0.7 Metallurgiska reaktioner i masugnen

Man kan ur metallurgisk synpunkt dela in masugnen i tre zoner, se Figur 8.

Lägre zonen: smältzon och direktreduktionszon
Mittzonen: termisk reservzon och indirekt reduktionszon
Övre zonen: förvärmningszonen och indirekt reduktionszon

Det bör påpekas att indelningen enbart är schematisk och zonerna inte är distinkta. De varierar mellan olika masugnar och driftsbetingelser. En kemisk inaktiv zon kan till exempel förekomma mellan mittzonen och övre zonen. Dessutom körs i regel medvetet en högre temperatur i mittaxeln relativt periferin.

I Figur 8 visas reaktionerna i de olika zonerna. I den lägre zonen, som sträcker sig 3-5 meter ovan formnivån, når temperaturen 1400-1450ºC hos det beskickade materialet. Gastemperaturen går från över 2000ºC i ”race-way” till cirka 1000ºC när gasen går in i mittzonen. Malmråvaran smälter och bildar två faser, ett kolhaltigt smält råjärn och en smält slagg. Slaggen tar upp tillsatt kalk och koksaska. Man önskar att slaggen skall vara lättfluten så att man får ut den ur ugnen och därför styrs sammansättningen så att likvidustemperaturen ligger mellan 1400ºC och 1450ºC.

De viktigaste reaktionerna som uppträder i denna zon är:

Direktreduktion av FeO:
FeO + C → Fe + CO

Direktreduktion av SiO₂, MnO, P₂O₅ och andra oxider.

Avlägsnande av svavel till slagg:
S + CaO + C → CaS + CO

Förbränning av kol/CO:
C + O₂→ CO₂
2CO + O₂→ 2CO₂

Reduktion av fukt i blästern:
C + H₂O → CO + H₂

Reduktion av CO₂:
CO₂ + C → 2CO

Alla dessa reaktioner utom förbränning av C och CO är endoterma (de konsumerar värme). Reaktionen CO₂ + C → 2CO som också kallas Boudouard-reaktionen, innebär att det finns en jämvikt mellan C och en gasblandning av olika delar av CO och CO₂, som beror på temperaturen. I Figur 9 visas denna jämviktskurva som ett liggande S. I Figur 9 har också järnoxidernas jämvikter lagts in som funktion av CO-CO₂ blandningen. Längst ner återfinns Fe₂O₃ som ett streck utefter x-axeln, vilket visar att den är lättreducerad. Vid ökad temperatur kommer gasblandningen att innehålla alltmer CO relativt CO₂ när gasen står i jämvikt med rent C. Man ser att även Fe₃O₄ reduceras relativt lätt innan det krävs en högre temperatur för att producera en gas som reducerar FeO. Man bör observera att figuren visar teoretiska jämvikter och att i praktiken Boudouard-jämvikten är förskjuten något åt höger. Jämviktsdiagrammet visar hur genialt masugnen fungerar genom att vid hög temperatur reducera FeO med en rik gas (hög CO-halt) medan Fe₂O₃ och Fe₃O₄ reduceras med en fattigare gas vid lägre temperatur. I Figur 9 har även H₂-H₂O blandningens reduktionspotential lagts in. Även H₂ deltar i reduktionen på i princip samma sätt som CO. Mängden H₂-gas är dock liten i förhållande till mängden CO-gas.

I mittzonen ”termiska reservzonen” har gas- och godstemperaturer närmat sig varandra (800-1000 °C) och värmeutbytet är lågt. I denna zon sker en indirekt reduktion av FeO:

FeO + CO → Fe + CO₂

Det är positivt att FeO reduceras indirekt på detta sätt och därför eftersträvar man att få en stor mittzon. I ideala fall kan den vara 50-60% av masugnsvolymen.
I den övre zonen ”Förvärmningszonen” sjunker snabbt temperaturen hos den uppåtgående gasen ned till 100-250°C medan godset ökar från rumstemperatur till cirka 800°C. De viktigaste reaktionerna är här indirekt reduktion av hematit och magnetit till lägre oxider:

3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄+ CO₂
Fe₂O₃ + CO → 2FeO + CO₂