Физико-химические процессы, происходящие в доменной печи.

При горении кокса вблизи фурм печи проплавляемые материалы постепенно опускаются навстречу потоку раскаленных газов, образу­ющихся в горне и в заплечиках печи. Под действием потока раскален­ных газов шихтовые материалы нагреваются и претерпевают ряд физи­ческих и химических изменений. На колошнике печи температура га­зов равна 300—550° С, а вблизи фурм она достигает 1900° С. Здесь про­исходит горение углерода кокса по реакции С + 0₂ = С0₂(1)

В результате этой реакции выделяется большое количество тепла {экзотермическая реакция). При контакте с раскаленным коксом образо­вавшаяся двуокись углерода почти полностью разлагается по реакции С0₂ + С = 2СО (2)

Поэтому газовая фаза приобретает резко восстановительные свой­ства.

При соприкосновении в печи с отходящими газами шихтовые ма­териалы теряют сначала гигроскопическую, а затем и химически свя­занную влагу. Вследствие потери влаги (дегидратации) масса кусков шихты уменьшается; они делаются более пористыми и иногда растрес­киваются. Удаление связанной (гидратной) влаги начинается при 102— 105° Сив некоторых случаях заканчивается при 450—500° С (напри­мер, для кусков глинистого вещества— Al₂0₃-2Si0₂-2H₂0).

Дегидратация шихтовых материалов начинается на колошнике, а заканчивается обычно в верхней половине шахты печи. Здесь же удаляются остатки летучих веществ из кокса (Н₂, СН₄ и др_г).

В средней и нижней частях шахты печи происходит термическое разложение (диссоциация) углекислых соединений, содержащихся в флюсе и некоторых видах железной руды (сидерите). Температура начала и конца разложения зависит от химической природы углекис­лых соединений и величины кусков. Так, разложение известняка с переходом его в известь происходит при 900—1000° С по реакции

СаС0₃ = СаО + С0₂ (3)

Разложение сидерита с образованием магнетита наблюдается при более низких температурах (400—550° С) по реакции 3FeC0₃ - Fe₃0₄ + 2C0₂ + СО (4)

Двуокись углерода, выделяющаяся при разложении СаС0₃ и дру­гих углекислых соединений, уменьшает концентрацию окиси углерода в колошниковых газах.

Куски железной руды и агломерата после удаления из них влаги восстанавливаются, образуя металлическое железо. Восстановителями железной руды в печи могут быть: окись углерода (образуется возле фурм печи при горении кокса); водород (образуется в нижних гори­зонтах печи при взаимодействии влаги дутья с углеродом кокса по реакции С + Н₂О_пар = СО + Н₂); твердый углерод (находится в раскаленном коксе). Обычно в доменных газах содержится небольшое количество водорода; большая часть железной руды восстанавливается окисью углерода и твердым углеродом. Восстановление руды окисью углерода начинается в шахте и происходит ступенчато по реакциям:

3Fe₂0₃ + СО - 2Fe₃0₄ + C0₂ (5)

Fe₃0₄ + СО = 3FeO + C0₂ (6)

FeO + СО = Fe + C0₂ (7)

Наиболее важна реакция (7), конечным продуктом которой является металлическое железо. Она называется реакцией косвенного восстановления железа и протекает при умеренных температурах (500 - 900°С) с выделением тепла.

В присутствие раскаленного кокса и при более высоких температурах (выше 1000 — 1100° С) в печи происходит не только восстановление железной руды до металлического железа, но и очень быстрая регенерация окиси углерода по реакции (2). Одновременное течение реакций (7) и (2) позволяет суммировать их и

получить FeO + С = Fe + СО (8)

Реакцию (8) называют реакцией прямого восстановления железа. Она происходит при взаимодействии окисла с твердым углеродом кокса или углеродом, отложившимся в порах железной руды при низких температурах в виде сажи. Принято считать, что в печи около 60-50 /о железа образуется по реакции (7), а 40-50% - по реакции (8). Прямое восстановление железа происходит в районе распара печи и тем лучше, чем выше температура находящихся здесь материалов, так как реакция (8) эндотермическая (идет с поглощением тепла).

Образующееся в печи металлическое железо находится сначала в твердом виде (губчатое железо), поскольку оно имеет высокую темпе­ратуру плавления (1539° С). В присутствии окиси углерода губчатое металлическое железо постепенно науглероживается по реакции

3Fe + 2CO - Fe₃C + C0₂ (9)

Температура плавления этого железа понижается до 1150—1200° С. Науглероженное железо (1, 8—2%) переходит в жидкое состояние и стекает каплями между кусками раскаленного кокса на лещадь печи. Во время перемещения капельки металла дополнительно насыщаются углеродом примерно до 3, 5—4%, т. е. до обычного содержания угле­рода в жидком чугуне.

Одновременно с восстановлением и науглероживанием железа про­исходит восстановление из шихты марганца, кремния и фосфора, ко­торые также переходят в чугун. Высшие и средние окислы марганца восстанавливаются до низшего ступенчато окисью углерода по схеме Мп0₂ -> Мп₂0₃ -> Мп₃0₄ -> МпО.