основные физико-химические процессы доменной плавки

Доменная плавка ― это сложный технологический процесс, который включает в себя множество физико-химических реакций. В основе процесса лежит восстановление железа из железной руды с помощью кокса.

Подготовка шихтовых материалов

Подготовка шихтовых материалов ― это первый и очень важный этап доменной плавки. От качества подготовки шихты напрямую зависит эффективность всего процесса.

В качестве шихтовых материалов используются⁚

• Железная руда ‒ основной источник железа. Она содержит оксиды железа, которые в процессе плавки восстанавливаются до металлического железа.
• Кокс ‒ топливо для доменной печи, а также восстановитель. Он обеспечивает высокую температуру в печи и поставляет углерод для реакции восстановления железа.
• Флюс ‒ вещество, которое добавляется в шихту для регулирования состава шлака. Флюс способствует удалению примесей из руды и снижению температуры плавления шлака.

Перед загрузкой в доменную печь шихтовые материалы подвергаются тщательной подготовке⁚

• Дробление и измельчение⁚ руда, кокс и флюс дробятся и измельчаются до определенного размера, чтобы обеспечить равномерное распределение и контакт с газами в печи.
• Обогащение⁚ железная руда часто проходит процесс обогащения, чтобы повысить содержание железа и снизить содержание вредных примесей.
• Смешивание⁚ все компоненты шихты тщательно смешиваются в определенных пропорциях, чтобы обеспечить оптимальный состав шихты и оптимальные условия плавки.

Правильная подготовка шихтовых материалов ‒ это залог успешного процесса доменной плавки. Она обеспечивает высокую производительность печи, снижает потери железа и улучшает качество получаемого чугуна.

Процесс плавки

Процесс плавки в доменной печи ‒ это непрерывный цикл, который начинается с загрузки шихтовых материалов в верхнюю часть печи и заканчивается выводом чугуна и шлака из нижней части.

В печи происходит ряд физико-химических процессов, которые можно условно разделить на несколько этапов⁚

• Предварительный нагрев⁚ шихта, попадая в печь, постепенно нагревается горячими газами, поднимающимися снизу. В этой зоне происходит частичное удаление влаги и летучих веществ из шихты.
• Восстановление железа⁚ по мере продвижения вниз, шихта попадает в зону высоких температур, где происходит восстановление железа из оксидов. В этой зоне происходит реакция между оксидами железа и углеродом кокса, в результате которой образуется металлическое железо и углекислый газ.
• Плавление и образование шлака⁚ при достижении температуры плавления, железо и другие компоненты шихты начинают плавиться. Одновременно образуется шлак ‒ расплавленная смесь флюсов и примесей, которые удаляются из печи.
• Спуск расплава⁚ расплавленное железо и шлак, под действием силы тяжести, стекают вниз, где собираются в нижней части печи.

Процесс плавки в доменной печи регулируется путем изменения состава шихты, температуры в печи, скорости подачи воздуха и других параметров. Это позволяет получить чугун с определенными свойствами, которые соответствуют требованиям конкретного производства.

Химические реакции в доменной печи

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

• Реакции восстановления железа⁚ это ключевые реакции, которые приводят к образованию металлического железа из оксидов. Основные реакции восстановления⁚
  • Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO
  • Fe₃O₄ + 4C = 3Fe + 4CO
  • FeO + C = Fe + CO

  Эти реакции протекают при высоких температурах и с участием углерода кокса, который является восстановителем.

• Реакции горения кокса⁚ кокс, являясь топливом, сгорает в печи, обеспечивая тепло для процесса плавки. Основная реакция горения⁚
  • C + O₂ = CO₂

  В результате горения образуется углекислый газ, который затем частично восстанавливается до угарного газа⁚

  • CO₂ + C = 2CO
• Реакции образования шлака⁚ в печи происходят реакции между флюсами (известняком, доломитом) и примесями руды, в результате которых образуется шлак ‒ расплавленная смесь оксидов, которая удаляется из печи.

Совокупность этих реакций определяет состав и свойства получаемого чугуна, а также эффективность работы доменной печи.

Физические процессы в доменной печи

В доменной печи происходят сложные физические процессы, которые тесно связаны с химическими реакциями и обеспечивают непрерывность плавки.

• Движение материалов⁚ шихтовые материалы (руда, кокс, флюсы) загружаются в верхнюю часть печи и постепенно опускаются вниз под действием собственного веса. Скорость движения материалов зависит от многих факторов, таких как размер кусков, их плотность, температура, а также от газового потока, поднимающегося вверх.
• Теплообмен⁚ в печи происходит интенсивный теплообмен между газами, твердыми материалами и стенками печи. Тепло выделяется при горении кокса, а также при экзотермических химических реакциях. Тепло передается от горячих газов к твердым материалам за счет конвекции и излучения.
• Переход фаз⁚ в печи происходят различные переходы фаз⁚
  • Плавление⁚ руда, кокс и флюсы плавятся при достижении соответствующих температур.
  • Испарение⁚ некоторые компоненты шихты, например, вода, испаряются при нагревании.
  • Сублимация⁚ некоторые вещества, например, углерод, могут переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу.
• Газодинамические процессы⁚ в печи происходит движение газов, которые образуются при горении кокса и химических реакциях. Газовый поток поднимается вверх, создавая давление, которое способствует движению шихтовых материалов вниз.

Все эти физические процессы тесно взаимосвязаны и влияют друг на друга, обеспечивая непрерывный цикл плавки в доменной печи.