Сутність доменного процесу отримання чавуну полягає у відновленні оксидів заліза. що входять до складу руди, оксидом вуглецю, воднем і твердим вуглецем, що виділяються при згоранні палива в доменній печі.
Доменний процес відноситься до типу протиточних. Назустріч піднімається потоку гарячих газів, що утворюються при згорянні коксу у фурм, опускається стовп шихтових матеріалів.
Корисний об'єм доменної печі постійно заповнений шихтових матеріалів. Опускання шихти відбувається під дією її ваги, а умовою її руху є звільнення простору в нижній частині доменної печі в результаті згоряння коксу і плавлення рудного матеріалу і флюсу.
Після завантаження в піч шихта починає нагріватися і в міру безперервного опускання, послідовно розвиваються такі процеси:
- випаровування вологи шихти;
- відновлення оксидів заліза і деяких інших елементів;
- дисоціація карбонатів.
Випаровування вологи шихти
Шихта, що завантажується в доменну піч, містить гигроскопическую, а іноді і гідрадну вологу. Гігроскопічна волога легко випаровується і видаляється на колошнике, так як температура колошникових газів вище температури випаровування вологи.
Гидратная волога видаляється при температурах вище 400 ° С, і виділяється водяна пара, взаємодіє з оксидом вуглецю або вуглецем, збагачуючи потік газу воднем.
Н2Опар + СО = СО2 + Н2,
Н2Опар + С = СО + Н2.
Відновлення оксидів заліза і деяких інших елементів
В результаті взаємодії оксидів заліза з оксидом вуглецю і твердим вуглецем коксу, а також воднем відбувається відновлення заліза. Відновлення газами називають непрямим, а твердим вуглецем - прямим. Реакції непрямого відновлення супроводжуються виділенням тепла і відбуваються у верхніх горизонтах печі. Реакції прямого відновлення супроводжуються поглинанням тепла і протікають в нижній частині доменної печі, де температура вища.
Відновлення заліза з руди відбувається в міру просування шихти вниз в кілька стадій, від вищого оксиду до нижчого:
Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe
До температур 700 - 900 ° С відновлення здійснюється газовим відновником (СО) по реакціях:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2,
Fe3O4 + CO = 2FeO + CO2,
FeO + CO = Fe + CO2.
У міру опускання шихти до горизонтів з температурою 900 - 1200 ° С, що виділяється в ході відновлення вуглекислий газ (СО2) починає взаємодіяти з вуглецем палива по реакції:
Процес відновлення істотно змінюється і йде по реакції:
Таким чином, матеріал, завантажений в доменну піч, починає відновлюватися непрямим шляхом. У міру опускання шихти, що виділяється в результаті відновлення СО2 починає взаємодіяти з вуглецем твердого палива і процес непрямого або непрямого відновлення переходить в пряме відновлення.
Частина оксидів заліза руди відновлюється воднем, що утворюється в доменній печі в результаті реакції розкладання парів води:
Відновлення оксидів заліза воднем відбувається також, як оксидом вуглецю (СО), за стадіями від вищих до нижчих
3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O;
Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O;
FeO + H2 = Fe + H2O.
Крім заліза, в доменній печі відбувається відновлення і інших елементів, що входять до складу шихти.
Марганець міститься в усіх залізних рудах в більших чи менших кількостях. Відповідно до принципу послідовних перетворень, оксиди марганцю відновлюються послідовно від вищих до нижчих:
MnO2 → Mn2O3 → Mn3O4 → MnO → Mn.
Вищі оксиди марганцю в доменній печі відновлюються повністю до MnO непрямим шляхом, взаємодіючи з СО. Оксид MnO відновлюється тільки прямим шляхом, і то, частково по реакції:
Кремній потрапляє в доменну піч з шихтою у вигляді SiO2. Відновлення його, як і марганцю, здійснюється частково за високих температур твердим вуглецем:
SiO2 + 2C = Si + 2CO.
Інша частина SiO2 переходить в шлак, а відновлений кремній розчиняється в залозі.
Фосфор в шихтових матеріалах знаходиться у вигляді сполук (FeO) 3 ⋅ P2O5 і (СаО) 3 ⋅ P2O5. При температурах вище 1000 ° С фосфат заліза відновлюється оксидом вуглецю і твердим вуглецем з утворенням фосфіду заліза Fe3P. При температурах вище 1300 ° С фосфор відновлюється з фосфату кальцію. Фосфор і фосфід заліза повністю розчиняються в залозі. Умови доменної плавки не дозволяють видалити з металу фосфор. Весь фосфор, що міститься в шихті, відновлюється і повністю переходить в чавун. Тому, єдиним способом отримання малофосфорістих чавунів є використання чистих по фосфору шихтових матеріалів.
Сірка, поряд з фосфором і миш'яком, відноситься до шкідливих домішок чавуну, що погіршує якість металу. Тому, велика увага приділяється проблемі зниження сірки в чавуні, а потім і в стали. Сірка може бути присутнім в шихтових матеріалах у вигляді органічної сірки і сполук FeS2, FeS, СaSO4. Незалежно від форми, в якій вона присутня в шихті, велика частина сірки розчиняється в чавуні у вигляді FeS. Завдання видалення сірки з чавуну полягає в тому, щоб максимальна кількість сірки перевести з металу в інші продукти доменної плавки - газ і шлак. Сірка летюча, і тому частина її видаляється з газом при нагріванні шихти в печі. Кількість сірки, що віддаляється з газовою фазою невелика - від 5 до 10% від загального вмісту сірки в шихті. Велика частина сірки перекладається в шлак в результаті хімічної взаємодії сірки чавуну з оксидом кальцію, що вимагає підвищеного вмісту СаО в шлаку:
FeS + CaO = CaS + FeO.
Останнім часом використовують різні способи внедоменного видалення сірки з чавуну (десульфурації чавуну). Сутність всіх цих способів полягає в тому, що отриманий в результаті доменної плавки сірчистий чавун піддають обробці після випуску з печі хімічними реагентами, що поглинають сірку з чавуну і переводять її в шлак. В якості таких реагентів використовують:
- порошкоподібну обпалене вапно (СаО);
- карбід кальцію (СаС2);
- соду (Na2CO3).
Всі ці сполуки при взаємодії із сіркою чавуну дають перехідні в шлак з'єднання САS, Na2S.
Таким чином, шихта, опускаючись в печі, досягає зони температур 1000 - 1100 ° С. При цих температурах, відновлене з руди тверде залізо, взаємодіючи з оксидом вуглецю, коксом і сажистий вуглецем інтенсивно розчиняє вуглець, утворюючи карбід заліза:
Внаслідок цього, температура плавлення заліза знижується і на рівні распара і заплічок воно розплавляється. Краплі залізовуглецевого сплаву, протікаючи по шматках коксу, насичуються додатково вуглецем.
В результаті розчинення в залозі вуглецю, марганцю, кремнію, фосфору і сірки в доменній печі утворюється чавун. А в результаті сплаву оксидів порожньої породи руди, флюсів і золи палива утворюється шлак. Шлак стікає в горн і накопичується на поверхні рідкого чавуну, завдяки меншій щільності.
Чавун випускається з печі через кожні 60 - 90 хв.