Доменная печь

Современная доменная печь принадлежит к числу самых высокопроизводительных агрегатов для переработки веществ. Помимо чугуна она дает колошниковый газ и доменный шлак, которые также используются в промышленности. Суточная производительность крупнейших домен сейчас достигает 10000 т чугуна.

Доменная печь (Рис.39) представляет собой печь шахтного типа, состоящую из колошника I, шахты II, распара III, заплечиков IV и горна V.

В колошник – верхнюю цилиндрическую часть печи – при помощи засыпного аппарата загружают шихтовые материалы, называемые шихтой; там же находится загрузочно-распределительное устройство, обеспечивающее правильное распределение материалов шихты в печи и предотвращающее утечку газов. Наиболее распространенная конструкция засыпного аппарата состоит из малого конуса 1 и большого конуса 2. К колошнику прикреплены газоотводные трубы, через которые отводят колошниковый газ. Температура в колошнике от 150 до 300º С.

Шахта II имеет форму усеченного конуса, расширяющегося к низу. Это самая большая часть печи. В шахте происходят высушивание руды, выделение химически связанной воды, растрескивание руды и начинается восстановление ее окислов. Температура в шахте на разной высоте от 350 до 1200º С.

Распар III имеет цилиндрическую форму и является самой широкой частью доменной печи. В распаре начинаются шлакообразование и плавление металла. Температура в этой зоне около 1400º С и выше.

Заплечики IV имеют форму усеченного конуса, сужающего к низу. В них происходит дальнейшее расплавление металла и шлака. Температура достигает 1600-1900º С.

В верхней части горна V расположены фурмы 17 - устройство для вдувания в печь горячего воздуха, обеспечивающего горение топлива. Фурмы расположены по окружности горна. Их бывает шестнадцать и больше. Воздух в фурмы подают из кольцевого воздухопровода 18. В верхней части горна расположено отверстие для выпуска чугуна – чугунная летка 15. Выше чугунной летки устроена шлаковая летка 12 для выпуска шлака. Температура в горне достигает 1800º С. На дне горна, называемом лещадью (13), скапливаются жидкий чугун и шлак. Чугун выпускают из печи периодически (6-8 раз в сутки). Вместе с чугуном из печи вытекает шлак, который называют нижним. Верхним называют шлак, который выпускают через шлаковые летки. Основанием печи является тяжелый железобетонный фундамент. Шахта укреплена на колоннах связанных с фундаментом.

Доменный процесс.

Процесс получения чугуна состоит из трех стадий: восстановления железа из его окислов; науглероживание железа и шлакообразования.

В доменной печи непрерывно взаимодействуют шихтовые материалы, движущиеся сверху вниз, и продукты горения, движущиеся снизу вверх. Загрузка шихтовых материалов состоит в правильном чередовании поступления в печь руды, топлива и флюсов. Руда восстанавливается благодаря горению топлива (кокса или метана). Горение начинается в области горна. Через фурменные отверстия раскаленный воздух поступает в печь и на уровне фурм кислород воздуха вступает в реакцию с углеродом топлива:

С + О = СО₂

Полученный углекислый газ поднимается к верху и вступает в соприкосновение с раскаленным коксом, при этом образуется окись углерода:

СО₂ + С = 2СО

Окись углерода поднимается к верху; являясь сильным восстановителем, она вступает во взаимодействие с окислами железа и восстанавливает их. Восстановление идет в строгой последовательности от высших к низшим окислам, т.е. от менее прочных к более прочным:

Fe₂O₃ Fe₃O₄ FeO Fe

При температуре 900 - 1000º С окись углерода вступает в реакцию с чистым железом:

3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂

образуется карбид железа Fe₃С, который способствует науглероживанию железа, растворяясь в нем. Науглероженное железо (1, 8 – 2%) переходит в жидкое состояние, стекает каплями между кусками раскаленного кокса, дополнительно насыщается углеродом идо 3, 5 -4 % и скапливается на лещади горна печи. Одновременно с восстановлением и науглероживанием железа происходит восстановление из шихты кремния, марганца, серы, фосфора. Эти элементы восстанавливаются главным образом твердым углеродом. Реакции идут с поглощением тепла при высоких температурах 1200 - 1300º С.

Марганец восстанавливается твердым углеродом по реакции

MnO + C = Mn +CO + Q

Восстановление кремния идет по реакции

SiO₂ + 2C = Si + 2СO – Q

протекающей при более высоких температурах (1450º С).

Фосфор, находящийся в рудах в виде фосфорнокислого кальция Ca₃P₂O₈, восстанавливается также раскаленным углеродом топлива в присутствии SiO₂.

Сера, частично образуя с железом соединение FeS, растворяется в остальном железе.

В результате восстановления всех указанных элементов в доменной печи получается чугун - сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, серой и фосфором.

Для выплавки одной тонны чугуна расходуют около 1, 8 т руды, 0, 7-0, 8 т кокса, 0, 25-0, 40 т флюса и 3, 5 т воздуха.

Продукты доменного производства.

Чугун по назначению делиться на три группы: передельный, литейный и ферросплавы. Из всей выплавки более 80% составляет передельный чугуны, которые переплавляются в сталь, и около 20% приходиться на долю литейных чугунов и ферросплавов.

Шлаки являются продуктом взаимодействия флюсов с пустой породой, золой топлива, огнеупорной футеровкой печи и вредными примесями при выплавке металла. Шлаки подразделяются на кислые (кварциты Si₂O), основные (CaO, MgO, MnO, FeO) и нейтральные(Al₂O₃, щелочные и щелочноземельные хлориды и фториды).

Колошниковый газ – также важный побочный продукт. Это высококалорийное топливо, в состав которого входит около 35 % окиси углерода СО, 2 – 3 % водорода Н₂, 0, 5 % метана, остальное – азот.

Колошниковую пыль используют как сырье для агломерации.