Исходные материалы для доменного производства
Для выплавки чугуна нужны железная руда, флюсы и топливо.
Железные руды
Железные руды представляют собой горные породы, содержащие железо, причем в таком количестве, что руду выгодно перерабатывать. В природе имеется около 20 минералов с высоким содержанием железа (23—72%). Железо в руде находится в виде окислов или солей, соединенных с горной породой. В зависимости от состояния, в котором находится железо, различают четыре вида железных руд.
Бурый железняк содержит Железо в виде водного окисла 2Fe2O3-3H2O. Цвет руды желто-бурый. Эта руда бедна железом (от 35 до 60%), а серы и фосфора, наоборот, содержит больше, чем другие руды. Руда легко восстановима. Крупнейшие ее месторождения находятся на Урале (Бакальские руды с высоким содержанием железа, почти без примесей серы и фосфора). Большие запасы бурого железняка в порошкообразном виде имеются на Керченском полуострове. Известны также Тульское и Липецкое месторождения, руды Кольского полуострова, Тогайского железорудного бассейна.
Красный железняк содержит Железо в виде окисла Fe2O3. Руда красного цвета, содержание железа 55—60%. Это одна из лучших железных руд; она легко восстанавливается, содержит мало серы и фосфора. Богатейшие месторождения красного железняка находятся в Кривом Роге. Крупные запасы красного железняка имеются также в районе Курской магнитной аномалии.
Магнитный железняк содержит Железо в виде окисла Fe304. Руда черного цвета, содержание железа 45—70%. Это наиболее богатая железом руда. Она обладает магнитными свойствами, плотна, восстанавливается с трудом. Залегает главным образом на Урале — в горах Магнитная, Высокая, Благодать. Недавно разведаны месторождения магнитного железняка в Тогайской степи в Казахстане.
Шпатовый железняк содержит Железо в виде соли FeCO3. Эту руду называют сидеритом, или болотной рудой. Она бедна железом (от 30 до 45%). Залежи шпатового железняка встречаются на Урале в районе Бакальского месторождения
Комплексные железные руды содержат, кроме железа, другие металлы (хром, никель, титан, ванадий), восставав-ливаемые в доменной плавке:
хромиты содержат до 37,5% окиси хрома и применяются для выплавки феррохрома, а также в качестве огнеупорного материала; месторождения этих руд находятся на Урале и в Казахстане;
хромоникелевые бурые железняки Орско-Халиловского месторождения содержат 35—45% железа; 1,3—1,5% хрома и 0,3—0,5% никеля;
титаномагнетиты, содержащие 42—48% железа; 0,3—0,4/о ванадия и 4,5—13,0% двуокиси титана, добываются на Урале в Качканарском, Кусинском и Первоуральском месторождениях.
Марганцевые руды применяют, чтобы увеличить содержание марганца в выплавляемых чугунах. Эти руды мягки, рыхлы и гигроскопичны. Содержание окиси марганца в них 28— 40%. Наиболее важным месторождением богатых руд (содержание окиси марганца 48—52%) являются Чиатурское на Кавказе, Никопольское на Украине, у г. Ачинска в Сибири, Уралоазовское и Полуночное на Урале и в Казахстане.
В процессе доменной плавки, кроме железных и марганцевых руд, используют различные отходы: чугунный лом и стружку, загрязненный стальной лом.
Флюсы
Флюсы применяют в доменной плавке для сплавления пустой породы и золы топлива в шлак. При работе доменных печей на коксе используют главным образом известняк (СаСO3). Если в пустой породе находятся основные окислы, применяют кислые флюсы — кварциты.
Топливо
В качестве топлива для доменной плавки используют кокс. Металлургическое топливо должно иметь следующие качества: высокую теплотворную способность, прочность, пористость, невысокую зольность и минимальное содержание серы. Кокс отвечает почти всем этим требованиям. Теплота сгорания кокса 5600 ккал/кг [23 520 кдж/кг], поэтому на нем выплавляют 98% мирового чугуна. Кокс получают из каменного угля при нагревании его до 950—1000° без доступа воздуха в специальных печах. При этом из угля удаляются летучие вещества, а остающаяся часть спекается в твердый и пористый кокс.
Современная коксовая печь (батарея) состоит из 50—70 узких длинных камер емкостью 18—20 мв каждой из них выжигается 12—16 т кокса. Длительность процесса коксования около 12—15 часов. Из одной тонны угля можно получить 750—800 кг кокса и 300—350 м 3 высококалорийного газа.
Лучшим коксом считается кузнецкий, содержащий 0,5—0,6% серы и 12—13,5% золы.
Одним из наиболее эффективных частичных заменителей кокса в доменной плавке является природный газ. Стоимость его не превышает 2 руб. за 1000 л 3 , т. е. в десятки раз ниже стоимости кокса.
Применение природного газа способствует снижению себестоимости чугуна, так как экономится от 10 до 15% кокса.
Огнеупорные материалы
Эти материалы в металлургии используют при постройке плавильных и нагревательных печей, для футеровки ковшей, желобов и других приспособлений, необходимых при разливке металла, а также для всех устройств, подверженных действию высокой температуры. Огнеупорные материалы должны выдерживать высокие температуры; иметь механическую прочность и сопротивление истираемости; устойчивость при резких изменениях температуры без образования трещин и разрушения; химическую стойкость, т. е. сопротивляемость действию жидкого расплавленного металла, шлака и дымовых газов. По химическому составу огнеупорные материалы разделяются на кислые, полукислые, основные и нейтральные, что определяет их свойства и области применения.
К кислым огнеупорам относятся динас и кварц. динас (светло-желтого цвета) содержит 90—95% кремнезема (Si02). Огнеупорность его 1690-1730° С.
Полукислые огнеупоры изготовляют из кварцевых пород (кварца, песка, кварцита и др.). Содержание кремнезема обычно 70—80%. Применяют полукйслые изделия вместо динаса в менее ответственных частях кладки, для футеровки вагранок и других печей.
К основным огнеупорам относятся магнезит, доломит и хромомагнезит. Магнезит — очень тугоплавкий огнеупор (коричневого цвета), его Огнеупорность 2000—2400° С. доломит обладает огнеупорностью 1900—2000° С. Магнезит и доломит широко применяют для футеровки плавильных и нагревательных печей. Хромомагнезитовый кирпич изготовляют из хромистого железняка и магнезита. Огнеупорность хромомагнезита 2000° С.
К нейтральным огнеупорным материалам относятся шамот и хромистый железняк. шамот получают из огнеупорных глин путем обжига. Огнеупорность его 1600—1700° С.
Подготовка руд к плавке. Добытые из земных недр руды предварительно подготовляют к плавке: дробят механическими методами на более или менее равномерные куски, сортируют, а также обжигают и обогащают. Это особенно необходимо при современном уровне развития доменной техники, когда газопроницаемость, устойчивый ход и, следовательно, показатели работы печей большого объема зависят от крупности, прочности, равномерности состава и от содержания железа в шихтовых материалах.
Материалы для доменного производства
Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.
Руда. В природе большинство металлов находится в виде химических соединений (окислов, силикатов, карбонатов, сернистых соединений), входящих в состав различных минералов, образующих, горные породы.
Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения. Этот уровень определяется содержанием добываемого металла в руде. Например, для железа он составляет не менее 30 … 50 %, для меди 3 …. 5 %, для молибдена 0,005… 0,02 %.
Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, и пустой породы, в состав которой входят различные примеси. Например, железная руда содержит окислы железа Fe3О4, Fе2О3, FеСО3, Fе2О3Н2О, а также пустую породу, состоящую в основном из SiO2, А12О3, СаО, МgО. Руды обычно называют по одному или нескольким металлам, которые в них содержатся. Например, железные, медные, алюминиевые, марганцевые, медно-никелевые, железомарганцевые и т. д.
Взависимости от содержания добываемого материала, руды бывают богатые и бедные. Богатые железные руды содержат 45 … 50 % железа и более. Бедные руды (с малым содержанием добываемого металла) специально обрабатывают — обогащают. Обогащение состоит в удалении из руды части пустой породы. В результате получают концентрат — продукт с повышенным содержанием добываемого металла по сравнению с рудой. Использование концентрата позволяет улучшить технико-экономические показатели работы металлургических печей.
Железные руды содержат железо в различных соединениях.
Магнитный железняк (магнетит), содержащий магнитную окись железа Fе3О4, добывают в виде плотных кусковых пород (55… 60 % железа). Пустая порода — SiO2. Наиболее крупные месторождения этой руды в нашей стране – Соколовское и Курская магнитная аномалия и др. Из стран СНГ добывают магнитный железняк в Казахстане (Сарбайское месторождение).
Красный железняк (гематит) содержит Fе2О3 и имеет красноватый цвет (55… 60 % Fе). В нем пустая порода содержится в виде SiO2 и известняка СаСО3 Крупные месторождения этой руды в нашей стране — Криворожское, Курская магнитная аномалия, Атасуйское и др.
Бурый железняк содержит гидраты окислов железа 2Fе2О3 · ЗН2О и Fе2О3·Н2О (37….55 % Fе). Бурый железняк широко распространен в земной коре. Богатые месторождения его в нашей стране — Керченское, Аятское, Лисаковское.
Шпатовые железня к и содержат FеСО3 (~ 30 … 40 % Fе). Богатые залежи шпатового железняка в нашей стране находятся в Бакальском месторождении. Мы располагаем богатейшими в мире месторождениями железных руд. Более 48 % мировых разведанных запасов железных руд приходится па долю бывшего СССР.
Марганцевые руды применяют для выплавки ферросплавов с 10 … 82 % Мn, а также передельных чугунов, содержащих до 1 % Мn. Марганец в рудах содержится в виде окислов и карбонатов: МnО2, Мn2О3, Мn3О4, МnСО3 и др. В рудах обычно содержится не более 22 … 45 % Мn. Наиболее крупные месторождения марганцевых руд имеются в Грузии — Чиатурское и на Украине — Никопольское.
Бурый железняк (лимониты) представляет собой водную окись железа n Fe2O3 · mH2O c содержанием железа Fе до 20…50 %. Из бурого железняка добывается до 3 % чугуна. Пустая порода – разнообразная по составу, содержит серу и фосфор. Чаще встречается лимонит — 2 Fe2O3 · 3H2O с содержанием 57,14 железа и 25,3 % воды. Месторождение — Керченское (Крым), Лисаковское (Кустанайская область Казахстана), Алапаевское (Свердловская область).
Шпатовый железняк (сидерит) содержит железа до 30…40 % в виде карбоната FеСО3 (углекислая соль). Сидерит разрабатывается на Бакальском меторождении в Челябинской области (г. Бакал) с середины 18 века. Разведенные запасы сидеритов 904 млн. т. (1976 г) с содержанием железа 29…33 % .
Хромовые руды используют для производства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов — хромомагнезитов. Хромовые руды содержат сложные соединения хрома — хромит (FеО, Сг2О3), магнохромит (Мg, Fе) Сг2О4 и др. В рудах обычно содержится около 40% Сг2О3 . Наша страна располагает богатейшими в мире запасами хромовых руд.
Комплексные руды используют для выплавки природно-легированных чугунов. Это железомарганцевые руды, содержащие, кроме железа, до 20% Мn (Атасуйское месторождение), хромоникелевые руды с 37 — 47% Fе, до 2% Сг, до 1% Ni (Халиловское месторождение), железованадиевые руды, содержащие до 0,17 — 0,35% V.
Топливо. Основными видами топлива, применяемого в металлургических печах, являются кокс, природный газ, мазут, а так — же доменный или колошниковый газ. Для доменного процесса требуется прочное, неспекающееся твердое топливо, которое служит не только горючим для нагрева шахты и ее расплавления, но и химическим реагентом для восстановления железа из руды. Естественные виды топлива не обладают необходимыми свойствами, так как они спекаются и недостаточно прочны. Поэтому для доменной плавки применяют твердое топливо — кокс. Кокс получают в коксовых печах сухой перегонкой при температуре 1000…1200 °С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. Для коксования используют смесь углей, взятую в определенном соотношении. В процессе коксования угольная масса размягчается и из нее начинают выделяться газообразные продукты, а затем она спекается в пористую массу. При выделении газов в процессе коксования эта масса растрескивается и распадается на куски. Газообразные продукты удаляются из печи и направляются в химическое отделение, где из них извлекают бензол, фенолы, каменноугольную смолу и другие ценные продукты. Процесс коксования длится 15 …20 ч. Затем кокс удаляют из печи и тушат водой или инертным газом. В коксе содержится 80… 88 % С; 8… 12 % золы; 2 … 5 % влаги; 0,5 … 1,8 % S; 0,02… 0,2 % Р и до 1,2 % летучих продуктов. Важными для доменной плавки показателями качества кокса являются зольность и содержание серы, которые должны быть минимальными. Сера — вредная примесь. В процессе плавки она может переходить в металл и ухудшать его свойства. Важное значение для хода плавки имеет размер кусков кокса — кусковатость. Размер кусков кокса должен быть 25 — 60 мм. Кокс должен обладать также высокой механической прочностью, чтобы не разрушаться в доменной печи под действием массы шихтовых материалов. Теплота сгорания кокса составляет обычно 29,3 МДж/кг.
При доменной плавке часть кокса заменяют природным газом, мазутом или пылевидным топливом.
Природный газсодержит 90 … 98 % углеводородов (СН4 и С2Н6) и до 1 % азота. Теплота его сгорания 33 … 50 МДж/кг. Мазут — тяжелый остаток, крекинга нефти. Он содержит 84 … 88 % С, 10… 12 % Н2, небольшое количество серы и кислорода. Эти виды топлива создают восстановительную атмосферу в доменной печи и улучшают восстановление окислов железа из руды, что приводит к экономии кокса. Кроме этого, используют доменный или колошниковый газ, который является побочным продуктом доменного процесса.
Флюсы. Пустая порода железных руд содержит окислы, температура плавления которых значительно выше развиваемых в доменной печи (А12О3 – 2040 °С, СаО – 2570 °С, МgО — 2800 °С). Однако при определенном количественном соотношении этих окислов образуются легкоплавкие соединения — шлаки, имеющие температуру плавления ниже 1300 °С и обладающие хорошей жидкотекучестью при 1450 … 1600 °С. Для перевода пустой породы руды и золы кокса в шлаки требуемого химического состава с определенными химическими свойствами в доменную печь при плавке загружают флюсы. Шлаки, образующиеся в доменной печи, должны содержать определенное количество основных окислов (СаО, МgО). Это необходимо для удаления серы из металла, в который она может переходить из кокса и железной руды при плавке. Поэтому при выплавке чугуна в доменных печах в качестве флюса используют известняк СаСО3 или доломитизированиый известняк, содержащий СаСО3 и МgСО3.
Рекомендуется, чтобы в шлаке отношение содержания (СаО + МgО)/(SiO2 — А12О3) 1. Обычно пустая порода руды состоит в основном из SiО2 и А12О3. Суммарное содержание этих оксидов не должно превышать 1 %.
Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные окислы (SiO2, Р2Оз), и основным, если в его составе преобладают основные окислы (СаО, МgО, FеO и т. д.).
При высоких температурах рабочего пространства плавильных печей шлаки могут взаимодействовать с футеровкой печи. Если в печь, выложенную огнеупорным материалом, в состав которого входят основные окислы (основная футеровка – CaO, MgO, Cr2O3), вводить кислые флюсы (содержащие SiO2), то взаимодействие шлака и огнеупорного материала футеровки печи приведет к ее разрушению. То же произойдет, если в печь, выложенную огнеупорными материалами, в состав которых входят кислотные окислы (кислая футеровка), вводить основные шлаки. Поэтому в печах с кислой футеровкой применяют кислые шлаки, а в печах с основной футеровкой — основные.
При плавке в печах с кислой футеровкой используют в качестве флюса кварцевый песок, состоящий в основном из SiO2, а в печах с основной футеровкой — известняк (СаСО3) или доломитизированный известняк, содержащий СаСО3 или МgСО3.
Шлаки, образующиеся к процессе планки в металлургических печах, играют большую роль для получения металла с требуемыми химическим составом и свойствами.
В процессе плавки в металлургической печи образуются две несмешивающиеся среды: расплавленный металл и шлак. В соответствии с законом распределения, если какое — либо вещество растворяется в двух соприкасающихся, но не смешивающихся жидкостях, то распределение вещества между этими жидкостями происходит до установления определенного соотношения, постоянного для данной температуры. Поэтому, изменяя состав шлака, можно менять соотношение между количеством примесей, входящих в состав металла и шлака, таким образом, что нежелательные примеси будут удаляться в шлак. Удаляя шлак с поверхности металла, и, наводя новый путем подачи флюса нужного состава, можно управлять процессами удаления вредных примесей из металла (серы, фосфора и т. д.). Регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управления металлургическими процессами.
Огнеупорные материалы. В современных металлургических агрегатах процессы плавки происходят при высоких температурах. Поэтому внутреннюю облицовку (футеровку) металлургических печей и ковшей для разливки металла делают из огнеупорных материалов, способных выдерживать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температур, химическому воздействию шлака и печных газов. Огнеупорными называют материалы, способные противостоять высоким температурам, не расплавляясь при определенных условиях испытания. Огнеупорность материала определяется в °С.
Огнеупорные материалы применяют в виде кирпичей разных размеров и форм, а также порошков и растворов, необходимых для заполнения швов между кирпичами при кладке печей.
По химическим свойствам огнеупорные материалы подразделяют па кислые, основные и нейтральные. Материалы, содержащие большое количество кремнезема SiO2, называют кислыми (динасовые, кварцеглинистые); содержащие основные окислы (СаО, Mg0) — основными (магнезитовые, магнезитохромитовые, доломитовые); содержащие большое количество Аl2О3 и Сг203 — нейтральными (хромомагнезитовые, высоко глиноземные, шамотные).
Если рабочее пространство плавильной печи выложено из кислых огнеупорных материалов, то печь называют кислой, а если из основных — основной.
Кварцевый песок (не менее 95 % SiO2) — кислый огнеупорный материал. Его применяют для набивки и наварки подин кислых сталеплавильных печей. Из кварцевого песка и кварцита изготовляют динасовый кирпич, содержащий 93 … 95 %. SiO2. Огнеупорность динаса составляет 1690…1720 °С. Этим кирпичом футеруют кислые мартеновские и электросталеплавильные печи.
Магнезитовый металлургический порош о к содержит 85…88 % МgO. Его применяют для набивки и наварки подин основных сталеплавильных печей. Из него изготовляют магнезитовый кирпич (86… 90 % МgO). Огнеупорность такого кирпича более 2000 °С. Его применяют для кладки пода и стен основных мартеновских и электросталеплавильных печей. Он обладает высокой термостойкостью. Магнезитохромитовый кирпич содержит 60 % МgО и 8 … 13 % Сг2О3. Обладает огнеупорностью (более 2000 °С), термостойкостью и шлакоустойчивостью. Применяется для кладки сводов мартеновских печей.
Доломитовый кирпич содержит 32 … 36 % МgО и 50 … 56 % СаО; применяют вместе с магнезитовым порошком для наварки подин и откосов основных сталеплавильных печей. Смолодоломитовый кирпичизготовляют из доломитового порошка с каменноугольной смолой, используют для футеровки кислородных конвертеров. Смолодоломитомагнезитовый кирпичсодержит 32 … 50 % МgО, 38 … 54 % СаО и до 4 % SiO2; применяют для футеровок кислородных конвертеров. Хромомагнезитовый кирпичсодержит 42 % МgО и 15…20 % Сг2О3. Огнеупорность его более 2000 °С, применяют в мартеновских печах для кладки шлаковиков.
Шамотный кирпич — нейтральный материал. Содержит 50…. 60 % SiO2 и 30 …. 42 % А12О3. Огнеупорность его 1580 …. 1730 °С, применяют для футеровки доменных печей, воздухонагревателей, различных ковшей и т. д.
Высокоглиноземистый кирпич содержит 72 …. 95 % А12О3 и имеет огнеупорность 1820 …. 1920 °С.
Углеродистый кирпич и блоки содержат до 92 % С. Обладают высокой огнеупорностью. Применяют для кладки лещади доменных печей, электролизных ванн для получения алюминия, тиглей для плавки и разливки медных сплавов.
Сущность доменного процесса; исходные материалы для получения чугуна, продукты доменной плавки, оценка эффективности работы доменной печи. Схема и принцип работы доменной печи.
Исходные материалы для металлургии: руда, флюсы, огнеупоры, топливо; пути повышения температуры горения металлургического топлива. Дайте определения и примеры химических формул.
Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения. Например, в настоящее время извлекать металлы из руд, если содержание их в руде составляет: железа на менее 30-60 %, меди 3-5 %, молибдена 0,005-0,02%.Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, и пустой породы (т. е. различных примесей). Руды называют по одному или нескольким металлам, которые входят в их состав. Например, железные, медные, медно-никелевые и т. д.
В зависимости от содержания добываемого металла руды бывают богатые и бедные. Бедные руды (с малым содержанием добываемого металла) обогащают, т. е. удаляют из руды часть пустой породы.
Флюсы — это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентратом и золой топлива. Такое соединение называют шлаком.
Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается в печи над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiO2, P2O5), и основным, если в его составе больше основных оксидов (CaO, MgO, FeO и др.).
Топливом в металлургических печах являются кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ.
Кокс получают на коксохимических заводах в коксовых печах сухой перегонкой при температуре 1000°С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80-88 % углерода, 8-12 % золы, 2-5 % влаги, 0,5-1,8 % серы, 0,02-0,2 % фосфора и до 1-2 % летучих продуктов. Для доменной плавки кокс должен содержать минимальное количество серы и золы.
Природный газ содержит 90-98 % углеводородов (СН4 и С2Н6) и 1 % азота. Мазут содержит 84-88 % углерода, 10-12 % водорода, небольшое количество серы и кислорода. Кроме того, используют доменный или колошниковый газ, побочный продукт доменного процесса.
Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. Огнеупорные материалы способны выдержать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температур, химическому воздействию и печных газов. Огнеупорность материала определяется температурой его размягчения.
Для повышения температуры нужно делать подготовку, т.е. использовать высококонцентрированный уголь, очищенный газ, одним словом все составляющие процесса должны быть наивысшего качества.
В соответствии с законом действующих масс скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Поскольку в наибольшем количестве в чугуне содержится железо, то оно окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи:
Fе + 1/2О2 = FеО + 263.68 кДж.
Одновременно с железом окисляются Si, Р, С, Мn и др.
Образующийся оксид железа при высоких температурах отдает свой кислород более активным элементам — примесям в чугуне, окисляя их:
2FеО + Si = SiO2 + 2Fе + 330,5 кДж; (2)
5FеО + 2Р = Р2О5 + 5Fе + 225,94 кДж; (3)
FеО + Мn = МnО + Fе + 122,59 кДж; (4)
FеО + С = СО + Fе – 153,93 кДж. (5)
Сущность процессов шлакования; роль шлаков и флюсов в металлургии (на примере доменной плавки).
Флюсы — это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентратом и золой топлива. Такое соединение называют шлаком.
Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается в печи над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiO2, P2O5), и основным, если в его составе больше основных оксидов (CaO, MgO, FeO и др.).
Основной принцип шлакования – взаимодействие кислых и основных оксидов с образованием комплексных соединений не растворимых в металле, но растворимых в шлаке.
Побочные продукты доменной плавки — шлак и доменный газ. Из шлака изготовляют шлаковату, цемент, ситалы, а доменный газ после очистки используют как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь.
Окислительно-восстановительные реакции в металлургии (на примере производства чугуна и стали).
В соответствии с законом действующих масс скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Поскольку в наибольшем количестве в чугуне содержится железо, то оно окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи:
Fе + 1/2О2 = FеО + 263.68 кДж.
Одновременно с железом окисляются Si, Р, С, Мn и др.
Образующийся оксид железа при высоких температурах отдает свой кислород более активным элементам — примесям в чугуне, окисляя их:
2FеО + Si = SiO2 + 2Fе + 330,5 кДж; (2)
5FеО + 2Р = Р2О5 + 5Fе + 225,94 кДж; (3)
FеО + Мn = МnО + Fе + 122,59 кДж; (4)
FеО + С = СО + Fе – 153,93 кДж. (5)
Fe2O3 -> Fe3O4 -> FeO -> Fe
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + Q
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 + Q
FeO + CO = Fe + CO2 + Q
Сущность доменного процесса; исходные материалы для получения чугуна, продукты доменной плавки, оценка эффективности работы доменной печи. Схема и принцип работы доменной печи.
Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы.
Железные руды содержат железо в различных соединениях: в виде оксидов Fe3O4, Fe2O3; гидроксидов Fe2O3*H2O, карбонатов FeCO3 и др., а также пустую породу, состоящую в основном из SiO2, Al2O3, CaO, MgO и др.
К железным рудам относятся магнитный железняк Fe3O4 (55-60 % Fe), красный железняк Fe2O3 (55-60 % Fe), бурый железняк, содержащий гидраты оксидов железа 2Fe2O3*3H2O и Fe2O3*H2O (37—55 % Fe); шпатовые железняки, содержащие FeCO3 (30-40 % Fe).
Марганцевые руды применяют для выплавки сплава железа с марганцем — ферромарганца (10—82 % Мn), а также передельных чугунов, содержащих до 1 % Мn. Марганец в рудах содержится в виде оксидов и карбонатов: МnО2, Мn2О3, Мn3O4, МnСО3, и др.
Хромовые руды используют для производства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов — хромомагнезитов. Хромовые руды содержат хромит (FeO*Cr2O3), магнохромит (Mg, Fe)*Cr2O4 ( до 40 % Сr2O3).
Комплексные руды используют для выплавки природно-легированных чугунов. Это железомарганцевые руды (до 20 % Мn), хромо-никелевые руды (37-47 % Fe, до 2 % Сг, до 1 % Ni), железованадиевые руды (до 0,17-0,35 % V).
Топливом для доменной плавки служит кокс, позволяющий получать необходимую температуру и создавать условия для восстановления железа из руды; в целях экономии часть кокса заменяют природным газом, мазутом, пылевидным топливом.
Флюсом при выплавке чугуна в доменных печах является известняк СаСО3 или доломитизированный известняк, содержащий СаСО3 и MgCO3, так как в шлаки должно входить определенное количество основных оксидов (CaO, MgO). Это необходимо для удаления серы из металла, в который она переходит из кокса и железной руды при плавке. Рекомендуется, чтобы в шлаке отношение (СаО+Mg0)/(SiO2+А12О3) примерно равно 1.
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, до 0,6-0,8 % Si, до 0,25-1 % Мn, 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. Их применяют 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, ситалы, а доменный газ после очистки используют как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь.
Важнейшие технико-экономические показатели работы доменных печей: коэффициент использования полезного объема доменной печи (КИПО) и удельный расход кокса. КИПО (м3/т) — это отношение полезного объема печи V (м) к её среднесуточной производительности Р (т) выплавленного чугуна:
Чем выше производительность доменной печи, тем меньше КИПО. Для большинства доменных печей КИПО=0,5/0,7.
Удельный расход кокса К — отношение расхода А кокса за сутки к количеству Р (т) чугуна, выплавленного за то же время:
Удельный расход кокса в доменных печах составляет 0,5-0,7; чем ниже этот показатель, тем лучше работает печь.
Для равномерного распределения шихты в доменной печи малый конус и приемная воронка после очередной загрузки поворачиваются на угол, кратный 60°.
При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство в печь подаются новые порции шихты в таком количестве, чтобы весь полезный объем печи был заполнен. Полезный объем печи — это объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании. Современные доменные печи имеют полезный объем 2000 . 5000 м3. Полезная высота доменной печи достигает 35 м.
В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух нагревают для уменьшения потерь теплоты и снижения расхода кокса. Воздух поступает в доменную печь из воздухонагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка. Насадка выложена из огнеупорных кирпичей, так что между ними образуются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный от пыли доменный газ, который сгорает и образует горячие газы.
Газы, проходя через насадку, нагревают ее и удаляются через дымовую трубу. Затем подача газа к горелке прекращается, и через насадку пропускается воздух, подаваемый турбовоздуходувной машиной. Воздух, проходя через насадку, нагревается до температуры 1000 . 1200 °С и поступает к фурменному устройству 14, а оттуда через фурмы 2 — в рабочее пространство. Доменная печь имеет несколько воздухонагревателей: в то время как в одних насадках нагревается, в других насадка отдает теплоту холодному воздуху, нагревая его. После охлаждения насадки воздухом нагреватели переключаются. Доменная печь
1 — газоотводящий патрубок 2 — засыпной аппарат 3 — футеровка (огнеупорная кладка) 4 — сварные стальные листы 5 — стальные трубки с водой (для охлаждения футеровки) 6 — стальные колонны 7 — нижняя летка (для выпуска чугуна) 8 — нижнее металлическое кольцо 9 — верхняя летка (для выпуска шлака) 10 — кольцевой коллектор с втулками (для подачи под давлением воздуха в горн печи)
Источник https://markmet.ru/tehnologiya_metallov/iskhodnye-materialy-dlya-domennogo-proizvodstva
Источник https://studopedia.ru/8_127125_materiali-dlya-domennogo-proizvodstva.html
Источник https://megalektsii.ru/s72942t1.html
