Производство чугуна. Доменный процесс

Сырьё

Основное сырьё — железные руды:

Руда	Минерал	Формула
Красный железняк	гематит	$\mathrm{Fe_2O_3}$
Бурый железняк	гидратированный оксид железа(III)	$x\mathrm{Fe_2O_3} \cdot y\mathrm{H_2O}$
Магнитный железняк	магнетит	$\mathrm{Fe_3O_4}$

В доменную печь загружают шихту — смесь трёх компонентов:

железная руда;
кокс — топливо и одновременно восстановитель (углерод);
флюс — известняк $\mathrm{CaCO_3}$ : уменьшает спекание шихты и выводит примеси в шлак.

Доменная печь

Железо выплавляют в доменной печи — аппарате, в котором оксиды железа восстанавливаются до металла, удаляются примеси и плавится образующийся продукт. Это непрерывное производство, в котором сочетаются физические, аэродинамические и химические процессы: шихта опускается сверху вниз, навстречу ей поднимаются горячие газы, и важно, чтобы восстановление шло равномерно по всему сечению печи.

Размеры современной печи: высота — около 30 м, диаметр распара — 12 м, диаметр горна — 10 м, объём — 2700 м³.

Часть печи (сверху вниз)	Что происходит
Колошник	загрузка шихты через засыпной аппарат, отвод доменного газа
Шахта	нагрев и разрыхление шихты, восстановление оксидов железа; шахта расширяется книзу, чтобы нагревающаяся шихта свободно опускалась
Распар	самая широкая часть: заканчивается восстановление
Заплечики	железо начинает плавиться, объём шихты уменьшается — печь сужается, чтобы не возникало пустот
Горн	вдувается горячий воздух, горит кокс, температура — до 1800 °C; здесь собираются жидкие чугун и шлак

Чугун и шлак не смешиваются и разделяются по плотности: шлак легче и плавает сверху. Периодически их выпускают из печи через отдельные лётки.

🙏 Если вам нравится сайт, подпишитесь на наш 🔗 Телеграм-канал.

Химия доменного процесса

1. Горение кокса. Кокс горит только в горне, куда вдувают воздух:

\mathrm{C + O_2 = CO_2} + Q

Выше, в слое раскалённого кокса, углекислый газ превращается в оксид углерода(II) — основной восстановитель:

\mathrm{CO_2 + C = 2CO} - Q

2. Восстановление оксидов железа идёт в шахте ступенчато — от высшего оксида к низшему и к металлу:

\mathrm{Fe_2O_3 \longrightarrow Fe_3O_4 \longrightarrow FeO \longrightarrow Fe}

\begin{aligned} \mathrm{3Fe_2O_3 + CO} &= \mathrm{2Fe_3O_4 + CO_2} \\ \mathrm{Fe_3O_4 + CO} &= \mathrm{3FeO + CO_2} \\ \mathrm{FeO + CO} &= \mathrm{Fe + CO_2} \end{aligned}

Восстановление газом — оксидом углерода(II) — называют косвенным. В нижней, более горячей части печи идёт и прямое восстановление — твёрдым углеродом кокса:

\mathrm{FeO + C = Fe + CO}

Какой из оксидов устойчив при данных условиях, определяется температурой и долей $\mathrm{CO}$ в газовой смеси $\mathrm{CO + CO_2}$ : чем выше содержание $\mathrm{CO}$ , тем глубже идёт восстановление.

3. Восстановление примесей. Руда содержит кремний, серу и фосфор — в виде $\mathrm{SiO_2}$ , $\mathrm{FeS}$ , $\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}$ . Часть примесей восстанавливается углеродом и растворяется в железе:

\mathrm{SiO_2 + 2C = Si + 2CO}, \qquad \mathrm{P_2O_5 + 5C = 2P + 5CO}

4. Образование шлака. Флюс разлагается, и оксид кальция связывает пустую породу и примеси в легкоплавкий шлак:

\mathrm{CaCO_3 \xrightarrow{\;t\;} CaO + CO_2}

\begin{aligned} \mathrm{CaO + SiO_2} &= \mathrm{CaSiO_3} \\ \mathrm{3CaO + P_2O_5} &= \mathrm{Ca_3(PO_4)_2} \\ \mathrm{FeS + CaO} &= \mathrm{FeO + CaS} \end{aligned}

Силикат, фосфат и сульфид кальция уходят в шлак.

5. Образование чугуна. Восстановленное железо растворяет углерод и часть примесей, температура его плавления понижается, и жидкий металл стекает в горн.

Продукты

Продукт доменной плавки — чугун: сплав железа с углеродом (≈ 3–4 %), содержащий также серу, фосфор, кремний и марганец. Побочные продукты — шлак и доменный газ.

Большая часть чугуна идёт на передел — из него выплавляют сталь.

Производство стали