Химический процесс горения топлива в печи

Вблизи фурм углерод кокса, взаимодействую с кислородом воздуха, сгорает:

С+О₂=СО₂+393,51кДж (окислительная реакция).

При высоких t и в присутствии твёрдого углерода кокса  двуокись углерода неустойчива и частично переходит в окись углерода:

СО₂+С=2СО-171,88кДж (реакция разложения).

Одновременно, на некотором расстоянии от фурм, идёт реакция полного горения углерода кокса:

С+1/2СО₂=СО+110,5кДж.

В результате горения кокса выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий СО, СО₂. t становится более 2000ºС.

В зоне печи, где t 700-450ºС, часть окиси углерода разлагается с образованием сажистого углерода, оседающего на шихтовых материалах:

2СО=СО₂+С↓ (разложением с выделением).

Остальная часть газа СО, СО₂, N₂, H₂, CH отводится из печи по трубам и после очистки используется как топливо для воздухонагревателей. При нагреве шихты до t 570ºС начинается основной процесс – восстановление окислов железа, содержащихся в агломерате

Этот процесс протекает в результате взаимодействия окислов железа с окисью углерода и твёрдым углеродом кокса, а также водородом. Восстановление твёрдым углеродом называется прямым, а газами – косвенным.

При t до 570ºС восстановление окиси железа протекает по реакциям:

3Fe₂O₃+CO= 2Fe₃O₄+ CO₂

Fe₃O₄+4CO=3Fe+4CO₂

При более высоких t 750-900ºС окислы железа восстанавливаются наиболее интенсивно:

3Fe₂O₃+CO= 2Fe₃O₄+ CO₂

Fe₃O₄+CO=3FeО+CO₂

FeO+CO=Fe+CO₂

При этих t из руды, находящейся в нижней зоне шахты доменной печи, образуется твёрдое губчатое Fe. Некоторая часть закиси железа опускается до уровня распада, где восстанавливается твёрдым углеродом кокса в результате двух одновременно протекающих реакций: СО₂+С=2СО

FeO+CO=Fe+CO₂

FeO+C= Fe+CO

При t 1000-1100ºС восстановленное из руды твёрдое железо, взаимодействуя с окисью углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно науглероживается благодаря способности железа в твёрдом состоянии растворять углерод:

3Fe+2CO=Fe₃C+CO₂

3Fe+C= Fe₃C.

При насыщении углеродом t плавления Fe понижается и расплавляется. Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4% и более), марганцем, кремнием, фосфором, которые восстанавливаются  из руды, а также серой, содержащейся в коксе.

Эти процессы протекают следующим образом

Марганец содержится в руде в виде MnO₂, Mn₂O₃, Mn₃O₄. Эти соединения легко восстанавливаются до MnO. При t более 1000ºС часть Mn восстанавливается твёрдым углеродом по реакциям:

MnO+CO=Mn+CO₂

CO₂+C=2CO

MnO+C=Mn+CO

Одновременно марганец взаимодействует с твёрдым углеродом и образует карбид Mn₃, повышая содержание углерода в сплаве. Другая часть MnО входит в состав шлака.

Кремний, содержащийся в пустой породе руды в виде SiO₂, при t 1100ºС частично восстанавливается твёрдым углеродом:

SiO₂+С= SiO+СО

SiO+С= Si+СО    (реакция восстановления)

SiO₂+2С= Si+2СО

Образовавшийся кремний растворяется в железе. Другая часть SiO₂ входит в состав шлака.

Фосфор содержится в руде в виде соединений (FeO)₃P₃O₅ и (CaO)₃P₂O₅. частично фосфат железа восстанавливается окисью углерода:

2Fe(PO₄)₂+16C=2Fe₃P+2P+16CO₂.

При t более 1000ºC восстановление идёт за счёт твёрдого углерода:

2Fe₃(PO₄)₂+16C=3Fe₃P+2P+16CO.

При t выше 1300ºС фосфор восстанавливается из фосфата кальция:

(CaO)₃P₂O₅+5C=3CaO+2P+5CO.

Образовавшийся фосфид Fe₃P и фосфор полностью растворяется в железе и входит в состав чугуна.

Сера присутствует в коксе и руде в виде органической серы и соединений FeS₂, FeS, CaSO₄.

Сера летуча, поэтому часть удаляется с газом при нагреве. Сера из кокса окисляется кислородом дутья до SO₂ и поднимаясь с газами, восстанавливается твёрдым углеродом:

SO₂+2C=S+2SO.

При этом часть серы в виде S и FeS растворяется в чугуне. Сера является вредной примесью. Для удаления серы добавляют известь CaO. При этом часть серы CaS удаляется в шлак по реакциям:

FeS+CaO=CaS+FeO

FeO+C=Fe+CO.

Таким образом, в результате процессов восстановление окислов железа, части окислов марганца и кремния, фосфатов и сернистых соединений, растворения в железе C, Mn, Si, P, S в печи образуется чугун. В шлаке содержится часть не восстановившихся окислов SiO₂, MnO, FeO и CaS.

Окислительный период

В кислородном конвертере составляющие чугуна окисляются газообразным кислородом закиси железа FeO, растворяющимся в металле и шлаке при продувке. В зоне контакта окисляется железо Fe+1/2O₂=FeO (окисление).

Закись железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом:

FeO=Fe+O (разложение).

Окисление примесей чугуна кислородом, растворенным металле, происходит по реакциям:

Si+2O=SiO₂

Mn+O=MnO

C+O=CO

Часть примесей окисляется на границе металл – шлак окислами железа, содержащимися в шлаке:

Si+2FeO=SiO₂+Fe

Mn+ FeO=MnO+Fe

C+FeO=CO+Fe

2P+5FeO+4CaO=(CaO)₄P₂O₅+5Fe.

При перемешивании металла и шлака легко удаляется фосфор.

FeS+CaO=CaS+FeO

Плавка проходит за два периода: окислительный и восстановительный.

Во время плавления шихты начинается окислительный период плавки: за счёт кислорода воздуха, окислов шихты и окалины окисляется кремний Mn, С, Fe. После нагрева до 1500-1540ºС в печь загружают руду и известь. Кислород, содержащий в руде интенсивно окисляет углерод и вызывает кипение. За счёт образования окиси углерода при кипении уменьшается содержание углерода.

Восстановительный период плавки включает раскисление металла, удаление серы и доведения хим. состава до заданного.

В шлаке восстанавливается  закись железа:

FeO+С= Fe+СO

2FeO+Si= Fe+SiO₂

FeS+CaO=CaS+FeO.

Раскисление стали – FeMn, FeSi, Al (Al₂O₃).

Нитриды Fe₄N.

Ме являются восстановителями.