Основные физико-химические процессы доменной плавки при производстве чугуна — ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Основные физико-химические процессы доменной плавки при производстве чугуна — ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Физико-химические процессы, происходящие в доменной печи
Все физико-химические процессы в доменной печи определяются существующими на разных уровнях температурными режимами. При загрузке через конус сырые материалы попадают в область температур 200-300 °С, по мере опускания температура шихты растет, достигая 1900-2100 °С в нижней части распара, а потом постепенно снижается до температуры 1450 °С в горне.
Горение топлива.Вблизи фурм углерод кокса взаимодействует с кислородом и сгорает: C + O2 = CO2 + 393,51 кДж.При высоких температурах и в присутствии твердого углерода кокса двуокись углерода неустойчива и частично переходит в окись углерода: CO2 + C = 2CO – 171,88 кДж.Одновременно, на некотором расстоянии от фурм, идет реакция неполного горения углерода кокса: C + 1/2O2 = CO2 + 110 кДж.
В результате горения кокса в доменной печи выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий CO, CO2,и другие газы. При этом в печи немного выше уровня фурм температура становится более 2000 °С. Горячие газы поднимаются вверх, отдают свою теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь при до 300 – 400 °С у колошника.
В зоне печи, где температура газов достигает 450 – 700 °С, часть окиси углерода разлагается с образованием сажистого углерода, оседающего на шихтовых материалах: 2СО = СО2 + С.Остальная часть газа (СО, СО2, N2, Н2, СН4-колошниковый газ) отводится из печи по трубам и после очистки используется как топливо для воздухонагревателей.
Восстановление окислов железа и других металлов.Шихтовые материалы (агломерат, кокс) опускаются вниз навстречу потоку газов и нагреваются. В результате в них: удаляется влага, из топлива выделяются летучие вещества, происходит основной процесс – восстановление железа из окислов, которое осуществляется в несколько стадий – от высших окислов к низшим в следующей последовательности: Fe2O3 → Fe3O4 → FeО → Fe.
Читать статью Диссертация на тему «Математическое моделирование сложных технологических процессов доменного производства методами нелинейной динамики», скачать бесплатно автореферат по специальности ВАК РФ 05.13.18 — Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
В восстановлении железа участвуют газы (СО,Н2) и твердый углерод кокса. Восстановление газами называют косвенным, а твердым углеродом – прямым. Реакции косвенного восстановления экзотермические, т.е. сопровождаются выделением тепла и происходят, главным образом, в верхних горизонтах печи. Реакции прямого восстановления эндотермические, т.е. сопровождаются поглощением тепла и протекают в нижней части печи.
Косвенное восстановление железа происходит в несколько стадий по следующим реакциям:
3) FeO + CO = Fe + CO2+Q
В процесс косвенного восстановления определенный вклад вносит водород (Н2) по аналогичным реакциям:
Реакции косвенного восстановления начинаются при температурах 400 – 500 °С (первая реакция) и заканчиваются при 900 – 950 о С (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.
Читать статью Какую роль играет флюс в доменном процессе — Все о сварке
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).
Основные физико-химические процессы доменной плавки при производстве чугуна
Сущность процесса выплавки чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, выделяющимся при сгорании топлива (кокса) в печи, а также твердым углеродом кокса [1, 2, 4, 5].
В процессе доменной плавки происходит несколько групп химических превращений.
3. Реакции восстановления железа из оксидов (протекают в шахте печи):
Восстановление железа, таким образом, происходит в несколько стадий, от высшего оксида к низшему (т. н. «принцип Байбакова»):
Примерно 60% железа восстанавливается газовым реагентом СО.
Читать статью Восстановление оксидов железа в доменной печи — Студопедия
Кроме того, восстановление железа происходит твердым углеродом (в зоне распара печи, около 40% восстановленного железа):
Восстановление газами называют косвенным, а твердым углеродом — прямым.
4. Науглероживание железа:
В результате этих реакций получается чугун (соединение Fe — Fe3C).
5. Восстановление постоянных примесей марганца (Мп) и кремния (Si) из оксидов углеродом кокса
6. Реакции десульфурации (уменьшается содержание вредной примеси — серы S). Известняк СаС03, используемый в качестве флюса, в процессе плавки распадается на соединения СаО и С02. Оксид СаО связывает серу в соль CaS, которая не растворяется в железе и всплывает в шлак
ДО́МЕННЫЙ ПРОЦЕ́СС
ДО́МЕННЫЙ ПРОЦЕ́СС, получение чугуна из железорудных материалов в доменной печи. В основе Д. п. лежит принцип противотока: загружаемая в верхнюю часть печи (колошник) исходная шихта (железорудный материал, твёрдое топливо, флюс) движется вниз, а газообразные продукты, образовавшиеся в нижней части печи (горне) при сжигании топлива в потоке дутья (нагретый воздух или воздух, обогащённый кислородом либо водяным паром), – вверх. Противоток способствует эффективному протеканию массо- и теплообменных процессов, что обусловливает высокие показатели использования ресурсов в доменных печах: полезное использование теплоты составляет 80–90%, степень извлечения железа – 99,5–99,8%. Для обеспечения тепловых потребностей процесса используется значит. избыток кокса, который обусловливает повышенное содержание углерода в чугуне (3,4–5,2% С по массе).
Похожие записи:
- Основные физико-химические процессы, происходящие в доменной печи
- Марганец. Производство ферромарганца и чистого марганца. Извлечение марганца из шлаков и низкокачественных руд, страница 3
- 2.5 Методы интенсификации доменного процесса
- Процессы восстановления — Доменный процесс
Разложение плавильных материалов в доменной печи
Продукты сгорания топлива, поднимаясь вверх навстречу опускающейся шихте, непрерывно нагревают ее. Благодаря этому в различных зонах печи устанавливаются разные температуры.
В верхней части печи при сравнительно невысокой температуре (100—350°) загруженные шихтовые материалы просушиваются и происходит их разложение (выделение химически связанной воды, летучих веществ из горючего, разложение углекислых солей и т.д.).
Восстановление железа из окислов является основной целью доменного процесса и происходит при температуре начиная от 600° и выше.
В железных рудах железо может быть в виде следующих окислов: Fe2O3 Fe3O4 и FeO. Наиболее легко восстанавливается железо из окисла Fe2O3, более трудно из Fe3O4 и FeO.
Восстановление железа из окислов происходит в такой последовательности:
Основными восстановителями в процессе доменной плавки являются окись углерода (СО) и твердый углерод (С).
Удаление кислорода
Удаление кислорода с помощью СО называется косвенным (непрямым) восстановлением и протекает при температуре выше 570° по реакциям:
Связывание кислорода твердым углеродом называется прямым восстановлением. Для закиси железа этот процесс может быть выражен формулой
Реакция прямого восстановления протекает в доменной печи при температуре 950—1000°.
По данным акад. М.А. Павлова с помощью косвенного восстановления восстанавливается 40—60% всей железной руды, находящейся в доменной печи.
Восстановление окислов железа водородом
Восстановление окислов железа водородом в доменной печи осуществляется в той же последовательности, что и восстановление окисью углерода, но имеет меньшее значение.
Таким образом, железная руда при своем движении к горну печи постепенно восстанавливается; количество восстановленного железа на уровне распара составляет уже около 80%.
В шихтовых материалах доменной печи, помимо окислов железа, находятся также окислы и других элементов (например Мn, Ni, Cr, V, Si, P).
Окислы этих элементов восстанавливаются и частично переходят в чугун, частично в шлак. Восстановление большинства этих элементов осуществляется прямым путем в зоне температур 1100—1500°.
- Кадастровые инженеры с. Семекеево
- Кадастровые инженеры хутор Алешкин
- Кадастровые инженеры с. В-Балкария
- Кадастровые инженеры Болотного
Похожие записи:
- Физико-химические процессы в доменной печи
- Диссертация на тему «Математическое моделирование сложных технологических процессов доменного производства методами нелинейной динамики», скачать бесплатно автореферат по специальности ВАК РФ 05.13.18 — Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
- Для чего нужна доменная печь? Конструкция доменной печи, принцип работы и устройство
- Отверстие в домне: Отверстие в домне, 5 (пять) букв
Процессы в доменной печи при производстве чугуна
Чугун– сплав железа с углеродом с содержанием углерода от 2, 14 до 6,67 мас. %. Кроме углерода чугун всегда содержит кремний до 4 мас. %, марганец – до 2 мас. %, а также серу и фосфор (вредные примеси). В процессе получения чугуна от серы и фосфора стремятся избавиться с использованием различных приемов.
3.1 Подготовка руд к плавке
Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Цель этой подготовки состоит в увеличении содержания железа в шихте и уменьшении в ней вредных примесей – серы, фосфора, повышение ее однородности по кусковатости и химическому составу. Метод подготовки добываемой руды зависит от ее качества.
Первый этап — дробление и сортировка руд по крупности для оптимизации плавки. Куски руды дробят и сортируют на дробилках и классификаторах. Затем проводятобогащениедля повышения содержания железа, которое основано на различных физических свойствах минералов (плотности, магнитной восприимчивости и т.д.). Применяют следующие способы обогащения:
— Промывка руды водой– для отделения плотных составляющих руды от рыхлой породы (песка, глины).
— Гравитация основана на отделении руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита, на котором лежит руда. При этом пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а тяжелые рудные минералы опускаются вниз.
— Магнитная сепарацияоснована на различии магнитных свойств железосодержащих минералов и частиц пустой породы. Измельченную руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы, отделяя их от пустой породы.
Читайте также: Патрон с резьбой для лампочки микроволновой свч печи
Следующая операция – окускование, которое производят для переработки концентратов, полученных после обогащения, в куски необходимых размеров. С этой целью выполняют агломерацию и окатывание.Агломерация — спекание шихты при 1300-1500 0 С в агломерационных машинах. В результате из руды удаляется вредные примеси (сера, частично мышьяк), карбонаты разлагаются, получается кусковой пористый материал – агломерат.Окатывание применяют для обработки тонко измельченных концентратов. Шихта из измельченных концентратов, флюса и топлива увлажняется и при обработке во вращающихся барабанах, в результате, приобретает форму шариков – окатышей диаметром до 30 мм. Окатыши высушивают и обжигают при 1200-1350 0 С на обжиговых машинах, после чего они становятся прочными и пористыми. При подаче агломерата и окатышей не надо добавлять флюс – известняк, повышается производительность доменной печи и снижается расход кокса.
3.2 Устройство доменной печи и ее работа
Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении железа из его оксидов, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимися при сгорании топлива в печи.
Доменная печь (рисунок 1) имеет стальной кожух, выложенный внутри огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту. Шихту взвешивают, подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату 8 и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты.
1.2. Основные физико-химические процессы в современных доменных печах
Сущность процесса получения чугуна, заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом твердым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива в печи.
Доменная печь представляет собой шахтную печь круглого сечения объемом 2-3 тыс. м 3 рис. 1.1), с полезной высотой 35 м. Стальной кожух выложен изнутри огнеупорным материалом 3 шамотным кирпичем.. 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 . Шахта печи представляет собой расширяющейся 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 насыщаеется 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:
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,(сопров выделен теплоты- экзотермическая),
а твердым углеродом — прямым. сопров поглощен теплоты- эндотермическая Главные реакции восстановления: от высшего оксида к низшему
В доменных печах с применением природного газа или мазута степень прямого восстановления железа, протекающая по реакции, FeO+ C==Fe+CO—Q, составляет 20. . 40%.
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 по реакции
Насыщенное углеродом железо имеет пониженную (до 1150. 1200°С) в сравнении с чистым железом (1539°С) температуру плавления, что повышает экономическую эффективность процесса.
Жидкий чугун стекает вниз и собирается в горне. Пустая порода, известняк и кокс при опускании вниз попадают в зону более высоких температур и на уровне распара расплавляются и образуют жидкий шлак.
В получаемом чугуне кроме железа содержатся полезные (Мп и Si) и вредные (S и Р) примеси.
В чугун переходит лишь часть марганца шихты, некоторое количество в виде соединений МпО удаляется шлаком и в виде соединения МпзО4 — в газовую фазу доменной печи. t — 1100
Восстановление кремния осуществляется по реакции SiO2 + 2С = Si + 2СО — Q.
Часть полученного кремния растворяется в чугуне, а часть остается в шлаке
Фосфор, как и железо, полностью восстанавливается в доменной печи и переходит в металл
В доменном процессе удалению серы из металла придается большое значение. Сера вносится в печь коксом (основная доля) и железорудными материалами. Часть серы удаляется в виде газов, большая же часть входит в состав шлака в виде CaS и FeS, последний растворяется в чугуне. Поэтому главная задача удаления серы из чугуна (десульфурация металла) заключается в; том, чтобы перевести ее в нерастворимые в железе соединения в присутствии шлака по реакции
Продукты доменного производства и области их применения.
Главной продукцией доменного производства являются чугуны. Чугуны разделяются на
Передельные чугуны выпускаются трех видов:
§ 5. Процессы, протекающие в доменной печи
Процесс превращения руды в чугун происходит в результате взаимодействия потока медленно опускающихся материалов и потока подымающихся газов, которые, соприкасаясь с материалами, нагревают и восстанавливают их. Все рабочее пространство печи занято шихтовыми материалами, которые загружаются на колошник через засыпной аппарат. По мере сгорания кокса вблизи фурм в печи образовывается свободное пространство. Это вызывает перемещение (сход) материалов в нижние горизонты печи навстречу движущемуся потоку раскаленных газов. Наиболее высокие температуры (до 1900 0 С) достигаются вблизи фурм. Здесь происходит горение кокса благодаря кислороду воздуха, подогретого до 1200°С по реакции:
В результате этой реакции выделяется большое количество тепла. Образовавшаяся двуокись углерода соприкасается с раскаленным коксом и разлагается по реакции:
Газообразные продукты в зоне горна и нижней части заплечиков содержат много окиси углерода и обладают резко восстановительными свойствами.
В доменной печи роль восстановителя выполняют углерод, окись углерода и водород. Восстановление окислов при помощи окиси углерода называется косвенным, и при помощи углерода – прямым.
Прямое восстановление требует больших затрат тепла, поэтому желательно, чтобы доля косвенного восстановления была возможно большей.
Восстановление окислов железа идет по пути последовательного отнятия атомов кислорода по схеме
При температурах до 900°С протекают реакции косвенного восстановления железа:
При более высоких температурах свыше 1000 – 1100°С получают развитие реакции прямого восстановления:
До 50 – 60 % железа образуется по реакциям косвенного восстановления, а 40 – 50 % – прямого.
Прямое восстановление железа происходит в распаре печи и тем лучше, чем выше температура находящихся здесь материалов, так как эта реакция идет с поглощением тепла. Образующееся металлическое железо находится в твердом состоянии, так как имеет высокую температуру плавления 1539°С. В присутствии окиси углерода и раскаленного кокса железо постепенно науглероживается, в результате чего температура его плавления понижается до 1150 – 1200 °С. Науглероженное железо, содержащее 1,8 – 2 % С, переходит в жидкое состояние и стекает между кусками раскаленного кокса на лещадь печи. При этом происходит дополнительное насыщение железа углеродом до 3,5 – 4,0 % С. Аналогично происходит и процесс восстановления железа водородом.
Параллельно с восстановлением и науглероживанием железа в доменной печи происходит частичное восстановление марганца, кремния и фосфора. Эти элементы переходят в металл и изменяют его химический состав. Их восстановление происходит только за счет углерода кокса.
Марганец образуется в результате в результате взаимодействия его низшего окисла с углеродом:
Эта реакция протекает с поглощением тепла при температуре выше 1100 – 1200°С. Для нее требуется увеличить расход кокса и иметь более высокую температуру дутья 800 – 1000°С.
Кремний восстанавливается из кремнезема по реакции:
Наиболее активное восстановление кремния идет при температуре 1100С.
Фосфор восстанавливается из фосфатно-кальциевых солей в присутствии кремнезема:
Эта реакция развивается в доменной печи до конца, поэтому фосфор полностью переходит в чугун.
Сера частично удаляется с колошниковыми газами в виде SO2 и H2S , но основное ее количество остается в виде сульфидов и распределяется между шлаком и чугуном. Наиболее нежелательным является сульфид железа FeS, который хорошо растворяется в металле.
При большом насыщении шлака известью (45 – 50 %) в горне печи происходят реакции:
В результате сера переходит в шлак в виде нерастворимого в металле серистого кальция CaS. Часть серы в виде S и FeS растворяется в чугуне.
Чугун скапливается в горне печи и периодически (6 – 10 раз в сутки) выпускается через чугунную летку. Жидкий чугун сливается в чугуновозные ковши емкостью 100 тонн и более и транспортируют к разливочной машине, где его разливают в изложницы и получают слитки (чушки) весом 40 – 60 тонн.
В нижней части доменной печи (распаре, заплечиках) образуется шлак. Образование шлака начинается тогда, когда основная масса железа уже восстановлена. Шлак образуется в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы кокса. Шлак формируется постепенно, изменяя состав по мере стекания в горн, где он скапливается над слоем чугуна и выпускается через шлаковую летку. Для транспортировки жидкого шлака от доменной печи служит шлаковоз, представляющий собой тележку со шлаковой чашей, емкостью до 16 – 24 м 3 . Для удобства транспортировки и дальнейшего использования доменный шлак гранулируют: жидкий шлак поливают струей воды, охлаждаясь он рассыпается на мелкие куски.
https://redmeh.ru/domennye-processy/osnovnye-fiziko-himicheskie-processy-domennoj-plavki-pri-proizvodstve-chuguna-tehnologiya-konstrukcionnyh-materialov/