Доменный процесс
До́менный проце́сс, получение чугуна из железорудных материалов в доменной печи. В основе доменного процесса лежит принцип противотока: загружаемая в верхнюю часть печи (колошник) исходная шихта (железорудный материал, твёрдое топливо, флюс) движется вниз, а газообразные продукты, образовавшиеся в нижней части печи (горне) при сжигании топлива в потоке дутья (нагретый воздух или воздух, обогащённый кислородом либо водяным паром), – вверх. Противоток способствует эффективному протеканию массо- и теплообменных процессов, что обусловливает высокие показатели использования ресурсов в доменных печах: полезное использование теплоты составляет 80–90 %, степень извлечения железа – 99,5–99,8 %. Для обеспечения тепловых потребностей процесса используется значительный избыток кокса, который обусловливает повышенное содержание углерода в чугуне (3,4–5,2 % С по массе).
В доменном процессе высокие требования предъявляются к качеству шихты и её прочности при повышенной температуре, особенно к прочности топлива. После образования расплавленных металла и шлака топливо является единственной твёрдой средой, на которую оказывает давление вся масса шихты. Для приготовления шихты применяют кусковой железорудный материал, каменноугольный кокс, в качестве флюса – известняк. Более 90 % железорудной части шихты составляют искусственно окускованные материалы – агломерат и железорудные окатыши.
В ходе доменного процесса образуются продукты:
основные – передельный чугун для производства стали в сталеплавильных агрегатах, литейный – для чугунных отливок, а также специальные чугуны (например, зеркальный чугун, ферросилиций, ферромарганец);
побочные – доменный газ, являющийся вторичным энергоресурсом (после очистки от пыли используется в воздухонагревателях, заводских котельных и др.), доменный шлак (применяется главным образом в производстве строительных материалов) и колошниковая пыль (содержит 30–50 % Fe), возвращаемая в шихту после её предварительного окускования (т. н. агломерации).
Таким образом, востребованы все продукты доменного процесса.
Основные физико-химические процессы
Основные физико-химические процессы:
горение топлива;
восстановительный и газодинамические процессы;
теплообмен;
образование чугуна;
шлакообразование.
Основное количество кокса опускается в горн и сгорает вместе с дополнительно вдуваемым топливом (газообразным, жидким или пылевидным) у фурм; в упрощённом виде суммарный процесс горения сводится к реакции: 2C+O2=2CO. Газы с температурой 1600–2300 °C, содержащие 35–45 % СО, 1–12 % Н2 и 45–65 % N2, поднимаясь, нагревают опускающуюся шихту (температура выходящих из печи газов составляет 100–300 °C). Часть кокса расходуется на восстановление поступающих в доменную печь Fe2O3 и Fe3O4 (содержащихся в железорудных материалах) по реакциям:
3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2
Fe3O4+CO=3FeO+CO2
FeO+CO=Fe+CO2
FeO+C=Fe+CO
Помимо оксидов железа почти полностью восстанавливаются оксиды Ni, Cu, As, P и соответствующие элементы переходят в чугун; оксид цинка также полностью восстанавливается, цинк возгоняется и отлагается в порах футеровки, вызывая её частичное разрушение. Элементы, образующие более прочные соединения с кислородом, чем Fe, восстанавливаются из оксидов частично (V – 75–90 %, Мn – 40–80 %, Si и Ti в небольших количествах) или совсем не восстанавливаются (Al, Mg и Са). S (вредная примесь) попадает в доменную печь в основном с коксом и переходит большей частью в шлак (в виде FeS, MnS, CaS), в малой степени (до 5 %) в чугун (FeS) и в газовую фазу. Образовавшееся железо поглощает углерод в твёрдом состоянии, что способствует снижению температуры плавления науглероженного продукта и более полному насыщению его углеродом. Содержание углерода в чугуне зависит от температуры чугуна, его состава и др. Шлак состоит из оксидов: SiO2, Al2O3, СаО, MgO (в сумме 90–95 %), FeO (0,3–1,0 %).
Доменный процесс – экологически безопасный, высокотехнологичный энерго- и ресурсосберегающий процесс; расход энергоносителя составляет 16–17 ГДж/т чугуна, а с учётом использования вторичных энергоресурсов – 12–13 ГДж/т чугуна; расход наиболее дефицитного компонента шихты (каменноугольного кокса) – 300–350 кг/т чугуна, при этом используется 100–150 кг заменителей кокса.
Историческая справка
Появление собственно доменного производства относят к середине 14 в. Доменный процесс возник в результате эволюции сыродутного процесса получения пластической низкоуглеродистой железной массы (т. н. кричного железа) непосредственно из железной руды путём восстановления её в низких сыродутных горнах (яма, футерованная огнеупорной глиной, или каменный очаг), работавших на естественной тяге. Топливом служил древесный уголь. После окончания процесса сыродутный горн разбирался, полученный металл извлекался и специальными молотами перерабатывался в заготовку или изделие. Постепенное увеличение высоты сыродутных горнов и мощности воздуходувных средств способствовало повышению температуры процесса, что обусловило увеличение растворимости углерода в металле и снижение температуры его плавления. Таким образом, наряду с крицей получался нежелательный металлический продукт в жидком состоянии (чугун), а сыродутный горн превратился в вертикальную шахтную печь, получившую название «высокая печь» (нем. Hochofen, франц. Haut fourneau) или доменная (дутьевая) печь (от старослав. «дмение» – дутьё, англ. blast furnace). Первые доменные печи, предназначенные только для производства чугуна, появились в Европе в середине 14 в., в России – около 1630 г. (близ г. Тула). На Урале первый чугун получен в 1701 г. При превышении высоты печи 16–18 м применявшийся древесный уголь терял свою прочность, рассыпался на мелкие частицы и тем самым делал невозможным нормальное движение газов вверх сквозь слой шихты. Важным фактором, обусловившим рост производства чугуна и, соответственно, увеличение размеров и производительности доменной печи, стало изобретение А. Дерби в 1735 г. способа производства каменноугольного кокса, ставшего основным топливом доменного процесса. Большое значение для развития доменного процесса имело применение паровой воздуходувной машины (1763, И. И. Ползунов; 1769, Дж. Уатт); воздухонагревателя с огнеупорной насадкой (1857, Э. А. Каупер); офлюсованного агломерата (1945–1950, Магнитогорский металлургический комбинат); технологии с вдуванием в горн природного газа и кислорода (1958–1970, «Запорожсталь», Новолипецкий металлургический комбинат) и др. Значительный вклад в развитие доменного процесса внесли отечественные металлурги М. А. Павлов, М. К. Курако, И. П. Бардин и др.