- Химический процесс горения топлива в печи.
Вблизи фурм углерод кокса, взаимодействую с кислородом воздуха, сгорает: С+О2=СО2+393,51кДж (окислительная реакция). При высоких t и в присутствии твёрдого углерода кокса двуокись углерода неустойчива и частично переходит в окись углерода: СО2+С=2СО-171,88кДж (реакция разложения). Одновременно, на некотором расстоянии от фурм, идёт реакция полного горения углерода кокса: С+1/2СО2=СО+110,5кДж. В результате горения кокса выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий СО, СО2. t становится более 2000ºС. В зоне печи, где t 700-450ºС, часть окиси углерода разлагается с образованием сажистого углерода, оседающего на шихтовых материалах: 2СО=СО2+С↓ (разложением с выделением). Остальная часть газа СО, СО2, N2, H2, CH отводится из печи по трубам и после очистки используется как топливо для воздухонагревателей. 2.При нагреве шихты до t 570ºС начинается основной процесс – восстановление окислов железа, содержащихся в агломерате Этот процесс протекает в результате взаимодействия окислов железа с окисью углерода и твёрдым углеродом кокса, а также водородом. Восстановление твёрдым углеродом называется прямым, а газами – косвенным. При t до 570ºС восстановление окиси железа протекает по реакциям: 3Fe2O3+CO= 2Fe3O4+ CO2 Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2 При более высоких t 750-900ºС окислы железа восстанавливаются наиболее интенсивно: 3Fe2O3+CO= 2Fe3O4+ CO2 Fe3O4+CO=3FeО+CO2 FeO+CO=Fe+CO2 При этих t из руды, находящейся в нижней зоне шахты доменной печи, образуется твёрдое губчатое Fe. Некоторая часть закиси железа опускается до уровня распада, где восстанавливается твёрдым углеродом кокса в результате двух одновременно протекающих реакций: СО2+С=2СО FeO+CO=Fe+CO2 FeO+C= Fe+CO При t 1000-1100ºС восстановленное из руды твёрдое железо, взаимодействуя с окисью углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно науглероживается благодаря способности железа в твёрдом состоянии растворять углерод: 3Fe+2CO=Fe3C+CO2 3Fe+C= Fe3C. При насыщении углеродом t плавления Fe понижается и расплавляется. Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4% и более), марганцем, кремнием, фосфором, которые восстанавливаются из руды, а также серой, содержащейся в коксе. 3. Эти процессы протекают следующим образом. Марганец содержится в руде в виде MnO2, Mn2O3, Mn3O4. Эти соединения легко восстанавливаются до MnO. При t более 1000ºС часть Mn восстанавливается твёрдым углеродом по реакциям: MnO+CO=Mn+CO2 CO2+C=2CO MnO+C=Mn+CO Одновременно марганец взаимодействует с твёрдым углеродом и образует карбид Mn3, повышая содержание углерода в сплаве. Другая часть MnО входит в состав шлака. Кремний, содержащийся в пустой породе руды в виде SiO2, при t 1100ºС частично восстанавливается твёрдым углеродом: SiO2+С= SiO+СО SiO+С= Si+СО (реакция восстановления) SiO2+2С= Si+2СО Образовавшийся кремний растворяется в железе. Другая часть SiO2 входит в состав шлака. Фосфор содержится в руде в виде соединений (FeO)3P3O5 и (CaO)3P2O5. частично фосфат железа восстанавливается окисью углерода: 2Fe(PO4)2+16C=2Fe3P+2P+16CO2. При t более 1000ºC восстановление идёт за счёт твёрдого углерода: 2Fe3(PO4)2+16C=3Fe3P+2P+16CO. При t выше 1300ºС фосфор восстанавливается из фосфата кальция: (CaO)3P2O5+5C=3CaO+2P+5CO. Образовавшийся фосфид Fe3P и фосфор полностью растворяется в железе и входит в состав чугуна. Сера присутствует в коксе и руде в виде органической серы и соединений FeS2, FeS, CaSO4. Сера летуча, поэтому часть удаляется с газом при нагреве. Сера из кокса окисляется кислородом дутья до SO2 и поднимаясь с газами, восстанавливается твёрдым углеродом: SO2+2C=S+2SO. При этом часть серы в виде S и FeS растворяется в чугуне. Сера является вредной примесью. Для удаления серы добавляют известь CaO. При этом часть серы CaS удаляется в шлак по реакциям: FeS+CaO=CaS+FeO FeO+C=Fe+CO. Таким образом, в результате процессов восстановление окислов железа, части окислов марганца и кремния, фосфатов и сернистых соединений, растворения в железе C, Mn, Si, P, S в печи образуется чугун. В шлаке содержится часть не восстановившихся окислов SiO2, MnO, FeO и CaS. 4. Окислительный период. В кислородном конвертере составляющие чугуна окисляются газообразным кислородом закиси железа FeO, растворяющимся в металле и шлаке при продувке. В зоне контакта окисляется железо Fe+1/2O2=FeO (окисление). Закись железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом: FeO=Fe+O (разложение). Окисление примесей чугуна кислородом, растворенным металле, происходит по реакциям: Si+2O=SiO2 Mn+O=MnO C+O=CO Часть примесей окисляется на границе металл – шлак окислами железа, содержащимися в шлаке: Si+2FeO=SiO2+Fe Mn+ FeO=MnO+Fe C+FeO=CO+Fe 2P+5FeO+4CaO=(CaO)4P2O5+5Fe. При перемешивании металла и шлака легко удаляется фосфор. FeS+CaO=CaS+FeO Плавка проходит за два периода: окислительный и восстановительный. Во время плавления шихты начинается окислительный период плавки: за счёт кислорода воздуха, окислов шихты и окалины окисляется кремний Mn, С, Fe. После нагрева до 1500-1540ºС в печь загружают руду и известь. Кислород, содержащий в руде интенсивно окисляет углерод и вызывает кипение. За счёт образования окиси углерода при кипении уменьшается содержание углерода. Восстановительный период плавки включает раскисление металла, удаление серы и доведения хим. состава до заданного. В шлаке восстанавливается закись железа: FeO+С= Fe+СO 2FeO+Si= Fe+SiO2 FeS+CaO=CaS+FeO. Раскисление стали – FeMn, FeSi, Al (Al2O3)/ Нитриды Fe4N. Ме являются восстановителями. |