Доменное производство – это один из старейших и наиболее фундаментальных металлургических процессов‚ лежащий в основе современного промышленного производства стали. Он позволяет получать чугун – основной промежуточный продукт для дальнейшего передела в сталь. Суть процесса заключается в восстановлении оксидов железа из руды при высоких температурах в специальной печи – доменной.
Сырьевые материалы для доменной плавки
Для эффективной и непрерывной работы доменной печи требуется тщательно подготовленное сырье‚ которое загружается сверху в определенном соотношении (шихта):
- Железная руда: Основной источник железа. Используются агломерат (спеченные мелкие фракции руды с добавками)‚ окатыши (гранулированная концентрированная руда) или кусковая руда. Содержит оксиды железа (Fe2O3‚ Fe3O4) и пустую породу.
- Кокс: Выполняет несколько функций: является основным топливом (источник тепла)‚ восстановителем оксидов железа и разрыхлителем шихты‚ обеспечивающим газопроницаемость столба материалов.
- Флюсы: Чаще всего это известняк (CaCO3) или доломит (CaMg(CO3)2). Их задача – взаимодействовать с пустой породой руды и золой кокса‚ образуя легкоплавкий шлак‚ который удаляет нежелательные примеси.
Устройство доменной печи
Доменная печь – это высокое шахтное сооружение цилиндрической формы‚ футерованное огнеупорным кирпичом. Она состоит из нескольких основных частей:
- Колошник: Верхняя часть‚ через которую осуществляется загрузка шихты. Оборудован засыпным аппаратом для равномерного распределения материалов;
- Шахта: Основной объем печи‚ где происходит движение шихты вниз и газов вверх‚ а также основные восстановительные процессы.
- Распар: Расширяющаяся часть печи между шахтой и горном.
- Заплечики: Сужающаяся часть‚ соединяющая распар с горном.
- Горн: Нижняя часть печи‚ где скапливаются жидкий чугун и шлак. В нем расположены фурмы для подачи горячего дутья и летки для выпуска продуктов плавки.
- Фурмы: Отверстия в горне‚ через которые подается горячее дутье (воздух‚ обогащенный кислородом‚ иногда с добавлением природного газа или пылеугольного топлива).
- Летки: Отверстия для выпуска продуктов плавки: чугунная летка для чугуна и шлаковая летка для шлака.
Ход технологического процесса
Загрузка шихты и подача дутья
Технологический процесс в доменной печи непрерывен. Сверху через колошник порциями загружается шихта‚ которая постепенно опускается вниз под действием силы тяжести. Одновременно снизу через фурмы в горн подается горячее дутье (воздух‚ нагретый до 1000-1300 °C‚ иногда обогащенный кислородом). Дутье‚ поднимаясь вверх‚ вступает в контакт с опускающейся шихтой.
Основные химические реакции и температурные зоны
Внутри доменной печи формируется несколько температурных зон‚ в каждой из которых протекают специфические физико-химические процессы:
- Зона горна (1800-2200 °C): Самая горячая зона. Здесь происходит горение кокса:
C + O2 → CO2 (с выделением большого количества тепла).
Образовавшийся CO2 немедленно реагирует с раскаленным коксом‚ образуя монооксид углерода – основной восстановитель:
CO2 + C → 2CO. - Зона заплечиков и распара (1200-1800 °C): Здесь происходит прямое восстановление железа коксом и карбюризация (насыщение железа углеродом)‚ а также плавление чугуна и шлака.
- Зона шахты (400-1200 °C): Основная зона восстановления. Горячий доменный газ‚ богатый CO‚ поднимается вверх и восстанавливает оксиды железа. Этот процесс называется косвенным восстановлением:
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2
Также здесь происходит разложение флюсов (например‚ известняка):
CaCO3 → CaO + CO2.
Образовавшийся оксид кальция (CaO) взаимодействует с пустой породой руды (SiO2‚ Al2O3)‚ образуя жидкий шлак‚ который собирает вредные примеси (сера‚ фосфор) и защищает чугун от окисления.
Выпуск продуктов плавки
Жидкий чугун и шлак‚ обладающие разной плотностью‚ накапливаются в горне печи‚ причем чугун находится внизу‚ а шлак – сверху. Периодически через чугунную летку выпускают чугун‚ а через шлаковую летку – шлак.
Продукты доменного производства
- Чугун: Основной продукт‚ содержащий 3-4‚5% углерода‚ а также кремний‚ марганец‚ фосфор и серу. Большая часть чугуна отправляется в сталеплавильные цеха для переработки в сталь.
- Доменный шлак: Побочный продукт‚ представляющий собой расплав оксидов. После охлаждения используется в строительной индустрии (производство цемента‚ дорожные материалы‚ утеплители).
- Доменный газ: Ценный побочный продукт‚ отходящий из колошника печи. Содержит CO‚ CO2‚ N2‚ H2. После очистки используется как топливо для нагрева дутья в воздухонагревателях (кауперах)‚ для работы электростанций и в других промышленных целях.
Значение и перспективы
Доменное производство‚ несмотря на появление альтернативных методов получения железа (например‚ прямое восстановление)‚ остается краеугольным камнем мировой металлургии благодаря своей высокой производительности и относительной экономичности. Современные тенденции в доменном производстве направлены на:
- Повышение энергоэффективности и снижение расхода кокса.
- Сокращение выбросов парниковых газов и вредных веществ.
- Использование альтернативных восстановителей (например‚ водорода).
- Автоматизацию и цифровизацию процессов для оптимизации управления.
Таким образом‚ доменный процесс – это сложный‚ многостадийный и высокотемпературный технологический цикл‚ который преобразует железную руду в чугун‚ обеспечивая сырьем сталеплавильную промышленность и играя ключевую роль в мировой экономике.