Основные физико-химические процессы доменной плавки

Основные физико-химические процессы доменной плавки

Доменная плавка — это сложный технологический процесс, в основе которого лежат физико-химические реакции, протекающие при высоких температурах и давлении․ Данный процесс является одним из ключевых этапов в производстве чугуна․

Подготовка шихтовых материалов

Подготовка шихтовых материалов является важнейшим этапом доменной плавки, от которого напрямую зависит эффективность всего процесса․ В качестве шихтовых материалов используются железные руды, кокс, флюсы и иногда металлический лом․

• Железная руда — основной источник железа, который поступает в доменную печь․ Руда должна быть предварительно измельчена и обогащена, чтобы увеличить содержание железа и снизить содержание пустой породы;
• Кокс — твердое топливо, которое обеспечивает тепло для процесса плавки․ Кокс должен быть высококачественным, с высокой прочностью и низким содержанием золы․
• Флюсы ⸺ материалы, которые используются для снижения температуры плавления пустой породы и образования легкоплавкого шлака․ В качестве флюсов обычно используются известняк, доломит, иногда используют специальные флюсы, например, плавиковый шпат․
• Металлический лом — может добавляться в шихту для увеличения выхода чугуна․

Все шихтовые материалы должны быть тщательно перемешаны перед загрузкой в доменную печь․ Правильное соотношение компонентов шихты определяет состав полученного чугуна и шлака, а также эффективность процесса плавки․

Процессы в печи

Доменная печь представляет собой вертикальную шахту, в которой происходит сложный комплекс физико-химических процессов․ В печи можно выделить несколько зон, каждая из которых характеризуется своими условиями и протекающими реакциями․

• Зона загрузки․ Здесь происходит загрузка шихтовых материалов, которые постепенно опускаются вниз под действием собственного веса․
• Зона сушки․ В этой зоне происходит сушка шихтовых материалов за счет горячих газов, поднимающихся из нижних частей печи․
• Зона восстановления․ В этой зоне происходит восстановление железа из руды под действием восстановительных газов, образующихся при сгорании кокса․ В этой зоне температура достигает 800-1000°C․
• Зона плавления․ В этой зоне происходит плавление железа и шлака․ Температура в этой зоне достигает 1500-1600°C․
• Зона расплава․ В этой зоне происходит сбор расплавленного чугуна и шлака․ Чугун отводится в специальные ковши, а шлак удаляется из печи․

В каждой из этих зон происходит сложный комплекс химических реакций, который обеспечивает восстановление железа из руды, образование шлака и получение чугуна․

Химические реакции

В доменной печи протекает множество химических реакций, которые можно разделить на несколько групп⁚

• Реакции горения кокса․ Кокс является основным топливом в доменной печи, при его горении выделяется тепло, необходимое для плавления руды и железа․ Основная реакция горения кокса⁚
  
  C + O₂ = CO₂ + Q
  
  Образующийся углекислый газ (CO₂) вступает в реакцию с раскаленным коксом, образуя окись углерода (CO)⁚
  
  CO₂ + C = 2CO ⸺ Q
  
  Окись углерода (CO) является сильным восстановителем, который взаимодействует с оксидами железа в руде․
• Реакции восстановления железа․ Окись углерода (CO) вступает в реакцию с оксидами железа, восстанавливая их до металлического железа․ Процесс восстановления железа происходит в несколько стадий⁚
  
  Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂
  
  Fe₃O₄ + 4CO = 3Fe + 4CO₂
  
  FeO + CO = Fe + CO₂
• Реакции образования шлака․ Шлак образуется при взаимодействии пустой породы, содержащейся в руде, с флюсами, которые добавляются в шихту․ Шлак является расплавленным силикатом, который отделяет расплавленное железо от пустой породы и позволяет получать чистый чугун․

Химические реакции в доменной печи протекают при высоких температурах и давлении, что обеспечивает высокую скорость реакций и эффективное восстановление железа из руды․

Физические процессы

В доменной печи протекают не только химические реакции, но и важные физические процессы, которые обеспечивают эффективность плавки․ К ним относятся⁚

• Нагрев шихтовых материалов․ При загрузке в печь шихтовые материалы (руда, кокс, флюсы) находятся при комнатной температуре․ По мере опускания вниз по печи они нагреваются за счет тепла, выделяемого при горении кокса и протекающих химических реакциях․ Нагрев шихтовых материалов происходит в несколько стадий⁚
  
  — Сушка — удаление влаги из шихты․
  
  — Прогрев — повышение температуры шихты до температуры начала плавления․
  
  — Плавка ⸺ переход шихтовых материалов в жидкое состояние․
• Движение газов․ В доменной печи происходит постоянное движение газов, образующихся при горении кокса и химических реакциях․ Газы поднимаются вверх по печи, проходя через слой шихты, и выводятся через горн․ Движение газов обеспечивает перенос тепла и реагентов в печи, а также вынос продуктов сгорания․
• Движение твердых материалов․ Твердые материалы (шихта, кокс, шлак) опускаются вниз по печи под действием собственного веса и давления вышележащих слоев․ Движение твердых материалов обеспечивает постоянный процесс плавки и вывод расплавленного железа и шлака из печи․

Физические процессы в доменной печи тесно связаны с химическими реакциями и взаимодействуют друг с другом․ Совместное протекание физических и химических процессов обеспечивает эффективное производство чугуна в доменной печи․