Общая схема доменного процесса

Доменный процесс представляет собой совокупность механических, физических и физико-химических явлений, протекающих в работающей доменной печи. Шихтовые материалы – кокс, железосодержащие компоненты и флюс – в результате протекания доменного процесса превращаются в чугун и шлак и доменный газ (рисунок 5.1).

В химическом отношении доменный процесс является восстановительно-окислительным: из оксидов восстанавливается железо, а окисляются восстановители. ДП – агрегат шахтного типа, ее рабочее пространство в горизонтальных сечениях имеет круглую форму, а в вертикальном разрезе – своеобразное очертание, называемое профилем. Профиль печи (рис. 1) состоит из элементов: горна 2, заплечиков 3, распара 4, шихты 5 и колошника 6. Форма профиля и размеры его элементов определены сущностью процессов, протекающих в доменной печи.

Важнейшим условием осуществления доменного процесса в рабочем пространстве печи является непрерывное встречное движение и взаимодействие опускающихся шихтовых материалов, загружаемых в печь через колошник, и восходящего потока газов, образующегося в горне при горении углерода кокса в нагретом до 1000–1200°С воздухе (дутьё), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его окружности фурмы. К дутью может добавляться технический кислород, природный газ, водяной пар.

Кокс поступает в горн нагретым до 1400 – 1500° С. В зонах горения 10 углерод кокса взаимодействует с кислородом дутья по реакциям:

С_к + О₂ + 3,76N₂ → CО₂ +3,76N₂ + 95760 ккал,

С_к + 0,5О₂ + 1,86N₂ → CО +1,88N₂ + 28080 ккал.

Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода неустойчив и превращается в оксид углерода по реакции:

СО₂ + С→ 2СО - 165,797 МДж (39600 ккал).

За пределами зон горения горновой газ состоит только из оксида углерода, азота и небольшого количества водорода, образовавшегося при разложении водяных паров или природного газа. Смесь этих газов содержит, %: 32–36 СО; 57–64 N₂ и 1–1 Н₂ и нагретая до 1800 – 2000°С, поднимается вверх и передает тепло материалам, опускающимся в горн вследствие выгорания кокса, образования чугуна и шлака и периодического выпуска их из доменной печи. При этом газы охлаждаются до 200 – 450° С, а оксид углерода, отнимая кислород из оксидов железа, превращается частично в диоксид углерода, количество которого в доменном газе на выходе из печи достигает 14 – 20%. Кроме оксида углерода, восстановителями являются водород и твердый углерод.

ШМ загружают в доменную печь при помощи засыпного аппарата 7 отдельными порциями – подачами. Они располагаются на колошнике чередующимися слоями кокса, руды или агломерата и флюса при работе на не полностью офлюсованном агломерате. Загрузку подач производят через 5–8 мин по мере освобождения пространства на колошнике в результате опускания материалов.

В процессе нагревания опускающихся материалов происходит удаление из них влаги и летучих веществ кокса и разложение карбонатов. Оксиды железа под действием восстановительных газов СО и Н₂, а при температуре выше 1000° С и твердого углерода кокса постепенно переходят от высших степеней окисления к низшим, а затем – в металлическое железо по схеме: Fe₂О₃ → Fe₃О₄ → FeO → Fe.

Свежевосстановленное железо науглероживается еще в твердом состоянии. По мере науглероживания температура плавления его понижается. При температуре 1000 – 1100 °С восстановление железа почти заканчивается и начинают восстанавливаться более трудновосстановимые элементы – кремний, марганец и фосфор. Науглероженное железо, содержащее около 4% углерода и некоторое количество кремния, марганца и фосфора, плавится при температуре 1130 – 1150°С и стекает в виде капель чугуна в горн. В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы руды и флюса (SiO₂, А1₂О₃, CaO, MgO). Понижению температуры плавления шлака способствуют невосстановленные оксиды железа и марганца (FeO и МnО). В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляется вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса – и зола.

1-чугунная летка; 2-горн; 3-заплечики; 4-распар; 5-шахта; 6-колошник; 7-засыпной аппарат; 8-горизонт образования чугуна; 9-горизонт образования шлака; 10-зоны горения кокса; 11-слой шлака; 12-шлаковая летка; 13-слой чугуна

Рисунок 5.1 - Разрез доменной печи

При взаимодействии жидких продуктов плавки с раскаленным коксом в заплечиках и горне происходит восстановление кремния, марганца и фосфора из их оксидов, растворенных в шлаке. Здесь же поглощенная металлом в ходе плавки сера переходит в шлак. Железо и фосфор практически полностью восстанавливаются и переходят в чугун, а степень восстановления кремния и марганца и полнота удаления из чугуна серы зависят от температурных условий, химического состава шлака и его количества.

Жидкие чугун и шлак разделяются в горне благодаря различным удельным массам. По мере скопления их в горне чугун выпускают через чугунную летку 1, а шлак – через шлаковые летки (верхний шлак) и чугунную летку во время выпуска чугуна (нижний шлак).

Все перечисленные процессы протекают в доменной печи одновременно, оказывая взаимное влияние друг на друга.