2. Восстановление примесей чугуна

Современная технология производства черных металлов рассматривает все примеси, содержащиеся в чугуне, как нежелательные. Основным источником примесей в чугуне являются железные руды. Во всех железных рудах содержатся в большем или меньшем количестве кремний, марганец, сера, фосфор. В зависимости от месторождения руды могут содержать также титан, ванадий (титаномагнетитовые руды), хром, никель (хромоникелевые руды), медь, кобальт, свинец. Все металлы в рудах содержатся, как правило, в виде оксидов. В ходе доменного процесса оксиды в большей или меньшей степени восстанавливаются и распределяются между продуктами плавки: чугуном и шлаком. Содержание примесей в чугуне определяется их количеством, вносимом шихтовыми материалами, а также температурным и шлаковым режимом плавки. Рассмотрим условия восстановления в доменной печи примесей, постоянно присутствующих в железных рудах и имеющих значение с точки зрения качества чугуна.

1. Марганец

Основная часть марганца поступает в доменную печь с рудными материалами в виде оксидов Оксиды марганца, поступившие в печь, восстанавливаются в соответствии с принципом последовательности превращений А.А. Байкова от высшего оксида к низшему:

. (2.2‑16)

Высшие оксиды () непрочны и восстанавливаются при невысоких температурах в верхней части печи монооксидом углерода:

(2.2‑17)

(2.2‑18)

(2.2‑19)

Восстановление высших оксидов марганца начинается при температурах 190-200 ^оС, и сопровождается значительным выделением тепла.

В отличие от высших оксидов марганца, монооксид марганца (MnO) является очень прочным оксидом и может восстанавливаться только при высоких температурах (1000-1100^оС) в нижней части печи по реакции прямого восстановления:

. (2.2‑20)

Реакция восстановления экзотермическая, восстановлению марганца способствуют более высокие температуры, т.е. повышенный расход топлива.

Так как восстановление элементов в нижней зоне печи осуществляется из расплава (шлака), помимо температурного режима доменной плавки на степень восстановления оказывает влияние шлаковый режим плавки, то есть количество и состав доменного шлака. Важной характеристикой состава доменного шлака является его основность. Основность доменного шлака определяется как отношение содержания оксидов, проявляющих основные свойства и кислотные свойства:

. (2.2‑21)

Шлаки, основностью менее 1 принято называть кислыми, в отличие от основных шлаков с основностью более 1.

Рассмотрим влияние основности и выхода шлака на степень восстановления марганца.

Оксид марганца обладает основными свойствами. Если шлак при выплавке чугуна кислый, то есть содержит большое количество SiO₂, то MnO будет взаимодействовать с оксидом кремния по реакции:

2.2‑22)

Восстановление марганца из получающегося при этом силиката марганца сопровождается еще большими затратами тепла, требует более высоких температур, чем при восстановлении из MnO:

-5850 Дж/тMn(2.2‑23)

При основных шлаках, шлаках в которых достаточно велико содержание СаО, SiO₂взаимодействует с оксидом кальция, который является более сильным основанием, чем MnO и не препятствует восстановлению марганца.

Таким образом, вторым условием получения марганцовистых чугунов является повышение основности шлака.

На степень восстановления марганца большое влияние оказывает количество шлака. Это видно из баланса марганца:

(2.2‑24)

где Mni-содержание Mn в i-том компоненте доменной шихты, доли единиц; mi-расход i-го материала, т/т чугуна; [Mn]-содержание марганца в чугуне, доли ед.; (Mn)-содержание марганца в шлаке, доли ед.; Ш - выход шлака, т/т чугуна.

При определенном нагреве печи и основности шлака между концентрациями марганца в шлаке и чугуне устанавливается постоянное соотношение, которое в общем случае является функцией температуры в печи, основности шлака:

. (2.2‑25)

Как мы выяснили, степень восстановления марганца, и, следовательно, отношение концентраций марганца в чугуне и шлаке зависит лишь от температуры и основности шлака.

(2.2‑26)

где L_Мn – коэффициент распределения марганца (уменьшается с ростом температуры и основности шлака); t– температура шлака, (CaO)/(SiO₂)– основность шлака.

С учетом этого соотношения балансовое уравнение можно представить в следующем виде:

(2.2‑27)

Как видно из уравнения, чем меньше выход шлака, тем больше концентрация марганца в чугуне, то есть тем выше степень восстановления марганца.

Таким образом, третье условие увеличения степени восстановления марганца - это уменьшение выхода шлака при выплавке чугуна, то есть использование более богатых по железу руд.

Степень восстановления марганца (или иначе, переход его в чугун) при выплавке передельных чугунов составляет 40-60%. При выплавке литейных чугунов, когда температура в печи выше, эта величина поднимается до 70%. При выплавке ферромарганца, когда создаются наиболее благоприятные условия для восстановления марганца, она достигает 80%.

Остальная часть марганца в виде закиси марганца (MnO) остается в шлаке.