В печи происходит встречное движение двух потоков: шихты (руда, флюсы и топливо), которая движется сверху вниз, и встречного потока газов, образующихся при сгорании топлива в фурменной зоне. Опускающаяся в печи шихта по мере ее нагревания вначале освобождается от летучих веществ (влаги, углекислого газа и продуктов сухой перегонки топлива), а затем под действием окиси углерода и твердого углерода постепенно происходит восстановление железа из его окислов, после чего образуется металлическое железо, которое при температуре выше 900° науглероживается.
Удаление летучих веществ. В верхних горизонтах печи происходит испарение влаги, содержащейся в сырье, что связано с поглощением тепла.
Заметное влияние на ход процесса оказывают углекислые соли, содержащиеся в доменной шихте, в особенности известняк, который при температуре около 9С03 разлагается и поглощает большое количество тепла:
CaC03=Ca0-j-C0.2—42 500 кал.
Поэтому применение офлюсованного агломерата является экономически более выгодным, так как он содержит уже готовую окись кальция, образующуюся за счет разложения известняка во время приготовления агломерата.
Восстановление окислов железа. Восстановление окислов железа в печи протекает за счет углерода, его окиси и частично за счет водорода. Процесс восстановления, протекающий за счет твердого углерода, называется прямым восстановлением, а за счет СО и Н2 — косвенным.
Кислород воздуха, поступающий в доменную печь, в первый момент горения образует двуокись углерода по реакции:
C-j-02=C02-|-95760 кал
На определенном расстоянии от конца фурмы двуокись углерода полностью восстанавливается избытком углерода в окись углерода по реакции:
СО-С=2СО—39 890 кал.
Образующая окись углерода, встречаясь с окислами железа восстанавливает их.
Наименее прочным окислом является окись железа. Закись-окись является более прочным окислом. Еще более прочным окислом является закись железа. Вследствие этого процесс восстановления протекает ступенчато. Сначала восстанавливается окись железа:
Реакция восстановления является равновесной, и в момент равновесия в газовой фазе будет присутствовать как окись, так и двуокись углерода. Данные о составе газовой фазы при восстановлении окислов железа приведены на рисунке 77. Как следует из приведенных данных, например, при 700° в состоянии равновесия с Fe304 будет находиться около 40% окиси углерода и 60% двуокиси. Дальнейшее восстановление до закиси железа может при указанной температуре протекать только в том случае, если в газовой смеси будет находиться более 40% окиси углерода.
Восстановление закиси-окиси железа также является равновесной реакцией:
Fe A+CO3FeO-f Н-СО,—5350 кал
Металлическое железо будет получаться только в том случае, когда в газовой фазе будет содержаться окиси углерода больше, чем это соответствует равновесному состоянию, отображенному линией А—С на рисунке 77. Восстановление закиси железа протекает также с выделением тепла:
Закись железа ниже 570°С неустойчива. Поэтому если восстановление проводится при температуре ниже указанной, то закись-окись железа дает непосредственно порошкообразное железо, минуя закись железа.
Восстановление окислов железа непосредственно углеродом, называемое прямым восстановлением, протекает только при высоких температурах, начиная примерно с 1000°. Оно начинается на уровне распара доменной печи и особенно интенсивно протекает на уровне заплечиков, где имеется наиболее высокая температура. В реакции прямого восстановления принимает участие не только кокс, но также и так называемый сажистый углерод, образующийся за счет реакции термического разложения окиси углерода:
Катализирующее влияние на эту реакцию оказывает поверхность металлического железа.
Восстановление прочих элементов. Помимо железа, в доменной печи восстанавливаются также и другие элементы, присутствующие в шихте. Эти элементы поэтому неизбежно переходят в чугун. Большинство элементов восстанавливается за счет твердого углерода, и этот процесс протекает с поглощением тепла. С повышением температуры химическое сродство металлов к кислороду уменьшается, а сродство углерода к кислороду увеличивается. Поэтому при высоких температурах углерод способен восстанавливать большинство элементов.
Восстановление кремния из кремнезема происходит при температурах около 1450° по реакции:
SiOa-j-2C=Si-{-2CO—150090 кал.
Восстановление двуокиси марганца, присутствующей в руде, протекает легко, так как этот окисел непрочный. Даже при простом нагревании выше 400°С она постепенно переходит в окись марганца Мл203, а около 1000° — в закись-окись марганца Мп304. Закись-окись при восстановлении окисью углерода переходит в закись марганца МпО. С уменьшением содержания кислорода (т. е. в ряду Мп02, Мп203, Мп304, МпО) прочность окислов марганца увеличивается. Восстановление закиси марганца, как наиболее прочного окисла, идет главным образом за счет твердого углерода:
МО+С=М+СО—68 930 кал.
Восстановление хрома протекает также за счет твердого углерода с поглощением большого количества теплоты:
Cr203-j-ЗС=2Сг+ЗСО—204 660 кал.
Поэтому выплавка хромистого чугуна связана с повышенным расходом топлива.
Восстановление титана из двуокиси титана происходит главным образом при помощи твердого углерода при высокой температуре:
Ti0.2+2C=Ti+2C0—169960 кал.
При плавке титанистых руд образуются очень густые шлаки, которые усложняют ход доменного процесса. Объясняется это тем, что значительная часть титана остается в шлаке в виде окислов, сообщающих вязкость шлаку.
Восстановление ванадия сопряжено с большими трудностями, так как этот элемент относится к трудно-восстановимым. Для восстановления ванадия необходимо иметь сильно основной шлак и высокую температуру.
Поведение фосфора и серы в доменной плавке. Фосфор, присутствующий в руде в виде фосфатов, например Са3(Р04)2, под влиянием окиси углерода и кокса, особенно в присутствии двуокиси кремния, практически полностью восстанавливается и переходит в чугун. Поэтому содержание его в чугуне зависит от содержания его в шихте и регулировать это содержание можно только соответствующим подбором состава руды и флюсов.
Сера попадает в доменную печь преимущественно с коксом и частично с рудой и известью. В процессе доменной плавки она химически взаимодействует почти со всеми металлами с образованием соответствующих сульфидов (FeS, CaS, MnS и т. п.), которые оказывают большое влияние на свойства чугуна и стали. Сульфиды обладают различной растворимостью в жидком железе: сульфид железа— хорошей, сульфид марганца — плохой, а сульфид кальция практически в железе не растворяется, но зато хорошо растворяется в шлаке. Поэтому важнейшей задачей металлургов является перевод сульфидов железа в другие сульфиды, и главным образом в сульфид кальция CaS. Следовательно, при высокой температуре и достаточном количестве известняка в шихте сера в значительной своей части может быть удалена из металла с переходом в шлак.
Поведение серы в доменной печи можно описать следующими уравнениями: Удалению серы из чугуна способствует также марганец, который является более активным по отношению к сере, чем железо:
FeS+Mn=Fe-fMnS-f-21 770 кал.
При этом MnS переходит в шлак. В шлаке сульфиды взаимодействуют с известью, в результате чего образуется растворимый в шлаке и нерастворимый в металле сернистый кальций.
Науглероживание и образование чугуна. Восстансрвленное в процессе доменной плавки железо представляет собой твердый и пористый продукт, называемый губчатым железом; температура плавления его 1538°. Губчатое железо сравнительно легко вступает во взаимодействие с окисью углерода, а при высоких температурах - и с твердым сажистым углеродом, с образованием карбида железа: В результате этих процессов железо науглероживается, и вследствие этого температура его плавления сильно понижается (примерно до 1150—1200°). Науглероженное железо в жидком состоянии в виде капель и струек стекает в горн печи. Стекая вниз, железо взаимодействует с восстановленным кремнием, марганцем, фосфором, серой и другими элементами, растворяя их в себе. Поэтому в горн печи уже поступает сложный многокомпонентный сплав — чугун.
Содержание углерода в чугуне зависит от температуры чугуна и времени его пребывания в нижней части печи. С повышением температуры и увеличением длительности пребывания чугуна в контакте с раскаленным коксом содержание углерода в нем увеличивается.
Углерод в чугуне может находиться либо в виде химического соединения с железом — карбида железа (Fe3C), либо в свободном состоянии — в виде графита. Это зависит от содержания в чугуне кремния и марганца и от условий его охлаждения.
Шлакообразование. Процесс шлакообразования начинается в области верхней части заплечиков, где температура составляет примерно 1200°.
На ход доменного процесса и на сорт выплавляемого чугуна оказывают большое влияние химический состав и физические свойства шлака — температура его плавления, его жидкотекучесть (в расплавленном состоянии) и плавкость, характеризующаяся количеством тепла, необходимого для его расплавления.
Шлаки, выпускаемые из доменной печи, содержат Si02, А1а03, CaS, FeO и другие компоненты.