Доменный процесс
Горение топлива. В районе воздушных фурм происходит полное сгорание кокса С+О=СО2+Q и природного газа СН4+2О2=СО2+2H2+Q. В фокусе горения температура 1800-2000°С. Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным коксом СО2+С(кокс)=2СО-Q, Н2О(пар)+С(кокс)=Н2+СО-Q. Образуется смесь восстановительных газов (СО и Н2), в которых СО - главный восстановитель железа из его оксидов, Q - выделяемое или поглощаемое тепло в процессе химических реакций, в калориях.
Восстановление железа. Восстановителями являются оксид углерода СО, твердый углерод и водород. Восстановление твердым углеродом – прямое, газами – косвенное.
Косвенное восстановление происходит за счет окиси углерода в шахте печи по следующим реакциям: 3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2; Fe3O4+CO=3FeO+CO2; FeO+CO=Fe+CO2. В зависимости от условий работы печи окисью углерода (СО) и водородом (Н2) восстанавливается 60 - 80% всего железа. Остальная часть железа восстанавливается твердым углеродом.
Прямое восстановление происходит твердым углеродом при температуре 950 - 1000 °С в зоне распара печи по реакции FеО+ Ств=Fе + СО.
В доменной печи железо восстанавливается почти полностью. Потери со шлаком - 0,2 - 1%. Образование металлического железа начинается при 400 - 500° С (в верхней части шахты печи) и заканчивается при 1300 - 1400° С (в распаре). В шахте печи наряду с восстановлением железа происходит его науглероживание по реакции 3Fе+2СО=Fе3С+СО:, и образуется сплав железа с углеродом. С повышением содержания углерода (1,8 - 2%) температура плавления понижается до 1200 - 1150 °С. Стекая каплями в горн, расплав омывает куски раскаленного кокса и дополнительно науглераживается. При стекании сплава в горн в нем растворяются восстановленные Мn и Si, образуя сложный железоуглеродистый сплав - чугун (3,7 - 4% С). Его конечный состав устанавливается в горне и зависит от состава, свойств и количества шлака. Закись марганца МnО восстанавливается только прямым путем твердым углеродом при 1100 °С по реакции МnО+С=Мn+СО. Восстановление кремния из SiO2 происходит по реакции SiO2+2С=Si+2СО при 1450 С. Фосфор восстанавливается окисью углерода, водородом, а также твердым углеродом.
Значение шлака очень велико, его состав и свойства определяют конечный состав чугуна. В районе распара образуется первичный шлак. При стекании вниз и накоплении в горне шлак существенно изменяет состав: в нем растворяются SiO2, Al2O3. Для выплавки передельных литейных и других чугунов всегда подбирают соответственные шлаковые составы (исходя из определенных свойств получаемого чугуна). При выплавке передельного чугуна состав шлака следующий : 40 - 50% СаО, 38 - 40% SiO2, 7 - 10% AlO3.
Продукты доменной плавки: передельный чугун, литейный чугун, доменные ферросплавы, шлак, колошниковый газ.
Производство стали
Для изготовления проволоки необходимо получить качественную углеродистую сталь 65, где «65» — среднее содержание углерода в сотых долях процента. Такую сталь можно получить в электродуговых печах (рис. 4).
Исходные материалы: передельный чугун, стальной лом (скрап), железная руда и окалина (источник О2), флюс-известняк (в основных печах). кварцевый песок (в кислых); источник тепла - электрический ток.
Печь питается трехфазным переменным током и имеет три цилиндрических электрода из графитизированной массы. Между электродами и металлической шихтой под действием тока возникает электрическая дуга, электроэнергия превращается в теплоту, которая передается металлу и шлаку излучением. Рабочее напряжение 160 - 600 В, сила тока 10 кА. Во время работы печи длина дуги регулируется автоматически путем перемещения электродов. Стальной кожух печи футерован изнутри огнеупорным кирпичом. Печь загружают при снятом своде. Печь может наклоняться в сторону загрузочного окна и летки.
Рис.4. Схема электродуговой печи:
1 – лещадь; 2 желоб выпуска стали; 3 – шихта; 4 – металлический
кожух печи; 5 – внутренняя стенка печи; 6 – свод печи; 7 – питающие
кабели; 8 – электрододержатели; 9 – электроды; 10 рабочее окно;