Содержание физически адсорбированной или гигроскопической влаги в агломератах и окатышах зависит от климата, времени года и составляет от 0,2—0,5 до 1—2 %, в коксе (мокрого тушения) 1—4 %, в марганцевой руде иногда 5 % и более. Температура на колошнике доменной печи, куда попадают компоненты шихты, 200—400 °С, то есть значительно выше температуры кипения воды. Поэтому испарение гигроскопической влаги и удаление пара начинаются на верхних горизонтах печи сразу после нагрева кусков шихты до температуры колошника. Гидратная вода может попадать в доменную печь с бурожелезняковыми рудами или рудами, содержащими гидратную воду в пустой породе. Поскольку практически 100 % сырья для доменной плавки проходит термическую обработку, гидратной влагой можно пренебречь.
Доля карбонатов, поступающих в доменную шихту с железными (FeCO3) и марганцевыми (MnCO3) рудами, невелика. Большое значение имеют флюсующие добавки к шихте — известняк или доломит (CaCO3, CaCO3•MgCO3). В доменной печи разложение карбонатов протекает по реакциям:
· CaCO3 = CaO + CO2 − 178,5 МДж;
· MgCO3 = MgO + CO2 − 109,87 МДж;
· MnCO3 = MnO + CO2 − 96,35 МДж;
· FeCO3 = FeO + CO2 − 87,91 МДж.
Восстановительные процессы
Основными восстановителями в доменном процессе являются углерод, монооксид углерода и водород. Элементы, попадающие с шихтой в доменную печь, в зависимости от их превращений в условиях доменной плавки можно разделить на практически полностью восстанавливающиеся (Fe, Ni, Со, Pb, Си, Р, Zn); частично восстанавливающиеся (Si, Mn, Cr, V, Ti); не претерпевающие восстановления (Ca, Mg, Al, Ba)[17][18].
Восстановление оксидов железа газами в доменной печи протекает по реакциям:
· 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + 37,25 МДж;
· Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 − 20,96 МДж;
· FeO + CO = Fe + CO2 + 13,65 МДж;
· 3Fe2O3+ H2 = 2Fe3O4 + H2O − 4,20 МДж;
· Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O − 62,41 МДж;
· FeO + H2 = FeO + H2O − 27,80 МДж.
Формирование чугуна
Металлическое железо появляется в нижней части шахты печи и распаре. По мере опускания материалов в доменной печи и их дальнейшего нагрева железо растворяет в себе углерод в увеличивающемся количестве. При этом температура плавления его снижается, металл плавится и в виде капель стекает в горн. Окончательный состав чугунаформируется в горне печи.
Можно выделить 4 стадии науглероживаиия железа в современной доменной печи.
Первая стадия — происходит выпадение сажистого углерода на поверхности свежевосстановленного железа по реакциям (t = 400—1000 °С):
· CO + H2 = Cсаж + H2O;
· 2CO = Cсаж + CO2.
Все факторы, способствующие протеканию этих реакций, вызывают увеличение содержания углерода в чугуне (рост давления в печи, высокая восстановимость шихт, рост основности, повышение содержания водорода в газовой фазе и др.). Вторая стадия связана с первой и характеризуется диффузией сажистого углерода в массу металлического железа (950—1150 °С):
· 3Fe + 2СО = Fe3C + СO2.
Третья стадия — плавление металла с содержанием примерно 2 % С при температуре выше 1150 °С и стекание капель по коксовой насадке с растворением углерода кокса в металле:
· 3Fe + Cк = Fe3C.
Четвертая стадия — это процесс, протекающий в горне. Здесь, с одной стороны, продолжается растворение углерода кокса в жидком металле, а с другой — идет окисление углерода чугуна в фурменных очагах (связано с размером печи).
Формирование шлака
Состав образующегося в доменной печи шлака зависит от множества факторов (минералогический и гранулометрический состав шихты, температурный режим плавки). Значительно отличается процесс шлакообразования при работе печи с добавлением известняка и при работе на офлюсованном агломерате. Нормальной для доменного шлака считается основность равная 1,0.
Первичный доменный шлак может содержать фаялит, волластонит, геленит. В нижней половине шахты или в распаре происходит размягчение и плавление первичного шлака. Положение зоны первичного шлакообразования в печи зависит от состава шлака и распределения температуры по высоте печи. Наиболее сложной в практике эксплуатации печи является проплавка трудновосстановимой руды с легкоплавкой пустой породой, когда значительное количество оксидов железа присоединяется к первичному шлаку уже в середине шахты. Восстановление железа из шлака затруднено. Значительная часть железа восстанавливается в этом случае прямым путем, что приводит к перерасходу кокса. Преждевременное плавление первичного шлака ухудшает газопроницаемость столба шихты в печи, так как большая часть печи оказывается заполненной полурасплавленными (тестообразными) массами, представляющими значительное сопротивление проходу газов.
При плавке титаномагнетитового сырья (например, агломерат и окатыши Качканарского ГОКа[25]) в шлак переходят значительные количества соединений титана. При этом в горне доменной печи в массе жидкого титансодержашего шлака находятся мельчайшие твердые частицы не успевшего восстановиться ильменита и карбида титана. Присутствие твердых частиц резко увеличивает вязкость шлака, что затрудняет выпуск из печи[26].
Доменный шлак часто используется в качестве основного сырья для извлечения ценных компонентов.