Восстановление металла из его окислов (раскисление металла)

Для восстановления металла из его окислов (раскисления) необходимо провести восстановительную реакцию по схеме:

MenOm + Bk → BkOm + nMe

Ме – восстанавливаемый металл

B – восстановитель – элемент, обладающий большим сродством к кислороду, чем восстанавливаемый металл.

n, m, k – валентность

В промышленности применяют 3 основных способа восстановления:

1) Карботермия

В качестве восстановителя используется твердый углерод С или газ СО.

Восстановление твердым углеродом – прямое восстановление

Восстановление СО – косвенное восстановление

При этом способе происходит насыщение Ме углеродом.

Производство чугуна

Чугунами называются сплавы железа (Fe) с углеродом (С > 2,14%). Кроме того, в состав чугуна входят полезные и вредные примеси (сера и фосфор). Полезные примеси вводятся в чугун специально для улучшения физико-химических свойств и называются легирующими элементами (W, Ti, Mo, V и т.д.).

Компоненты доменного процесса

Чугун выплавляют из железной руды в доменных печах.

К компонентам доменного процесса относятся:

1. Топливо (кокс, мазут, природный газ)

Кокс – продукт высокотемпературной переработки коксующегося каменного угля без доступа воздуха. Процесс ведется при температуре примерно 1000 оС в течение 16 часов. В результате снижается содержание серы и обеспечивается достаточная прочность.

Мазут – продукт крекинга (переработки) нефти.

Природный газ – метан (СН4).

В состав топлива в значительных количествах входит углерод (С), что способствует созданию восстановительной атмосферы в доменной печи. Помимо восстановительной реакции происходит насыщение железа углеродом.

2. Флюс. Применяется для получения легкоплавкого соединения с пустой породой руды. При взаимодействии флюса с пустой породой образуется шлак, который обладает меньшей плотностью, чем жидкий металл и в процессе выплавки располагается над ванной расплавленного металла. При изготовлении чугуна шлак периодически сливают.

Железная руда

Подготовка руды к доменному процессу

Обогащение руды

Дробление руды

Доменная печь работает нормально, если куски руды имеют определенные размеры.

Большие куски не успевают в процессе выплавки прореагировать на всю глубину, и поэтому часть материала используется бесполезно.

Мелкие куски слипаются,что препятствуют прохождению химически активных газов между ними. Оптимальный размер куска 30-80 мм в поперечнике. Поэтому добытую руду просеивают через грохоты и куски более 80 мм подвергаются дроблению.

Окускование

В процессе добычи руды и еѐ дробления образуется мелочь; мелочь смешивают с коксом и флюсом и подвергают брикетированию, агломерации, окатыванию.

а. Брикетирование – прессование увлажненных концентрата, топлива и флюса с дальнейшим просушиванием полученных брикетов на воздухе и обжигом в печи при температуре 1200 - 1300оС для обеспечения необходимой прочности.

б. Агломерация – спекание концентрата, топлива и флюса при Т=1300-1400 оС.

в. Окатывание – обработка увлажненных концентрата, топлива и флюса в тарельчатых чашах (грануляторах) с дальнейшей просушкой на воздухе и обжиге в печи при Т=1200-1300 оС. В результате образуются шарики-окатыши диаметром до 30 мм.

Использование брикетов, агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса в доменную печь при плавке.

При окусковании получается пористая газопроницаемая масса, называемая шихтой.

Доменная печь

Доменный процесс (рисунок 2.1) основан на восстановлении металла из его

окислов. Поэтому в доменной печи создается восстановительная атмосфера.

Загрузка печи компонентами доменного процесса осуществляется через верхнюю часть печи с помощью загрузочного устройства 9. Печь работает по принципу противотока. Сверху вниз двигается подготовленная шихта, руда, кокс 6, а снизу вверх через слой этих материалов, поднимаются химически активные газы.

Процесс идет в стальном сварном корпусе 1, выложенном изнутри огнеупорным шамотным кирпичом.

Через фурмы 4 вместе с жидким или газообразным топливом подается воздух, нагретый в водонагревателе до Т = 1200 оС.

Топливо горит на уровне фурм 4, создавая факел пламени 5 с температурой около 2000 оС

Газообразные продукты горения поднимаются вверх и отдают шихте, коксу и руде свою тепловую и химическую энергию, а затем отводятся из верхней части домны 10.

Рисунок 2.1 – Устройство доменной печи

1 – стальной сварной корпус, выложенный изнутри огнеупорным шамотным кирпичом; 2- жидкий шлак; 3- ванна расплавленного металла; 4- фурма; 5- факел пламени; 6- компоненты доменного процесса (шихта, руда, кокс); 7- летка для слива жидкого чугуна; 8- летка для слива жидкого шлака; 9- загрузочное устройство; 10- отвод газов

Процесс восстановления железа из его окислов идет по следующий реакции:

Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe

Помимо восстановления происходит насыщение железа углеродом.

3Fe + 2C → Fe3C + C

(Fe3C + C) – чугун.

В состав чугуна входит химическое соединение Fe3C (цементит) и С (свободный углерод).

Производительность доменной печи 10000 т за 24 часа

В результате доменного процесса получается литейный и передельный чугуны.

Литейный чугун используется для получения фасонных отливок.

Из передельного чугуна выплавляют сталь.

Кроме чугуна в доменных печах выплавляют ф ерросплавы – сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Их применяют для раскисления и легирования стали (FeSi; FeMn; FeAl – для раскисления и, редко, легирования стали; FeCr, FeMо, FeV, FeTi – для легирования стали).

Побочными продуктами доменной плавки являются шлак и доменный газ.

Из шлака изготовляют шлаковату, цемент, удобрения (стараются получить гранулированный шлак, для этого его выливают на струю воды).

Доменный газ после очистки используется как топливо для нагрева воздуха, подающегося в печь. Технико-экономические показатели работы доменных печей

1. Коэффициент использования полезного объѐма доменной печи (м3/т) - КИПО – это отношение полезного объема печи V (м3) к ее среднесуточной производительности Р (т) выплавленного чугуна.

2. Чем ниже КИПО, тем выше производительность печи. Для большинства доменных печей КИПО = 0,5…0,7 (для передовых – 0,45)

3. 2.Удельный расход кокса, К – это отношение расхода кокса за сутки А (т) к количеству чугуна, выплавленного за это же время Р (т).

4. Удельный расход кокса в доменных печах составляет 0,5…0,7 (для передовых – 0,36…0,4)

5. K – важный показатель, так как стоимость кокса составляет более 50% стоимости чугуна