Восстановление окислов железа

В соответствии с основными закономерностями процесса восстановления окислов железа, выявленными акад. А. А. Байковым, высший окисел железа Fe₂O₃ превращается в железо последовательно через промежуточные окислы.

Восстановителями окислов железа в доменной печи служат углерод, окись углерода и водород. Восстановление углеродом принято называть прямым восстановлением, а газами — косвенным.

Прямое восстановление понимают шире, чем, непосредственное взаимодействие углерода кокса с окислами. Фактически процесс связан с газовой фазой и состоит из двух стадий: косвенного восстановления и реакции взаимодействия СО₂ с углеродом:

МеО + СО = Me + СО₂; СО₂ + С = 2СО.

Таким образом, главное, что отличает прямое восстановление от косвенного, это расходование углерода, а это означает, что с развитием реакций прямого восстановления сокращается количество уг­лерода, достигающего фурм.

Восстановление окислов железа окисью углерода протекает по следующим реакциям:

при температуре > 570 °С

1) 3Fe₃O₃ + СО = 2Fe₃O₄ 4- С0₂ + 53 740;

2) Fe₃O₄ + СО -= ЗРеО + СО_а — 36 680;

3) FeO + СО = Fe + СО_а + 16 060;

при температуре < 570 °С

4)3Fe₈O₃ + СО = 2Fe₃O, + СО₃ + 53 740;

5) ¼Fe₃0₄ -Ь СО = ³/₄Fe + СО₂ + 2870.

Нельзя не учитывать то, что реакции прямого восстановления протекают с затратой тепла. Кроме того, увеличение степени прямого восстановления приводит к снижению количества кокса, достигающего фурм, следовательно, к уменьшению прихода тепла в горне. Это и есть основной фактор, ограничивающий развитие прямого восстановления. Для устранения этого недостатка необходимо нагревать дутье до очень высокой температуры.

Для ускорения реакций косвенного восстановления железа из кусковой руды необходимо создать условия для развития внешней и внутренней диффузии молекул газа, химической адсорбции восстановителя на поверхности пор реакционной зоны; десорбции молекул СО₂ или Н₂О с твердой поверхности и перехода их в газ. Скорость восстановления возрастает с повышением до определенных пределов температуры, скорости газового потока, давления и концентрации СО и Н.₂, а также с уменьшением размера кусков и повышением их пористости. В доменной печи скорость газового потока достаточно велика, внешнее диффузионное сопротивление очень мало, а состав газа вполне благоприятен для быстрого протекания реакций восстановления окислов железа.

В доменной печи железо восстанавливается почти полностью. Степень восстановления железа составляет 0,99—0,998, а это означает, что 99—99,8 % железа переходит в чугун и лишь 0,2—1,0 % переходит в шлак.

Образование шлака и его физические свойства

Помимо чугуна, в доменной печи образуется шлак, в который переходят невосстановившиеся окислы элементов, т. е. CaO, MgO, А1₂О₃, SiO₂ и небольшое количество М_nО и FeO. Сначала образуется первичный шлак, в котором содержится повышенное количество FeO и М_nО. По мере опускания и нагрева первичного шлака изменяются его состав и количество.

От свойств первичного и конечного шлаков зависит ровность схода шихты и содержание серы в чугуне. Конечный шлак на 85— 95 % состоит из SiO₂, А1₂О₃ и СаО и, кроме того, содержит 2—10 % MgO, 0,2—0,6 % FeO, 0,3—2 % М_nО и 1,5—2,5 % S в основном в виде CaS.

1.3 Сталеплавильное производство

Сталь – важнейший материал промышленности; ковкий сплав железа с углеродом и другими примесями.

В настоящее время, с учётом развития металлургических технологий, наиболее прогрессивным и производительным способом выплавки стали является процесс кислородно-конвертерной плавки.

 Шихтовые материалы кислородно-конверторного процесса

Основными шихтовыми материалами являются:

- Жидкий чугундолжен иметь ограниченный химический состав, с содержанием Si - 0,6 – 0,9%; Mn - 0,7 – 1,1%, P - 0,2 – 0,3%, S – не более 0,035% и т.д. Температура жидкого чугуна составляет 1300 – 1450^оС.

- Стальной лом - охладитель конверторной плавки, увеличение его расхода экономит чугун, снижая себестоимость стали. В нем недопустимо высокое содержание фосфора, серы, а также примесей цветных металлов, ржавчины, меди и никеля (меньше 0,2%). Толщина кусков лома не должна превышать 0, 25 – 0,35 м, длина – 0,8 м.

- Шлакообразующие – известь и плавиковый шпат (разжижитель шлака), иногда боксит, железная руда, прокатная окалина, агломерат, окатыши. Известь должна быть свежеобожженной и содержать > 92% СаО, менее 2% SiО₂ и менее 0,05 – 0,08% S; размер кусков 10 – 50 мм. Плавиковый шпат должен содержать 75 – 92% CaF₂.

- Ферросплавы для раскисления и легирования (никель, молибден, кобальт, медь). В качестве окислителей применяют кислород, сжатый воздух, железную руду, окалину, агломерат.

 Особенности кислородно-конверторного процесса

Кислородно-конверторный процесс – процесс выплавки стали из чугуна и добавляемого лома в конверторе с основной футеровкой с определенным видом продувки. В данном курсовом проекте применяется кислородный конвертор для верхней продувки (рисунок 3) и вместимостью 300 т по массе жидкой стали (Таблица 1).

Рисунок 7 – Кислородный конвертор для верхней продувки

По сравнению с мартеновским и электросталеплавильным процессами кислородно-конверторный имеет следующие преимущества:

· высокая производительность одного работающего сталеплавильного агрегата (у мартеновских и электродуговых печей – 140 т/ч, а у конвертеров – 400-500 т/ч);

· низкие капитальные затраты (затраты на сооружение цеха из-за простоты устройства конвертера и более высокой производительности);

· меньше расходы по переделу (расходы топлива, зарплата и др.);

· процесс удобен для автоматизации управления ходом плавки;

· сочетание работы конвертера с непрерывной разливкой;

· снижение выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду.

Рисунок 8 – Типовое устройство конвертера

1— опорный подшипник; 2 — цапфа; 3 — защитный кожух; 4 — опорное кольцо; 5 — корпус ведомого колеса; 6 — навесной электродвигатель с редуктором; 7 — ведомое зубчатое колесо; 8 — демпфер навесного электродвигателя; 9 — демпфер корпуса ведомого колеса; 10 — опорная станина; 11 – опорное кольцо.

Также немаловажное значение имеет размер конвертора, т.к. размер обеспечивает продувку без выбросов металла через горловину. Так, размер конвертора, используемый на предприятии, согласно заданию представлен в Таблице 1.

Таблица 1