Металлургия железа (стр. 3 из 3)
Условно процесс, протекающий в доменной печи, можно разделить на следующие этапы:
горение углерода топлива;
разложение компонентов шихты;
восстановление окислов;
науглероживание железа;
шлакообразование.
Горение углерода топлива происходит главным образом возле фурм, где основная масса кокса, нагреваясь, встречается с нагретым до температуры 900—1200 °С кислородом воздуха, поступающим через фурмы. Образовавшаяся при этом углекислота вместе с азотом воздуха, поднимаясь, встречается с раскаленным коксом и взаимодействует с ним по реакции СО 2 + С = 2СО.
Эта реакция обратима, причем ее равновесие сдвигается вправо при повышении температуры и влево при понижении.
Восстановление окислов может происходить окисью углерода, углеродом и водородом. Главная цель доменного процесса - восстановление железа из его окислов. Восстановление окислов железа идет ступенчато по следующей схеме: Fе2О3 → Fе3O4→ FeO → Fe.
Главную роль в восстановлении окислов играет окись углерода:
Эта реакция практически необратима, протекает легко при очень низкой концентрации СО в газовой фазе. Для развития следующей реакции вправо необходимы температура не ниже 570 °С и значительный избыток СО в газах:
Fе3O4 + СО = 3 FeO + СО 2 + Q.
Затем происходит образование твердой железной губки по реакции
Науглероживание железа происходит за счет взаимодействия твердого губчатого железа с печными газами, содержащими значительное количество СО:
Образование сплава железа с углеродом, имеющего температуру плавления ниже, чем чистое железо, приводит к формированию капель жидкого чугуна, которые, стекая в нижнюю часть печи через слой раскаленного кокса, еще более насыщаются углеродом.
Шлакообразование активно развивается при прохождении шихты в области распара после окончания процессов восстановления окислов железа в доменной печи. Шлак состоит из окислов пустой породы и золы кокса, а также флюса, специально добавленного в печь, чтобы обеспечить достаточную жидкотекучесть шлака при температуре 1400—1450 °С. Основные составляющие доменного шлака — кремнезем (30—45 %), окись кальция (40—50 %), глинозем (10— 25 %).
Шлаки, получаемые в доменной печи, в последние годы широко используют в промышленности, перерабатывают на цемент и другие строительные материалы(шлаковую вату для теплоизоляции, шлаковые блоки и др.).
В верхней части печи из шихты отделяются газообразные продукты реакций и азот воздуха. Газы, выделяющиеся из доменной печи, называют обычно колошниковыми. Газ состоит из 26—32 % окиси углерода, 9—14 % двуокиси углерода и 54—58 % азота.
Восстановление других элементов
В доменную печь с шихтовыми материалами попадают марганец, кремний, сера и другие элементов в виде различных химических соединений. Эти элементы частично или полностью восстанавливаются и входят в состав чугуна, улучшая или ухудшая его свойства.
Марганец: Высшие окислы марганца восстанавливаются до закиси марганца (Mn) окисью углерода, аналогично окислам железа:
MnO2 →Mn2O3 → Mn3O4 → MnO
При температуре выше 1100 оС протекает реакция с образованием марганца:
MnO + CO→ Mn + CO2
Кремний находится в пустой породе руды и в золе кокса в виде свободного кремнезема SiO2 или в виде силикатов (SiO2* 2 CaO и др.).
Восстановление кремния происходит из кремнезема по реакции:
SiO2 + 2 C = Si + 2CO
Эта реакция протекает с поглощением тепла при температурах не ниже 1450 0С.
Другие полезные примеси – никель, ванадий, титан и т.д. – попадают в доменную печь в виде примесей железной руды. При доменной плавке никель восстанавливается и переходит в чугун полностью, хром – на 85- 95 %, ванадий –на 70 – 80 %.
Фосфор – вредная примесь железных руд находится в них главным образом в виде P2O5*3 CaO. Весь фосфор, внесенный шихтой, восстанавливается и переходит в чугун практически полностью.
Сера - особенно вредная примесь в чугуне ( а также в стали). Основное количество серы вносит кокс, часть железная руда, агломерат, окатыши.
Вдоменной печи 10 -20 % серы удаляется в виде соединений (SO2, H2 S)/ Остальная часть серы переходит в чугун и в шлак в виде сульфидов FeS, CaS/
В условиях доменной плавки основным способом десульфуризации, т.е. удаления серы из металла, является образование сульфида кальция по реакции
FeS + CaO = FeO + CaS
Сульфид кальция нерастворим в чугуне и находится в шлак. Наиболее интенсивно эта реакция протекает при прохождении капель чугуна через слой шлака.
Из этого следует, что одним из основных условий удаления серы из металла является достаточное количество извести СаО в шлаке.
Часть серы удаляется с помощью магнезита, а также марганца:
FeS + MgO = FeO + MgS
FeS + MnO = FeO + MnS
Сульфид магния нерастворим в металле, а сульфид марганца растворяется незначительно.
Важным процессом является шлакообразование. Начинается процесс примерно в распаде печи. Первичный шлак образуется в результате сплавления CaO, SiO2? Al2O3 и других окислов, находящихся в составе флюса и пустой породы. При определенных соотношениях по массе эти тугоплавкие окислы могут образовывать легкоплавкие смеси – сплавы с температурой плавления 1150- 1200 оС. Стекая вниз и накапливаясь в горне, шлак существенyо изменяет свой состав. В результате взаимодействия с расплавленным чугуном и остатками несгоревшего кокса в шлаке восстанавливаются окислы железа и марганца, в нам растворяются сульфиды железе и марганца, зола кокса и т.д. Химический состав шлака определяет состав чугуна и поэтому при выплавке передельных, литейных и других чугунов всегда подбира ют шлак соответствующего состава.
Типовой состав шлака: 40-50 % CaO; 38-40 % SiO2 7-10 % Al2O3.