Физико-химические процессы в доменной печи
Доменная печь ― это сложная система, в которой протекает множество физико-химических процессов, направленных на восстановление железа из железной руды. Эти процессы происходят в различных зонах печи, отличающихся температурой и химическим составом газовой фазы.
Подготовка шихтовых материалов
Перед тем, как шихтовые материалы попадут в доменную печь, они проходят тщательную подготовку, которая играет решающую роль в эффективности всего процесса. Цель подготовки ― обеспечить оптимальные условия для протекания химических реакций в печи, а также улучшить физические свойства материалов, что позволит увеличить скорость восстановления железа и снизить потери металла.
Подготовка железной руды заключается в ее обогащении, то есть удалении пустой породы, которая не участвует в процессе восстановления. Обогащение может проводиться разными методами, например, магнитной сепарацией, флотацией или гравитационным обогащением. В результате получают концентрат железной руды с более высоким содержанием железа.
Подготовка кокса ⎯ это ключевой этап, так как кокс является восстановителем и источником тепла в доменной печи. Кокс получают из каменного угля в коксовых печах при высокой температуре без доступа воздуха. Качество кокса определяется его механической прочностью, реакционной способностью и содержанием золы.
Подготовка флюсов ― это не менее важный этап, так как флюсы необходимы для регулирования состава шлака. Шлак ― это расплавленный шлаковый материал, который образуется в доменной печи в результате взаимодействия флюсов с пустой породой руды и золой кокса. Шлак должен иметь определенные физико-химические свойства, чтобы обеспечить его легкое удаление из печи и не загрязнял чугун.
Подготовка шихтовых материалов ― это сложный и ответственный процесс, который определяет эффективность работы доменной печи и качество получаемого чугуна.
Процессы в нижней части печи
Нижняя часть доменной печи, называемая горном, является ключевой зоной, где происходит плавление шихтовых материалов и формирование чугуна и шлака. Здесь температура достигает 1500-1600°C, что обеспечивает плавление железа и других компонентов шихты. В горне происходит интенсивное взаимодействие между твердой и жидкой фазами, а также с газовой фазой, которая поднимается из шахты.
Основные процессы, протекающие в горне⁚
- Плавка шихтовых материалов⁚ Под воздействием высокой температуры шихтовые материалы плавятся, образуя жидкий чугун и шлак. Железо восстанавливается из железной руды в виде жидкого чугуна, который собирается на дне горна. Шлак ― это расплавленный шлаковый материал, который образуется в результате взаимодействия флюсов с пустой породой руды и золой кокса. Он плавает на поверхности чугуна и выводится из печи через шлаковый воронку.
- Взаимодействие чугуна и шлака⁚ Жидкий чугун и шлак находятся в тесном контакте и обмениваются компонентами. Шлак поглощает некоторые примеси из чугуна, например, серу и фосфор, что улучшает качество чугуна.
- Реакции восстановления⁚ В горне продолжаются процессы восстановления железа из оксидов железа, которые не успели восстановиться в шахте.
- Нагрев газовой фазы⁚ Газовая фаза, которая поднимается из шахты, нагревается в горне до высокой температуры и участвует в процессах восстановления и плавки.
Процессы в горне являются основой доменной плавки, так как здесь формируется основной продукт ⎯ чугун.
Процессы в шахте печи
Шахта доменной печи ― это центральная часть печи, где происходит основная часть процессов восстановления железа из железной руды. В шахте шихтовые материалы подвергаются воздействию восстановительных газов, которые поднимаются снизу вверх. Температура в шахте постепенно возрастает с высоты, достигая около 1000°C в нижней части шахты.
Основные процессы, протекающие в шахте⁚
- Прогрев шихтовых материалов⁚ При прохождении через шахту шихтовые материалы постепенно нагреваются восстановительными газами. Температура в шахте постепенно увеличивается с высоты, что приводит к прогреву шихты до температуры, необходимой для дальнейшего восстановления железа.
- Восстановление железа⁚ В шахте происходит основная часть процессов восстановления железа из железной руды. Восстановительные газы, содержащие угарный газ (CO) и водород (H2), взаимодействуют с оксидами железа (Fe2O3, Fe3O4, FeO), восстанавливая их до металлического железа.
- Образование шлака⁚ Флюсы, введенные в шихту, взаимодействуют с пустой породой руды и золой кокса, образуя расплавленный шлак. Шлак опускается вниз по шахте и выводится из печи через шлаковый воронку.
- Прокалка⁚ В верхней части шахты происходит прокалка известняка, который является флюсом. Прокалка известняка приводит к образованию оксида кальция (CaO), который является основным компонентом шлака.
Процессы в шахте являются ключевыми для эффективного восстановления железа и образования шлака.