Для чего нужна доменная печь? Конструкция доменной печи, принцип работы и устройство

Домна, или доменная печь – это сложный комплекс технологического оборудования, используемый в металлургической промышленности для получения черного металла. Фактически, это большое сооружение, которое включает в себя не только печь, но и вспомогательные узлы.

Для чего нужна доменная печь? Цель у нее одна – получение чугуна, который будет использоваться в металлургии для изготовления машин, оборудования и прочих металлсодержащих изделий.

Принцип работы

Принцип работы доменной печи состоит в следующем: в приемную камеру загружается рудная шихта с коксом, известняковым флюсом. В нижней части осуществляется периодический выпуск чугуна/ферросплавов и отдельно расплава шлака. Так как при выпуске уровень материала в домне понижается, требуется одновременная загрузка новых партий шихты.

Процесс работы постоянный, горение поддерживается при контролируемой подаче кислорода, что обеспечивает большую эффективность.

Конструкция доменной печи обеспечивает непрерывный процесс переработки руды, срок эксплуатации домны составляет 100 лет, капитальный ремонт проводится каждый 3-12 лет.

Фото доменной печи

Кто изобрел?

Современную доменную печь изобрел Дж. Б. Нилсон, который первым начала подогревать воздух, подаваемый в домну, произошло то в 1829 г., а в 1857 г. Э. А. Каупер ввел в использование специальные регенеративные воздухонагреватели.

Это позволило сильно снизить расход кокса более, чем на треть и повысить эффективность работы печи. До этого первые доменные печи фактически были сыродутными, то есть в них вдувался не обогащенный и не подогретый воздух.

Использование кауперов, то есть регенеративных воздухонагревателей, позволило не только повысить эффективность домны, но и снизить или вовсе исключить закозление, что наблюдалось при нарушениях технологии. Можно смело утверждать, что это изобретение позволило довести процесс до совершенства. Современные домны работают именно по этому принципу, хотя их управление сегодня автоматизировано и обеспечивает большую безопасность.

Доменный процесс

Современные печи для плавки чугуна обеспечивают примерно 80 % от общего количества чугуна, с разливочных площадок он сразу подается в электроплавильные либо мартеновские цеха, где и происходит переделка черного металла в сталь с требуемыми качествами.

Из чугуна получают чушки, отправляемые затем производителям для отливки их в вагранках. Для слива шлака и чугуна используются специальные отверстия, называемые летки. Однако в современных печах применяются не отдельные, а один общий леток, разделяемый специальной жароупорной плитой на каналы для подачи чугуна и шлака.

Как работает домна?

Доменный процесс полностью зависит от избытка углерода в полости печи, он заключается в термохимических реакциях, протекающих внутри при загрузке всех компонентов и их нагреве.

Температура в доменной печи может составлять 200-250°С непосредственно под колошником и до 1850-2000°С в активной зоне – распаре.

При подаче в печь горячего воздуха и розжиге кокса в домне повышается температура, начинается процесс разложения флюса, в результате чего повышается содержание углекислого газа.

При понижении столба материала в шихте происходит восстановление монокисла железа, в нижней части столба из FeO восстанавливается чистое железо, стекающее в горн.

По мере стекания железо активно контактирует с углекислым газом, происходит насыщение металла и придание ему требуемых свойств. Общее содержание углерода в железе может составлять от 1,7%.

Схемы доменной печи

Схемы доменной печи в разрезе (разные варианты):

Устройство домны

Конструкция домны очень сложная, это большой комплекс, который включает в себя следующие элементы:

зона горячего дутья,
зона плавления (сюда входят горн и заплечики),
распар, то есть зона, где происходит восстановление FeO,
шахта, где происходит восстановление Fe2O3,
колошник с предварительным нагревом материала,
загрузка шихты и кокса,
доменный газ,
зона, где находится столб материала,
выпуски для шлака и жидкого чугуна,
сбор для отходящих газов.

Высота доменной печи может достигать 40 м, вес – до 35 000 тон, вместимость рабочей зоны зависит от параметров комплекса.

Точные значения зависят от загрузки предприятия и его назначения, требований к объемам получаемого металла и прочих параметров.

Более подробный вариант устройства:

Разряды ремонта домны

Для поддержания рабочего состояния домны регулярно проводится капитальный ремонт (каждый 3-15 лет). Он разделяется на три вида:

Первый разряд включает в себя работы по выпуску продуктов плавления, осмотру оборудования, занятого в технологическом процессе.
Второй разряд – это полная замена элементов оборудования, подлежащего средним ремонтным работам.
Третий разряд требует полной замены устройства, после чего выполняется новая засыпка сырья с правкой колошников.

Системы и оборудование

Доменная печь – это не только установка для получения чугуна, но и многочисленные вспомогательные узлы. Это система подачи шихты и кокса, отвод шлака, расплавленного чугуна и газов, система автоматического управления, кауперы и многое другое.

Принципы работы печи остались такими же, как и столетия назад, но современные компьютерные системы и автоматизация производства сделали домну более эффективной и безопасной.

Кауперы

Современное устройство доменной печи предполагает использование каупера для нагрева подаваемого воздуха. Это установка циклического действия из жаростойкого материала, которое обеспечивает нагрев насадки до 1200°С.

Каупер включает при остывании насадки до 800-900°С, что позволяет обеспечить беспрерывность процесса, снизить расход кокса и повысить общую эффективность конструкции.

Ранее такое устройство не применялось, но начиная с 19 в. оно является обязательно частью домны.

Количество батарей кауперов зависит от размеров комплекса, но обычно их не менее трех, что делается с расчетом на возможную аварию и сохранение работоспособности.

Колошниковый аппарат

Колошниковый аппарат эта часть является наиболее ответственной и важной, включающей в себя три газовых затвора, действующих по согласованной схеме.

Цикл работы этого узла выглядит следующим образом:

в исходном положении конус поднят, он преграждает выход, нижний конус опущен,
скип загружает в колошник шихту,
вращающаяся воронка поворачивается и пропускает сырье через окна на малый конус,
воронка возвращается в исходное положение, закрывая окна,
малый конус опускается, загрузка проходит в межконусное пространство, после чего конус поднимается,
большой конус принимает исходное положение, выпуская шихту в полость домны для переработки.

Скип

Скипы это специальные подъемники шихты. При помощи таких подъемников калошей из скиповой ямы захватывается сырье, подаваемое наверх по наклонной эстакаде.

Затем калоши опрокидываются, подавая шихту в загрузочную область, и возвращаются вниз за новой порцией. Процесс этот сегодня осуществляется автоматически, для управления используются специальные компьютеризированные узлы.

Фурмы и летки

Сопло фурмы печи направлено в ее полость, через него можно наблюдать течение процесса плавки. Для этого через специальные воздуховоды монтируются гляделки с жаростойкими стеклами. На срезе давление может достигать значения в 2,1-2,625 МПа.

Летки используются для слива чугуна и шлака, сразу после выпуска они плотно запечатываются специальной глиной. Раньше использовались пушки, которые выстраивали пластичным глиняным ядром, сегодня применяются дистанционно управляемые пушки, которые могут подходить к конструкции вплотную. Такое решение дало возможность снизить травматичность и аварийность процесса, сделать его более надежным.

Как сделать доменную печь своими руками?

Нюансы

Производство чугуна является высокорентабельным бизнесом, но наладить изготовление черного металла без серьезных финансовых инвестиций невозможно. Доменная печь своими руками в «кустарных условиях» – это просто нереализуемо, что связано со многими особенностями:

крайне высокая стоимость домны (такие расходы могут себе позволить исключительно крупные комбинаты),
сложность конструкции, несмотря на то, что чертеж доменной печи можно найти в свободном доступе (выше схемы), собрать полноценный агрегат для производства чугуна не получится,
физлица и ИП не могут заниматься деятельностью по изготовлению чугуна, на это просто никто не выдаст лицензию,
залежи сырья для черной металлургии практически исчерпаны, окатышей или агломерата в свободной продаже нет.

Читать статью Методы интенсификации доменного процесса

Но в домашних условиях можно собрать имитацию печи (мини-доменную печь), при помощи которой можно плавить металл.

Но работы эти требуют максимального внимания и крайне не рекомендуются при отсутствии опыта. Зачем может потребоваться изготовление подобной конструкции? Чаще всего – это обогрев для теплицы или дачи с максимально эффективно используемым топливом.

Инструменты и материалы

Для изготовления конструкции в домашних условиях, надо приготовить:

металлическая бочка (можно заменить на трубу с большим диаметром),
два отрезка трубы круглого сечения с меньшим диаметром,
отрезок швеллера,
листовая сталь,
уровень, ножовка по металлу, рулетка, молоток,
инвертор, набор электродов,
кирпичи, глиняный раствор (необходимы для фундамента конструкции).

Все работы надо проводить только на улице, так как процесс достаточно грязный и требующий наличия свободного пространства.

Пошаговая инструкция

На приготовленной заготовке в виде бочки срезается верх (его следует оставить, так как он понадобиться дальше).
Из стали вырезается круг с диаметром, меньшим чем диаметр бочки, в нем делается отверстие для трубы.
Труба аккуратно приваривается к кругу, внизу сваркой крепятся отрезки швеллера, которые будут придавливать топливо во время работы печи.
Крышка печи изготавливается из отрезанного ранее дна бочки, в котором делается отверстие для закладного люка с дверкой. Также необходимо сделать дверку, через которую будут удаляться остатки золы.
Печь обязательно устанавливается на фундамент, так как в процессе работы она очень сильно нагревается. Для этого сначала устанавливается бетонная плита, затем выкладывается несколько рядов из кирпича, образующих углубление в центре.
Для отвода продуктов сгорания монтируется дымоходная труба, диаметр прямой части будет больше, чем диаметр корпуса печи (требуется для лучшего отвода газов).
Отражатель не является обязательным элементом конструкции, но его использование позволяет повысить КПД печи.

Особенности конструкции

Особенностями такой самостоятельно изготовленной печи являются:

уровень КПД хороший,
есть возможность работы в автономном режиме до 20 часов,
в печи происходит не активное горение, а тление с постоянным выделением тепла.

Главным отличием «бытовой» доменной печи будет ограничение доступа воздуха к камере сгорания, то есть тление дров или угля будет происходит при низком уровне кислорода. По схожему принципу работает и промышленная домна, но бытовая применяется только для отопления, плавить металл в ней нельзя, хотя температура внутри камеры будет достаточной.

Стоимость на примере КПД №7

Изготовление доменных печей – это ресурсозатратный и дорогой процесс, который нельзя поставить на поток. Так как домны применяются исключительно в промышленности, их проектирование и сборка осуществляются под конкретный металлургический комплекс, включающий в себя многие объекты и узлы внутренней инфраструктуры. Такая ситуация наблюдается не только в РФ, но и в других странах мира, имеющих собственные объекты металлургии.

Стоимость изготовления и монтажа доменной печи достаточно высокая, что связано со сложностью выполнения работ. Примером может случить большой доменный комплекс №7 под названием «Россиянка», установленный в 2011 году. Его стоимость составила 43 млрд. рублей, к производству были привлечены лучшие инженеры РВ и стран зарубежья.

Комплекс включает в себя следующие узлы:

приемное устройство для руды,
приточные станции бункерной эстакады и центрального узла,
бункерная эстакада,
компрессорная станция (установлена на литейном дворе),
установка для вдувания пылеугольного топлива,
утилизационная ТЭЦ,
центр управления и административный корпус,
литейный двор,
домна,
воздухонагревательные блоки,
насосная станция.

Новый комплекс обеспечивает производство более 9450 тонн чугуна в сутки, полезный объем печи равен 490 куб.м, а рабочей – 3650 куб.м. Конструкция домны обеспечивает безотходное и экологически чистое производство чугуна, в качестве побочных продуктов получают доменный газ для ТЭЦ и шлак, используемый в дорожном строительстве.

Вывод

Домна – металлургическое оборудование, позволяющее получить чугун посредством переработки железной руды в промышленных масштабах.

Особенность технологии обеспечивает не только высокое качество получаемой продукции, но и экономный расход кокса. В процессе производства можно контролировать условия плавки, применяя для этого компьютеризированные системы и получая продукт со строго заданными свойствами.

Доменный процесс — Знаешь как

основной способ переработки природного железорудного сырья с получением чугуна (иногда ферросплавов и лигатур). Доменная плавка была освоена ещё в 14 в., и с тех пор уже в течение более 500 лет её технология практически не менялась. Сущность доменного процесса состоит в восстановлении железа из оксидов и получении расплавленного науглероженного металла (чугуна) и шлака, которые легко отделяются друг от друга вследствие различия в плотностях (плотность чугуна примерно в 2.5 раза превышает плотность шлака).

Выплавка чугуна из железорудных материалов производится в доменных печах. В любой момент времени доменная печь заполнена железосодержащими материалами: твёрдыми (в шахте, распаре и на колошнике), размягчёнными (в заплечиках, распаре и нижней части шахты), жидкими (в горне и металлоприёмнике) и коксом, который остаётся твёрдым во всём объёме печи. В нижней части печи кокс формирует своеобразную насадку, которая обеспечивает необходимый газодинамический режим плавки, полноту протекания процессов восстановления железа и науглероживания металла. В горне печи имеются отверстия для выпуска жидких продуктов плавки (лётки) и для ввода во внутреннее пространство печи дутья (фурмы). Доменное дутьё представляет собой воздух (иногда обогащённый кислородом), нагретый до 1000–1350 °C, с топливно-восстановительными добавками (природный газ, угольная пыль, мазут и т. п.). В горне печи формируется окислительная зона, где горят кокс и топливно-восстановительные добавки, в результате чего получается газ, состоящий из азота, оксида углерода и водорода. В окислительной зоне самый высокий уровень температуры (2000–2500 °C) в печи. Образовавшийся в окислительной зоне газ поднимается вверх; по мере продвижения его температура, количество и состав изменяются. Больше всего к нему добавляется оксида углерода, образующегося в результате реакций восстановления оксидов железа, кремния, фосфора, марганца и других элементов углеродом коксовой насадки. Состав газа меняется прежде всего вследствие протекания реакций восстановления – оксид углерода превращается в углекислый газ, а водород – в воду. Нагревая шихту, газ охлаждается до температуры 100–300 °C. Шихтовые материалы загружают в печь периодически, и время их пребывания в печи составляет 5–8 ч. По мере освобождения пространства в нижней части печи в результате сгорания кокса и плавления железной руды шихтовые материалы опускаются вниз, постепенно нагреваясь от поднимающихся вверх газов. При этом из них испаряется влага, происходит разложение карбонатов и восстановление оксидов железа оксидом углерода и водородом. При температуре ок. 1200 °C начинается размягчение, а затем плавление материалов с образованием чугуна и шлака. Шлак получается из пустой породы железорудных материалов, золы кокса и флюса (если он используется при плавке); шлак является главным регулятором химического состава чугуна. Состав чугуна формируется в процессе стекания капель металлического расплава по коксовой насадке и взаимодействия со шлаком. Температура чугуна на выпуске составляет обычно 1380–1420 °C, шлака – 1450–1500 °C. Жидкие продукты плавки выпускают из печи периодически (по мере накопления).

1 – загрузочная воронка; 2 – загрузочный конвейер; 3 – шахта; 4 – шлаковая лётка; 5 – фурма; 6 – шлаковоз; 7 – чугунная лётка; 8 – чугуновоз; 9 – отходящий газ; 10 – газоочистка; 11 – воздухонагреватели

Доменная печь является одним из наиболее эффективных материалосберегающих агрегатов; коэффициент извлечения железа для чугуна составляет 99.5—99.8 %. Доменная печь занимает головное положение в структуре металлургического предприятия. Качество производимого в доменной печи чугуна определяет параметры последующего сталеплавильного передела, доменный газ служит основой энергетического хозяйства предприятия, в доменной печи утилизируется (через агломерационное производство) большая часть собственных отходов металлургического производства. Доменное производство является практически безотходным, т. к. доменный шлак представляет собой самостоятельную готовую продукцию, пользующуюся спросом не меньшим, чем чугун, а доменные шламы и пыли являются постоянными компонентами шихты агломерационного процесса.

Читать статью Доменная печь средневековья кратко

ДОМЕННЫЙ ПРОЦЕСС

Контур вертикального сечения рабочего пространства доменной печи называют ее профилем. На рис. показаны отдельные его части. Часть пространства доменной печи, занятая загруженными в нее материалами и продуктами плавки, называется полезным объемом. С ростом потребности в металле, развитием энергетических и технических возможностей высота и поперечные размеры печей увеличивались. При этом соответственно возрастал и полезный объем, который у современных печей составляет обычно от 1300 до 2300 м 3 . Начиная с 1973 г. в Советском Союзе строятся печи объемом 3200 и 5000 м 3 .

Горение кокса происходит у фурм, через которые в доменную печь поступает воздух, нагретый до 1000—1200° С с избыточным давлением 304 кН/м 2 и линейной скоростью 140—200 м/с. Окислительная зона простирается от фурм примерно на 1200 мм к оси печи и на 600—1000 мм вверх. Содержание кислорода в газах по направлению к оси печи уменьшается; содержание СО₂ возрастает, а затем уменьшается в результате взаимодействия с углеродом по частным реакциям:

Читать статью Декомпозиция целей и задач: что это такое, методы, как использовать в маркетинге

Читать статью Что такое финансовые маркетплейсы

С+ СО2 = 2СО; ΔН298 = 172,32 кДж

2С + О₂ = 2СО; ΔН₂₉₈ = — 221,45 кДж.

Суммарная реакция отражает процесс горения кокса. Если учесть, что в воздушном дутье содержится азот, то этой реакции соответствует следующий состав газа в горне печи: 34,7% СО и 65,3% Н₂. Этот газ распространяется внутрь и вверх, отдавая тепло шихтовым материалам и взаимодействуя с ними как восстановитель.

В результате горения кокса у фурм в верхней части горна и заплечиках непрерывно освобождается часть плавильного пространства, в которое смещаются вышележащие слои сыпи.

Наиболее высокая температура в доменной печи — в фокусе горения на расстоянии 700— 800 мм от фурм. При выплавке передельных чугунов она достигает 1850° С, а при плавке на ферросилиций 2000° С. Колошниковые газы обычно нагреты до 250—275° С.

Давление дутья у фурм зависит от объема печи, возрастая с увеличением последнего; для печей объемом 1000 м 3 оно равно 215,7 кН/м 2 . По направлению к колошнику давление газа равномерно уменьшается до 107,9 кН/м 2 над уровнем сыпи. Сейчас работают при повышенном давлении колошникового газа. Для этого в газопроводе ставят шайбу, уменьшающую его сечение, и избыточное давление газа на колошнике увеличивается до 98—196 кН/м 2 . При этом скорость движения газа в печи уменьшается, улучшается распределение его по сечению печи, проникновение в шихту и отдельные куски руды.

Рис. Вертикальный разрез и профиль доменной печи полезным объемом 2700 м 3

Все это позволяет увеличить расход дутья без опасений нарушить равномерное распределение газов и сход шихтовых материалов. Увеличение расхода дутья при прочих постоянных условиях увеличивает объем и протяженность окислительной зоны.

За счет увеличения расхода дутья производительность печи удается повысить более чем на 10%.

Обогащение дутья кислородом интенсифицирует горение, уменьшает содержание азота в газах и повышает температуру в горне.

В целях экономии кокса в настоящее время успешно применяют природный газ, вдувая его в горн. Диссоциация продуктов горения, а также восстановление СО₂ и Н₂О поглощают тепло, которое должно быть компенсировано более высокой температурой дутья. Увеличение содержания водорода при использовании природного газа усиливает и ускоряет восстановление. При вдувании на 1 т чугуна около 100 м 3 природного газа и около 60 м 3 кислорода расход кокса уменьшается на 15—17%, а производительность возрастает на 10%.

Частичная замена кокса пылевидным топливом также возможна. Для этого некоксующийся уголь с пониженным содержанием серы и золы в виде пыли вдувают через фурмы, экономя этим до 30% кокса.

Восстановление окислов железа и других соединений

Характерным для доменного процесса является непрерывность и взаимодействие опускающихся шихтовых материалов с встречным потоком восстановительных газов. Восстановителями являются водород и окись углерода, которая в газах количественно преобладает и имеет первостепенное значение. Восстановление окислов железа окисью углерода называют косвенным.

Восстановление окислов железа протекает ступенчато — от высшего окисла до металлического железа последовательно повышающейся прочности связи кислорода с железом Fe₂О₃→Fe₃О₄→FeО→Fe. При температурах выше 570° С восстановление окиси железа до железа осуществляется тремя ступенями по следующим реакциям:

ΔН ₂₉₈ = — 52,25 кДж, ΔZ 0 = — 52130 — 41,00Г Дж/моль;

ΔН ₂₉₈ = 35,45 кДж, ΔZ 0 = 35380 — 40,167 Дж/моль;

3. FeO + СО = Fe + СО₂,

ΔН₂₉₈ = — 13,20 кДж, ΔZ 0 = — 13160 + 17,21 Г Дж/моль.

Термодинамическая неустойчивость закиси железа (вюстита) при температурах ниже 570° С обусловливает двухступенчатую схему восстановления F е₂О₃→Fe₃O₄→Fe с восстановлением магнитной окиси железа по реакции

Восстановление возможно при исходных составах газовой фазы, определяющих процесс с убылью изобарного потенциала:

Для того чтобы изобарный потенциал был меньше нуля ( Δ Z Читать статью Краткое описание технологии выплавки чугуна в доменном производстве

Рис. 2. Восстановительные свойства доменного газа в зависимости от температуры (уровень 400° С соответствует колошнику, уровень 1000—1100° С — низу шахты — распару):

14 — линии равновесия окислы железа — железо с газовой фазой СО—С0₂; 5,6 — пределы составов доменного газа на различных температурных уровнях; 7,8 — линии равновесия С—СО—С0₂ (7 — давление CO + CO 98,06 кН/м 2 ; 8 — давление CO+CO 39,2 кН/м 2 )

Читать статью Доменная печь и ее использование при производстве чугуна

Отношение СО/СО₂ в колошниковых газах составляет обычно от 2 до 3.

Температура колошника обеспечивает возможность восстановления окислов железа непосредственно после загрузки их в печь. Основная масса окислов железа восстанавливается до металлического железа к горизонтам низа шахты и распара.

Г. И. Чуфаров с сотрудниками экспериментально показали адсорбционно-автокаталитический механизм процесса восстановления, который протекает в три стадии: 1) адсорбция газа-восстановителя СО или Н₂ на поверхности окисла; 2) отрыв кислорода от окисла и переход его к адсорбированным молекулам СО или Н₂ с возникновением при этом молекул СО₂ или Н ₂О и новой фазы металла; 3) удаление (десорбция) продукта восстановления СО₂ или Н ₂О от реакционной поверхности:

Me О_тв + СО_газ = Me О_тв + СОадс Me О_тв + СО_адс | Me О_тв + СО_2адс, МеО _тв + СО_2адс = Ме _тв + СО_2газ

Автокаталитическому характеру процесса восстановления окислов железа отвечают: малая скорость реакции в начальный подготовительный период из-за трудности формирования новой фазы; интенсивное восстановление во второй период (рост поверхности раздела твердых фаз); падение скорости реакции в третий период в результате того, что многочисленные реакционные зоны сливаются в одну поверхность, площадь которой непрерывно уменьшается.

Скорость и степень восстановления железорудных материалов зависит от скорости подвода газа-восстановителя к зоне реакции и отвода от нее газовых продуктов; температуры процесса, крупности железорудных материалов (в результате дробления кусков восстановление ускоряется, так как увеличивается поверхность контакта кусков с восстановителем); пористости кусков (с увеличением пористости восстановление усиливается). При повышении давления газа-восстановителя усиливается его сорбция на поверхности железорудных материалов, а с увеличением скорости газового потока уменьшается толщина газовой пленки вокруг кусков.

Адсорбционно-автокаталитический механизм действует в условиях пониженных и умеренных давлений и температур, т. е. в верхней половине шахты доменной печи.

Читать статью Производство металлов. Производство чугуна, стали, алюминия, меди.

При высоких давлениях и температурах определяющим звеном и механизмом становится диффузия, в частности диффузия через восстановленный слой металла или низшего окисла. В зависимости от состояния восстановленного слоя может осуществляться диффузия молекул газа восстановителя и в обратном направлении газовых продуктов реакции. При плотной кристаллической структуре восстановленного слоя осуществляется диффузия ионов Fe 2+ и Fe 3+ к зоне реагирования. Диффузионный механизм характерен для низа шахты и распара.

Восстановление окислов возможно также за счет твердого углерода. Такое восстановление называется прямым и рассматривается как суммарный процесс восстановления окисью углерода и взаимодействия углерода с двуокисью углерода, по следующим реакциям:

FeO_TB + СО = Fe_TB + СО₂; ΔН₂₉₈ = — 13,20 кДж, С + СО₂ = 2СО; ΔН₂₉₈ = 172,30 кДж

FeO_TB + С = Fe_TB + СО; ΔН ₂₉₈ = 159,10 кДж

Таким образом, непосредственное восстановление осуществляется газовым восстановителем — окисью углерода, а твердый углерод, взаимодействуя с продуктом восстановления — двуокисью углерода, регенерирует окись углерода. Для прямого восстановления необходимо регенерирование двуокиси углерода в окись углерода со скоростью, восполняющей расход последней на восстановление. Прямое восстановление развивается тем сильнее, чем выше температура. В доменной печи в зоне температур 900—1000° С и выше восстановление происходит исключительно прямым путем. При выплавке обычных сортов чугуна от 40 до 60% железа восстанавливается из вюстита прямым путем. При выплавке чугуна с высоким содержанием марганца и кремния прямое восстановление достигает 80%.

Окислы марганца вносятся в доменную печь железной, марганцевой рудами или агломератом и восстанавливаются ступенчато аналогично окислам железа:

Восстановление до закиси марганца происходит в шахте на горизонтах температур 400—800° С. Закись марганца трудно

восстановима и восстанавливается только за счет твердого углерода по реакции

МnО_тв + С_кокса = Мn + СО; ΔН₂₉₈ = 209,04 кДж

с затратой тепла большей, чем при восстановлении закиси железа. Поэтому при выплавке ферромарганца расход кокса составляет 2,2—2 ,5 массовых единиц на единицу сплава. Восстановление закиси марганца задерживается до горизонта температур 1100—1200°С, при которых образуются жидкие шлаки. В результате этого закись марганца в виде силикатных соединений переходит в шлак, и восстановление марганца происходит из шлаковых расплавов. При этом прямому восстановлению марганца благоприятствует растворение в шлаках извести в соответствии с реакцией

Читать статью Китаев Б. И, Ярошенко Ю. Г, Лазарев Б. Л. Теплообмен в доменной печи

MnO•SiO₂ + 2СаО + С = Мn + 2СaО•SiO₂+ СО;

ΔН₂₉₈ = 178,87 кДж

При выплавке высокомарганцовистых сплавов полноте восстановления марганца способствуют повышенная основность шлака; снижение, относительного количества шлака; высокая температура нижних горизонтов печи.

Так как сродство кремния к кислороду выше, чем марганца, то для его восстановления необходимо более низкое отношение СО₂/СО в газе. Восстановление кремнезема происходит твердым углеродом при высоких температурах по реакции

Читать статью Прямое восстановление железа

Si0₂ + 2С = Si + 2СО; ΔН₂₉₈ = 61 1,74 кДж

Еще до восстановления кремнезема силикаты переходят в шлаковый расплав, так что восстановление кремния происходит из шлаковых расплавов. Восстановление марганца и кремния значительно облегчается при растворении их в железе, при этом восстановленный кремний образует силициды, растворяющиеся в железе. Образование карбидов восстановленных металлов также облегчает восстановление трудновосстановимых окислов.

Фосфор вносится в печь рудными материалами в виде Fe₃(PО ₄)₂ •8 Н₂О и Са₃Р₂О₃. Восстановление его из фосфата железа происходит косвенным и прямым путем, а из фосфата кальция только прямым (из шлаковых расплавов) по реакциям:

2 (3FeO • Р₂О₅) + 16С = 3 [Fe₂P] + [Р] + 16СО, (3СаО • Р₂О₅) + 5С = 3 (СаО) + 2 [Р] + 5СО;

ΔН₂₉₈= 1590,73 кДж.

Реакция облегчается в присутствии кремнезема, разрушающего фосфат кальция:

Все эти процессы вместе с образованием фосфидов железа Fe₂Р, Fe₃P, растворимых в железе, обеспечивают полноту восстановления фосфора, загрязняющего чугун. Единственная возможность получения чугуна с низким фосфором — малое содержание последнего в шихтовых материалах.

Хром восстанавливается из хромитов FeO•Cr₂О₃, а ванадий— из окислов V₂O₃, V₂O₂ и ванадитов. Степень восстановления хрома составляет 90%, ванадия 80%. Никель и кобальт восстанавливаются легче железа и полностью переходят в чугун.

Образование жидкого чугуна

Восстановление окислов железа заканчивается при 1100— 1200° С на уровне низа шахты и верха распара. Твердое железо γ-модификации растворяет углерод с образованием твердого раствора — аустенита. Железо каталитически способствует сдвигу равновесия реакции влево с выделением активированного углерода, внедряющегося в решетку γ-железа:

3Fe + 2СО = Fe,C + СО₂

Температура плавления науглероженного железа более низкая, чем у чистого железа (см. рис. 211), поэтому железо, науглероженное до 1,5—2% С, плавится на уровне распара и каплями стекает по кускам кокса, дополнительно растворяя углерод, содержание которого в чугуне достигает 3,7—4,2%. Одновременно и вслед за науглероживанием чугун растворяет фосфор, марганец и кремний. Наличие в чугуне карбидообразующих элементов— марганца, хрома и др. повышает углерод в чугуне. Напротив, кремний, фосфор и сера способствуют снижению углерода, разлагая Fe₃C и выделяя свободный углерод в виде графита. Это повышает механические свойства твердого чугуна, поэтому чугун для литья плавят в условиях, повышающих восстановление кремния в чугун до 4,0%.

Статья на тему Доменный процесс

ДО́МЕННЫЙ ПРОЦЕ́СС

ДО́МЕННЫЙ ПРОЦЕ́СС, получение чугуна из железорудных материалов в доменной печи. В основе Д. п. лежит принцип противотока: загружаемая в верхнюю часть печи (колошник) исходная шихта (железорудный материал, твёрдое топливо, флюс) движется вниз, а газообразные продукты, образовавшиеся в нижней части печи (горне) при сжигании топлива в потоке дутья (нагретый воздух или воздух, обогащённый кислородом либо водяным паром), – вверх. Противоток способствует эффективному протеканию массо- и теплообменных процессов, что обусловливает высокие показатели использования ресурсов в доменных печах: полезное использование теплоты составляет 80–90%, степень извлечения железа – 99,5–99,8%. Для обеспечения тепловых потребностей процесса используется значит. избыток кокса, который обусловливает повышенное содержание углерода в чугуне (3,4–5,2% С по массе).

Для чего нужна доменная печь? Конструкция доменной печи, принцип работы и устройство