Теоретические основы доменного процесса

Процесс выплавления железа из руды основан на довольно простой химической реакции восстановления оксидов железа до свободного железа:

FeO + CO = CO₂ + Fe

при достаточно высокой температуре оксид железа (II) реагирует с оксидом углерода ( II) в результате чего образуется оксид углерода (IV) и металлическое железо.

Чугун из железных руд выплавляется в специальных плавильных печах – домнах.

!!! Доменная (шахтная) печь устроена так, чтобы реакция могла протекать непрерывно.

На практике сверху вниз по шахте печи непрерывно продвигаются углерод и оксид железа, а навстречу им снизу движется воздух.

Углерод в виде кокса играет двоякую роль:

1) при сгорании он нагревает печь;

2) и образует газ оксид углерода (II) CO, который восстанавливает оксид железа до металла.

Профиль плавильного пространства печи выбран таким образом, чтобы обеспечить равномерное опускание шихты вследствие горения кокса, плавления материалов шихты и периодического выпуска чугуна и шлака, равномерное распределение газового потока по сечению печи и максимально интенсивное протекание процессов восстановления руды, образования и разделения чугуна и шлака. В соответствии с этим в плавильном пространстве печи различают следующие части: колошник, шахту, распар, заплечики и горн.

На рис. 9.4 представлен разрез доменной печи и распределение температур по её высоте.

При установившемся режиме работы печи в ней создается и поддерживается определенный температурный режим и протекают химические и физико-химические процессы, которые могут быть сведены к нескольким группам. Они приведены ниже, причем номера их отмечены на схеме печи в тех зонах ее,) которых они протекают.

1. Подготовительные процессы. К подготовительным процессам, протекающим в интервале температур 100—400°С, относятся выделение гигроскопической и гидратной воды и летучих веществ из твердого топлива

2. Образование газообразных восстановителей. В зоне горна газообразные восстановители образуются в результате полного сгорания углерода кокса и природного газа при температуре 1800-1900ºС. При этом протекают следующие реакции:

а) сначала углерод кокса окисляется кислородом воздуха до оксида углерода (IV), а метан – до оксида углерода (IV) и воды:

C + O₂ = CO₂

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O

Рис. 9.4. Профиль доменной печи     !!! При установившемся режиме работы печи в ней создаётся и поддерживается определённый температурный режим и протекают следующие физико-химические процессы: 1. Подготовительные процессы; 2. Образование газообразных восстановителей; 3. Восстановление оксидов железа; 4. Науглероживание железа и получение чугуна; 5. Восстановление примесей; 6. Образование шлака.

б) оксид углерода (IV) на поверхности раскалённого кокса восстанавливается до оксида углерода (II), а вода до свободного водорода:

CO₂ + C = 2CO

H₂O + C = CO +H₂

Образовавшийся в горне восстановительный газ поднимается в верхнюю часть печи шахту, нагревает и восстанавливает компоненты шихты (железную руду и флюсы) при температуре 600-1200ºС.

2. Восстановление оксидов железа. Восстановление оксидов железа начинается при температуре 570ºС и протекает ступенчато от высших окислов к низшим до элементарного железа:

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe

Заканчивается восстановление при температуре 1200ºС в распаре.

3. Восстановление железа оксидом углерода (II) принято называть косвенным (непрямым), а восстановление непосредственно углеродом кокса – прямым.

В доменных печах преобладает процесс косвенного восстановления оксидом углерода (II) и водородом:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ - ∆Q

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂ + ∆Q

FeO + CO = Fe + CO₂ - ∆Q

и

3Fe₂O₃ + H₂ = 2Fe₃O₄ + H₂O - ∆Q

Fe₃O₄ + H₂ = 3FeO + H₂O + ∆Q

FeO + H₂ = Fe + H₂O + ∆Q

Прямое восстановление начинается в распаре при 1200ºС и особенно интенсивно протекает в заплечиках при 1500ºС:

FeO + C = Fe + CO

В результате реакций восстановления образуется губчатое металлическое железо.