Загрузка шихты и распределение материалов наколошнике

В современной доменной печи продолжительность пребывания в ней материалов составляет 4-6 ч, а газов - около 3-12 с. Высокие показатели плавки могут быть получены при хо­рошем распределении газов по сечению печи. Только в этом случае газы в максимальной степени отдадут физическое те­пло материалам и наиболее полно будет использована их восстановительная способность. Естественно, что распреде­ление газового потока по сечению печи зависит от сопро­тивления столба шихты, через которую проходят газы. Учи­тывая то, что газы всегда движутся по зонам с меньшим со­противлением шихты, его в процессе загрузки регулируют, перераспределяя определенным образом порции агломерата и кокса по сечению печи с учетом того, что слой агломерата менее газопроницаем, чем слой кокса. Если этого не де­лать, то основная часть газов будет двигаться по зонам с малым сопротивлением шихты и покидать печь с высокой тем­пературой, т.е. с недоиспользованной тепловой энергией и с неполностью использованной восстановительной способнос­тью. В то же время в участках с большим сопротивлением шихты газов будет проходить мало и шихта будет плохо на­гретой и восстановленной, что потребует дополнительного расхода тепла в нижней части печи, т.е. увеличения расхо­да кокса.

При загрузке прежде всего учитывают следующее: дутье поступает в печь у стен и сопротивление газам у гладких стен меньше, чем в объеме шихты, в связи с чем газы стре­мятся двигаться у стен. Поэтому целесоообразно, чтобы у стен были толще слои менее газопроницаемого агломерата, а в центре - толще слои кокса, что способствует перераспре­делению газового потока к центру. По окружности же печи материалы должны располагаться равномерно.

Процессы восстановления

Восстановление железа

Железо поступает в доменную печь в виде оксидов: агломе­рат вносит Fe₃0₄ и немного Fe₂0₃ и FeO, окатыши- Fe₂0₃ и Fe₃0₄ и железная руда, если ее применяют,- Fe₂0₃ и Fe₃0₄, причем часть этих оксидов находится в виде хими­ческих соединений с другими оксидами.

Основная задача доменного процесса - обеспечение как можно более полного извлечения железа из этих оксидов пу­тем их восстановления. Восстановление заключается в отня­тии кислорода от оксида и получении из него элемента (или же оксида с меньшим содержанием кислорода). Его осуществ­ляют с помощью восстановителя - вещества, к которому пе­реходит кислород благодаря тому, что у восстановителя большее химическое сродство к кислороду, чем у восстанавливаемого элемента. Таким образом в процессе восстановле­ния одно вещество теряет кислород (восстанавливается), а другое приобретает его (окисляется). В общем виде процесс восстановления описывается уравнением:

МО + В = М + ВО,

где М -восстанавливаемый металл;

В- восстановитель;

МО - восстанавливаемый оксид;

ВО - оксид восстановителя.

В соответствии с выявленными акад. А.А.Байковым зако­номерностями восстановление оксидов железа протекает сту­пенчато от высших к низшим:

Fe₂0₃ - Fe₃0₄- FeO —» Fe.

Поскольку при температурах ниже 570 °С оксид FeO неустойчив и разлагается (на Fe₃0₄ и Fe), схема восста­новления при температурах ниже 570 °С следующая:

Fe₂0₃- Fe₃0₄-Fe.

Восстановителями оксидов железа в доменной печи служат углерод, оксид СО и водород. Восстановление углеродом принято называть прямым восстановлением, а газами - кос­венным. Реакции косвенного восстановления оксидом углеро­да следующие:

при температуре > 570 °С

l)3Fe₂0₃ + СО = 2Fe₃0₄ + С0₂ + 53 740;

2)Fe₃0₄ + СО = 3FeO + С0₂ - 36 680;

3)FeO + СО = Fe + С0₂ + 16 060; при температуре < 570 °С

4)l/4Fe₃0₄ + СО = 3/4Fe + С0₂ + 2870.

Их характерной особенностью является то, что продуктом реакций всегда является С0₂₎ и то, что они идут без затрат тепла. Реакции прямого восстановления углеродом протекают с образованием СО и требуют значительных затрат тепла, например:

5)FeO + C = Fe + CO - 152670.

Необходимо отметить, что приведенная запись реакции пря­мого восстановления не отражает механизма ее протекания. Дело в том, что непосредственное взаимодействие углерода с твердыми оксидами ограничено, так как поверхность кон­такта между неровными кусками очень мала. Поэтому факти­чески прямое восстановление протекает через газовую фазу и состоит из двух стадий:

FeO + СО = Fe + С0₂,

С0₂ + С = 2СО,

что после суммирования дает итоговую реакцию прямого вос­становления

FeO + С = Fe + СО.

Таким образом главное, что отличает прямое восстанов­ление от косвенного, это расходование углерода, а это оз­начает, что с развитием реакций прямого восстановления сокращается количество углерода, достигающего фурм.

Доменную печь условно делят на зону косвенного восстановления (зона с темпера­турами < 900-1000 °С) и зону, где может протекать лишь прямое восстановление (зона прямого восстановления с тем­пературами выше 900-1000 °С).

Косвенное восстановление водородом, содержание которо­го в атмосфере доменной печи может достигать 8-12 %, про­текает по следующим реакциям:

3Fe₂0₃ + Н₂ = 2Fe₃0«+ Н_гО - 4200;

Fe₃0₄ + Н₂ = 3FeO + Н_гО - 62410;

FeO + Н₂ = Fe + Н₂0 - 27800.

В доменной печи железо восстанавливается почти пол­ностью. Степень восстановления железа составляет 0,99-0,998, а это означает, что 99-99,8% железа перехо­дит в чугун и лишь 0,2-1,0% переходит в шлак.