаги и улучшает их свойства.

Таким образом, процессы, протекающие в шахтной части доменной печи, являются важным этапом в получении чугуна. Они обеспечивают подготовку шихтовых материалов к плавлению и создают условия для эффективного протекания реакций в горне печи.

Процессы в горне печи

Горн доменной печи ‒ это самая горячая зона, где происходит основная часть физико-химических процессов, определяющих качество получаемого чугуна. Здесь происходит плавление шихтовых материалов, восстановление железа из руды, образование шлака и выход чугуна.

Основные процессы, протекающие в горне печи, следующие⁚

• Плавление шихтовых материалов. Под воздействием высоких температур, достигающих 1500-1600 °C, шихта, состоящая из руды, кокса и флюсов, плавится, образуя жидкую ванну. Плавление шихты является результатом взаимодействия высоких температур и химических реакций, протекающих в горне.
• Восстановление железа. В горне печи происходит основное восстановление железа из руды. Восстановление железа происходит под действием восстановительных газов, главным образом монооксида углерода (CO), которые образуются при сгорании кокса. Реакция восстановления железа протекает при высоких температурах и может быть представлена следующим уравнением⁚
  Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
• Образование шлака. Шлак образуется в результате взаимодействия флюсов с пустой породой, содержащейся в руде. Шлак является расплавленным силикатом и выполняет важную роль в процессе плавки. Он позволяет удалить из чугуна нежелательные примеси, такие как сера, фосфор и кремний.
• Выход чугуна. Жидкий чугун, образующийся в результате восстановления железа, скапливается в нижней части горна и выпускается из печи через чугуновозные каналы.
• Горение кокса. Кокс является топливом в доменной печи. Он сгорает в нижней части горна, выделяя тепло и образуя восстановительные газы. Горение кокса обеспечивает поддержание высоких температур в горне и необходимые условия для протекания процессов плавки.
• Перемешивание расплавленного металла. В горне происходит перемешивание расплавленного чугуна и шлака за счет подъема газов и взаимодействия с шихтой. Перемешивание обеспечивает более равномерное распределение температуры и состава расплавленного металла.

В горне печи также протекают другие важные процессы, такие как⁚

• Десульфуризация. В горне происходит десульфуризация чугуна, то есть удаление серы из расплавленного металла. Десульфуризация происходит в результате взаимодействия серы с шлаком и восстановительными газами.
• Раскисление. В горне происходит раскисление чугуна, то есть удаление кислорода из расплавленного металла. Раскисление происходит в результате взаимодействия кислорода с углеродом, содержащимся в чугуне.
• Регулирование состава чугуна. Со временем состав чугуна может изменяться. Для регулирования состава чугуна в горне печи вводятся дополнительные материалы, такие как руда, кокс и флюсы.

Таким образом, процессы, протекающие в горне доменной печи, являются ключевыми для получения чугуна с заданными свойствами. Они обеспечивают плавление шихты, восстановление железа, образование шлака и выход чугуна.