- •Література: (1, с. 1-16)
- •Контрольні питання
- •Тема 1.1: Виробництво чавуну.
- •Залізні та марганцеві руди
- •Підготовка залізних руд до плавлення
- •Доменний процес
- •Продукти доменного виробництва
- •Техніко-економічні показники виробництва чавуну
- •Поза доменне відновлення заліза з руд
- •Контрольні запитання
Доменний процес
Шихтові матеріали, в складі яких у певних співвідношеннях є залізна й марганцева руда, кокс та флюси, безперервно опускаючись в доменній печі, поступово нагріваються продуктами згоряння (доменним газом) і при цьому зазнають відповідних перетворень. У верхній частині шахти при порівняно невисокій температурі (100...400 °С) вони спочатку підсушуються, згодом виділяється з руди хімічно зв'язана вода та розкладаються вуглекислі солі, а з палива виділяються леткі речовини у вигляді метану СН4 та інших вуглеводнів.
Гаряче повітря, що вдувається в піч крізь фурмені отвори, контактує з розпеченим коксом і спричинює його горіння за реакцією:
С + О2 = СО2 + 400,780 кДж.
Температура біля фурм зростає до 1700...1800 °С, а у разі збагачення дуття киснем і вдування природного газу вона сягає 2000 °С. При цій температурі за наявності надлишку вуглецю вуглекислий газ CO2, нестійкий і частково переходить у оксид вуглецю СО:
С + СО2 = 2СО — 165,797 кДж.
Одночасно відновлюється водень із пари води, яка є в повітрі
С + Н,0 = Н2 + СО — 124,475 кДж.
У зоні печі, де температура газів становить 700...450 °С, частина чадного газу розкладається, утворюючи сажу С, що осідає в порах шихтових матеріалів:
2СО = С + СО2 — 165,797 кДж.
Отже, вгору рухаються гази, що складаються із N2, СО2, CO, СН4 і Н2, їх температура на виході з печі становить 300...400 °С.
Головною метою доменного процесу є відновлення заліза з його сполук. Відновниками служать оксид вуглецю СО, сажа С і певною мірою водень Н2. Відновлення твердим вуглецем називається прямим, а газами — непрямим.
За законом діючих мас швидкість хімічних реакцій пропорційна концентрації речовин, що реагують. Оскільки в шихтових матеріалах сполук заліза найбільше, то вони повинні відновлюватися насамперед. Реакції непрямого відновлення починаються при температурі 570 °С і закінчуються при 950 °С:
3Fe2О3 + CO = 2Fe3О4 + СО2 + 37,137 кДж,
Fe3О4 + CO = 3FeO + CО2 — 20,892 кДж,
FeO + CO = Fe + CО2 + 13,607 кДж.
Реакція прямого відновлення заліза відбувається при 950...1000 °С:
FeO + С = Fe + CO — 152,190 кДж.
Швидкість відновлення заліза залежить не лише від концентрації його сполук, але й від температури і підпорядковується принципу Ле Шательє, згідно з яким хімічні реакції, що виділяють теплоту, інтенсивніші при низьких температурах, а реакції, що вбирають теплоту — при високих температурах. Тому у верхній частині печі, де температура невисока, інтенсивнішими є екзотермічні реакції непрямого відновлення, а в нижній частині печі при високих температурах — реакція прямого відновлення заліза. Під час стікання в горно залізо контактує з коксом і навуглецьовується.
Марганець відновлюється за такими реакціями:
2MnО2 + СО = Мnп2О3 + СО2 + 425,379 кДж,
3Мn2О3 + СО = 2Мn3О4+ СО2 + 170,235 кДж,
Мn3О4 + СО = 3МnО +С02 + 51,916 кДж,
МnО + С = Mn + СО — 287,382 кДж.
Відновлення кремнію вуглецем починається при 1050 °С:
SiО2 + 2С = Si + 2СО — 635,096 кДж.
Частина сірки (10...20 %) виходить з газами переважно як S02 і H2S. Решта сірки переходить у чавун і шлак. Під час виплавляння переробного чавуну практично весь фосфор шихти залишається у чавуні. Отже, в горні збирається складний сплав — чавун, до якого входять Fe (основна маса), С (> 2,14 %), Mn, Si, Р, S та інші елементи.