Процессы при выплавке чугуна

Принцип Байкова:

t<570 ºС

t>570 ºС

Продолжительность пребывания материалов в доменной печи составляет порядка 4 – часов.

Главная химическая реакция при производстве железа:

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

Это производство разделяется на следующие этапы.

В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количества тепла.

C + O₂ = CO₂ + Q

В зависимости от температуры в различных частях печи, восстановление железа происходит несколько этапов.

Наверху, где температура обычно находится в диапазоне между 200 °C и 700 °C, протекает следующая реакция:

3 Fe₂O₃ + CO → 2 Fe₃O₄ + CO₂

Ниже в печи, при температурах приблизительно 850 °C, протекает следующая реакция:

Fe₃O₄ + CO → 3 FeO + CO₂

Встречные потоки газов разогревают шихту, и происходит разложение известняка:

CaCO₃→ CaO + CO₂

FeO опускается в область с более высоких температур (до 1200), где протекает следующая реакция:

FeO + CO→ Fe + CO₂

Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода — главный восстановитель доменного процесса.

CO₂ + C = 2CO

Сгорание кокса

В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количества тепла.

C + O₂ = CO₂ + Q

Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода — главный восстановитель доменного процесса.

CO₂ + C = 2CO

Разложение карбонатов

Основными процессами являются передача тепла (конвекция, излучение, теплопроводность) восстановление рудных материалов и разложение карбонатов:

Восстановление оксидов железа

Восстановление большей части оксидов железа происходит в шахте печи при 700 - 1100 °С.

Принцип Байкова:

t<570 ºС

t>570 ºС

Восстановителями служат C, CO и H₂

Прямое восстановление:

Косвенное восстановление:

Фактически:

Восстановление водородом:

Минимальный расход кокса может быть получен при оптимальном соотношении между косвенным и прямым восстановлением. Реально 20 – 40% желательно ниже. Степень восстановления η_Fe = 0,99 или 99,8%

Восстановление кремния

Кремний присутствует в рудах главным образом в виде кремнезема, а в агломерате — в виде силикатов. Сродство кремния к кислороду весьма велико, поэтому он может восстанавливаться в печи только прямым путем.

Источник кремния – кремнезем SiO₂

SiO₂ + C →SiO + CO

SiO + C →Si + CO

SiO₂ + 2C →Si + 2CO

Реально 1100 – 1200 °С, что связано с присутствием железа

Передельный чугун 0,5 – 0,8 % Si

Литейный чугун 1,75 – 3,75 % Si

На каждый процент Si расход кокса повышается на 5 - 15 %. Поэтому литейный чугун выгоднее выплавлять в электропечах.

Синтетический чугун – предельный чугун + кремнистые добавки.

Восстановление марганца

Марганец содержится в агломерате в виде силикатов.

Процесс восстановления марганца из МnО связан с большой затратой тепла. Не весь марганец переходит в чугун, часть остается в виде окислов в шлаке, а часть улетучивается через колошник. Степень восстановления марганца составляет при выплавке обычных чугунов около 50%

MnSiO₃ +CaO + C → Mn + CaSiO₃ + CO – 229068 Дж

Для максимального извлечения марганца:

1) работать при повышенном расходе кокса

2) вести плавку с максимально нагретым дутьем

3) получать шлаки повышенной основности

При выплавке чугуна извлекается 55 – 65 % Mn.

Концентрация марганца в чугуне составляет 0,25 – 0,5 %

Снижение концентрации марганца позволит снизить себестоимость чугуна на 10 % и экономить кокс.

В доменных печах получают также марганцовистые сплавы: ферромарганец (75 % Mn) зеркальный чугун (15 – 25 % Mn).

Восстановление других элементов

По возрастанию сродства к кислороду

Cu, As, Ni, Fe, P	Zn	Mn	V, Cr	Si, Ti	Al, Mg, Ca
целиком восстанавливаются и переходят в чугун	возгоняется, охлаждается в парах	60 %	70 – 80 %	~40 %	0 %

Науглероживание железа

2CO → CO₂ + C

3Fe + C → Fe₃C

3Fe + CO →Fe₃C + CO₂ + 180493 Дж, при 450 – 600 °С

По мере науглероживания t_пл Fe понижается. Чистое Fe t_пл = 1539 °С, Fe + 4,3 % С t_пл = 1135 °С.

Образование шлаков

Химический состав шлака:

36 – 42 % SiO₂

40 – 46 % CaO

8 – 18 % Al₂O₃

2 – 3 % MnO

2 – 10 % MgO

0,2 – 0,6 % FeO

1,5 – 2,5 % S в виде CaS

Свойства шлаков – вязкость, температура плавления, основность.

Основность в металлургии — отношение (в процентах по массе) содержания основных и кислых оксидов в железорудных материалах, а также в доменных, сталеплавильных и других шлаках.

Эти свойства определяют десульфурирующую способность шлака.

Серы должно быть не более 0,1 %, хотя чугун может растворять до 0,9 %. Для десульфурации применяют шлаки (основностью ~ 1,4) марганец (), внедоменная десульфурация: сода (Na₂CO₃), Mg, CaC, CaCO₃ позволяет удалять 50 – 95 % S, но требует дополнительных затрат.

Продукты доменной плавки

Чугун - сплав железа с C, Si, Mn, P, S. В зависимости от назначения может содержать Cr, Ni, V, Ti, Cu, As. Содержание этих элементов регламентировано ГОСТ или ТУ.

По назначению три вида:

Передельный – для передела в сталь – 90 % от общего чугуна: 0,3 – 1,2 % Si, 0,2 – 1,0 % Mn, 0,15 – 0,2 % P, 0,02 – 0,07 % S

Литейный – малофосфористый < 0,1 % P – для высокопрочных изделий 1,75 – 3,75 % Si; высокофосфористый – для художественного литья

Доменные ферросплавы:

Ферромарганец (70 – 75 % Mn, до 2 % Si)

Бедный ферросислиций (9 – 13 Si, до 3 % Mn)

Зеркальный чугун (15 – 25 Mn, < 2 % Si)

В последние годы выплавка ферросплавов в доменных печах сократилась; бедного ферросилиция прекратилась. Ферросплавы выгоднее получать в электропечах, что одновременно дает более высокое качество.

Дата добавления: 2015-07-17