Физико-химические процессы в доменной печи
Доменная печь – это сложная система, в которой одновременно протекает множество физико-химических процессов. Эти процессы обеспечивают восстановление железа из руды, образование чугуна и шлака, а также удаление примесей из шихтовых материалов.
1. Подготовка шихтовых материалов
Подготовка шихтовых материалов – это первый и очень важный этап в процессе производства чугуна. Качество шихтовых материалов напрямую влияет на качество получаемого чугуна, расход топлива и производительность доменной печи. К шихтовым материалам относятся железная руда, кокс, флюсы и топливо.
Железная руда – это основной источник железа в доменной печи. Она содержит оксиды железа, которые в процессе плавки восстанавливаются до металлического железа. Качество руды определяется содержанием железа, наличием примесей, а также ее физическими свойствами (размер, форма, плотность).
Кокс – это твердое топливо, которое используется для получения тепла и создания восстановительной атмосферы в доменной печи. Он должен обладать высокой прочностью, чтобы выдерживать давление шихты и не крошиться.
Флюсы – это вещества, которые добавляются в шихту для снижения температуры плавления шлака и облегчения его удаления из печи. Чаще всего в качестве флюсов используются известняк и доломит.
Топливо – это источник энергии, который используется для нагрева шихты и поддержания процесса плавки. В качестве топлива в доменных печах используют кокс, природный газ, уголь и мазут.
2. Процессы в нижней части печи
Нижняя часть доменной печи – это зона высоких температур и давлений, где происходит плавление шихты и образование чугуна и шлака. В этой зоне происходит ряд важных физико-химических процессов, которые определяют эффективность работы печи.
Во-первых, в нижней части печи происходит интенсивное горение кокса, который обеспечивает тепловую энергию для плавления шихты. В процессе горения кокса образуется угарный газ (CO), который является основным восстановителем в доменной печи.
Во-вторых, в нижней части печи происходит плавление шихты. При температуре около 1500°C железная руда, кокс, флюсы и топливо плавятся и образуют жидкую массу. Железо, содержащееся в руде, восстанавливается угарным газом до металлического железа.
В-третьих, в нижней части печи происходит отделение чугуна от шлака. Чугун – это жидкий сплав железа с углеродом, а шлак – это жидкий силикат, который содержит примеси, удаленные из руды. Чугун и шлак имеют различную плотность, поэтому чугун опускается на дно печи, а шлак всплывает на поверхность.
3. Процессы в шахте печи
Шахта доменной печи – это зона, где происходит подготовка шихты к плавлению и ее постепенное движение вниз. В шахте печи протекают следующие процессы⁚
- Предварительное нагревание шихты⁚ шихта, загружаемая в верхнюю часть печи, постепенно нагревается за счет тепла отходящих газов. Температура шихты увеличивается по мере ее движения вниз по шахте.
- Разложение влаги⁚ влага, содержащаяся в шихте, разлагается при нагревании, выделяя водяной пар.
- Разложение карбонатов⁚ карбонаты, содержащиеся в руде и флюсах, разлагаются при нагревании, выделяя углекислый газ.
- Восстановление железа⁚ угарный газ, образованный в нижней части печи, поднимается вверх по шахте и восстанавливает железо из руды. Этот процесс происходит в несколько стадий, и его эффективность зависит от температуры, состава шихты и скорости движения газов.
- Образование шлака⁚ флюсы, добавленные в шихту, взаимодействуют с пустой породой, содержащейся в руде, и образуют шлак. Шлак играет важную роль в удалении примесей из железа.
Процессы, протекающие в шахте печи, играют важную роль в подготовке шихты к плавлению и определяют эффективность работы всей доменной печи.
4. Процессы в горне печи
Горн доменной печи – это самая горячая зона, где происходит плавление шихты и образование чугуна и шлака. В горне печи протекают следующие процессы⁚
- Плавление шихты⁚ шихта, нагретая в шахте печи до высокой температуры, плавится в горне. Температура в горне достигает 1500-1600 °C.
- Восстановление железа⁚ в горне печи продолжается процесс восстановления железа из руды. Угарный газ, образованный в нижней части печи, взаимодействует с оксидами железа, восстанавливая их до металлического железа.
- Образование чугуна⁚ расплавленное железо, насыщенное углеродом, образует чугун. Соотношение углерода и других элементов в чугуне зависит от состава шихты, температуры и других параметров процесса.
- Образование шлака⁚ расплавленная пустая порода, содержащаяся в руде, взаимодействует с флюсами, образуя шлак. Шлак очищает чугун от примесей и способствует удалению их из печи.
- Удаление шлака⁚ шлак, менее плотный, чем чугун, плавает на поверхности расплавленного металла. Он периодически удаляется из печи через специальные отверстия – шлаковые желоба.
Процессы, протекающие в горне печи, являются ключевыми для производства чугуна. От их эффективности зависит качество чугуна и производительность доменной печи.