3 Термодинамика восстановления Кремния

Кремний попадает в доменную печь с шихтой в виде SiO₂, который является трудновосстановимым оксидом с высокой теплотой диссоциации:

SiO₂ = Si + O₂ – 872.63 МДж

В связи с этим восстановление кремния протекает при высоких температурах и сопровождается значительным расходом тепла. Водород и монооксид углерода кремнезем не восстанавливают, т.е.

SiO₂ + 2CO = Si + 2CO₂

lgKp = (-16520/T) – 0.65lgT + 2.34

при Т=1500 К Kp = 10^-11

Таким образом, восстановить кремний можно только с затратами твердого углерода:

SiO₂ + 2C = Si + 2CO – 636.76 МДж

Эксперментально показано, что восстановление кремния в доменной печи начинается около 1400°С. полагают, что восстановление кремния происходит с образованием промежуточного соединения – монооксида кремния (SiO):

SiO2 + C = SiO + CO

SiO + C = Si + CO

-----------------------

SiO2 + 2C = Si + 2CO – только прямое восстановление

…

Кремний может образовывать силициды железа, например Fe + Si = FeSi + 83.64 МДж или

SiO2 + 2C + Fe = FeSi + 2CO

На восстановление кремния определенное влияние оказывает давление в печи: чем оно выше, тем в меньшей степени и позднее восстанавливается кремний.

по данным В.М. Щедрина, температура начала восстановления кремния

T_Si = 17942/(9.91 - lgp_CO)

Содержание кремния в чугуне (в %) можно определять из соотношения

[Si] = k/pⁿ_д

где p_д – давление дутья, Па; k и n – константы.

Предельное содержание кремния в ферросплаве (ферросилиции) можно рассчитать по реакции Fe + Si = FeSi, где [Si]_пред = 28/84 ~33%

В реальных условиях в доменный ферросилиций переходит не выше 10-14% Si. Выплавка кремнистых чугунов (литейного чугуна, ферросилиция) требует высоких температур в печи, больших затрат тепла, что обуславливает, как и в случае выплавки ферромарганца, значительный перерасход кокса. Улучшению восстановления кремния способствует плавка на кислых шлаках.

По содержанию Si определяют температуру процесса. Без Si производтво – замораживание печи.

4 Термодинамика восстановления оксидов при доменном и внедоменном получении железа и его сплавов??????????????????????????????????????????

5 Шлакообразование в доменной печи и свойства доменных шлаков

В шлак идет главным образом пустая порода железорудного сырья, а так же оксиды, которые полностью не востан-ся( Si.Al.Mg)

Основные пар-ры дом. шлака: -движение газа; -шлакообразование; -восстановление

Выход шлака примерно 300-400 кг/т чугуна

СаО/ SiO₂< 1 – кислые – длинные

СаО/ SiO₂> 1 – основные - короткие

Шлакообразование в доменной печи.

Помимо гугуна, в доменной печи образуется шлак, в который переходят невосстановившиеся окислы элементов, т.е. СаО, MgO, Al₂O₃, SiO₂ и небольшое количество MnO и FeO. Сначала образуется первичный шлак, в котором содержится повышенное количество MnO и FeO.

	SiO2	Al2O3	СаО	MgO	FeO
Не офл. Агл.	13-34	11-17	11-29	2-7	7-58
Офл. Агл.	32-34	7-11	22-31	1	19-29

По мере опускания и нагрева первичного шлака изменяются его состав и количество. В нем растворяются все большие количества СаО, MgO, Al₂O₃, SiO₂, а содержание MnO и FeO уменьшается вследствие восстановления Fe и Mn и, когда шлак приближается к горну, почти все содержащиеся в шлаке железо и значительное количество марганца успевают восстановиться. Естественно, что при переплавке офлюсованного агломерата процесс шлакообразования облегчается, а MnO и FeO принимают в нем незначительное участие.

На горизонте фурм к шлаку присоединяется зола сгоревшего кокса. Сера переходит в шлак постепенно, вступая во взаимодействие с окисью кальция и частично с окисью магния. Окончательно ее содержание в шлаке устанавливается в горне при контакте чугуна со шлаком.

От свойств первичного и конечного шлаков зависит ровность схода шихты и содержание серы в чугуне. Конечный шлак на 85 – 95 % состоит из SiO₂, Al₂O₃ и СаО и, кроме того, содержит 2 – 10 % MgO, 0,2 – 0,6 % FeO, 0,3 – 2 % MnO и 1,5 – 2,5 % S в основном в виде СаS.

Для оценки свойств шлаков пользуются коэффициентами, показывающими соотношение между главными компонентами шлака. Например, пользуются показателем основности СаО/ SiO₂ или (СаО + MgO)/SiO₂.

Отношение (СаО + MgO)/SiO₂ для разных условий плавки колеблется в пределах 1,05 – 1,45. Верхний предел относится к выплавке чугуна на коксе с повышенным содержанием серы. Благоприятное влияние на жидкоподвижность шлака оказывает MgO, поэтому стремятся, чтобы в шлаке было 6 – 10 % MgO.

Для оценки качества шлаков большое значение имеют их физические свойства, к числу которых относят вязкость, температуру плавления и энтальпию.

Влияние шлакового режима на показатели доменной плавки

1. Количество шлака влияет на расход кокса.

2. Количество шлака влияет на производительность печи.

3. Шлаковый режим влияет на состав чугуна.

основность шлака   Mn,  Si в чугуне.

4. Шлак влияет на движение газа и материала.

Лучшая шихта с минимальным интервалом размягчения.

5. Шлаковый режим влияет на тепловой режим. Легкоплавкие шлаки охлаждают горн, а тугоплавкие нагревают.

6. Шлакопереработка.

Свойства доменных шлаков

1) Химический состав

содержание большого кол-ва FeO в шлаке – не выгодно. Только содержание фосфора и углерода в чугуне не зависит от состава шлака

2) Основность – отношение содержания основных оксидов к содержанию кислых оксидов, сильно влияет на протекание всех реакций восстановления, на вязкость.

Способы выражения основностиПри выплавке передельных чугунов, основность находится в пределах 0,9-1,2, иногда достигая значений 0,8-1,3. Для более полной десульфурации желательно иметь большую основность, но это приводит к увеличению кол-ва шлака(т.к. требуется большее кол-во известняка), что приводит к увеличению расхода кокса (1кг шлака = 0,2 кг кокса)

3) вязкость – Внутреннее трение, препятствующее течению жидкости, величина обратная текучести. Препятствует перемещению частиц внутри расплава, происходящему от одного центра равновесия к другому. Она дает представление о степени текучести расплава и отражает в определенной мере его внутреннюю структуру. Вязкость существенно понижается с ростом температуры. Для нормальной работы печи вязкость шлака должна составлять 0,3 – 0,8 Пас.

С повышением температуры вязкость уменьшается

Мало Al2O3 – высокая вязкость, следовательно нужно добавлять Al

4) Температура Кристализации – существуют диаграммы (знать что шлак не застынет)

?????????(одинаковые или разные вещи??)Температура плавления шлаков. Шлак – многокомпонентная система и процесс перехода из твердого в жидкое состояние у него часто выражается не ярко. Шлак обычно постепенно размягчается, переходя к жидкому состоянию через тестообразное, пластичное. Температуру плавления шлаков, как момент полного исчезновения твердой фазы, т.е. момент перехода из гетерогенного в гомогенное состояние, обычно определяют оптическим способом. За температуру плавления шлака принимают момент его перехода из анизотропного, кристаллического состояния в изотропное, стекловидное.

5) Плавкость(то же, что и энтальпия шлака). Является важной характеристикой главным образом для определения количества тепла, требующегося для образования шлака и уносимого им из печи. Величина энтальпии шлака зависит от температуры, при которой она определяется, и от теплоемкости шлака. Для единицы массы шлака энтальпию определяют из выражения q=Ct, где С – теплоемкость шлака, кДж/(кгС); t – температура шлака, С. Эту величину нужно знать, чтобы расчитать расход топлива