Будова доменної печі та фізико-хімічні основи процесу

Головною дільницею доменного виробництва є доменна піч, а основною операцією – плавка. За своєю будовою доменна піч відноситься до типу шахтних печей, що працюють за принципом протитоку. Піч зверху має кожух, зварений з стальних листів, а у середині футерована шамотною цеглою.

Верхня циліндрична частина печі називається колошником, нижче розміщена шахта, яка переходить в розпар (широка частина печі), далі заплечики, а нижня частина корисного об’єму печі – горн. У верхній частині горна, по його окружності, розміщуються фурмені отвори зі вставленими в них фурмами (трубками), через які під час роботи печі вдувається нагріте повітря, під тиском 2,3-3,5 ат. яке підводиться по кільцевому трубопроводу, який опоясує піч. Дно горна називається подом або лещадю. На рівні пода в стіні горна є льотка отвір для випуску чавуну, а вище її на протилежній стороні льотка для випуску шлаку. В верхній частині печі змонтований колошниковий затвор, через який шихта завантажується в піч, а також відвідні труби, через які відводиться доменний газ.

При роботі печі зверху вниз рухається потік шихти, а знизу вверх – потік газів, які утворюються при згоранні коксу.

Суть доменної плавки заключається в відновленні заліза з оксидів в руді, навуглецюванні заліза та ошлакуванні пустої породи і попелу коксу.

Кисень дуття вступає в реакцію з вуглецем коксу:

C + O₂  = CO₂ + Q

Оксид вуглецю (ІV) при температурі вище 1000°С, вступає в контакт з вуглецем розжареного коксу над фурмами і відновлюється до оксиду вуглецю (II):

Оксид вуглецю (ІІ) при дальшому підйомі відновлює оксиди заліза, яке проходить в три етапи:

Відновлення оксидом вуглецю називається не прямим, воно відбу­вається при температурі до 1000°С, а при більш високій температурі відбувається пряме відновлення заліза вуглецем в районі розпара та заплечиків:

Після відновлення заліза в районі розпару та заплечиків утворю­ється тверде губчате залізо, яке потім поглинає вуглець і утворюється чавун, який розтоплюється і зтікає в горн.

При взаємодії заліза з вуглецем утворюється карбід заліза – цементит:

Цементит дуже твердий і крихкий, такі властивості він надає і чавунам, в склад яких входить.

Одночасно з відновленням заліза відновлюються також і оксиди марганцю і силіцію, фосфор що знаходиться в руді та коксі повністю відновлюється і перехопить в чавун.

При наявності в чавуні більше 1,75% силіцію, цементит не утворю­ється, а вуглець знаходиться в вигляді дрібних лусок графіту.

Розплавлена пуста порода (кремнезем, глинозем та ін.) з флюсами утворює легкоплавку сполуку - доменний шлак. Оксид кальцію, який є складовою частиною флюсу, сприяє видаленню сірки з чавуну, утворюючи нерозчинні сполуки, які переходять в шлак, частково також виводить і фосфор.

В горні на лещаді накопичується рідкий чавун, його питома вага 6,9 г/см³, а шлак знаходиться зверху, над чавуном, так як його питома вага біля 2,5 г/см³.

Температура чавуну при випуску з печі біля 1300-1400°С, а шлаку на 40-80°С вище.

Випуск чавуну проводиться 10 і більше разів за добу, а шлаку в 2-3 рази частіше.