40. Выплавка стали в кислородных конвертерах.

Кислородно-конвертерный метод выплавки стали это один из способов передела чугуна в сталь без использования топлива путём продувки чугуна током кислорода.

При этом окислительный и восстановительный периоды плавки разнесены не только во времени, но и в пространстве: первый - протекает в конвертере, второй – после выпуска стали в ковше.

Сталеплавильный агрегат в кислородно-конверторном методе включает: собственно конвертер, систему подачи кислорода (фурму) и систему очистки конверторных газов.

Конвертор, представляет собой стальной контейнер грушевидной формы (1) вместимостью 100-350 т. Изнутри конвертер выложен огнеупорным кирпичом (2).

В верхней части сосуда находится горловина, которая служит для заливки чугуна, завалки твёрдых компонентов шихты и отвода газа; сбоку расположена летка (4) – окошко для слива стали.

Через горловину в конвертер также вводится фурма (3) для подачи кислорода, и происходит жидкий слив шлака.

Снаружи конвертер опоясан стальным кольцом с двумя цапфами, которые удерживают контейнер и позволяют поворачивать его вокруг горизонтальной оси.

1. Перед началом процесса плавки конвертер поворачивают в наклонное положение, затем загружают металлический лом и жидкий чугун.

2. После этого конвертер возвращают в вертикальное положение, загружают флюсы (известняк) и вводят фурму для подачи кислорода под давлением 1,0–1,4 МПа.

!!! Кислородные струи пол давлением пронизывают металл, вызывая его циркуляцию и перемешивание со шлаком.

3. При кислородно-конвертерном способе передела чугуна в сталь протекают те же реакции, что и при мартеновском способе, но более интенсивно.

Вследствие экзотермичности реакций окисления и их высокой скорости период плавки в кислородном конвертере протекает в автотермичном режиме и не требует подвода тепла извне.

При этом обеспечивается нагрев стали, выпускаемой из конвертера, до 1600-1650ºС, что значительно выше температуры заливаемого чугуна, которая при заливке достигает 1250-1400 ºС.

4. По ходу плавки берут пробы металла на экспресс-анализ. Если содержание углерода соответствует заданному количеству, продувку прекращают.

5. Поднимают фурму и, повернув конвертер в горизонтальное положение, выпускают сталь через летку, а затем через горловину сливают шлак.

6. В готовой стали остается кислород в виде оксида железа.

Для его восстановления в ковш вводят раскислители. Часть раскислителей может вводится в конвертор в конце плавки.

Закончив раскисление, приступают к разливке стали по изложницам. Температура стали при разливке - 1600-1650ºС.

Плавка в конверторе длится 35-40 минут, а скоростная мартеновская плавка 6-8 часов.

19. Теоретические основы производства азотной кислоты

Первой стадией процесса является окисление аммиака кислородом воздуха.

В отсутствии катализатора протекает следующая реакция – аммиак сгорает с образование азота:

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O + Q

На поверхности платиновых катализаторов протекает следующая реакция:

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O + Q

Это гетерогенная, необратимая, экзотермическая реакция.

Выход оксида азота (II) составляет 98% при соблюдении следующих оптимальных условий:

а) температура на поверхности катализатора – 800ºС;

б) реакция проводится в избытке кислорода и составляет 1,25 объёма кислорода на 1 объём аммиака; газ, поступающий на катализатор, содержит:

NH₃ - 11%; O₂ – 20%;N₂ – 70%.

Окисление протекает автотермично, если содержание аммиака в газовой смеси достигает 11%.

в) Окисление аммиака является необратимой реакцией, поэтому повышение давления смеси исходных веществ не влияет на выход продукта;

г) Основной промышленный катализатор окисления аммиака – платина и её сплавы с родием или палладием. Платиновый катализатор применяют в виде пакетов сеток, сплетенных из тончайших проволок (0,06 мм).

Окисление аммиака на платиновых катализаторах является одной из самых кратковременных каталитических реакций, известных в настоящее время (время протекания реакции 1·10^-4 сек).

Сейчас наряду с платиновыми катализаторами используют катализаторы из смеси оксидов железа и хрома. Контактные массы изготавливаются в виде таблеток диаметром 5 мм. Однако неплатиновые катализаторы значительно менее активны.

Если использовать двухступенчатый катализатор, состоящий из одной сетки и слоя таблеток, выход оксида азота (II) составляет 97%.

Оксида азота (II) образуется только на поверхности катализатора.

Механизм реакции, протекающей на катализаторе.

а) Сначала атомы платины адсорбируют на себе молекулы кислорода, которые диссоциируют при этом на атомы.

б) Далее, благодаря высокому сродству кислорода к водороду, молекулы аммиака при приближении к поверхности катализатора ориентируются своими атомами водорода к атомам кислорода.

в) В результате происходит образование молекул воды и оксида азота (II), которые вытесняются новыми молекулами кислорода.

Вторая стадия процесса – окисление оксида азота (II) до оксида азота (IV) и дальнейшая частичная димеризация оксида азота (IV) до тетраоксида азота (N₂O₄).

Это гомогенная, некаталитическая, экзотермическая реакция, протекающая с уменьшением объёма:

2NO + O₂ = 2NO₂. + Q

Вследствие этого понижение температуры и повышение давления сдвигает равновесие реакции вправо.

Было показано, что при снижении температуры ниже 100ºС, равновесие реакции было полностью сдвинуто в сторону образования оксида азота (IV) и с понижением температуры скорость реакции возрастала, т. е. для этой реакции наблюдается аномальная зависимость скорости от температуры.

!!! Известно, что для всех одностадийных химических реакций повышение температуры вызывает повышение их скорости.

Предполагают, что окисление оксида азота (II) до оксида азота (IV) идёт с образованием промежуточного продукта – димера оксида азота (N₂O₂), т. е. реакция протекает в две стадии:

2NO = N₂O₂ + Q

N₂O₂ + O₂ = 2NO₂ + Q

Поскольку реакция образования димера идёт с выделением теплоты, то с повышением температуры равновесие смещается в сторону образования оксида азота (II), а концентрация димера N₂O₂ уменьшается.

Понижение скорости реакции превращения оксида азота (II) до оксида азота (IV) с повышением температуры реакции можно объяснить уменьшением концентрации димера оксида азота (II).

Одновременно в системе протекает реакция димеризации оксида азота (IV) в тетраоксид:

2NO₂ = N₂O₄ + Q

Так как эта реакция, как и две предыдущие реакции, протекает с выделением тепла и уменьшением объёма, то повышение давления и понижение температуры способствует окислению оксида азота (II) до оксида азота (IV) и димеризации оксида азота (IV).

Третья стадия. Поглощение оксида азота (IV) и его димера водой протекает по двум следующим реакциям:

3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO + Q

3N₂O₄ + 2H₂O = 4HNO₃ + 2NO + Q

Так как реакции идут с выделением тепла и уменьшением объёма, то при понижении температуры и повышении давления равновесие сдвигается в сторону образования кислоты.

Кроме температуры и давления равновесное состояние в этой реакции зависит от концентрации образующейся азотной кислоты.

Чем меньше концентрация образующейся азотной кислоты, тем больше степень превращения оксида азота (IV) и его димера в азотную кислоту.

Наоборот, с повышением концентрации кислоты степень превращения оксида азота (IV) уменьшается.

!!! Следовательно, при нормальных условиях можно получить только разбавленную азотную кислоту с концентрацией до 47 – 50%.

Для увеличения концентрации кислоты необходимо повысить давление, понизить температуру и увеличить содержание оксида азота (IV).