1.7 Основные физико-химические процессы доменной плавки.

Процессы в доменной печи

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 + О 2 = СО 2 + 97 650 кал.

Температура в фокусе горения кокса достигает 1800—1900°.

СО 2 , в присутствии раскаленного углерода кокса восстанавливается по реакции

СО 2 + С → 2СО — 37 100 кал

и увеличивает содержание окиси углерода в газовой смеси. При более низких температурах окись углерода снова распадается по реакции

2СО→СО 2 + 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:

3Fe 2 O 3 + СО→ 2 Fe 3 O 4 + СO 2 + 8870 кал;
2Fe 3 O 4 + 2СО→6FeO + 2СO 2 — 9980 кал;
6FeO + 6CO→6Fe + 6CO 2 + 19500 кал.

Степень восстановления железа окисью углерода зависит от качества руды — ее естественных свойств и характера предварительной обработки; температуры, при которой идет восстановление; состава газа восстановителя.

При более высоких температурах в нижней части доменной печи железо из окислов может восстанавливаться углеродом (сажистым и коксом):

FeO + С→Fe + СО — 34 460 кал.

Восстановленное железо науглероживается по реакции

3Fe + 2СО → Fe 3 С + СО 2 .

Карбид железа Fe3C растворяется в железе. При содержании в железе более 2% углерода полученные сплавы начинают плавиться при 1145° и называются чугунами. Обычно чугун в доменной печи науглероживается до эвтектического (4,3%) и даже заэвтектического состава (выше 4,3%).

Восстановление окислов марганца до закиси марганца происходит в зоне температур до 700°. Закись марганца восстанавливается углеродом при температуре 1100° и выше и идет с поч глощением тепла по реакции

МnО + С→Мn + СО — 61 830 кал.

Восстановление кремния из кремнезема углеродом требует большого расхода тепла, высокой температуры:

SiO 2 + 2C→Si + 2CO

Для восстановления марганца, кремния и других элементов — хрома, титана, никеля, ванадия — затрачивается дополнительное количество топлива, требуются специальные шлаки и форсированный режим плавки. Фосфор в доменной печи восстанавливается полностью. Реакции восстановления фосфора идут с поглощением большого количества тепла. Восстановившиеся Cr, Ni, V, Ti и другие элементы переходят в состав чугуна, что приводит к получению природно-легированных чугунов.

Сера в шихту доменной печи попадает с материалами — рудой, топливом и флюсами. В составе чугуна и стали она растворена в виде сульфида FeS и является вредной примесью. Поэтому при плавке стремятся связать ее с компонентами флюсов и перевести в шлак при помощи окиси кальция по реакцииFeS + СаО + С→Fe + CaS + CO.
Для более полного удаления серы необходимо применять более основные известковые шлаки и создавать более высокую температуру в горне.

Шлак в доменной печи образуется в результате сплавления пустой породы руды, золы топлива и добавляемых флюсов. При плавке в доменной печи на 1 кг выплавленного чугуна получается 0,5—0,7 кг шлака.

1.7 Основные физико-химические процессы доменной плавки.

В зависимости оттого, 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,

-образование и плавление шлаков,

-горение топлива и др.

Топливо, опустившись до уровня фурм, сгорает в струе поступающего нагретого воздуха по реакции С + O₂ = СO₂ + 97 650 кал.

Температура в фокусе горения кокса достигает 1800 — 1900°. СO₂, в присутствии раскаленного углерода кокса восстанавливается по реакции СO₂ + С → 2СО — 37100 кал и увеличивает содержание окиси углерода в газовой смеси. При более низких температурах окись углерода снова распадается по реакции 2СО→СO₂ + С + 37100 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. Восстановление железа из окиси Fe203 окисью углерода проходит следующие стадии:

6FeO + 6СО→6Fe + 6СO₂ + 19500 кал.

Степень восстановления железа окисью углерода зависит от качества руды — ее естественных свойств и характера предварительной обработки; температуры, при которой идет восстановление; состава газа восстановителя. При более высоких температурах в нижней части доменной печи железо из окислов может восстанавливаться углеродом (сажистым и коксом):

FeO + С→Fe + CO — 34460 кал.

Восстановленное железо науглероживается по реакции:

Карбид железа Fe₃C растворяется в железе. При содержании в железе более 2% углерода полученные сплавы начинают плавиться при 1145° и называются чугунами. Обычно чугун в доменной печи науглероживается до эвтектического (4,3%) и даже заэвтектического состава (выше 4,3%). Восстановление окислов марганца до закиси марганца происходит в зоне температур до 700°. Закись марганца восстанавливается углеродом при температуре 1100° и выше и идет с поглощением тепла по реакции:

МпО + С → Мn + СО — 61830ккал.

Восстановление кремния из кремнезема углеродом требует большого расхода тепла, высокой температуры: Si0₂ + 2С→Si + 2СО Для восстановления марганца, кремния и других элементов — хрома, титана, никеля, ванадия — затрачивается дополнительное количество топлива, требуются специальные шлаки и форсированный режим плавки. Фосфор в доменной печи восстанавливается полностью. Реакции восстановления фосфора идут с поглощением большого количества тепла. Восстановившиеся Cr, Ni, V, Ti и другие элементы переходят в состав чугуна, что приводит к получению природно-легированных чугунов. Сера в шихту доменной печи попадает с материалами — рудой, топливом и флюсами. В составе чугуна и стали она растворена в виде сульфида FeS и является вредной примесью. Поэтому при плавке стремятся связать ее с компонентами флюсов и перевести в шлак при помощи окиси кальция по реакции FeS + СаО + С—>Fe + CaS + СО. Для более полного удаления серы необходимо применять более основные известковые шлаки и создавать более высокую температуру в горне. Шлак в доменной печи образуется в результате сплавления пустой породы руды, золы топлива и добавляемых флюсов. При плавке в доменной печи на 1 кг выплавленного чугуна получается 0,5—0,7 кг шлака.

Физико-химические реакции доменной плавки. Продукция доменной плавки

Физико-химические процессы до­менной плавки.Условно процессы, про­текающие в доменной печи, разделяют на горение топлива; разложение компонен­тов шихты; восстановление железа; науг­лероживание железа; восстановление мар­ганца, кремния, фосфора, серы; шлакооб­разование. Все эти процессы проходят в доменной печи одновременно, но с разной интенсивностью, при различных темпера­турах и на разных уровнях.

Горение топлива. Вблизи фурм (см. рис. 2.1) углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорает. В результате горения выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий СО, СО₂, N₂, H₂, СН₄ и др. При этом в печи несколько выше уровня фурм развивается температура выше 2000 °С. Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до температуры 300. 400 °С у колошника.

Восстановление железа в доменной печи. Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре 500. 570 °С начинается восстановление оксидов железа. Разложение компонентов шихты происходит в зависимости от ее состава. Если в доменную печь подается офлюсованный агломерат, то эти процессы протекают при агломерации и в доменной печи почти не идут. При работе на шихте, содержащей флюсы и часть сырой руды, в верхней части доменной печи разрушаются гидраты оксидов железа и алюминия.

Известняк флюса диссоциирует по реакции СаСОз = СаО + СО₂.

В результате взаимодействия оксидов железа с оксидом углерода и твердым углеродом кокса, а также с водородом происходит восстановление железа. Восстановление газами называют косвенным, а восстановление твердым углеродом — прямым. Реакции косвенного восстановления — экзотермические (сопровождаются выделением теплоты) — происходят главным образом в верхних горизонтах

печи. Реакции прямого восстановления — эндо-термические (сопровождаются поглощением теплоты), они протекают в нижней части доменной печи, где температура более высокая.

Восстановление железа из руды в доменной печи происходит по мере про движения шихты вниз по шахте печи и повышения температуры в несколько стадий — от высшего оксида к низшему:

Восстановление железа заканчивается при 1100 . 1200 °С. В доменной печи железо восстанавливается почти полностью. Потери его шлаком составляют не более 1 %.

Науглероживание железа. Восстановление железа начинается в верхней части шахты доменной печи при 500 . 570 °С и заканчивается в распаре при 1100 . 1200 °С. При этих температурах

восстановленное железо с Т_пп = 1539 °С находится в твердом состоянии или в виде губчатой массы. Однако уже в шахте доменной печи наряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание при взаимодействии с оксидом углерода, коксом, сажистым углеродом. Это

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:

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.

Источник https://xn--80awbhbdcfeu.su/fizikihimprocces/

Источник https://studfile.net/preview/8942854/page:5/

Источник https://studopedia.ru/3_90031_fiziko-himicheskie-reaktsii-domennoy-plavki-produktsiya-domennoy-plavki.html