Физико-химическая сущность доменного процесса

Доменная печь работает по принципу противотока: шихтовые материалы движутся сверху вниз, а навстречу им поднимается поток горячих газов - продуктов сгорания топлива. При этом происходит горение топлива, восстановление и науглероживание железа, восстановление других элементов, образование шлака.

В районе воздушных фурм углерод кокса, взаимодействуя с кислородом дутья, сгорает, в результате чего температура в этой зоне печи достигает 1800…2000 °С. Углекислый газ СО₂, взаимодействуя с углеродом кокса, образует оксид углерода СО - главный восстановитель железа. Несколько выше, в зоне печи с температурой 700…450 °С часть оксида углерода разлагается с образованием сажистого углерода.

Шихтовые материалы, опускаясь навстречу потоку раскаленных газов, нагреваются, из них испаряется влага, выделяются летучие вещества. При достижении температуры 750…900 °С в шихте восстанавливается железо до образования закиси железа FeO. Часть закиси железа опускается до распара и заплечников доменной печи и восстанавливается углеродом кокса.

В восстановлении железа участвуют также сажистый углерод и водород.

В результате этих реакций образуется твердое губчатое железо.
При 1000…1100 °С губчатое железо науглероживается.

Углерод понижает температуру плавления железоуглеродистого сплава, поэтому, опускаясь в нижнюю часть шахты, сплав начинает плавиться, дополнительно насыщается углеродом и другими элементами, восстанавливаемыми из руды - марганцем, кремнием, фосфором, серой.

Марганец содержится в руде в виде оксидов, легко восстанавливаемых до оксида MnO, который затем частично восстанавливается твердым углеродом.

Кремний содержится в пустой породе руды в виде кремнезема SiO₂, также восстанавливается твердым углеродом. Невосстановленные оксиды марганца и кремния переходят в шлак.

Фосфор находится в руде, главным образом, в виде соединения Р₂О₅×3СаО, восстанавливается оксидом углерода и твердым углеродом
и почти полностью переходит в сплав.

Сера вносится в доменную печь в составе руды и кокса в виде соединений FeS₂, FeS, CaSO₂, CaS. Значительная часть серы удаляется в виде летучих соединений (SO₂, H₂S и др.), другая переходит в сплав (FeS)
или шлак (СаS).

Таким образом, в зоне распара в доменной печи между собой взаимодействуют кокс, окислы, газы, шлак и сплав из Fe, C, Mn, Si, S, P и других элементов. Полученный сплав железа с углеродом (С от 2,14 до 6,67 %) и называется чугуном. Температура его плавления около 1200 °С, сплав находится в жидком состоянии и стекает в нижние зоны печи.

Одновременно в нижней части печи на поверхности жидкого чугуна собирается шлак - сплав пустой породы, флюсов, золы топлива, а также часть невосстановившихся оксидов. По мере образования и накопления чугун и шлак выпускают из печи: чугун через 3…4 ч, а шлак - через 1…1,5 ч.