Какие химические реакции протекают в доменной печи при восстановлении?

24 ответов на вопрос “Какие химические реакции протекают в доменной печи при восстановлении?”

  1. На_вСюХаТуШкУ_()() Ответить

    Доменная печь работает по принципу противотока:
    Шихтовые материалы – агломерат, кокс и др. – загружают сверху, а снизу вверх движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива (кокса).
    В доменной печи протекают следующие основные процессы: Восстановление железа. Этот процесс происходит последовательно от высших оксидов к низшим и далее к чистому металлу : Fe2O3 > Fe3O4 > FeO > Fe Главными восстановителями железа в доменной печи являются СО и кокс.
    1) Оксид углерода(II) образуется при взаимодействии углекислого газа с раскалённым коксом: C + CO2 = 2CO
    2) Восстановление оксидом углерода называется косвенным (непрямым) восстановлением и происходит по реакциям 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 FeO + CO = Fe + CO2
    3) Восстановление твердым углеродом называется прямым восстановлением. Оно происходит при температурах выше 950-10000 С (зона распара печи) по реакции FeO + C = Fe + CO Следует отметить, что эта реакция отражает лишь конечный результат процесса прямого восстановления, который протекает в две стадии: FeO + CO = Fe + CO2 CO2 + C = 2CO FeO + C = Fe + CO2 Непосредственное восстановление оксидов железа при контакте с углеродом кокса практически не происходит.
    4) Уже в шахте доменной печи при температурах выше 400-5000С наряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание за счет оксида углерода СО по реакции: 3Fe + 2CO = Fe3 C + CO2 Карбид железа Fe3С хорошо растворяется в твердом железе и постепенно образуется сплав железа с углеродом. Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение имеют состав, свойства и количество шлака.
    Восстановление других элементов:
    SiO2 + 2C = Si + 2CO
    MnO + C = Mn + CO
    Ca3(PO4)2 + 5C = 2P + 3CaO + 5CO
    5) Шлакообразование:
    Известняк CaCO3 при высокой температуре разлагается:
    CaCO3 = CaO + CO2
    Оксид кальция взаимодействует с оксидами пустой породы:
    CaO(тв.) + SiO2(тв.)= CaSiO3(ж.)
    CaO (тв.) + Al2O3(тв.) = Ca(AlO2)2(ж.)
    3СаО(тв.) + Р2О5(тв.) = Са3(РО4)2(ж.)
    ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ.

    Сталь —сплав железа с углеродом (и другими элементами). СОДЕРЖАНИЕ УГЛЕРОДА В СТАЛИ НЕ БОЛЕЕ 2,14 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

    Сущность процесса:
    • уменьшение содержания углерода;
    • возможно более полное удаление S и P;
    • доведение содержания Si и Mn до требуемых пределов.
    Сырьё:
    • передельный чугун;
    • железный лом;

  2. Фоточеловек2014 Ответить

    3) FeO + Н2 = Fe + Н2O +Q
    Реакции косвенного восстановления начинаются при температурах 400 – 500 °С (первая реакция) и заканчиваются при 900 – 950 оС (третья реакция). Косвенное восстановление имеет большое значение, т.к. за счет него восстанавливается 60 – 80 % всего железа, и лишь остальная часть восстанавливается твердым углеродом кокса (прямое восстановление).
    Прямое восстановление железа происходит в зоне распара печи при температуре 950 – 1000 °С по реакции FeO + CO = Fe + CO2 – Q.
    В прямом восстановлении участвует только низший оксидFeО, который один присутствует в шихте при этих температурах.
    Науглероживание железа. Восстановление железа заканчивается при 1300–1400 °С в распаре печи. При этих температурах восстановленное железо (Тпл.=1539 °С) находится в твердом состоянии в виде пористой губчатой массы. Наряду с реакциями восстановления железа происходит его науглероживание при температурах более 500 °С за счет взаимодействия с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом по реакции 3Fe + 2CO = Fe3С + CO2+Q.
    Продуктом науглероживания является карбид железа Fe3С, который хорошо растворяется в твердом железе и постепенно образует сплав железа с углеродом. При концентрации углерода в сплаве ~ 4,3 мас. % температура плавления уменьшается до 1147 °С. В результате в нижней части печи на уровне распара и заплечиков начинается плавление. Жидкий расплав – чугун – стекает вниз, омывает куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. В расплаве также растворяются восстановленные марганец, кремний, фосфор (из руды), а также сера (из кокса). Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение имеют состав, свойства и количество шлака.
    Восстановление других элементов. В доменную печь с шихтовыми материалами попадают Mn, Si, S, P, As и др. элементы в виде различных химических соединений. Эти элементы частично или полностью восстанавливаются и входят в состав чугуна, улучшая или ухудшая его свойства. Эти примеси считают постоянными и подразделяют их на вредные (S, P, Pb, As) и полезные (Mn, Si)
    Марганец и кремний частично восстанавливаются и переходят в состав чугуна. Другая часть в виде MnO и SiO2 входит в состав шлака. Фосфор полностью восстанавливается и входит в состав чугуна. Сера образует летучие соединения (SO2 и H2S) и в значительной части удаляется с газом при нагреве шихты. Определенная ее часть взаимодействует с известью CaO и переходит в шлак. Большая часть (до 50 %) серы взаимодействует с железом и входит в состав чугуна. Сера – наиболее вредная примесь в чугуне и стали, поэтому разрабатывают различные способы ее удаления из металла как доменные, так и внедоменные. В состав чугуна могут попасть и другие примеси, если они содержатся в руде (никель, хром, ванадий).

  3. Hinik Ответить

    При более высоких температурах n должно быть больше трех. Аналогичным образом можно рассчитать значения коэффициентов для других восстановительных реакций.
    Для сравнения условий равновесия при взаимодействии окислов железа с окисью углерода и водородом совместим обе диаграммы (рис. 49 и 50) в одной (рис. 51). Видно, что при температурах ниже 810° (1083°К) окись углерода может быть использована лучше, чем водород, так как в газовой фазе допустимо большее содержание СО2, чем Н2О, при температурах же выше 810° водород используется лучше, чем окись углерода. Иначе говоря:

    Рассмотрим подробнее условия восстановления железа в печи. В доменной печи восстановление происходит главным образом посредством окиси углерода. Независимо от восстановительной работы окись углерода может претерпевать химическое превращение, описываемое реакцией:

    Равновесные составы при постоянном давлении смещаются в сторону возрастания СО, и убывания СО при понижении температуры и охлаждении системы и, наоборот, в сторону убывания СО2 и возрастания СО при сообщении системе тепла извне.
    С другой стороны, при постоянной температуре и заданном давлении устанавливается также определенное отношение СО : СО2 в равновесной смеси. При этом согласно принципу подвижного равновесия реакция 2СО > СО2 + С должна смещаться вправо при увеличении давления и влево при уменьшении давления. В первом случае отношение СО : СО2 в равновесной смеси уменьшается, во втором — увеличивается.

    Таким образом, для каждого давления в системе координат «температура — состав газовой фазы» получаем кривую, а для разных давлений — семейство кривых. Каждая точка на кривой определяет состав газовой фазы (СО и СО2), равновесный при заданных температуре и давлении.
    Данные о равновесных состояниях приведены на рис. 52. Две равновесные линии построены для 1 ат и 0,4 ат.

    Каждая кривая представляет совокупность точек, дающих равновесные состояния, и делит поле диаграммы на две части. Любая точка поля соответствует неравновесному составу газа при некоторой температуре, но этот состав при условиях, заданных точкой поля, стремится к равновесному.
    Так, газ состава 20% СО и 80% СО2 при температуре 700° (точка а), стремясь к равновесию, будет изменяться так, что в нем будет возрастать СО и убывать СО2 до тех пор, пока не установится состав; 60% СО и 40% СО2 при давлении 1 ат (а1) или 70% СО и 30% СО2 при давлении 0,4 ат (а2). Наоборот, газ, содержащий 80% СО и 20% СО2, при той же температуре (точка Ь) будет изменяться в сторону уменьшения СО и возрастания СО2, пока не будут достигнуты те же составы. Область влево от каждой кривой, следовательно, определяет течение экзотермической реакции выделения сажистого углерода (реакция Белла), а вправо от кривой — эндотермической реакции восстановления углекислоты углеродом до окиси углерода. Реакция СО2 + С > 2СО, усиливающаяся с повышением температуры и притоком тепла, протекает весьма быстро, так что равновесие устанавливается почти мгновенно; обратная же реакция 2СО > СО2 + С протекает, наоборот, медленно, и при низкой температуре для достижения равновесного состава требуются иногда десятки часов. Катализатор, например свежевосстановленное губчатое железо, ускоряет течение этого процесса.
    Между тем, в доменной печи газы находятся в течение нескольких секунд. Такой продолжительности достаточно для достижения равновесных состояний при высоких температурах, но совершенно недостаточно при низких, так как катализатора (свежевосстановленного железа) при этих температурах еще нет.
    Если газ на колошнике при температуре 300° содержит около 10% СО2 и 30% СО, то при пересчете на сумму СО + СО2 = 100% это соответствует 25% СО2 и 75% СО (точка с). С повышением температуры газ обедняется углекислотой, и при температуре 1000° в нем содержится ничтожное количество СО2 и около 100% СО (точка d). Если провести пунктирную линию, соединяющую точки с и d, можно увидеть, как резко реальные составы газов в печи отличаются от равновесных при температурах ниже примерно 700—800°. Рассматриваемая линия на рис. 52 отражает ту же закономерность, что и линия II на рис. 47.
    На рис. 52 отражены реальные изменения состава газа, полученные при исследованиях на разных горизонтах различных печей. Прямые I и II ограничивают область возможных изменений состава газа в разных случаях. Линии І или II с равновесной кривой пересекаются приблизительно при температуре 900°, иногда при 700—1000°.
    Следовательно, при температурах ниже 700—800° реальный газ содержит СО больше, а СО2 — меньше равновесного. При высоких температурах, когда в равновесии может находиться ничтожное количество СО2, реальный и действительный составы газов совпадают. Если же в действительном газе СО2 окажется больше равновесного, то через доли секунды и это количество СО2 перейдет в CO, приблизив реальный газ к равновесному.
    При совмещении диаграмм рис. 49 и 52 в одной системе координат получаем рис. 53. Если бы в печи достигались равновесные составы смесей СО и СО2 в присутствии углерода, то при температуре ниже 647° (точка d) не удалось бы получить FеО из Fе3O4, а при температуре ниже 685° (точка е) невозможно было бы восстановление FеО до Fе. В этом нетрудно убедиться, взяв любой состав газа при этих температурах.

    В действительности, однако, поскольку равновесие не достигается, FеО и Fе могут появиться при температурах ниже 647 и 685°.
    Из рассмотрения кривых рис. 52 и 53 видно, что при температурах выше 700—900°, когда равновесные составы газа содержат ничтожные количества СО2, а скорость реакции СО2 + С > 2СО велика, образующаяся СО2 будет переходить в СО, расходуя углерод и поглощая тепло. При этом указанный процесс, слабо развитый при 700°, усиливается по мере повышения температуры, а при температуре выше 1000°, по-видимому, вся возникающая в газовой фазе углекислота расходуется на указанную реакцию. Наоборот, при температуре ниже 700° и частично при 700—900° имеющийся углекислый газ не реагирует с углеродом, так как содержание СО2 в реальных газах намного ниже равновесного.
    Поэтому реакция получения железа из его закиси до температуры 700—900° может быть выражена так:

    При этом выделившаяся СО2, не реагируя с углеродом, уносится с газом из печи. Так же могут быть написаны в тех же условиях и реакции восстановления Fе3O4 из Fе2О3 и FеО из Fе2O4 или реакции восстановления Ре окисью углерода непосредственно из Fе2О3 и Fе3O4.
    При температурах выше 900—1000° (и частично при 700—900°) СО2, будет реагировать с углеродом, давая окись углерода, почему сам процесс восстановления может происходить без избытка СО (коэффициент n при СО в этом случае близок к единице), поскольку получающаяся СО2 немедленно расходуется на реакцию с углеродом и не успевает окислить восстановленное железо. Процесс в этом случае представится реакциями:

    Экзотермически восстановительный процесс, газообразным продуктом которого является углекислота, называется непрямым (косвенным) восстановлением; эндотермический же процесс в результате которого образуется окись углерода, называется прямым восстановлением.
    Следовательно, отделение кислорода от окисла осуществляется в обоих случаях с помощью СО. Разница только в температурных условиях процесса и в конечном (газовом) продукте восстановления.
    Реакция FеО + С > Fе + СО, описывающая процесс прямого восстановления, указывает только начальное и конечное состояния системы, совсем ничего не говоря о том. каким путем процесс этот совершился.
    Можно также допустить, что углерод действительно отнимает кислород у закиси железа. Имеются данные о более или менее значительном развитии этого процесса в некоторых случаях. Однако этот вопрос еще не решен, и многие утверждают, что контакт угле-рода-восстановителя непосредственно с окислом возможен лишь в ограниченном масштабе. Вместе с тем значительное количество железа, переходящего в чугун, восстанавливается как раз прямым путем, т. е. с поглощением тепла, но, по-видимому, большей частью через газовую фазу.
    При прямом восстановлении окись углерода играет как бы роль переносчика кислорода: она извлекает кислород из руды, проникая вглубь куска через поры, куда твердый углерод проникнуть не может, и передает этот кислород углероду.
    Аналогичную роль в доменном процессе играет и водород с тем отличием, что, будучи гораздо лучшим восстановителем, чем окись углерода, водород ускоряет восстановление не только твердым углеродом, но и окисью углерода.
    Там, где восстановление окисью углерода или углеродом протекает недостаточно энергично, восстановление водородом пойдет энергичнее. При этом полученный водяной пар в газовой фазе реагирует с СО или с углеродом, отдавая кислород и восстанавливаясь снова до водорода. Водород облегчает восстановление железа окисью углерода так же, как окись углерода облегчает восстановление твердым углеродом.
    Процесс может быть выражен для случая взаимодействия образовавшегося водяного пара с окисью углерода

    при взаимодействии водяного пара с углеродом:

    Аналогичные реакции могут быть написаны для Fе2О3 и Fе3O4.
    При этом окончательный тепловой эффект в каждом из двух рассмотренных случаев не зависит от участия в процессе водорода и водяного пара; он оказывается равным эффекту непрямого (II, 17) либо прямого (II, 18) восстановления. Водород также является переносчиком кислорода от окисла к углероду или окиси углерода, подобно тому, как в ранее рассмотренном процессе прямого восстановления аналогичную роль играла окись углерода. Водород, таким образом, в доменном процессе в качестве восстановителя может не расходоваться, несмотря на его огромное участие в процессе восстановления; при этом окончательное его содержание в газе может не измениться, а иногда даже и увеличиться.
    Реакция восстановления Fе из Fе3O4 непосредственно

  4. я не твоя Ответить

    приводит к образованию жидкого расплава, который каплями начинает стекать в горн.
    Эти капли, протекая по кускам кокса, насыщаются углеродом (4 % и более),марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1000 … 1200 °С восстанавливаются из руды, а также обогащаются серой, содержащейся в коксе.
    Марганец в виде оксидов в доменную вносится железной, марганцевой рудами или агломератом и восстанавливается в шахте по реакции аналогичной восстановлению оксидов железа:
    МnО2 -> Мn2O3 -> Мn4О3 -> МnО
    Оксид марганца (Мn0) восстанавливается только твердым углеродом с образованием карбида марганца (Мп3С) при температуре не ниже 1100°с Карбид марганца растворяется в железе, повышая содержание марганца и углерода в чугуне. Другая часть МnО входит в состав шлака.
    Кремний, содержащийся в руде в виде SlO2 также частично восстанавливаетcя твердым углеродом и растворяется в железе. Другая часть SiO2 переходит в шлак. Кремний восстанавливается при
    температурах не ниже 1450 С.
    Фосфор содержится в руде в виде соединений (FeO)3 • Р2О5 и (СаО)3 • Р2О5. При температурах выше 1000°С фосфатжелеза восстанавливается оксидом угле­рода и твердым углеродом с образованием фосфида железа. При температурах выше 1300 °С фосфор восстанавливается из фос­фата кальция. Фосфор и фосфид железа Fe3P полностью растворяются в железе.
    Сера присутствует в коксе и руде в виде органической серы и соединений FeS2, FeS, CaSO4. Сера летуча, и поэтому часть ее удаляется с газом при нагреве шихты в печи, а часть в виде серы и FeS растворяется в чугуне. Вследствие реак­ции
    FeS + СаО = CaS + FeO
    часть серы в виде CaS удаляется в шлак. Фосфор и сера в чугуне являются вред­ными примесями.
    Таким образом, в результате, процес­са восстановления оксидов железа, части оксидов марганца и кремния, фосфатов и сернистых соединении, растворения в железе С, Mn, Si, P, S в доменной печи образуется чугун.
    Образование шлака. Шлакообразова­ние активно происходит в распаре после окончания процессов восстановления же­леза путем сплавления флюсов, добавляе­мых в доменную печь для обеспечения достаточной жидкотекучести при темпе­ратуре 1400 … 1450 °С, оксидов пустой породы и золы кокса. Основные составля­ющие доменного шлака: оксиды кремния (30 …45 %), оксиды кальция (40 … 50 %), оксид алюминия (10 … 25 %) и другие компоненты. Шлак стекает в горн и скап­ливается на поверхности жидкого чугуна благодаря меньшей плотности.
    Чугун выпускают из печи каждые 3 … 4 ч, а шлак – через 1 … 1,5 ч. Чугун выпускают через чугунную летку 16 (см. рис. 2.1) – отверстие в кладке, располо­женное несколько выше лещади, а шлак – через шлаковую летку 17. Чугунную летку открывают бурильной машиной, после выпуска чугуна ее закрывают огнеупор­ной массой. Чугун и шлак сливают в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши. Чугун транспортируют в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи для передела в сталь. Чугун, не используемый в жидком виде, разливают в изложницы разливочной машины, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.
    Продукты доменной плавки.Чугун -основной продукт доменной плавки. В до­менных печах получают чугун различного химического состава в зависимости от его назначения.
    Передельный чугун выплавляют для передела его в сталь в конвертерах или мартеновских печах. Он содержит 4 …4,4 % С, 0,6 … 0,8 % Si, 0,25 … 1,5 % Mn, 0,15 … 0,3 % Р и 0,03 …0,07 % S.
    Литейный чугун используют на ма­шиностроительных заводах при производ­стве фасонных отливок. Он содержит 2,75 … 3,25 % Si. Кроме чугуна в домен­ной печи выплавляют ферросплавы до­менные – сплавы железа с кремнием, мар­ганцем и другими элементами, применяе­мые для раскисления и легирования стали. К ним относятся ферросилиций (9 … 13 % Si и до 3 % Мn), ферромарганец (70 … 75 % Мn и до 2 % Si), зеркальный чугун (10 … 25 % Мn и до 2 % Si).
    Побочные продукты доменной плав­ки – шлак и доменный газ. Из шлака изго­товляют шлаковату, цемент, шлакоситаллы, а доменный газ после очистки исполь­зуют как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь.

  5. MoskowHD Ответить

    Кроме железа, в доменной печи происходит восстановление и других элементов, входящих в состав шихты.
    2.1. Марганец
    Марганец содержится во всех железных рудах в больших или меньших количествах. В соответствии с принципом последовательных превращений, оксиды марганца восстанавливаются последовательно от высших к низшим:
    MnO2 > Mn2O3 > Mn3O4 > MnO > Mn.
    Высшие оксиды марганца в доменной печи восстанавливаются полностью до MnO непрямым путем, взаимодействуя с СО. Оксид MnO восстанавливается только прямым путем, и то, частично по реакции:
    MnO + С = Mn + СО.
    Взаимодействуя с твердым углеродом, MnO образует карбид Mn3C, который растворяется в железе, повышая содержание марганца и углерода в чугуне. Другая часть MnO переходит в шлак.
    2.2. Кремний
    Кремний попадает в доменную печь с шихтой в виде SiO2. Восстановление его, как и марганца, осуществляется частично при высоких температурах твердым углеродом:
    SiO2 + 2C = Si + 2CO.
    Другая часть SiO2 переходит в шлак, а восстановленный кремний растворяется в железе.
    2.3. Фосфор
    Фосфор в шихтовых материалах находится в виде соединений (FeO)3 ? P2O5 и (СаО)3 ? P2O5. При температурах выше 1000 °С фосфат железа восстанавливается оксидом углерода и твердым углеродом с образованием фосфида железа Fe3P. При температурах выше 1300 °С фосфор восстанавливается из фосфата кальция. Фосфор и фосфид железа полностью растворяются в железе. Условия доменной плавки не позволяют удалить из металла фосфор. Весь фосфор, содержащийся в шихте, восстанавливается и полностью переходит в чугун. Поэтому, единственным способом получения малофосфористых чугунов является использование чистых по фосфору шихтовых материалов.
    2.4. Сера
    Сера, наряду с фосфором и мышьяком, относится к вредным примесям чугуна, ухудшающим качество металла. Поэтому, большое внимание уделяется проблеме снижения серы в чугуне, а затем и в стали. Сера может присутствовать в шихтовых материалах в виде органической серы и соединений FeS2, FeS, СaSO4. Независимо от формы, в которой она присутствует в шихте, большая часть серы растворяется в чугуне в виде FeS. Задача удаления серы из чугуна заключается в том, чтобы максимальное количество серы перевести из металла в другие продукты доменной плавки – газ и шлак. Сера летуча, и поэтому часть ее удаляется с газом при нагреве шихты в печи. Количество серы, удаляющееся с газовой фазой невелико – от 5 до 10% от общего содержания серы в шихте. Большая часть серы переводится в шлак в результате химического взаимодействия серы чугуна с оксидом кальция, что требует повышенного содержания СаО в шлаке:

  6. Fon de la more Ответить

    Доменная печь работает по принципу противотока. Шихтовые материалы – агломерат, кокс и др. – загружают сверху при помощи засыпного (загрузочного) аппарата. Навстречу опускающимся материалам снизу вверх движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива (кокса), а также природного газа. В доменной печи протекают следующие основные процессы: Восстановление железа. Этот процесс происходит последовательно от высших оксидов к низшим и далее к чистому металлу : Fe2O3 – Fe3O4 – FeO – Fe Главными восстановителями железа в доменной печи являются оксид углерода(I) и твердый углерод кокса. Оксид углерода(I) образуется при взаимодействии углекислого газа с раскалённым коксом: C + CO2=2CO Восстановление оксидом углерода называется косвенным (непрямым) восстановлением и происходит по реакциям 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + Q; Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 – Q; FeO + CO = Fe + CO2 + Q. Восстановление Fe2O3 начинается при сравнительно низких температурах (400-5000С) в верхней части шахты печи. По мере опускания рудных материалов повышаются температура и содержание СО в доменных газах; при этом создаются условия для окончательного восстановления железа. Эти процессы заканчиваются в нижней части шахты печи при температурах около 900-9500 С. Значение косвенного восстановления очень велико. В зависимости от условий работы печи оксидом углерода СО восстанавливается 60-80% всего железа. Остальная часть железа восстанавливается твердым углеродом. Восстановление твердым углеродом называется прямым восстановлением. Оно происходит при температурах выше 950-10000 С (зона распара печи) по реакции FeO + C = Fe + CO – Q. Следует отметить, что эта реакция отражает лишь конечный результат процесса прямого восстановления, который протекает в две стадии: FeO + CO = Fe + CO2 + Q CO2 + C = 2CO– Q FeO + C = Fe + CO2 – Q Таким образом, при прямом восстановлении расходуется только углерод кокса, хотя реагентом, взаимодействующим с FeO, является оксид углерода СО. Непосредственное восстановление оксидов железа при контакте с углеродом кокса практически не происходит. Уже в шахте доменной печи при температурах выше 400-5000 С наряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание за счет оксида углерода СО по реакции: 3Fe + 2CO = Fe3 C + CO2 + Q. Карбид железа Fe3С хорошо растворяется в твердом железе и постепенно образуется сплав железа с углеродом. С увеличением содержания углерода температура плавления сплава значительно понижается и достигает минимального значения 11470С при 4,3%. В зонах печи с высокими температурами – обычно в нижней части шахты – начинается плавление сплава. Жидкий сплав – чугун, стекая вниз, омывает куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. В нем также растворяются восстановленный марганец, кремний, сера и другие примеси. Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение имеют состав, свойства и количество шлака. Восстановление других элементов. В доменную печь с шихтовыми материалами попадают марганец, кремний, сера и другие элементы в виде различных химических соединений. Эти элементы частично или полностью восстанавливаются и входят в состав чугуна, улучшая или ухудшая его свойства. Постоянными полезными примесями чугуна являются марганец и кремний, вредными – сера и фосфор. Марганец – постоянная примесь железных руд. При выплавке чугунов с повышенным содержанием марганца в доменную печь загружается марганцовая руда. Высшие оксиды марганца восстанавливаются до оксида марганца MnO окисью углерода, аналогично окислам железа: MnO2 – Mn2O3 – Mn3O4- MnO. Закись марганца восстанавливается твердым углеродом по реакции: MnO + C = Mn + CO – Q. Эта реакция протекает при температурах выше 11000 С с поглощением тепла. Поэтому для восстановления марганца требуется увеличить расход кокса и температуру дутья. Например, при выплавке зеркального чугуна с 10-25% Mn расход кокса увеличивается в 2-2,5 раза. Значительная часть MnO находится в виде силикатов, из которых может быть выделена известью. Таким образом, дополнительным условием для увеличения степени восстановления марганца является достаточное количество извести CaO в шлаке, т.е. его повышенная основность. Кремний находится в пустой породе руды и в золе кокса в виде свободного кремнезема SiO2 или в виде силикатов (SiO2·2СaO и др.). Восстановление кремния происходит из кремнезема SiO2 по реакции: SiO2 + 2С = Si + 2СО – Q. По-видимому, кремний восстанавливается из SiO2 и карбидом железа Fe3C. Эта реакция протекает с поглощением тепла при температурах не ниже 14500
    С. Поэтому для выплавки чугуна с повышенным содержанием кремния необходимо значительно увеличивать расход кокса и применять высокотемпературное дутье, обогащенное кислородом. Для увеличения количества свободного кремнезема в шлаке необходимо уменьшать в нем содержание извести CaО, т.е. понижать его основность. 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· 3СaO. Восстановление фосфора происходит окисью углерода СО, водородом, а также твердым углеродом. 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. В доменной печи 10-20% серы удаляется в виде соединений. Остальная часть серы переходит в чугун и в шлак в виде сульфидов FeS, CaS и др. Сульфид железа FeS хорошо растворяется в чугуне. В условиях доменной плавки основным способом десульфурации, т.е. удаления серы из металла, является образование сульфида кальция CaS по реакции FeS + CaO = FeO + CaO + Q. Сульфид кальция CaS нерастворим в чугуне и находится в шлаке. Наиболее интенсивно эта реакция протекает при прохождении капель чугуна через слой шлака. Из этой реакции следует, что одним из основных условий удаления серы из металла является достаточное количество извести CaO в шлаке. Удалению серы способствует высокая температура в горне; с нагревом уменьшается вязкость шлака, что улучшает диффузию сульфидов и способствует восстановлению FeO. Часть серы удаляется с помощью MgO (всегда содержащемся в шлаке), а также марганца по реакциям FeS + MgO = FeO + MgS и FeS + Mn = Fe + MnS. Сульфид магния MgS нерастворим в металле, а сульфид марганца MnS растворяется незначительно. Широкое распространение получило внедоменное удаление серы из чугуна. При выдержке его в ковшах-чугуновозах и в миксере часть серы может переходить из металла в шлак в виде сульфида марганца MnS, так как растворимость этого соединения в металле при понижении температуры уменьшается. Такой способ дает хорошие результаты при содержании в чугуне более 2% Mn. Одним из опробованных в промышленных масштабах способов внедоменного удаления серы является обработка чугуна в выпускном желобе или в чугуновозе содой NaCO3 (1% от массы чугуна). Сера удаляется по реакции: FeS + NaCO3 = FeO + Na2S + CO2. Образующийся при этом сернистый натрий Na2S переходит в шлак. В настоящее время проводят исследование работы по изысканию других недефицитных и дешевых реагентов. Шлакообразование начинается примерно в распаре печи. Первичный шлак образуется в результате сплавления CaO, SiO2, Al2O3 и других окислов, находящихся в составе флюса и пустой породы руды. При определенных соотношениях по массе эти тугоплавкие окислы могут образовывать легкоплавкие смеси – сплавы с Т пл = 1150-12000 С. Стекая вниз и накапливаясь в горне, шлак существенно изменяет свой состав. В результате взаимодействия с расплавленным чугуном и остатками несгоревшего кокса в шлаке восстанавливаются окислы железа и марганца, в нем растворяются FeS, MnS, зола кокса и т.д. Химический состав шлака определяет состав чугуна и поэтому при выплавке передельных, литейных и других чугунов всегда подбирают шлак соответствующего состава. Типовой состав шлака: 40-50% CaO; 38-40% SiO2; 7-10% Al2O3.

  7. Nigul Ответить

    Закономерности восстановления железа выявлены академиком Байковым А.А.
    Восстановление железа происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте и повышения температуры от высшего оксида к низшему, в несколько стадий:

    Температура определяет характер протекания химических реакций.
    Восстановителями окcидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород.
    Восстановление твердым углеродом (коксом) называется прямым восстановлением, протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры, по реакции:

    Восстановление газами ( и ) называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям:



    За счет и восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40…60 % металлического железа.
    При температуре 1000…1100 0C восстановленное из руды твердое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод. При насыщении углеродом температура плавления понижается и на уровне распара и заплечиков железо расплавляется (при температуре около 1300 0С).
    Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4%), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1200 0C восстанавливаются из руды, и серой, содержащейся в коксе.
    В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. Шлаки содержат . Шлак образуется постепенно, его состав меняется по мере стекания в горн, где он скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Состав шлака зависит от состава применяемых шихтовых материалов и выплавляемого чугуна.
    Чугун выпускают из печи каждые 3…4 часа через чугунную летку 16, а шлак – каждые 1…1,5 часа через шлаковую летку 17 (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади).
    Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши.
    Чугун поступает в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи, или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

  8. Anakelv Ответить

    Доменная печь работает по принципу противотока. Шихтовые материалы –
    агломерат, кокс и др. – загружают сверху при помощи засыпного (загрузочного)
    аппарата. Навстречу опускающимся материалам снизу вверх движется поток
    горячих газов, образующихся при сгорании топлива (кокса), а также природного
    газа.
    В доменной печи протекают следующие основные процессы.
    Восстановление железа. Этот процесс
    происходит последовательно от высших окислов к низшим и далее к чистому
    металлу (принцип А.А. Байкова): Fe2O3 –
    Fe3O4 –
    FeO –
    Fe *.
    Главными восстановителями железа в доменной печи являются окись углерода и
    твердый углерод кокса. Некоторое количество железа восстанавливается
    водородом.
    * Восстановление в
    две стадии Fe2O3 –
    Fe3O4 –
    Fe происходит при температурах ниже 570º С и в доменной печи не получает
    развития.
    Восстановление окисью углерода называется
    косвенным (непрямым) восстановлением и происходит по реакциям
    3Fe2O3 +
    CO = 2Fe3O4 +
    CO2 +
    Q;
    Fe3O4 +
    CO = 3FeO +
    CO2 –
    Q;
    FeO + CO = Fe +
    CO2 +
    Q.
    Восстановление Fe2O3 начинается
    при сравнительно низких температурах (400-500º С) в верхней части шахты
    печи. По мере опускания рудных материалов повышаются температура и
    содержание СО в доменных газах; при этом создаются условия для
    окончательного восстановления железа. Эти процессы заканчиваются в нижней
    части шахты печи при температурах около 900-950º С.
    Одновременно в шахте печи происходит также косвенное восстановление окислов
    железа водородом по реакциям, аналогичным реакциям восстановления окисью
    углерода (например, 3Fe2O3 +
    Н2 =
    2Fe3O4 +
    Н2О и т. д.).
    Значение косвенного восстановления очень велико. В зависимости от условий
    работы печи окисью углерода СО и водородом восстанавливается 60-80% всего
    железа. Остальная часть железа восстанавливается твердым углеродом.
    Восстановление твердым углеродом называется
    прямым восстановлением. Оно происходит при температурах выше 950-1000º С
    (зона распара печи) по реакции FeO + C = Fe + CO – Q.
    Следует отметить, что эта реакция отражает лишь конечный результат процесса
    прямого восстановления, который протекает в две стадии:
    FeO + CO = Fe + CO2 +
    Q
    CO2 +
    Cкокса =
    2CO2 –
    Q
    FeO + Cкокса =
    Fe + CO2 –
    Q
    Таким образом, при прямом восстановлении расходуется только углерод кокса,
    хотя реагентом, взаимодействующим с FeO, является окись углерода СО.
    Непосредственное восстановление окислов железа при контакте с углеродом
    кокса практически не происходит. В прямом восстановлении могут также
    участвовать водород и сажистый углерод.
    Значение прямого восстановления обосновал акад. М.А. Павлов, доказавший
    ошибочность ранее общепризнанной теории французского металлурга Грюнера. По
    Грюнеру, восстановление железа должно происходить только косвенно (так
    называемый идеальный ход). М.А. Павлов установил, что наиболее экономичная
    работа печи (с наименьшим расходом кокса) может быть обеспечена, когда
    происходит как косвенное, так и прямое восстановление железа. Оптимальное
    соотношение между прямым и косвенным восстановлением зависит от температуры
    воздушного дутья, количества используемого природного газа и других
    факторов.
    Науглероживание железа.
    Восстановление железа начинается при 400-500
    º С и заканчивается при 1300-1400ºС (в распаре печи). При этих температурах
    железо (T пл. = 1539º С) находится в твердом состоянии в виде пористой
    губчатой массы.
    Уже в шахте доменной печи при температурах выше 400-500º С наряду с
    восстановлением железа происходит и его науглероживание за счет окиси
    углерода СО по реакции 3Fe + 2CO = Fe3 C
    + CO2 + Q*.
    Карбид железа Fe3С хорошо
    растворяется в твердом железе и постепенно образуется сплав железа с
    углеродом. С увеличением содержания углерода температура плавления сплава
    значительно понижается и достигает минимального значения 1147º С при 4,3%. В
    зонах печи с высокими температурами – обычно в нижней части шахты –
    начинается плавление сплава. Жидкий сплав – чугун, стекая вниз, омывает
    куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. В нем
    также растворяются восстановленный марганец, кремний, сера и другие примеси.
    Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение
    имеют состав, свойства и количество шлака.
    Восстановление других элементов. В
    доменную печь с шихтовыми материалами попадают марганец, кремний, сера и
    другие элементы в виде различных химических соединений. Эти элементы
    частично или полностью восстанавливаются и входят в состав чугуна, улучшая
    или ухудшая его свойства.
    Постоянными полезными примесями чугуна являются марганец и кремний, вредными
    – сера и фосфор.
    Марганец –
    постоянная примесь железных руд. При выплавке чугунов с повышенным
    содержанием марганца в доменную печь загружается марганцовая руда.
    Высшие окислы марганца восстанавливаются до закиси марганца MnO окисью
    углерода, аналогично окислам железа: MnO2 >
    Mn2O3 >
    Mn3O4 >
    MnO. Закись марганца восстанавливается твердым углеродом по реакции MnO + C
    = Mn + CO – Q.
    Эта реакция протекает при температурах выше 1100º С с поглощением тепла.
    Поэтому для восстановления марганца требуется увеличить расход кокса и
    температуру дутья. Например, при выплавке зеркального чугуна с 10-25% Mn
    расход кокса увеличивается в 2-2,5 раза. Значительная часть MnO находится в
    виде силикатов, из которых может быть выделена известью.
    Таким образом, дополнительным условием для увеличения степени восстановления
    марганца является достаточное количество извести CaO в шлаке, т.е. его
    повышенная основность.
    Кремний находится
    в пустой породе руды и в золе кокса в виде свободного кремнезема SiO2 или
    в виде силикатов (SiO2? 2СaO
    и др.).
    Восстановление кремния происходит из кремнезема SiO2 по
    реакции SiO2 + 2С
    = Si + 2СО – Q **.
    * Конечная
    (итоговая) реакция процесса науглероживания, протекающего в две стадии.
    ** Итоговая реакция.
    Восстановление кремния происходит в две стадии: SiO2 >
    SiO > Si.
    По-видимому, кремний восстанавливается из SiO2 и
    карбидом железа Fe3C.
    Эта реакция протекает с поглощением тепла при температурах не ниже 1450 С.
    Поэтому для выплавки чугуна с повышенным содержанием кремния необходимо
    значительно увеличивать расход кокса и применять высокотемпературное дутье,
    обогащенное кислородом. Для увеличения количества свободного кремнезема в
    шлаке необходимо уменьшать в нем содержание извести CaО, т.е. понижать его
    основность.
    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 ? 3СaO.
    Восстановление фосфора происходит окисью углерода СО, водородом, а также
    твердым углеродом. 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. В доменной печи
    10-20% серы удаляется в виде соединений. Остальная часть серы переходит в
    чугун и в шлак в виде сульфидов FeS, CaS и др. Сульфид железа FeS хорошо
    растворяется в чугуне.
    В условиях доменной плавки основным способом десульфурации, т.е. удаления
    серы из металла, является образование сульфида кальция CaS по реакции FeS +
    CaO = FeO + CaO + Q.
    Сульфид кальция CaS нерастворим в чугуне и находится в шлаке. Наиболее
    интенсивно эта реакция протекает при прохождении капель чугуна через слой
    шлака.
    Из этой реакции следует, что одним из основных условий удаления серы из
    металла является достаточное количество извести CaO в шлаке. Удалению серы
    способствует высокая температура в горне; с нагревом уменьшается вязкость
    шлака, что улучшает диффузию сульфидов и способствует восстановлению FeO.
    Часть серы удаляется с помощью магнезии MgO (всегда содержащейся в шлаке), а
    также марганца по реакциям FeS + MgO = FeO + MgS и FeS + Mn = Fe + MnS.
    Сульфид магния MgS нерастворим в металле, а сульфид марганца MnS
    растворяется незначительно. Широкое распространение получило внедоменное
    удаление серы из чугуна. При выдержке его в ковшах-чугуновозах и в миксере
    часть серы может переходить из металла в шлак в виде сульфида марганца MnS,
    так как растворимость этого соединения в металле при понижении температуры
    уменьшается. Такой способ дает хорошие результаты при содержании в чугуне
    более 2% Mn.
    Одним из опробованных в промышленных масштабах способов внедоменного
    удаления серы является обработка чугуна в выпускном желобе или в чугуновозе
    содой NaCO3 (1%
    от массы чугуна). Сера удаляется по реакции FeS + NaCO3 =
    FeO + Na2S + CO2. Образующийся
    при этом сернистый натрий Na2S
    переходит в шлак. В настоящее время проводят исследование работы по
    изысканию других недефицитных и дешевых реагентов.
    Шлакообразование начинается
    примерно в распаре печи. Первичный шлак образуется в результате сплавления
    CaO, SiO2, Al2O3 и
    других окислов, находящихся в составе флюса и пустой породы руды. При
    определенных соотношениях по массе эти тугоплавкие окислы могут образовывать
    легкоплавкие смеси – сплавы с Т пл = 1150-1200? С. Стекая вниз и
    накапливаясь в горне, шлак существенно изменяет свой состав. В результате
    взаимодействия с расплавленным чугуном и остатками несгоревшего кокса в
    шлаке восстанавливаются окислы железа и марганца, в нем растворяются FeS,
    MnS, зола кокса и т.д. Химический состав шлака определяет состав чугуна и
    поэтому при выплавке передельных, литейных и других чугунов всегда подбирают
    шлак соответствующего состава. Типовой состав шлака: 40-50% CaO; 38-40% SiO2;
    7-10% Al2O3.
    Одна из важнейших характеристик шлака – его основность, т.е. отношение
    содержания основных окислов к содержанию кислотных окислов. В заводской
    практике основность нередко определяется упрощенно, как Ош =
    %(CaO) / %( SiO2).
    При выплавке разных чугунов и ферросплавов ее значение колеблется в пределах
    0,9-1,4.
    Как уже отмечалось, с увеличением основности шлака улучшаются удаление серы
    и восстановление марганца; для восстановления кремния основность должна быть
    уменьшена. В сложных физико-химических процессах взаимодействие шлака с
    чугуном, коксом и т.п. большое значение имеет не только состав шлака, но и
    его количество, вязкость и другие свойства, а также температура в горне
    печи.
    ПРОДУКТЫ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
    Расплавленный чугун выпускают через одне-две чугунные летки по 10-18 раз в
    сутки. В ковшах-чугуновозах емкостью 80-100т его по железнодорожным путям
    подают либо в сталеплавильный цех для передела в сталь, либо на разливочную
    машину. В первом случае чугун сливают в миксеры (копильники) емкостью до
    2000т, отапливаемые газом. При выдержке в миксере выравниваются химический
    состав и температура чугуна, происходит дополнительное удаление серы.
    Разливочная машина представляет собой конвейер с укрепленными на нем формами
    (мульдами); в них получают небольшие слитки – чугунные чушки (до 55 кг),
    которые направляют на другие заводы.
    Чугуны и ферросплавы. В доменных
    печах выплавляют передельные и литейные чугуны, а также некоторые
    ферросплавы.
    Передельные чугуны по
    ГОСТ 805-69 выплавляют трех видов: 1 – коксовый М1, М2, М3; Б1, Б2; 2 –
    фосфористый МФ1, МФ2, МФ3; 3 – высококачественный ПВК1, ПВК2, ПВК3.
    По содержанию вредных примесей – фосфора и серы – чугуны делятся на классы
    А, Б и т.д. по фосфору и на категории I,II и т.д. по сере.
    Наиболее распространенные чугуны М1, М2, М3 содержат 3,8-4,4% C, 0,5-1,4%
    Si, 0,5-1,5% Mn, 0,15-0,3% P, 0,02-0,06% S. Чугуны этих марок применяют для
    выплавки стали мартеновским и кислородно-конверторным способами. Чугуны
    марок Б1, Б2, содержащие фосфора< =0,06% (класс А) и серы <=0,04% (категория III), используют для передела на сталь и бессемеровским способом. Фосфористые чугуны МФ1, МФ2 и МФ3 содержат 1-2% фосфора, их переделывают в сталь в мартеновских качающихся печах. Высококачественные чугуны ПВК1, ПВК2, ПВК3 имеют минимальное содержание вредных примесей (например, класс А<=0,02% Р, категория I<=0,015% S) и используется для выплавки качественных сталей в электродуговых и других печах. Литейные чугуны ЛКО – ЛК5 применяют для получения литых деталей. Обычные литейные чугуны содержат 0,1-0,3% P, для художественного литья применяют фосфористые чугуны, содержащие до 1,2% P. Доменные ферросплав: зеркальные
    чугуны ЗЧ1, ЗЧ2, ЗЧ3 содержат 10-25% Mn, ферромарганец Mn6, Mn7 70-75% Mn,
    доменный ферросилиций Си10, Си15 9-13% Si (иногда больше) и до 3% Mn. Эти
    сплавы применяют при выплавке сталей для раскисления и легирования.
    В доменных печах из руд некоторых месторождений выплавляют также
    природнолегированные чугуны, содержащие хром, ванадий, никель и т.д.
    Доменный шлак –
    побочный продукт плавки – по мере его накопления выпускают в расплавленном
    состоянии через шлаковые летки в ковши-шлаковозы емкостью 30т,
    транспортируемые по железнодорожным путям. Еще сравнительно недавно шлаки
    направляли в отвал. В настоящее время шлак все шире используют для получения
    строительных материалов.
    Широкое применение нашла мокрая грануляция шлаков: при выливании жидкого
    шлака в воду он превращается в мелкозернистый материал. Гранулированный шлак
    используют для производства цемента, шлаковых строительных кирпичей и
    блоков. Из доменного шлака получают также щебень, литые изделия и т.д.
    Доменный или колошниковый газ выделяется
    в больших количествах и непрерывно удаляется через газоотводы в колошнике из
    доменной печи.
    При сгорании 1т кокса образуется около 5000 м3 газа.
    Таким образом, в крупных печах объемом 3000-3200 м3 в
    сутки выделяется примерно 15-17 млн. м3 газа.
    Он содержит значительное количество горючих составляющих, его теплотворная
    способность около 850-950 кал / м3.
    После очистки от пыли (частиц руды, топлива, флюсов) доменный газ используют
    как топливо для нагрева воздухонагревателей доменных печей, водяных и
    паровых котлов. В смеси с более высококалорийным коксовым или природным
    газами его применяют также для отопления мартеновских и нагревательных
    печей. Колошниковая пыль содержит 45-50% Fe и ее используют при агломерации.
    Технико-экономические показатели
    производства чугуна
    Основными показателями работы доменной печи являются ее производительность и
    расход кокса на 1т чугуна.
    Коэффициент использования полезного объема печи определяется как отношение
    полезного объема печи V (в м3)
    к ее среднесуточной производительности P в тоннах выплавляемого передельного
    чугуна:
    к.и.п.о. = V/P.
    Чем меньше к.и.п.о., чем выше производительность печи. В нашей стране для
    большинства печей к.и.п.о. равен 0.5-0.7, по отдельным печам 0.4-0.45.
    Удельный расход кокса в отечественной металлургии в среднем около 550 кг на
    1т передельного чугуна, на передовых заводах ниже 450 кг. Это важный
    экономический показатель, так как стоимость кокса составляет 45-55%
    стоимости чугуна.
    Основными направлениями в совершенствовании доменного производства являются
    строительство экономически более выгодных крупных печей объемом до 5000 м3,
    улучшение подготовки сырых материалов к плавке (обогащение, применение
    офлюсованного агломерата и окатышей), интенсификация доменного процесса
    путем обогащения дутья кислородом, применение природного газа и т.д. Все
    большее значение имеет совершенствование систем комплексной механизации и
    автоматического управления доменным процессом.
    Литература: Кнорзов Б.В. Технология металлов. Москва. Металлургия, 1978г.

  9. Landadwyn Ответить

    3. Восстановление элементов из их окислов

    Восстановительный процесс – это химическое взаимодействие, в результате которого от окислов отнимается кислород. Восстановителями в доменной печи являются окись углерода, твердый углерод и водород. Назначение доменной плавки заключается в том, чтобы отнять кислород от окислов железа и ряда других элементов, содержащихся в шихтовых материалах.
    Хорошее развитие процессов восстановления было бы невозможно без противотока газа и шихты.
    Печные газы отдают тепло шихте, что обеспечивает протекание химических реакций, и удаляют газообразные продукты восстановления. На рис. 75 представлена кривая изменения температуры газа 1 и шихты 2 по высоте доменной печи.

    Рис. 75. Изменение температур газа и шихты по высоте доменной печи
    С повышением температуры химическое сродство металлов к кислороду снижается, а к углероду возрастает, вследствие чего при соответствующих температурах он может служить восстановителем. Это используется в доменной плавке, где основными восстановителями являются твердый углерод и его окись. Углерод поступает в доменную печь с коксом и природным газом. Содержание метана (Сн4) в природном газе составляет 95 – 97%, а содержание углерода в коксе 85 – 87%.
    Восстановление элементов в доменной печи происходит двумя путями: газами (окись углерода, водородом) и твердым углеродом. В первом случае восстановление называется непрямым (косвенным), а во втором – прямым.
    Основные закономерности процесса восстановления железа из его окислов были выявлены акад. А. А. Байковым. Он установил последовательность превращений при восстановлении от высших окислов до металлического железа, которую можно представить в следующем виде:
    Fe2О3 > Fe3О4 > FeO > Fe.
    Косвенное восстановление окисью углерода начинается при температурах 300 – 400°С и происходит по таким реакциям;
    3Fe2О3 + СО = 2Fe3О4 + СО2 + 37,137 Мдж (8 870 ккал);
    Fe3О4 + СО = 3FeO + СО2 – 20,892 Мдж (4990 ккал);
    FeO + СО = Fe + CО2+ 13,607 Мдж (3250 ккал).
    Общий тепловой эффект непрямого восстановления железа является положительным.
    Восстановление водородом начинается при 300°С и протекает по такой же схеме, но все реакции сопровождаются поглощением тепла:
    3Fe2О3 + Н2 = 2Fe3О4 + Н2О – 21,813 Мдж (5210 ккал);
    Fe3О4 + H2 = 3FeО + H2О – 62,216Мдж (14 860 ккал);
    FeO + Н2 = Fe + Н2О – 27,717 Мдж (6620 ккал).
    При восстановлении окислов железа твердым углеродом происходит большое поглощение тепла:
    3Fe2О3 + С = 2Fe3О4 + CO – 104,328 Мдж (24840 ккал);
    Fe3О4 + С = 3FeO + CO – 190,008 Мдж (45 240 ккал);
    FeO + C = Fe +CO – 153,308 Мдж (36 740 ккал).
    Первая реакция начинается при температуре 390 – 400°С, а вторая и третья – при 700 – 800°С. Взаимодействие твердых окислов с твердым углеродом кокса возможно только в точках их соприкосновения, т. е. реакционная поверхность значительно меньше, чем в случае восстановления газами. Однако если окись железа находится в жидкой фазе, то взаимодействие окиси с твердым углеродом протекает более интенсивно, так как жидкая фаза как бы омывает куски кокса (так же как и газ, содержащий окись углерода, или водород омывает куски агломерата или руды). Следует также учитывать, что твердый углерод в виде сажистого углерода откладывается в порах железной руды или агломерата, что резко увеличивает реакционную поверхность и способствует протеканию восстановительных процессов. Восстановление окислов железа по высоте доменной печи проиллюстрировано на рис. 76.

    Рис. 76. Восстановление железа по высоте доменной печи: а – магнитогорская; б – завода ‘Запорожсталь’
    Агломерат или железная руда могут содержать силикаты железа. Такие соединения первоначально взаимодействуют с окисью кальция, имеющей большое сродство к кремнезему, в результате чего получаются силикаты кальция. Выделяющаяся при этом закись железа восстанавливается твердым углеродом со значительной, в конечном итоге, затратой тепла.
    Чем больше в шихте содержится силикатов железа, тем больше расходуется горючего на выплавку чугуна. Чаще всего встречается силикат в виде Fe2SiО4, восстановление железа из которого происходит по реакциям:
    Fe2SiО4 + 2СаО = Са2 SiО4 + 2FeO + 92,148 Мдж (21 940 ккал);
    2FeO + 2C = 2Fe +2СО – 308,616 Мдж (73 480 ккал).
    Эти реакции начинают хорошо протекать при температуре 800 – 850°С. Силикаты железа могут восстанавливаться окисью углерода в незначительных количествах.
    Непрямое восстановление сопровождается выделением небольшого количества тепла и требует много СО, получить которую можно только путем сжигания угле- рода в печи. При прямом восстановлении расходуется меньшее количество углерода, но требуется много тепла, которое можно получить в основном при сжигании углерода и путем нагрева дутья. Таким образом, в доменной печи в первом случае при получении необходимого количества окиси углерода выделяется тепло и во втором – получение тепла связано с образованием окиси углерода. Поэтому минимальный расход углерода на восстановление в целом может быть тогда, когда лучше используется восстановительная энергия газов в печи, что достигается оптимальным распределением в первую очередь шихтовых материалов на колошнике и хорошим качеством агломерата (отсутствие мелочи, достаточная прочность, хорошая восстановимость).
    Процессы восстановления могут протекать быстро и медленно. Это зависит от ряда условий, в том числе от качества сырых материалов. Скорость восстановления зависит прежде всего от качества железной руды или агломерата. Под качеством необходимо понимать величину кусков, пористость, содержание трудновосстановимых окислов, пустой породы и т. д. Чем больше размер куска руды или агломерата, тем больше затрачивается времени на его восстановление. На рис. 77 показана зависимость между размером кусков руды и степенью восстановления.

    Рис. 77. Зависимость между величиной куска и степенью восстановления
    Однако не только величина куска, но и его пористость (в большей степени) влияет на скорость восстановления. Чем более пориста руда, тем лучше ее восстановимость (агломерат является более пористым сырьем, чем руда). Чем больше в агломерате силикатов железа и его закиси, тем резче снижается восстановимость. Объясняется это тем, что с увеличением содержания FeO температура размягчения агломерата понижается, что приводит к образованию “тестообразных” масс, закрывающих поры и ухудшающих доступ газа к окислам. Такое явление может происходить и у руд, если температура их размягчения низкая.
    На рис. 78 представлены зависимости степени восстановления от содержания в агломерате закиси железа. Как видно из диаграммы, агломерат при температуре 1100°С восстанавливается хуже, чем при 1000°С (при одинаковом содержании FeO). Это вызвано тем, что в данном случае агломерат при более высокой температуре размягчается, теряет пористость и окислы контактируют с газом только на поверхности куска.

    Рис. 78. Зависимость степени восстановления агломерата от содержания в нем закиси железа
    Скорость восстановительных процессов во многом зависит от состава газа-восстановителя. Увеличение содержания в газовой смеси углекислоты и паров воды тормозит восстановление. Чем больше в отходящем из доменной печи газе додержится углекислоты, тем более полно была использована его восстановительная способность. Однако не следует забывать, что в состав отходящих газов входит и СО2, выделившаяся вследствие разложения карбонатов (в частности, известняка).
    Поэтому применение офлюсованного агломерата, помимо прочих преимуществ, позволяет освободить печь от дополнительного количества углекислоты.
    Азот – инертный газ. Он непосредственно в процессе не участвует, а лишь увеличивает общее количество газа, проходящего через столб шихты, и разбавляет газ-восстановитель, что является отрицательным фактором. Поэтому определенное обогащение вдуваемого кислородом воздуха позволяет снизить содержание азота в газе и увеличить количество окиси углерода. Однако, не участвуя непосредственно в процессах восстановления, азот является основным переносчиком тепла по высоте доменной печи. Поэтому резкое уменьшение его содержания во вдуваемом воздухе (например, путем значительного обогащения дутья кислородом без проведения дополнительных специальных мероприятий) приведет к недостатку тепла в верхних частях доменной печи и к протеканию основных реакций только на нижних горизонтах. В результате материалы придут к горну неподготовленными.
    Одновременно с железом в доменной печи восстанавливаются и переходят частично или полностью в чугун Si, Mn, S, Р и другие элементы. Некоторые элементы в виде окислов или соединений входят в состав шихты, некоторые из них специально вводят в шихту для получения их в составе чугуна. В частности, для получения марганцовистых чугунов в шихту вводят марганцевую руду, в которой могут содержаться следующие окислы марганца: перекись Мn2O, окись Мn2О3, закись-окись Мn3О4 и закись МnО.
    Перекись и окись марганца относятся к непрочным соединениям и при воздействии на них окиси углерода отдают часть своего кислорода: первая – при температуре 565°С и вторая – при 1090°С. Закись марганца восстанавливается только твердым углеродом, что сопровождается большим поглощением тепла.
    Восстановление марганца проходит по схеме:
    2МnO2 + СО = ЗМn2O3 + + СO2 + 277,556 Мдж (54 170 ккал);
    3Мn2О3 + СО = 2Мn3О4 + СO2 + 170,235 Мдж (40 660 ккал);
    Мn3O4 + СО = 3МnО + СO2 + 51,916 Мдж (12 400 ккал);
    МnO + С = Мn + СО – 287,381 Мдж (68640 ккал).
    Окончательное восстановление марганца из его закиси сопровождается затратой тепла, примерно в два раза большей, чем восстановление железа из его закиси. Значительная часть закиси марганца, не успев восстановиться, соединяется с кремнекислотой и образует трудновосстановимое соединение – силикат марганца:
    MnO + SiO2 = MnSiO3,
    восстановление марганца из которого начинается при температуре не ниже 1300°С твердым углеродом и сопровождается большим поглощением тепла. При этом кремнекислота соединяется с окисью кальция по реакции
    MnSiО3 + CaO + 0 = Mn + CaSiO3 + CO – 229,068 Мдж (54 540 ккал).
    Раньше марганцевая руда при выплавке мартеновских чугунов потреблялась в больших количествах. Марганец частично соединяется с серой с образованием соединения MnS, которое удаляется со шлаком. Добавка марганцевой руды в шихту может преследовать и другие цели. При выплавке ферромарганца, или зеркального чугуна, марганец является составной частью ферросплава.
    Некоторые заводы, главным образом на Юге страны, и сейчас выплавляют мартеновские чугуны с несколько повышенным содержанием марганца. Это объясняется повышенным содержанием серы в южных коксах.
    Помимо того, что восстановление марганца требует большой затраты тепла, вместе с марганцевой рудой вносится также дополнительно пустая порода в виде кремнезема и глинозема, что увеличивает количество шлака. В отличие от железа марганец переходит не полностью в чугун и, восстановившись, может испаряться и уноситься газами. При высоких температурах, особенно в нижних горизонтах печи, во время выплавки ферромарганца испарение может происходить довольно интенсивно, чему способствует также большая скорость газов. Если железо при выплавке обычных чугунов распределяется между чугуном и колошниковой пылью, то марганец распределяется между чугуном, пылью и шлаком, куда его переходит чуть ли не половина. Все это делает невыгодным использование марганцевой руды при выплавке обычных чугунов.
    Следующим элементом, который обязательно присутствует в чугуне, является кремний. Окислы кремния находятся во всех видах сырья, применяемого в доменной плавке (даже в золе кокса). Окислы или другие соединения кремния в шихту доменных печей, как правило, при выплавке передельных чугунов специально не добавляют.
    Кремнийсодержащие породы, такие как кварциты, применяют только при выплавке доменного ферросилиция, а чистый кварц – при выплавке высококремнистого ферросилиция в электропечах. Кремний образует соединения не только с кислородом, но и с железом, марганцем и другими элементами. Восстановление кремния в доменной печи происходит твердым углеродом и сопровождается очень большим поглощением тепла:
    SiO2 + 2C = Si + 2СО – 635,096 Мдж (151 690 ккал).
    Чем выше содержания кремния в чугуне, тем больше расходуется горючего. На каждый процент кремния (свыше 0,7%) в чугуне необходимо около 0,1 т дополнительного расхода кокса на 1 т чугуна.
    Восстановление кремния в присутствии железа начинается при температуре 1050°С, а без железа – при 1360°С. В противоположность марганцу кремний лучше восстанавливается при более кислых шлаках, так как образует кислые окислы.
    К вредным примесям относятся сера, фосфор и мышьяк. Сера вносится в доменную печь рудами (агломератом), добавками, заменителями руд и коксом. Заводы Юга располагают относительно чистыми по сере рудами, но большое количество серы в южных коксах делает весьма высоким содержание ее в шихте доменных печей. В руде и флюсе сера может быть в виде пирита (FeS2) или сульфатов (CaSO4 и BaSO4), в коксе может быть в свободном виде, в соединении с углеродом или в виде сульфатов и сульфидов в золе кокса.
    Сера распределяется между чугуном, шлаком, газом и пылью примерно так, как указано в табл. 14. Как видно из таблицы, большая часть серы остается в шлаке.
    Сера может улетучиваться в виде паров, сернистого газа (SO2), сероводорода (H2S) и других газообразных соединений. С увеличением температуры процесс улетучивания серы из ряда ее соединений возрастает. Улетучивание сульфатной серы происходит следующим путем:
    CaSO4 + 4C = CaS + 4CO;
    CaS + 3CaSO4 = 4 CaO + 4SO2.
    Однако если бы образующиеся в печи сернистые газы уносились из печи вместе с колошниковым газом полностью, то было бы очень легко бороться с серой в доменной печи.
    Сернистое газообразное соединение SO2 при движении в печи вместе с газами быстро восстанавливается твердым углеродом и водородом, образуя соединения CS, CS2, COS, HS и H2S. Из этих соединений сера жадно поглощается шихтой, образуя сернистое железо и сернистый кальций, которые вместе с шихтой опускаются в низ печи.
    Таблица 14
    Распределение серы между чугуном, шлаком, колошниковой пылью и газом при различных условиях работы доменной печи

    Вследствие того, что большая часть серы остается в доменной печи, получение чугуна, требуемого по сере состава, возможно только при таком составе шлака, который сможет поглотить основную ее массу, предупредив ее переход в чугун.
    Фосфор и мышьяк ведут себя в доменной печи примерно одинаково. Они переходят в чугун почти полностью, за исключением тех количеств, которые могут улетучиться. Так как эти элементы вносятся в печь шихтовыми материалами в виде различных соединений (мышьяк в условиях СССР редко встречается), то они вначале восстанавливаются, а затем растворяются в чугуне. Так, например, восстановление фосфора из фосфата кальция происходит с помощью углерода и кремнекислоты при очень большом поглощении тепла:
    2(СаО)3 · Р2O5 + 3SiO2 = 3(СаО)2 · SiO2 + 2Р2O5 – 920,98 Мдж (219 280 ккал);
    2Р2O5 + 1 ОС = 4Р + 10CО – 1928,64 Мдж (459 200 ккал).
    Восстановленный фосфор энергично испаряется и немедленно соединяется с восстановившимся железом. Поэтому он практически с газами не выносится.
    Очень нежелательной примесью железных руд является цинк. Он в железных рудах встречается в виде сернистого соединения – сфалетита (цинковой обманки) или в виде кремне- и углекислых солей. Эти соединения под действием окиси кальция превращаются в окись цинка, которая восстанавливается газами при температуре более 450°С. Восстановленный цинк в чугун не переходит и, не доходя до горна, испаряется. Часть цинка уносится газами, а часть конденсируется, оседая на кусках шихты или на стенках шихты. Последнее приводит к разрушению огнеупорной кладки и образованию настылей.
    Хорошо восстанавливаются в доменной печи никель и медь. Ванадий и хром восстанавливаются, но несколько труднее, и процессы восстановления их протекают примерно по такой же схеме, как и при восстановлении марганца. Хром, никель и медь, восстановившись, полностью переходят в чугун.
    В условиях доменной плавки ванадий и титан переходят в чугун частично. Свинец очень хорошо восстанавливается, но в чугуне не растворяется, а из-за высокого удельного веса скапливается на лещади и способствует ее разрушению.
    Окислы кальция, магния и алюминия в доменной печи не восстанавливаются, а полностью переходят в шлак.


    По конкурентной цене ботинки нитрил у нас на сайте. . Сетка тканая нержавеющая нержавеющая сетка.

  10. Ninjas in Pyjamas Ответить


    Восстановление железа. Этот процесс происходит последовательно от высших окислов к низшим и далее к чистому металлу:

    Главными восстановителями железа в доменной печи являются окись углерода и твердый углерод кокса. Некоторое количество железа восстанавливается водородом.
    Восстановление окисью углерода называется косвенным восстановлением и происходит по реакциям:

    Восстановление Fe703 начинается при сравнительно низких температурах (400—500 °С) в верхней части шахты печи. По мере опускания рудных материалов повышаются температура и содержание СО в доменных газах; при этом создаются условия для окончательного восстановления железа. Эти процессы заканчиваются в нижней части шахты печи при температуре около 900—950 °С.
    Одновременно в шахте печи происходит также косвенное восстановление окислов железа водородом по реакциям, аналогичным реакциям восстановления окисью углерода:

    В зависимости от условий работы печи окисью углерода и водородом восстанавливаются 60—80% всего железа. Остальная часть железа восстанавливается твердым углеродом. Восстановление твердым углеродом называется прямым восстановлением. Оно происходит при температурах 950—1000°С (зона распара печи) в результате двух одновременно протекающих реакций:

    Таким образом, восстановление железа начинается при 400—500°С и заканчивается при 1300—1400 °С (в распаре печи). При этих температурах железо находится в твердом состоянии в виде пористой губчатой массы.
    Науглероживание железа. Науглероживание железа начинается в шахте доменной печи при температуре выше 400—500°С наряду с восстановлением железа по реакции

    Карбид железа Fe3C хорошо растворяется в твердом железе и постепенно образует сплав железа с углеродом. С увеличением содержания углерода температура плавления сплава значительно понижается и достигает минимального значения 1147 °С. В результате этого, обычно в нижней части шахты, начинается плавление сплава.
    Жидкий сплав — чугун, стекая вниз, омывает куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. В нем также растворяются восстановленный марганец, кремний и другие примеси. Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение имеют состав, свойства и количество шлака.
    Удаление серы. Сера — особенно вредная примесь в чугуне. Основное количество серы вносит кокс, часть — железная руда, агломерат, окатыши. В доменной печи 10—20% S удаляется в виде газообразных соединений (S02, H2S и др.). Остальная часть серы переходит в чугун и в шлак в виде сульфидов FeS, CaS.
    В условиях доменной плавки основным способом десульфурации, т.е. удаления серы из металла, является образование сульфида кальция CaS по реакции

    Сульфид кальция CaS нерастворим в чугуне и находится в шлаке.
    Фосфор — вредная примесь железных руд — находится главным образом в виде Р205 • ЗСаО. Весь фосфор, внесенный шихтой, восстанавливается и переходит в чугун практически полностью.
    Шлакообразование начинается примерно в распаре печи. Стекая вниз и накапливаясь в горне, шлак существенно изменяет свой состав. Типовой состав шлака: 40—50% СаО; 38—40% Si02; 7—10% А1203.
    Продуктами доменной плавки являются чугун, доменный шлак, доменный газ и колошниковая пыль.
    В доменных печах выплавляют передельные и литейные чугуны, а также некоторые ферросплавы.
    Доменный гранулированный шлак (полученный в результате мокрой грануляции при выливании жидкого шлака в воду) используют для производства цемента, шлаковых строительных кирпичей, блоков, щебня и т.д. Доменный газ содержит значительное количество горючих составляющих (26—32% СО, до 4% Н2), его теплотворная способность 830—930 кал/м3. После очистки от пыли (частиц руды, топлива, флюсов) доменный газ используют как топливо для нагрева воздухонагревателей доменных печей, водяных и паровых котлов. Колошниковая пыль содержит 45—50% Fe, и ее используют при агломерации.
    Технико-экономическими показателями работы доменных печей
    являются коэффициент использования полезного объема доменной печи КИПО и удельный расход кокса. Коэффициент КИПО (м3/т) определяется как отношение полезного объема печи V(м3) к ее среднесуточной производительности (Р) (т) выплавленного объема передельного чугуна:

    Чем выше производительность доменной печи, тем ниже КИПО (для большинства доменных печей в нашей стране КИПО = 0,5—0,7). Значение этого коэффициента зависит от трех факторов: 1) сорта выплавляемого чугуна; 2) содержания пустой породы в железной руде; 3) способа подготовки шихты к плавке.
    зз
    Удельный расход кокса К — отношение расхода Л кокса за сутки к количеству Р в тоннах передельного чугуна, выплавленного за то же время, — составляет обычно 0,5—0,7:

    Он является показателем работы доменной печи, так как стоимость кокса составляет более 50% общей стоимости чугуна.
    Улучшение технико-экономических показателей работы доменной печи достигается: 1) повышением производительности доменных печей путем улучшения их конструкций; 2) использованием специальных способов подготовки шихты; 3) интенсификацией доменного процесса.
    Основным направлением повышения эффективности доменного процесса является увеличение объема печей до 5000 м3 и выше, так как с увеличением полезного объема улучшаются оба показателя эффективности.
    Улучшение подготовки шихтовых материалов — обогащение руд, применение при плавке офлюсованного агломерата и окатышей — обеспечивает прирост выплавки чугуна и снижает расход кокса. Например, увеличение содержания железа в шихте на 1 % дает прирост выплавки чугуна на 3% и снижает расход кокса на 1,5—2,0%; применение агломерата повышает производительность печей на 10—13%, а замена агломерата окатышами снижает расход топлива и дополнительно увеличивает выплавку чугуна еще на 5—8%.
    Интенсификация доменного процесса достигается за счет:
    • повышения давления газа на колошнике, что позволяет уменьшить объем газов, увеличить время пребывания их в печи и, соответственно, улучшить теплообменные и химические процессы между материалами и газами. В результате производительность домен увеличивается с 4 до 9%, а расход кокса снижается на 3—7%;
    • обогащения дутья кислородом, что ускоряет процесс горения кокса, увеличивает концентрацию окиси углерода, следовательно, ускоряются процессы восстановления кремния и марганца, что особенно важно при выплавке доменных ферросплавов и литейных чугунов;
    • вдувания в горн природного газа, что позволяет увеличить содержание газов-восстановителей, повышает температуру дутья, что позволяет снизить расход кокса на 10—15% и повысить производительность печи на 2—3%.

  11. xoxol Ответить

    Доменная печь представля­ет собой шахтную печь кругло­го сечения объемом 2 тыс. м3 и более (рис. 1.1). Стальной ко­жух выложен изнутри огне­упорным материалом 3. Колош­ник цилиндрической формы служит для загрузки печи ших­той, доменный (колошниковый) газ удаляется через газоотво­ды 2. Горячий газ, нагревая шихту, охлаждается и в районе колошника имеет температуру всего 300…400°С. Агломерат, известняк и кокс подаются на колошник через засыпной аппарат 1.
    Рис. 1.1. Схема доменной пе­чи шахтного типа
    Шахта печи пред­ставляет собой расширяющийся книзу конус, что обес­печивает свободное перемещение шихты сверху вниз по мере ее расплавления. В распаре шихта плавится и объ­ем ее уменьшается, в заплечиках образуется губчатое железо. Заплечики, имеющие форму усеченного конуса, сужаются книзу. Это необходимо для удержания твердой шихты в распаре и шахте. Губчатое железо каплями сте­кает в горн, в процессе перемещения оно насыщается уг­леродом.
    Цилиндрический горн состоит из двух зон: верхней (фурменной) и нижней (металлоприемник). В верхней зоне установлены фурмы 4, через которые подается горя­чий воздух (дутье) и топливо (жидкое, пыле- или газо­образное), температура здесь достигает 2000 °С. В ниж­ней зоне собираются жидкий чугун и расплавленный шлак, которые выпускают через чугунную 6 и шлаковую 5 летки в ковши.
    Доменный процесс относят к восстановительному противоточному процессу. Совершается взаимодействие опускающихся сверху вниз шихтовых материалов с под­нимающимся снизу вверх потоком нагретых восстанови­тельных газов.
    При сжигании топлива в доменной печи первым про­цессом является сгорание углерода раскаленно­го кокса в небольших объемах вблизи фурм, при этом образуется диоксид углерода СО2. Вследствие воздейст­вия высокой температуры и отсутствия твердого углеро­да кокса СО2 неустойчив, поэтому конечная стадия горе­ния углерода может быть записана так:
    2С + О2 – 2СО + Q.
    Так возникает конечный продукт горения кокса — оксид углерода СО.
    Второй процесс характеризуется восстановлени­ем железа, марганца, кремния, фосфора, серы и других элементов. Восстановителями являются СО, Н2 (об­разующийся в результате воздействия углерода на вла­гу дутья в виде водяного пара) и твердый углерод С. Вос­становление оксидов железа газами называется косвенным, а твердым углеродом — прямым..
    Восстановленное в доменной печи железо активно по­глощает углерод (науглероживается) и другие элементы, что приводит к образованию чугуна. Капли жидкого металла интенсивнее взаимодейству­ют также с углеродом при контакте с раскаленным кок­сом. Насыщенное углеродом железо имеет пониженную (до 1150… 1200 °С) в сравнении с чистым железом (1539 °С) температуру плавления, что повышает экономическую эф­фективность процесса.

  12. Keris Ответить

    Схема химических процессов, протекающих в доменной печи

    Задача 1121.
    Дать схему химических процессов, протекающих в различных частях доменной печи, для чего при выплавке чугуна к руде добавляют карбонат кальция?
    Решение:
    а) В нижней части доменной печи кокс сгорает, образуя СО2, который поднимаясь вверх и проходя сквозь слои накалённого кокса, взаимодействует с ним и образует СО.

    Протекаемые химические реакции в доменной печи имеют вид:

    С + О2 = СО2;
    С + СО2 = 2СО
    б) Образовавшийся оксид углерода и восстанавливает большую часть железной руды, переходя снова в СО2. Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части доменной шахты:
    Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2
    Восстановление руды протекает по стадиям в зависимости от температуры:
    1). Fe2O3 + 3CO 2Fe3O4 + CO2;
    2). Fe3O4 + CO 3FeO + CO2;
    3). FeO + CO Fe + CO2
    в) В руде содержится пустая порода, которая состоит главным образом из диоксида кремния SiO2. Диоксид кремния – это тугоплавкое вещество. Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляется флюс. Обычно в качестве флюса используют карбонат кальция СаСО3. При взаимодействии его с SiO2 образуется CaSiO3 легко отделяющийся в виде шлака.
    Химизм процесса:
    СаСО3 = СаО + СО2;
    СаО + SiO2 СаСО3.
    Образующийся СО2 превращается в СО, который расходуется на восстановление руды, а СаСО3 в виде шлака выводится из доменной шахты.

    Известные способы переработки чугуна в сталь

    Задача 1122.
    Перечислить известные вам способы переработки чугуна в сталь. Какие химические процессы протекают при этом?
    Решение:
    Существует несколько способов переработки чугуна в сталь. Они основаны на окислении, содержащегося в чугуне углерода и примесей, и отделении образующихся оксидов в газовую фазу или в шлак.
    а) Мартеновский способ переработки чугуна в саль ведут в пламенной отражательной печи, в которую загружают чугун, металлический лом и некоторое количество руды. В печь вводятся предварительно нагретые воздух и топливо (в виде газа или расплавленной жидкости). При сгорании топлива образуется факел с температурой 1800 – 1900 0С. Метал и руда плавятся, и в расплав вводят добавки, необходимые для получения стали заданного состава. Выгорание примесей происходит главным образом за счёт кислорода воздуха.
    б) Конверторный способ (бессемеровский метод) переработки чугуна в саль состоит в продувании струи воздуха через расплавленный чугун. При этом углерод и примеси сгорают и удаляются в виде газов или переходят в шлак. Этот метод имеет ряд недостатков по сравнению с мартеновским методом. Качество бессемеровской стали ниже, чем мартеновской. Это объясняется тем, что в ходе дутья в металле растворяется много азота из воздуха, что и обусловливает склонность данной стали к старению – утрате с течением времени пластичности и возрастанию хрупкости. Качество бессемеровской стали можно улучшить, используя кислородное дутьё.
    в) Способ получения стали в электрических печах. В электрических печах легко обеспечивается быстрый подъём и точное регулирование температуры; в ней можно создавать окислительную, восстановительную или нейтральную атмосферу. Это позволяет получать сталь высокого качества.
    При выплавке стали протекают процессы окисления-восстановления углерода и примесей. Выгорание примесей происходит главным образом за счёт кислорода:
    С + О2 = СО2;
    4P + 5O2 = P4O10;
    Si + O2 = SiO2

  13. Cryotic Ответить

    В зависимости от того, через какую температурную зону доменной печи проходит загруженный материал, он претерпевает те или иные физико-химические процессы:
    разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид,
    восстановление железа и других элементов,
    науглероживание железа,
    плавление металла,
    образование и плавление шлаков,
    горение топлива и др.
    Топливо, опустившись до уровня фурм, сгорает в струе поступающего нагретого воздуха по реакции
    С + О2= СО2+ 97 650 кал.
    Температура в фокусе горения кокса достигает 1800—1900°.
    СО2, в присутствии раскаленного углерода кокса восстанавливается по реакции
    СО2+ С > 2СО – 37 100 кал
    и увеличивает содержание окиси углерода в газовой смеси. При более низких температурах окись углерода снова распадается по реакции
    2СО>СО2+ С + 37 100 кал
    и образует сажистый углерод, который участвует в процессах восстановления и науглероживания железа.
    Для снижения расхода кокса в доменных печах применяют природный газ. Для получения лучших технико-экономических показателей дутье, подаваемое в доменную печь, обогащают кислородом до 30 35%. Чем выше содержание кислорода в воздухе, тем больше кокса может быть заменено природным газом. Соотношение природного газа и кислорода, подаваемых в доменную печь, регулируется автоматически.
    Процесс выделения гидратной воды бурых железняков начинается при 250° и заканчивается при 450?500°. Выделение летучих веществ из кокса заканчивается при более высоких температурах.
    Углекислые соли, содержащиеся в рудах и флюсах, при нагреве разлагаются с поглощением значительного количества тепла. Поэтому считают более целесообразным флюсы добавлять к руде перед обжигом ее на агломерат.
    Восстановление железа в доменной печи происходит за счет последовательного отщепления кислорода от окислов железа. Bосстановление железа из окиси Fe2О3 окисью углерода проходит следующие стадии:
    3Fe2O3+ СО>2Fe3O4+ СO2+ 8870 кал;
    2Fe3O4 + 2СО>6FeO + 2СO2 — 9980 кал;
    6FeO + 6CO>6Fe + 6CO2 + 19500 кал.
    Степень восстановления железа окисью углерода зависит от качества руды — ее естественных свойств и характера предварительной обработки;

  14. Ga Ответить

    Образование в домне чугуна и шлака.
    Науглераживание железа
    Восстановленное в доменной печи из руды железо поглощает углерод и другие элементы, образуя чугун. Процесс науглераживания железа начинается с момента его появления в виде твердой губки в зоне умеренных температур. Механизм науглераживания железа сводится к следующему. Свежевосстановленное железо служит катализатором реакций разложения оксида углерода на сажистый углерод и диоксид углерода. Эта реакция протекает на поверхности губки. Обладая повышенной химической активностью, сажистый углерод взаимодействует с атомами железа и образует карбиды железа. Науглераживание губчатого железа уже заметно протекает при 400 – 500° С. По мере науглераживания железа температура плавления его понижается. Если чистое железо плавится при 1539° С, то сплав железа с углеродом, содержащий 4,3 % С, плавится при 1135° С. Однако науглераживание железа в твердом состоянии является лишь начальной стадией этого процесса, способствующей понижению температуры плавления металла. Более интенсивно науглераживание протекает после перехода металла в жидкое состояние. Капли металла, стекая в горн печи, контактируют на поверхности кусков раскаленного кокса с углеродом, в результате чего содержание углерода в сплаве резко возрастает. На горизонте фурм за пределами зон горения содержание углерода в чугуне достигает 3,8 – 4,0%. Окончательное науглераживание металла происходит в горне печи.
    Переход других элементов в чугун (марганца, кремния, фосфора и серы) осуществляется по мере их восстановления на различных горизонтах рабочего пространства печи. Марганец при выплавке передельного чугуна заметно переходит в металл уже в распаре, однако наиболее интенсивное насыщение чугуна марганцем происходит в заплечиках и горне при восстановлении марганца. Основная масса кремния переходит в чугун в нижней части заплечиков и в горне. Содержание фосфора в пробах металла из распара почти такое же, как и в конечном чугуне, а иногда и выше. Это объясняется тем, что в металл из распара, попадает не только фосфор, который восстановился здесь и выше, но и фосфор, возгоняющийся из нижних горизонтов печи. Фосфор начинает переходить в металл уже в нижней части шахты.
    Окончательное содержание углерода в чугуне не поддается регулированию и зависит от элементов в сплаве. Марганец и хром, являясь корбидообразующими элементами, способствуют увеличению содержания углерода в чугуне. Кремний и фосфор, образуя более прочные с железом соединения, разрушают карбиды железа и понижают содержание углерода в чугуне. Если в передельном маломарганцовистом чугуне содержится 4 – 4,6% углерода, то в зеркальном чугуне, содержащем 10 – 25 % марганца, углерода содержится 5 – 5,5 %, а в 75 %-ом ферромарганце содержание углерода достигает 7 – 7,5 %. Наоборот, в литейном чугуне, содержащем 2,5% кремния, содержание углерода не превышает 3,5 %, а в ферросилиции содержание углерода понижается до 2 % и ниже.
    Содержание марганца и кремния сильно влияет на структуру чугуна, что имеет очень важное значение при производстве литейного чугуна, используемого в машиностроении. Известно, что углерод в чугуне может находиться в химически связанном состоянии в виде карбида и в свободном состоянии в виде графита. В литейном чугуне благодаря повышенному содержанию кремния значительная часть углерода находится в виде графита, что способствует повышению прочности отливок. В изломе такой чугун имеет серый цвет. Увеличение содержания карбидов железа в чугуне повышает его хрупкость. В изломе такой чугун имеет белый цвет. Качество чугуна для отливок также зависит и от условий выплавки чугуна в доменной печи.
    Образование шлака
    В доменной печи шлак образуется под действием высоких температур в результате плавления пустой породы железосодержащих материалов и флюса, к которым в горне присоединяется зола сгоревшего кокса. Шлакообразующими оксидами являются SiO2, CaO, MgO, Al2O3, FeO, MnO, а также сульфиды металлов, преобладающим из которых является CaS.
    Образованию шлака предшествуют процессы размягчения и спекания пустой породы и флюса, сопровождающиеся образованием твердых растворов и различных химических соединений. Эти процессы представляют собой промежуточное звено при переходе вещества из твердого состояния в жидкое. Чем больше температурный интервал, в котором протекает превращение шлакообразующих компонентов из твердого состояния в жидкое, тем большую часть по высоте печи занимает вязкая масса, заполняющая пустоты между кусками кокса и препятствующая движению и распределению газов. В связи с этим температурный интервал размягчения шлакообразующих компонентов должен быть по возможности меньшим.
    В процессе шлакообразования различают первичный, промежуточный и конечный шлаки. Первичный шлак появляется в начальной стадии шлакообразования в результате плавления легкоплавких соединений. Первичный шлак, перемещаясь в зоны с более высокими температурами, нагревается, а химический состав его непрерывно изменяется в следствии восстановления железа и марганца из соответствующих оксидов и растворения в шлаке новых количеств CaO и MgO, увеличивающих количество шлака. Конечный шлак образуется в горне после растворения в шлаке золы сгоревшего кокса и остатков извести и окончательного распределения серы между чугуном и шлаком.
    С применением офлюсованного агломерата условия шлакообразования изменяются. Присутствие извести в агломерате обеспечивает хороший контакт шлакообразующих оксидов, по этому их размягчение при нагреве и образование первичного шлака протекает в сравнительно не большой зоне по высоте печи, от чего значительно повышается газопроницаемость этой зоны. Восстановление железа из офлюсованного агломерата протекает интенсивнее и равномернее по сечению, вследствие чего в первичном шлакообразовании участвует меньшее количество FeO, а зона начала образования шлака смещается в область более высоких температур.
    Производство стали
    Сталь является материальной основой промышленного производства и строительства, важнейшим продуктом черной металлургии. В сравнении с чугуном она имеет боле высокие механические свойства, ее можно обрабатывать давлением; многие сорта стали, в расплавленном состоянии обладают достаточной жидкотекучестью для получения фасонных отливок.
    Основная масса стали (до 90-92 %) подвергаются обработке давлением (прокатке, прессованию, ковке, штамповке). Стальные изделия получают также из порошков.
    Шихтовыми материалами для плавки стали являются жидкий или твёрдый чугун, стальной и чугунный лом, стружка, обрезки (скрап), железорудные окатыши, ферросплавы (перечисленные материалы называют металлошихтой); известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, марганцевая руда, кварцевый песок (флюсы); железная руда, окалина, агломерат, кислород, воздух (окислители). Отнесение перечисленных материалов к группам металлошихты, флюсов и окислителей сделано в соответствии с основным их назначением; многие из материалов одной группы содержат элементы другой (например, в окалине, боксите есть железо, в скрапе – кислород и т. п.)
    Задача передела чугуна в сталь состоит в том, чтобы из чугуна удалить избыток углерода, кремния, марганца и других примесей. Особенно важно при этом удалить вредные примеси серы и фосфора, придающие стали хрупкость. Углерод чугуна, соединяясь с кислородом, превращается в газ (оксид углерода CO), который улетучивается. Другие примеси переходят в различные соединения, нерастворимые или малорастворимые в металле; эти соединения вместе с флюсами образуют на поверхности металла шлак.
    При окислении марганец и кремний образуют оксиды MnO и SiO2, нерастворимые в металле. Образующийся оксид фосфора P2O5 в соединение (CaO)4 · P2O5, нерастворимое в металле. Непосредственным окислителем примесей в процессе производства стали является оксид железа FeO, растворенный в металле.
    Сера растворена в чугуне в составе соединения FeS, ее удаляют с помощью марганца или извести, которые образуют с ней или плохо растворимые в металле соединения MnS или нерастворимое соединение CaS, переходящие в шлак. Конечной операцией процесса выплавки стали является ее раскисление (восстановление железа из FeO). Для легированной стали, раскисление обычно совмещают с легированием.

  15. Micage Ответить

    Основные реакции, протекающие в доменной печи, можно представить простыми уравнениями.
    1) Когда вдуваемый воздух приходит в контакт с коксом, последний горит, образуя газообразный оксид углерода (II).
    2C + O2 = 2CO
    2) Этот газ является основным восстановительным агентом для оксида железа. Восстановление оксидов железа протекает ступенчато от высших окислов к низшим до элементарного железа:
    Fe2O3 > Fe3O4 > FeO > Fe
    В результате образуется твердое, но пористое губчатое железо, которое затем плавится в нижней, более горячей части доменной печи (горне).
    3) Чтобы отделить полученное железо от пустой породы, состоящей, главным образом, из силикатов, последние необходимо перевести в жидкую форму и удалить из печи. Для этого в печь вместе с рудой загружают флюс, содержащий известняк CaCO3.
    Известняк разлагается в верхней части печи соответственно реакции:
    CaCO3 = CaO + CO2
    образуя известь (CaO), необходимую для перевода силикатных примесей железной руды в жидкий шлак.
    Силикаты, содержащиеся в железной руде, при взаимодействии с известью образуют расплавленный шлак.
    !!! Из сказанного выше вытекают основные требования к конструкции доменной печи. Конструкция должна обеспечивать:
    1) непрерывную загрузку топливом, рудой и флюсом сверху;
    2) непрерывную подачу воздуха и периодический отводжидких продуктов в виде чугуна и шлаков снизу.
    Печь должна быть достаточно высокой, чтобы успевали протекатьнеобходимые химические реакции.
    Обычно печь работает непрерывно до ее остановки для ремонта внутренней кирпичной кладки (футеровки).
    Доменная печь(Рис 9.5.) представляет собой башню высотой до 36 метров, состоящую из двух усечённых конусов, между широкими основаниями которых расположен невысокий цилиндр – распар диаметром 12-16 метров.
    Снаружи доменная печь заключена в металлический кожух, внутри выложена огнеупорным кирпичом. Толщина стенок домны увеличивается сверху вниз и в области горна достигает 1,5 м.
    В доменной печи различают следующие части: колошник, шахту, распар, заплечики, горн и лещадь (дно).
    Сверху печь закрывают засыпным аппаратом, который служит для герметичной загрузки сырья без выходов газов наружу.
    Руда, топливо и флюс подаются скиповыми подъемниками – небольшими сосудами (скипами), движущимися на колесах по наклонным рельсам от нижних засыпных бункеров до верхней загрузочной площадки, где они автоматически опрокидываются, разгружаясь в приёмную воронку засыпного аппарата.
    !!!! Сырьё загружают в печь отдельными порциями (колошами) через каждые 10-15 минут, по мере опускания шихты.
    Цилиндрическая часть печи, которая служит для приёма шихты, называется колошником.

  16. living dead Ответить


    Чугун, выпущенный из печи, содержит около 4%  углерода, все количество фосфора и большую часть марганца, имевшихся в сырых материалах. Содержание кремния и серы в железе до некоторой степени регулируется тщательным выбором сырья и главным образом определенным составом шлака, т. е. регулированием как пропорции окиси кальция к кремнезему, так и температуры.
    Последняя зависит от количества кокса, температуры дутья, количества водяного пара в дутье (влажности) и других переменных. Управление современной доменной печью и производство дешевого чугуна удовлетворительного качества являются искусством, которое требует продолжительного опыта и высокой квалификации.
    Для производства мелких бытовых приборов, например овощемойки, которая используется в быту для мытья овощей, также требуются различные сплавы железа с другими металлами, для повышения прочности готовых изделий. Подробнее здесь: http://www.kofe-kofe.ru/catalog.php?item=430
    Восстановление железных руд и производство стали представляют собой химические процессы, единственные в своем роде среди промышленных операций крупного масштаба в том смысле, что входящие в них химические реакции протекают при высоких температурах, почти всегда выше 1100°, и обычно в интервале 1400-1900°. Немногие огнеупорные материалы выдерживают такие температуры; лишь некоторые из них относительно дешевы (окислы кремния, кальция и магния). Эти окислы сравнительно инертны при нормальной температуре и становятся химически активными при температуре производства стали: кремнезем становится активной кислотой, а окислы кальция и магния активными основаниями.
    Характерная особенность таких силикатов заключается в том что они плавятся при температурах гораздо более низких чем температуры плавления окислов.

  17. d{рожденная в СССР}b Ответить

    На рис. 9.4 представлен разрез доменной печи и распределение температур по её высоте.
    При установившемся режиме работы печи в ней создается и поддерживается определенный температурный режим и протекают химические и физико-химические процессы, которые могут быть сведены к нескольким группам. Они приведены ниже, причем номера их отмечены на схеме печи в тех зонах ее, ) которых они протекают.
    1. Подготовительные процессы. К подготовительным процессам, протекающим в интервале температур 100—400°С, относятся выделение гигроскопической и гидратной воды и летучих веществ из твердого топлива
    2. Образование газообразных восстановителей. В зоне горна газообразные восстановители образуются в результате полного сгорания углерода кокса и природного газа при температуре 1800-1900ºС. При этом протекают следующие реакции:
    а) сначала углерод кокса окисляется кислородом воздуха до оксида углерода (IV), а метан – до оксида углерода (IV) и воды:
    C + O2 = CO2
    CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

    Рис. 9.4. Профиль доменной печи
    !!! При установившемся режиме работы печи в ней создаётся и поддерживается определённый температурный режим и протекают следующие физико-химические процессы:
    1. Подготовительные процессы;
    2. Образование газообразных восстановителей;
    3. Восстановление оксидов железа;
    4. Науглероживание железа и получение чугуна;
    5. Восстановление примесей;
    6. Образование шлака.
    б) оксид углерода (IV) на поверхности раскалённого кокса восстанавливается до оксида углерода (II), а вода до свободного водорода:
    CO2 + C = 2CO
    H2O + C = CO +H2
    Образовавшийся в горне восстановительный газ поднимается в верхнюю часть печи шахту, нагревает и восстанавливает компоненты шихты (железную руду и флюсы) при температуре 600-1200ºС.
    2. Восстановление оксидов железа. Восстановление оксидов железа начинается при температуре 570ºС и протекает ступенчато от высших окислов к низшим до элементарного железа:
    Fe2O3 > Fe3O4 > FeO > Fe
    Заканчивается восстановление при температуре 1200ºС в распаре.
    3. Восстановление железа оксидом углерода (II) принято называть косвенным (непрямым), а восстановление непосредственно углеродомкокса – прямым.
    В доменных печах преобладает процесс косвенного восстановления оксидом углерода (II) и водородом:
    3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 – ?Q
    Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 + ?Q
    FeO + CO = Fe + CO2 – ?Q
    и
    3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O – ?Q
    Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O + ?Q
    FeO + H2 = Fe + H2O + ?Q
    Прямое восстановление начинается в распаре при 1200ºС и особенно интенсивно протекает в заплечиках при 1500ºС:
    FeO + C = Fe + CO
    В результате реакций восстановления образуется губчатое металлическое железо.

  20. VideoAnswer Ответить

Добавить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *