Прямое и косвенное восстановление в доменной печи

В зависимости от вида газообразного продукта восст. (в доменной печи) различают прямое и непрямое (косвенное) восстановление. В первом случае продуктом является СО,

а во втором — СО2 или Н2О.

FeO + CO = Fe+CO2

СО2+С=2СО

FeO+ С = Fe+CO

Обычно принимают в согласии с экспериментальными данными, что косвенное восстановление соответствует умеренным температурам (до 900-1000°С), а прямое – высоким. В зоне умеренных температур восстановление Fe2О3 и Fe3О4 практически заканчивается, а восстановление FeO не заканчивается. Поэтому восстановление Fe2О3 и Fe3О4 в основном проходит непрямым путем, а восстановление FeO и прямым и непрямым путем..

В шихтовых материалах окислы железа иногда находятся в виде сложных соединений и твердых растворов. В общем случае активность железа в окислах и соединениях и растворах снижается, а в равновесной газовой смеси доля восстановителя СО и Н2 должна расти. При низких температурах восстановление силикатов железа окисью углерода практически не идет. Они восстанавливаются в основном прямым путем

Fe2SiO4 + 2C = 2Fe+SiO2+2CO.

В области высоких температур возможна следующая схема восстановления силикатов железа.

Fe2SiO4 = 2FeО+SiO2.

2FeO + 2CO = 2Fe+2CO2

2СО2+2С=4СО

Fe2SiO4 + 2C = 2Fe+SiO2+2CO.

При этом расходуется 3150 кДж/кг железа. В случае прямого восстановления вюстита расходуется 2730 кДж/кг железа. Таким образом, для восстановления силикатов железа требуется дополнительный расход горючего.

Реакция газификации углерода и ее роль в процессах восстановления

В присутствии твердого углерода при анализе восстановления оксидов железа следует учитывать равновесие в системе

 

С—СО— СО2:

 

СО2 + С = 2СО — 166,32 МДж.

 

Реакцию называют реакцией газификации углерода,

 

или реакцией Белла—Будуара. Зависит от давления. Если допустить, что твердое топливо состоит только из углерода, будут справедливы следующие уравнения:

 

C+ О2 =CО2

 

СО2 + С = 2СО

 

С+ Н2О=СО+ Н2

 

С+ 2Н2=С Н4

 

Равновесный состав газовой фазы по этой реакции зависит от температуры и давления. С повышением температуры равновесие смещается вправо, а скорость её протекания возрастает и при 950—1000° С она становится настолько высокой, что практически вся образовавшаяся в результате восстановительных реакций СО2 полностью разлагается углеродом с образованием СО. Повышение давления оказывает обратное влияние: равновесный состав равновесной фазы смешается в сторону увеличения СО2.

Науглероживание железа

Качество чугуна

Качество чугуна, полученного в электропечи, по содержанию серы значительно выше качества доменного чугуна.   [1]

Качество чугуна значительно улучшается, если он модифицирован хромом, медью, никелем и молибденом. Например, чугун марок Х28 и Х34, содержащий 26 - 36 % хрома и 1 - 2 % никел я, обладает жаростойкостью при температуре до 1100 - 1200 С и хорошо сопротивляется воздействию дымовых газов, содержащих серу.   [2]

Качество чугуна значительно улучшается, если он модифицирован хромом, медью, никелем и молибденом. Например, чугун марок Х28 и Х34, содержащий 26 - 36 % хрома и 1 - 2 % никеля, жаростоек при температуре до 1100 - 1200 С и хорошо сопротивляется воздействию дымовых газов, содержащих серу. Аналогичные свойства проявляют чугуны марок Ж4Х16 и Ж4ХЗО, содержащие 15 - 32 % хрома и 1 - 2 % кремния.   [3]

Качество чугунов оказывает влияние на значение коэффициента трения и износоустойчивости фрикционной пары. Сравнительные значения коэффициентов трения и величин износа некоторых фрикционных материалов, работающих в паре с различными чугунами при температуре около 120 С, давлении в пределах 1 5 - 7 5 кПсм2 и скоростях скольжения от 4 до 15 м / сек, полученные на стенде непрерывного трения, приведены на фиг. Зависимость коэффициента трения тех же фрикционных материалов от температуры при грении по хромоникелевому чугуну и тех же условиях испытаний показаны на фиг. Как видно из фиг.   [4]

Качество чугунов оказывает влияние на значение коэффициента трения и износостойкость фрикционной пары.   [6]

На качество чугуна и производительность доменной печи заметно влияют состав и свойства образующихся шлаков, которые являются продуктом взаимодействия пустой породы SiOa, А12Оз, закиси железа FeO и флюса СаСОз. Как было сказано выше, шлаки бывают кислыми и основными. Кислые шлаки легкоплавки, быстро проходят область высоких температур и, не успевая нагреться, охлаждают гори печи. Основные тугоплавкие шлаки способствуют частичному удалению серы из чугуна FeS СаО FeO CaS, аккумулируют в горне тепло, что особенно важно при выплавке специаль-ных чугунов. Так же, как и чугун, шлак стекает в виде капель вниз доменной печи и накапливается на поверхности жидкого чугуна. Шлаки выпускают примерно через час.   [7]

Повышение качества чугуна, его прочности, жаростойкости и износоустойчивости является

одним из главнейших факторов дальнейшего развития двигателей внутреннего сгорания.  

Зависимость прочности от углеродного эквивалента чугуна.| Относительное влияние леги -.| Влияние количества.| Механические свойства серого чугуна при повышенных температурах.  [9]

 

При этом качество чугуна возрастает с уменьшением количества и размера включений графита, газосодержания, примесей (As, Sb, Pb, Sn, Ti, Bi, V) и неметаллических включений в шихтовых материалах.   [10]

Молибден повышает качество чугуна, способствуя выделению графита в мелкораздробленном состоянии, благодаря чему повышается прочность чугуна и сопротивление его износу.   [11]

Они ухудшают качества чугуна.   [12]

Для повышения качества чугуна его модифицируют различными модификаторами, которые воздействуют на процессы кристаллизации жидкого чугуна, изменяя его механические свойства.   [13]

Проблеме повышения качества чугуна путем модифицирования магнием или церием и другими редкоземельными элементами (РЗЭ) посвящена обширная литература. Однако, несмотря на большое количество исследований, механизм влияния магния на кристаллизацию чугуна во многом остается неясным. Еще более противоречивы данные о влиянии на кристаллизацию и структуру чугуна РЗЭ элементов.   [14]

Для повышения качества чугуна довольно широко применяется легирование никелем, хромом, молибденом, медью и титаном.   [15]

Шлакообразование в доменной печи

Доменный шлак является жидким расплавом невосстановленных окислов, которые вносятся шихтой (в основном пустыми породами сырых материалов) и золой кокса.

Пустая порода руды и зола кокса состоят главным образом из кремнезема (Si02), глинозема (Аl2O3), извести (СаО) и магнезии (MgO). Эти примеси нужно в процессе выплавки чугуна отделить от металла и удалить в расплавленном состоянии из горна в виде шлака. Но они имеют весьма высокие температуры плавления: кремнезем 1713°С, глинозем 2050°С, известь 2370°С, магнезия 2850°С. Между тем в доменной печи только в горне (в зонах горения кокса) температура достигает 1800 - 1900°С, на остальных горизонтах она ниже.

Для того чтобы в доменной печи образовывался жидкий шлак, к шихте добавляют флюс. В настоящее время основной флюс в виде известняка и извести вводится в агломерационную шихту, и получают офлюсованный агломерат.

Процесс шлакообразования заключается в получении из невосстановленных окислов легкоплавких соединений, температура плавления которых значительно ниже (на сотни градусов) температуры плавления каждого входящего в состав соединения окисла в отдельности.

Шлаки, образующиеся в верхних горизонтах печи, называются первичными, а шлаки, удаляемые через чугунную и шлаковую летки, - конечными. В результате происходящих физико-химических процессов конечный шлак очень сильно отличается по составу от первичного.

Содержание закиси железа в первичных шлаках может достигать 25 - 30% и закиси марганца 5 - 10%, а суммарное содержание этих окислов в шлаках конечного состава при выплавке предельного и литейного чугунов не превышает 1 - 3%.

Перед тем, как начинает образовываться шлак, процессы восстановления получают достаточное развитие. Известняк печи полностью разлагается при температурах 1000°С, а при температуре около 900°С начинается шлакообразование и плавление. В области этих температур FeO может соединяться с SiO2 и образовывать силикаты железа. По мере опускания шихтовых материалов при температуре около 1100°С количество свободной извести уменьшается, так как она начинает соединяться с SiO2. При температурах выше 1300°С почти вся известь соединяется с кремнекислотой.

Образованию шлака предшествует спекание и размягчение плавильных материалов. Спекшиеся еще твердые массы по мере опускания в зоны более высоких температур нагреваются движущимися газами, начинают размягчаться, а затем плавиться. Размягчение материалов (спекшихся масс) происходит различно. В одном случае происходит размягчение отдельных частиц полностью, в другом происходит оплавление отдельных кусков, сопровождающееся деформацией их и потерей первоначальной прочности. Строго разграничить зоны спекания, размягчения и плавления нельзя, так как эти процессы зависят от многих условий, например от качества проплавляемых материалов, теплового состояния печи, вида выплавляемого чугуна и т. д. Если взять несколько однородных материалов, то их спекание и размягчение будет проходить на разных горизонтах (в зависимости от положения по сечению печи). Там, где газ движется более интенсивно, размягчение начнется раньше. Применение офлюсованного агломерата, в состав которого входят все компоненты, образующие первичный шлак (за исключением золы кокса), делает последний более равномерным.

Первичный шлак может быть сильно- и малоподвижным. Опускается вниз он одновременно с общей массой плавильных материалов или независимо от нее. В это время состав первичного шлака меняется до конечного. При опускании шлак сильно разогревается; в нем уменьшается содержание закиси желза в результате восстановления твердым углеродом. Шлаки по преимущественному содержанию окислов подразделяют на кислые, основные, глиноземистые, магнезиальные, марганцовистые. Такое условное подразделение шлаков зависит от условий выплавки чугуна. На Востоке вследствие содержания в пустых породах большого количества глинозема и низкого содержания серы в коксе шлаки поддерживают более кислыми с повышенным содержанием Аl2O3. На Юге чугун выплавляют при более основных шлаках, так как пустая порода железных руд является преимущественно кислой, а кокс - высокосернистым. Магнезиальные шлаки имеют место и на Юге и на Востоке. Для этого в шихту дополнительно вводят доломитизированный известняк или доломит, содержащие MgO. Шлаки, в которых находится более 3% магнезии, можно считать магнезиальными, а шлаки, в которых более 9% глинозема, обычно относят к глиноземистым.

Состав первичных, промежуточных и конечных шлаков и их количество тесно связаны с составом чугуна, движением книзу плавильных материалов, топливом, состоянием печи, что в значительной мере определяет производительность.

В отличие от газа, который транспортирует тепло вверх, шлак, плавясь и стекая, траспортирует тепло вниз. Чем выше нагревается шлак, тем больше тепла с ним поступит в горн.

Если шлак легкоплавкий, то он расплавится в верхних горизонтах печи и, стекая в горн, будет иметь низкую температуру. В том случае, когда температура плавления его более высокая, он плавится в более низких горизонтах печи и стекает в горн нагретым до более высоких температур.

Легкоплавкие шлаки обычно содержат больше закиси железа и марганца; поэтому они имеют больший удельный вес, вследствие чего быстрей стекают в горн, забирают больше тепла, необходимого для прямого восстановления закиси железа и марганца.

Не следует смешивать понятие о легкоплавкости шлака и текучести. Например, легкоплавкий шлак не всегда может быть жидкоподвижным и маловязким. Тугоплавкие шлаки при достаточном прогреве могут быть не вязкими, т. е. хорошо текучими шлаками.

Слишком вязкий шлак может ухудшить работу доменной печи. Медленно опускаясь, он будет задерживать движение шихты у стен, будет заполнять пустоты между кусками кокса, "склеивая" их между собой и препятствуя проходу газов. Чем больше вязкость шлака, тем больше нарушается работа доменной печи. Большое количество шлаков отрицательно сказывается на работе печи вследствие большего заполнения им пустот между кусками кокса, что затрудняет проход горновых газов кверху.

Таким образом, умеренное количество легкоплавких и хорошо подвижных шлаков благоприятствует равномерному сходу шихты, позволяет форсировать ход печи и получать чугуны с низким содержанием серы. Более тугоплавкие и менее подвижные шлаки препятствуют ускорению процессов, но способствуют получению хорошо нагретых чугунов.