Шихтові матеріали, в складі яких у певних співвідношеннях є залізна й марганцева руда, кокс та флюси, безперервно опускаючись в доменній печі, поступово нагріваються продуктами згоряння (доменним газом) і при цьому зазнають відповідних перетворень. У верхній частині шахти при порівняно невисокій температурі (100...400 °С) вони спочатку підсушуються, згодом виділяється з руди хімічно зв'язана вода та розкладаються вуглекислі солі, а з палива виділяються леткі речовини у вигляді метану СН4 та інших вуглеводнів.
Гаряче повітря, що вдувається в піч крізь фурмені отвори, контактує з розпеченим коксом і спричинює його горіння за реакцією:
Температура біля фурм зростає до 1700... 1800 °С, а у разі збагачення дуття киснем і вдування природного газу вона сягає 2000 °С. При цій температурі за наявності надлишку вуглецю вуглекислий газ СО, нестійкий і частково переходить у оксид вуглецю СО:
Одночасно відновлюється водень із пари води, яка є в повітрі:
У зоні печі, де температура газів становить 700...450 °С, частина чадного газу розкладається, утворюючи сажу С, що осідає в порах шихтових матеріалів:
Отже, вгору рухаються гази, що складаються із N2, C02, CO, CH4 і Н2, їх температура на виході з печі становить 300...400 °С.
Головною метою доменного процесу є відновлення заліза з його сполук. Відновниками служать оксид вуглецю СО, сажа С і певною мірою водень Н2. Відновлення твердим вуглецем називається прямим, а газами — непрямим.
За законом діючих мас швидкість хімічних реакцій пропорційна концентрації речовин, що реагують. Оскільки в шихтових матеріалах сполук заліза найбільше, то вони повинні відновлюватися насамперед. Реакції непрямого відновлення починаються при температурі 570 °С і закінчуються при 950 °С:
Реакція прямого відновлення заліза відбувається при 950...1000 °С:
Швидкість відновлення заліза залежить не лише від концентрації його сполук, але й від температури і підпорядковується принципу Ле Шательє, згідно з яким хімічні реакції, що виділяють теплоту, інтенсивніші при низьких температурах, а реакції, що вбирають теплоту — при високих температурах. Тому у верхній частині печі, де температура невисока, інтенсивнішими є екзотермічні реакції непрямого відновлення, а в нижній частині печі при високих температурах — реакція прямого відновлення заліза. Під час стікання в горно залізо контактує з коксом і навуглецьовується.
Марганець відновлюється за такими реакціями:
Відновлення кремнію вуглецем починається при 1050 °С:
Частина сірки (10...20 %) виходить з газами переважно як S02 і H2S. Решта сірки переходить у чавун і шлак. Під час виплавлення переробного чавуну практично весь фосфор шихти залишається у чавуні. Отже, в горні збирається складний сплав — чавун, до якого входять Fe (основна маса), С (> 2,14 %), Mn, Si, Р, S та інші елементи.
4. Продукти доменного виробництва
Головним продуктом доменного виробництва є чавун, а побічними — шлак і доменний газ. За призначенням чавуни, що виплавляються у доменній печі, поділяють на переробні, ливарні й феросплави.
Переробний чавун використовують для виробництва сталі в кисневих конвертерах, в мартенівських печах і в незначній кількості в електропечах. Він може застосовуватися також і для виготовлення виливків. У доменних печах виробляють понад 90 % переробного чавуну.
Ливарний чавун відрізняється від переробного підвищеним вмістом кремнію і використовується в чавуноливарних цехах машинобудівних заводів. Частка ливарного чавуну постійно зменшується і не перевищує 4...5 %.
Феросплави призначені для дезоксидації й легування сталей. Виплавлення феросплавів у доменній печі вимагає великих затрат дефіцитного коксу й не завжди економічно вигідне. Тому частка їх серед доменних чавунів постійно знижується і не перевищує 0,5 %. Найпоширенішими феросплавами є феромарганець, феросиліцій і силікомарганець. Сьогодні феросиліцію в доменних печах не виробляють. Феромарганець — феросплав, який містить 65...95 % Мn.
Доменний шлак складається з Si02, CaO, A1203, MgO, а також невеликої кількості FeO, MnO та сульфідів металів. На 1 т чавуну припадає 0,3...0,6 т шлаку. Ще донедавна шлак йшов у відходи, а тепер більша його частина переробляється на цемент, бруківку, шлакову цеглу, шлакову вату тощо.
Доменний (колошниковий) газ містить пальні гази: CO (24...32 %), СН4 (до 0,5 %) та Н2 (1...2 %) і має теплотворну здатність 3,5...4 МДж/м3. Очистивши від пилу, його використовують для опалення повітронагрівачів, коксових батарей, котлів тощо.
Позадоменне відновлення заліза з руд
Дефіцит коксу та труднощі, пов'язані з виплавленням високоякісних сталей з переробних доменних чавунів і металобрухту, спонукали до активних пошуків нових способів відновлення заліза з руд, оминаючи доменну піч. Кілька таких способів пройшли успішні випробування й запроваджені у виробництво. В них сировиною для отримання відновленого заліза є збагачена залізна руда у вигляді грудок. Відновниками служать водень, оксид вуглецю або вугільний порошок. Найчастіше водень і оксид вуглецю отримують під час неповного згорання природного газу.
Відновлення залізної руди відбувається в спеціальних печах при підвищених або високих температурах. Продуктом, що виходить з таких печей, може бути губчасте або рідке залізо, де частка заліза зростає до 95 %. Такі продукти використовують переважно як сировину для отримання сталі в електропечах. Вони характеризуються низьким вмістом шкідливих домішок — фосфору та сірки.