Основные физико-химические процессы доменной плавки

Основные физико-химические процессы доменной плавки

Доменная плавка – это сложный технологический процесс, в котором происходит восстановление железа из железных руд с помощью кокса. В основе этого процесса лежат физико-химические реакции, протекающие при высоких температурах. В доменной печи происходит взаимодействие между шихтовыми материалами, коксом, воздухом и топливом.

Подготовка шихтовых материалов

Подготовка шихтовых материалов – это важнейший этап доменной плавки, от которого напрямую зависит эффективность всего процесса. Качество шихтовых материалов оказывает существенное влияние на состав и свойства получаемого чугуна, а также на расход топлива и производительность печи.

В качестве шихтовых материалов используются железные руды, флюсы, кокс и топливо.

• Железные руды — это основные компоненты шихты, содержащие железо в виде оксидов. Для доменной плавки используют различные виды руд, такие как магнетит (Fe₃O₄), гематит (Fe₂O₃), сидерит (FeCO₃) и лимонит (2Fe₂O₃·3H₂O).
• Флюсы — это вещества, добавляемые в шихту для регулирования состава шлака и снижения его вязкости. Флюсы способствуют плавлению руды, снижению температуры плавления шлака и улучшению условий для протекания химических реакций. В качестве флюсов используют известняк (CaCO₃), доломит (CaCO₃·MgCO₃) и другие материалы.
• Кокс — это твердое топливо, используемое в доменной печи для получения высокой температуры и создания восстановительной атмосферы. Кокс получают путем сухой перегонки каменного угля. Качество кокса играет важную роль в процессе доменной плавки.
• Топливо — это дополнительные источники энергии, которые могут использоваться для повышения температуры в печи. В качестве топлива используют природный газ, мазут, угольную пыль и другие виды топлива.

Подготовка шихтовых материалов включает в себя следующие этапы⁚

1. Дробление и измельчение — руда, флюсы и топливо подвергаются дроблению и измельчению до определенного размера, чтобы обеспечить равномерное распределение компонентов в шихте и улучшить условия для протекания химических реакций.
2. Обогащение — некоторые виды руды требуют обогащения для повышения содержания железа и удаления пустой породы. Обогащение может осуществляться различными методами, такими как магнитная сепарация, флотация, гравитационное обогащение и др.
3. Агломерация ー это процесс спекания мелкодисперсных рудных концентратов с помощью добавления флюсов и топлива. Агломерация позволяет получать более крупные куски шихты, которые легче загружать в печь и обеспечивают более равномерное распределение газового потока.
4. Дозирование ー после подготовки шихтовых материалов их дозируют в определенных пропорциях, чтобы обеспечить оптимальный состав шихты для получения чугуна с заданными свойствами.

Правильная подготовка шихтовых материалов – это залог успешной доменной плавки.

Процессы в печи

Доменная печь представляет собой вертикальный цилиндрический реактор, в котором происходит плавка железных руд с помощью кокса. В печи создаются сложные условия, которые обеспечивают протекание различных физико-химических процессов.

Процессы в доменной печи можно разделить на следующие стадии⁚

1. Загрузка шихтовых материалов — шихтовые материалы загружаются в верхнюю часть печи через загрузочный колошник.
2. Прогрев и подготовка шихты ー по мере продвижения шихты вниз по печи она нагревается горячими газами, которые поднимаются из нижней части печи.
3. Восстановление железа ー при температуре выше 800°C начинается процесс восстановления железа из оксидов.
4. Плавка и образование шлака — при температуре выше 1200°C происходит плавление руды, кокса и флюсов.
5. Спуск чугуна и шлака — расплавленный чугун и шлак собираются в нижней части печи и периодически выводятся через специальные желоба.

В процессе доменной плавки происходят следующие основные процессы⁚

• Горение кокса ー в нижней части печи кокс сгорает в потоке горячего воздуха, образуя углекислый газ (CO₂) и выделяя тепло.
• Образование восстановительных газов — углекислый газ (CO₂) реагирует с коксом, образуя окись углерода (CO), которая является восстановителем.
• Восстановление железа ー окись углерода (CO) восстанавливает железо из оксидов, образуя металлическое железо (Fe).
• Образование шлака — флюсы взаимодействуют с пустой породой, образуя расплавленный шлак, который отделяется от чугуна и выводится из печи.

Процессы в доменной печи протекают непрерывно, обеспечивая непрерывное производство чугуна.

Химические реакции в доменной печи

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

1. Реакции горения кокса — в нижней части печи, в зоне горения, происходит сжигание кокса в потоке горячего воздуха.
2. Реакции образования восстановительных газов ー в зоне горения, при взаимодействии углекислого газа (CO₂) с раскаленным коксом, образуется окись углерода (CO), которая является основным восстановителем железа.
3. Реакции восстановления железа — окись углерода (CO) восстанавливает железо из оксидов, содержащихся в железной руде.
4. Реакции образования шлака, флюсы, вводимые в шихту, взаимодействуют с пустой породой руды, образуя расплавленный шлак, который отделяется от чугуна и выводится из печи.

Рассмотрим подробнее некоторые ключевые реакции⁚

• Горение кокса⁚
  
  C + O₂ → CO₂ + Q
  
  Эта реакция экзотермическая, то есть выделяется тепло, которое используется для поддержания высокой температуры в печи.
• Образование окиси углерода⁚
  
  CO₂ + C → 2CO
  
  Эта реакция эндотермическая, то есть требует подвода тепла.
• Восстановление железа⁚
  
  Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
  
  FeO + CO → Fe + CO₂
  
  Эти реакции протекают при высоких температурах и являются основными процессами получения металлического железа.
• Образование шлака⁚
  
  SiO₂ + CaO → CaSiO₃
  
  Al₂O₃ + 3CaO → Ca₃Al₂O₆
  
  Эти реакции происходят при взаимодействии флюсов с пустой породой руды, образуя расплавленный шлак, который отделяется от чугуна и выводится из печи.

Химические реакции в доменной печи протекают в сложных условиях, при высоких температурах и под воздействием различных газов.

Физические процессы в доменной печи

В доменной печи происходят не только химические реакции, но и важные физические процессы, которые обеспечивают непрерывный ход плавки и формируют условия для протекания химических реакций. К основным физическим процессам относятся⁚

• Движение материалов, шихтовые материалы, кокс и воздух непрерывно подаются в печь, а чугун и шлак выводятся из нее.
• Теплообмен, в печи происходит постоянный обмен теплом между различными элементами⁚ горячим воздухом, раскаленным коксом, шихтовыми материалами, расплавленным чугуном и шлаком.
• Перенос вещества — происходит перемещение газов, жидких и твердых материалов в печи.
• Фазовые превращения — в печи происходит переход веществ из одного агрегатного состояния в другое⁚ твердые материалы плавятся, жидкости испаряются, газы конденсируются.

Рассмотрим подробнее некоторые из этих процессов⁚

• Движение материалов ー шихтовые материалы, кокс и воздух загружаются в печь сверху. В печи они опускаются вниз под действием собственного веса, проходя через зоны с различными температурами и газовым составом. Чугун и шлак, образующиеся при плавке, собираются в нижней части печи и выводятся из нее через специальные желоба.
• Теплообмен ー в печи происходит постоянный обмен теплом между горячим воздухом, раскаленным коксом, шихтовыми материалами, расплавленным чугуном и шлаком. Тепло, выделяющееся при горении кокса, передается шихтовым материалам, вызывая их нагрев и плавление.
• Перенос вещества ー в печи происходит перемещение газов, жидких и твердых материалов. Горячий воздух, подаваемый в печь снизу, поднимается вверх, взаимодействуя с шихтовыми материалами. Газы, образующиеся при горении кокса и химических реакциях, поднимаются вверх, проходя через слои шихтовых материалов.
• Фазовые превращения ー в печи происходит переход веществ из одного агрегатного состояния в другое⁚ твердые материалы плавятся, жидкости испаряются, газы конденсируются. Например, железная руда, кокс и флюсы плавятся при высоких температурах, образуя жидкий чугун и шлак.

Физические процессы в доменной печи тесно связаны с химическими реакциями. Они создают условия для протекания химических реакций, обеспечивают непрерывный ход плавки и формируют состав конечных продуктов — чугуна и шлака.