36. Теор. Основы доменного процесса и т.Д……………

Процесс выплавления железа из руды основан на довольно простой химической реакции восстановления оксидов железа до свободного железа:

FeO + CO = CO₂ + Fe

при достаточно высокой температуре оксид железа (II) реагирует с оксидом углерода (II) в результате чего образуется оксид углерода (IV) и металлическое железо.

Чугун из железных руд выплавляется в специальных плавильных печах – домнах.

!!! Доменная (шахтная) печь устроена так, чтобы реакция могла протекать непрерывно.

На практике сверху вниз по шахте печи непрерывно продвигаются углерод и оксид железа, а навстречу им снизу движется воздух.

Углерод в виде кокса играет двоякую роль:

1) при сгорании он нагревает печь;

2) и образует газ оксид углерода (II) CO, который восстанавливает оксид железа до металла.

В плавильном пространстве печи различают следующие части: колошник, шахту, распар, заплечики и горн.

!!! При установившемся режиме работы печи в ней создаётся и поддерживается определённый температурный режим и протекают следующие физико-химические процессы:

1. Образование газообразных восстановителей. В зоне горна газообразные восстановители образуются в результате полного сгорания углерода кокса и природного газа при температуре 1800-1900ºС. При этом протекают следующие реакции:

а) сначала углерод кокса окисляется кислородом воздуха до оксида углерода (IV), а метан – до оксида углерода (IV) и воды:

C + O₂ = CO₂

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O

б) оксид углерода (IV) на поверхности раскалённого кокса восстанавливается до оксида углерода (II), а вода до свободного водорода:

CO₂ + C = 2CO

H₂O + C = CO +H₂

Образовавшийся в горне восстановительный газ поднимается в верхнюю часть печи шахту, нагревает и восстанавливает компоненты шихты (железную руду и флюсы) при температуре 600-1200ºС.

2. Восстановление оксидов железа. Восстановление оксидов железа начинается при температуре 570ºС и протекает ступенчато от высших окислов к низшим до элементарного железа:

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe

Заканчивается восстановление при температуре 1200ºС в распаре.

Восстановление железа оксидом углерода (II) принято называть косвенным (непрямым), а восстановление непосредственно углеродом кокса – прямым.

В доменных печах преобладает процесс косвенного восстановления оксидом углерода (II) и водородом:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ - ∆Q

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂ + ∆Q

FeO + CO = Fe + CO₂ - ∆Q

и

3Fe₂O₃ + H₂ = 2Fe₃O₄ + H₂O - ∆Q

Fe₃O₄ + H₂ = 3FeO + H₂O + ∆Q

FeO + H₂ = Fe + H₂O + ∆Q

Прямое восстановление начинается в распаре при 1200ºС и особенно интенсивно протекает в заплечиках при 1500ºС:

FeO + C = Fe + CO

В результате реакций восстановления образуется губчатое металлическое железо.

4. Науглероживание железа и получение чугуна.

Науглероживание железа идёт двумя путями:

а) при температуре 600ºС на поверхности образовавшегося губчатого железа протекает реакция термического разложения оксид углерода (II) до оксида углерода (IV) и свободного углерода:

2CO = CO₂ + C

!!!! Образовавшееся свободное железо катализирует эту реакцию.

При этом образуется высокоактивный сажистый углерод, реагирующий с железом с образованием карбида железа, растворяющегося затем в металлическом железе:

3Fe + C = Fe₃C

б) одновременно науглероживание губчатого металлического железа происходит в результате растворения в нём углерода кокса.

!!! Повышение содержания углерода в железе приводит к снижению температуры его плавления (сплав содержит 4,3% углерода).

5. Восстановление примесей. В состав материалов шихты входят помимо оксидов железа оксиды различных элементов.

Это оксиды меди, мышьяка, никеля, фосфора, магния, кремния, алюминия, марганца и калия (оксиды перечислены по степени возрастания их сродства к кислороду):

- мышьяк и фосфор подобно железу почти полностью восстанавливаются до свободного состояния и переходят в чугун в качестве вредных примесей, подлежащих удалению;

- алюминий, кальций и магний при доменной плавке не восстанавливаются и в виде оксидов переходят в шлак;

кремний и марганец восстанавливаются только по реакциям прямого восстановления при температуре 1300ºС

SiO₂ + 2C = Si + 2CO

MnO + C = Mn + CO

и переходят в чугун в качестве структурирующих примесей, которые придают чугуну определённые физические свойства.

6. Образование шлака. При доменной плавке одновременно с образованием чугуна при температуре около 1000ºС образуется шлак в виде различных силикатов, алюминатов и алюмосиликатов кальция, образовавшихся за счёт взаимодействия основных (оксиды кальция, магния, марганца и железа) амфотерных и кислотных оксидов (оксидов алюминия и кремния).

При температуре 1250-1350ºС шлаки плавятся и накапливаются в горне над расплавленным чугуном.

7. Реакции с участием серы и фосфора. Сера и фосфор вносятся в доменную печь с материалами шихты. Оба элемента ухудшают качество чугуна и стали, поэтому содержание их в металле должно быть ограниченно.

Фосфор, присутствующий в руде в виде фосфатов, восстанавливается в присутствии оксида кремния шихты при температуре 1100ºС по реакции:

Ca(PO₄)₂ + 5C + 3SiO₂ = 2P + 5CO + 3CaSiO₃

! Необходимо использовать шихту с низким содержанием фосфора.

Сера. В процессе плавки большая часть серы остаётся в шихте в виде сульфидов железа, марганца и кальция. Их них сульфиды железа и марганца хорошо растворяются в металле, а сульфид кальция не растворяется, но растворяется в шлаке.

!!!! Главная задача – перевод сульфида железа и марганца в сульфид кальция.

FeS + CaO = FeO + CaS

MnS + CaO = MnO + CaS