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․