физико-химические процессы протекающие в доменной печи

Физико-химические процессы в доменной печи⁚ от руды к чугуну

Доменная печь – это сложный химический реактор‚ где при высоких температурах и взаимодействии множества веществ происходит превращение железной руды в чугун. Этот процесс‚ включающий в себя восстановление железа‚ удаление примесей и насыщение углеродом‚ требует строгого контроля параметров и понимания протекающих реакций.

Подготовка сырья и загрузка в печь

Прежде чем железная руда начнет свое превращение в чугун‚ она проходит несколько важных этапов подготовки. Правильная подготовка сырья – это залог эффективной работы доменной печи и получения высококачественного чугуна. Давайте рассмотрим этот процесс подробнее⁚

1. Добыча и обогащение руды. Железная руда‚ добываемая в карьерах‚ содержит помимо железа различные примеси‚ такие как кварц‚ глина‚ сера. Чтобы повысить содержание железа и удалить нежелательные компоненты‚ руду подвергают обогащению.
2. Подготовка железорудных материалов. Обогащенная руда поступает на дальнейшую обработку‚ где она подвергается дроблению и измельчению до определённого размера частиц. Это необходимо для обеспечения оптимального контакта руды с восстановительными газами в печи.
3. Получение агломерата и окатышей. Для улучшения газопроницаемости шихты (смеси руды‚ флюсов и топлива) и обеспечения равномерного распределения тепла в печи‚ измельченную руду подвергают агломерации или окатыванию. В процессе агломерации руда спекается с флюсами (известняком) при высокой температуре‚ образуя пористые куски – агломерат. При окатывании мелкая руда смешивается с водой и связующим веществом‚ формируется в шарики – окатыши‚ которые затем подвергаются обжигу для упрочнения.
4. Подготовка топлива; Основным топливом в доменной печи служит кокс‚ получаемый путем коксования каменного угля. Кокс не только обеспечивает высокую температуру горения‚ но и служит восстановителем оксидов железа.
5. Загрузка шихты в печь. Подготовленная шихта‚ состоящая из железорудных материалов‚ флюсов и кокса‚ загружается в доменную печь послойно с помощью специального загрузочного устройства. Четкое соблюдение рецептуры шихты и порядка загрузки – важнейшее условие стабильной работы печи.

Таким образом‚ подготовка сырья и загрузка печи – это первый и очень важный этап в сложном процессе производства чугуна. От качества подготовки сырья и точности дозирования компонентов шихты напрямую зависят технико-экономические показатели работы доменной печи.

Процессы в шахте печи⁚ нагрев и восстановление железа

По мере движения шихты вниз по шахте доменной печи происходят сложные физико-химические процессы‚ в результате которых происходит нагрев и восстановление железа из его оксидов. Рассмотрим эти процессы подробнее⁚

1. Нагрев шихты. Загруженная в печь шихта постепенно нагревается восходящими потоками горячих газов‚ которые образуются в результате горения кокса в горне. По мере подъема газов температура в шахте увеличивается‚ достигая максимальных значений в верхней части.
2. Восстановление железа косвенным путем. Нагретая шихта взаимодействует с восстановительными газами‚ в основном с монооксидом углерода (CO). В результате этого взаимодействия оксиды железа восстанавливаются до металлического железа⁚

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂


3. Прямое восстановление железа. Помимо косвенного восстановления‚ в шахте печи происходит и прямое восстановление железа твердым углеродом (коксом)⁚

Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO


4. Образование шлака. Помимо восстановления железа‚ в шахте печи происходят реакции взаимодействия пустой породы‚ содержащейся в руде‚ с флюсами (известняком). В результате этих реакций образуется шлак – легкоплавкий расплав‚ который собирает в себя нежелательные примеси и обеспечивает защиту капель железа от окисления.

Таким образом‚ в шахте доменной печи происходят процессы нагрева шихты‚ восстановления железа из оксидов и образование шлака. Восстановленное железо в виде капель стекает вниз по шахте‚ постепенно укрупняясь и собираясь в нижней части печи.

Процессы в распаре и заплечиках⁚ образование шлака и науглероживание чугуна

Распар и заплечики доменной печи – это зоны‚ где происходят важные физико-химические процессы‚ влияющие на состав и свойства чугуна. Рассмотрим эти процессы подробнее⁚

1. Образование шлака. В распаре происходит интенсивное взаимодействие между оксидами железа‚ кремния‚ алюминия и кальция с флюсами (известняком). В результате этих реакций образуется шлак – легкоплавкий расплав‚ который собирает в себя нежелательные примеси и обеспечивает защиту капель железа от окисления. Шлак играет важную роль в регулировании температуры плавления и текучести чугуна.
2. Науглероживание чугуна. По мере движения капель железа вниз по распару и заплечикам они интенсивно взаимодействуют с восстановительными газами‚ в основном с монооксидом углерода (CO). В результате этого взаимодействия железо насыщается углеродом‚ образуя чугун⁚

Fe + CO → FeC + CO₂


3. Удаление серы. В распаре и заплечиках также происходит удаление серы из чугуна. Сера взаимодействует с оксидом кальция (CaO)‚ содержащимся в шлаке‚ образуя сульфид кальция (CaS)‚ который переходит в шлак⁚

FeS + CaO → CaS + FeO


4. Регулирование состава чугуна. Процессы‚ происходящие в распаре и заплечиках‚ позволяют регулировать состав и свойства чугуна. Изменяя соотношение руды‚ кокса и флюсов‚ можно влиять на содержание углерода‚ кремния‚ марганца и других элементов в чугуне.

Таким образом‚ в распаре и заплечиках доменной печи происходят процессы образования шлака‚ науглероживания чугуна‚ удаления серы и регулирования состава чугуна. Эти процессы оказывают существенное влияние на качество и свойства конечного продукта.

Процессы в горне⁚ плавление и разделение продуктов плавки

Горн доменной печи – это нижняя часть‚ где происходят процессы плавления и разделения продуктов плавки. Рассмотрим эти процессы подробнее⁚

1. Плавление чугуна и шлака. В горне происходит плавление чугуна и шлака под действием высокой температуры. Температура в горне может достигать 1500-1600 °C. Расплавленный чугун и шлак собираются в нижней части горна‚ образуя два отдельных слоя.
2. Разделение чугуна и шлака. Чугун и шлак имеют разную плотность‚ поэтому они легко разделяются в горне. Чугун‚ как более плотный‚ опускается на дно‚ а шлак‚ как менее плотный‚ всплывает на поверхность. Это разделение облегчается применением специальных устройств‚ таких как чугунная летка и шлаковая летка.
3. Удаление примесей. В горне происходит дальнейшее удаление примесей из чугуна. Примеси‚ такие как сера и фосфор‚ переходят в шлак. Это связано с тем‚ что шлак имеет более высокое сродство к этим элементам‚ чем чугун.
4. Регулирование температуры чугуна. Горн также служит для регулирования температуры чугуна. Температура чугуна влияет на его состав и свойства. Изменяя интенсивность дутья и подачу топлива‚ можно регулировать температуру чугуна в нужном диапазоне.

Таким образом‚ в горне доменной печи происходят процессы плавления чугуна и шлака‚ их разделения‚ удаления примесей и регулирования температуры чугуна. Эти процессы обеспечивают получение чугуна заданного состава и качества.