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): Сu, As, Ni, P, Zn, Mn, V, Сг, Si, Ti, Al, Mn, Ca
- 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 1300 ºС
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 1250-1350 ºС 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 1100 ºС 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
1.5. Устройство доменной печи. Доменный процесс
Основные реакции, протекающие в доменной печи, можно представить простыми уравнениями.
1) Когда вдуваемый воздух приходит в контакт с коксом, последний горит, образуя газообразный оксид углерода (II).
2C + O2 = 2CO
2) Этот газ является основным восстановительным агентом для оксида железа. Восстановление оксидов железа протекает ступенчато от высших окислов к низшим до элементарного железа:
Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe
В результате образуется твердое, но пористое губчатое железо, которое затем плавится в нижней, более горячей части доменной печи (горне).
3) Чтобы отделить полученное железо от пустой породы, состоящей, главным образом, из силикатов, последние необходимо перевести в жидкую форму и удалить из печи. Для этого в печь вместе с рудой загружают флюс, содержащий известняк CaCO3.
Известняк разлагается в верхней части печи соответственно реакции:
CaCO3 = CaO + CO2
образуя известь (CaO), необходимую для перевода силикатных примесей железной руды в жидкий шлак.
Силикаты, содержащиеся в железной руде, при взаимодействии с известью образуют расплавленный шлак.
!!! Из сказанного выше вытекают основные требования к конструкции доменной печи. Конструкция должна обеспечивать:
1) непрерывную загрузку топливом, рудой и флюсом сверху;
2) непрерывную подачу воздуха и периодический отвод жидких продуктов в виде чугуна и шлаков снизу.
Печь должна быть достаточно высокой, чтобы успевали протекать необходимые химические реакции.
Обычно печь работает непрерывно до ее остановки для ремонта внутренней кирпичной кладки (футеровки).
Доменная печь (Рис 9.5.) представляет собой башню высотой до 36 метров, состоящую из двух усечённых конусов, между широкими основаниями которых расположен невысокий цилиндр – распар диаметром 12-16 метров.
Снаружи доменная печь заключена в металлический кожух, внутри выложена огнеупорным кирпичом. Толщина стенок домны увеличивается сверху вниз и в области горна достигает 1,5 м.
В доменной печи различают следующие части: колошник, шахту, распар, заплечики, горн и лещадь (дно).
Сверху печь закрывают засыпным аппаратом, который служит для герметичной загрузки сырья без выходов газов наружу.
Руда, топливо и флюс подаются скиповыми подъемниками – небольшими сосудами (скипами), движущимися на колесах по наклонным рельсам от нижних засыпных бункеров до верхней загрузочной площадки, где они автоматически опрокидываются, разгружаясь в приёмную воронку засыпного аппарата.
!!!! Сырьё загружают в печь отдельными порциями (колошами) через каждые 10-15 минут, по мере опускания шихты.
Цилиндрическая часть печи, которая служит для приёма шихты, называется колошником.
Ниже его находится основная часть печи – шахта, расширяющаяся к низу, чтобы вызвать разрыхление постепенно опускающейся шихты и тем самым обеспечить более полный контакт её кусков с поднимающимся вверх газом.
!!! Исходные материалы медленно движутся вниз, нагреваются и восстанавливаются.
Вслед за наибольшим расширением – распаром - домна суживается книзу – зона заплечиков, так как здесь объём шихты вследствие расплавления и сгорания отдельных компонентов её резко уменьшается.
Шлак и чугун периодически выпускают через лётки. Число лёток на крупных печах достигает 10-18 штук. Заделку леток огнеупорной массой и её пробивание выполняют специальными машинами с дистанционным управлением. Для уменьшения выгорания футеровки её охлаждают специальными холодильниками.
Рис. 9.5. Доменная печь
|
|
!!! Восстановленное в области заплечиков и распара твёрдое губчатое железо, проходя зону высоких температур, насыщается углеродом, плавится и стекает в горн – нижнюю цилиндрическую часть печи.
Воздух, необходимый для горения топлива, подают в печь через специальные фурмы, в которые он поступает по воздухопроводу, опоясывающему горн. Вследствие того, что фурмы работают при высокой температуре, их непрерывно охлаждают водой.
Фурмы располагают на одинаковом расстоянии друг от друга по всей окружности печи.
!!! Это обеспечивает равномерную подачу воздуха по всему её сечению.
Недалеко от пода печи (лещади) находится окошко для выпуска чугуна (чугунная лётка), а несколько выше – лётка для шлака.
Шлак и чугун периодически выпускают через летки. Число леток на крупных печах может быть 10-18 штук.
Заделку леток огнеупорной массой и ее пробивание выполняют специальными машинами с дистанционным управлением.
Для уменьшения выгорания футеровки, ее охлаждают специальными холодильниками.