Казармщиков И.Т. - Производство металлических конструкционных материалов (1092920), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Железорудный материалподвергается восстановительному обжигу. Полученный продукт обрабатываюттехнической соляной кислотой, в результате чего железо переходит в раствор ввиде хлорида, а пустая порода и другие нерастворимые компоненты остаются восадке. Раствор отделяют от осадка фильтрацией и подвергают кристаллизации.Полученные кристаллы направляются на восстановление газообразнымвосстановителем.Схема технологического процесса получения железа по этому методувключает следующие операции (рисунок 19).Усредненная на рудном дворе руда поступает в дробильное отделение, азатем в печь обжига. Для ускорения процесса обжиг руды проводится сиспользованием твердого восстановителя. Для этого приёмные бункеры мельницоборудуются дозаторами для приготовления шихты, состоящей из руды итвердого восстановителя.Подготовленная шихта поставляется в печь для восстановительного обжига.Обжиг проводится при температуре 900 – 1000 °С.После обжига руда поступает в реакторы растворения руды, заполненныесоляной кислотой.
Начальная стадия растворения происходит очень бурно исопровождается выделением водорода. По мере снижения концентрации кислотыи сокращения поверхности твердой фазы скорость реакции растворения падает.Для ускорения процесса на конечном этапе реакционный объём подогреваетсяпаром с температурой 80 – 90 °С, подаваемом в паровые рубашки реакторов.Выделяющийся при растворении водород после очистки направляется в печьвосстановления хлоридов, где используется как газообразный восстановитель.Пары соляной кислоты, сконденсировавшиеся в процессе растворения, поступаютв систему сбора кислоты, откуда направляются в реактор растворения.Полученная в результате растворения пульпа подаётся в фильтры дляотделения раствора от нерастворимого остатка. Отфильтрованный растворпоступает в выпарные аппараты, где проводится выпаривание до насыщения похлористому железу. Далее раствор направляется в кристаллизаторы, из которыхсмесь кристаллов и раствора подается на центрифуги.Из центрифуг кристаллы направляются в печь сушки и затем в печь восстановления хлоридов, отапливающуюся природным газом.
Для восстановленияхлоридов используется водород. Температура восстановления составляет 600 –700 °С.Отходящий из печей газ, содержащий водород и пары воды, подвергаетсяосушке, очистки и используется как восстановитель при восстановлении хлоридов. Кислота, образующаяся в результате охлаждения и очистки отходящих газов, поступает в систему сбора соляной кислоты, откуда направляется в реакторырастворения руды.Таким образом, для данного способа характерно оборотное использованиесоляной кислоты и водорода.
Потери кислоты восполняются за счет периодического введения в процесс свежей кислоты, а потери водорода за счет введенияводорода, вырабатываемого водородной станцией.По этому способу возможно получение очень чистого губчатого железа, ссодержанием железа в губке до 99,5%. Вместе с тем, способ позволяет получатьиз комплексных руд, переработка которых в настоящее время ведется с большимипотерями легирующих элементов, железо с регулируемым составом легирующих,путём селективного восстановления хлоридов, в результате которого происходитпочти полное извлечение легирующих.Однако, способ пока не нашёл промышленного применения. В перспективеспособ может быть использован для получения железа непосредственно изместорождения руд.
При этом в разведанное месторождение закачивается соляная кислота, железо растворяется, образуя хлориды железа. Раствор поднимает-сяна поверхность, обезвоживается, и полученные кристаллы хлоридов восстанавливаются до чистого железа.5 Производство стали5.1 Общие основы и сущность сталеплавильного производстваСталью называют деформируемый сплав железа с углеродом и другимипримесями. Содержание углерода в стали обычно не превышает 1,3 %.Получение железа в чистом виде представляет собой дорогостоящийпроцесс, и чистое железо используют для специальных целей. В технике ибыту используют преимущественно сталь.Сталеплавильный процесс представляет собой сложную систему, в ходекоторого выделяется или поглощается теплота, достигается или нарушаетсяравновесие протекающих реакций, происходят другие энергетические процессы.Для характеристики состояния системы используют величины, называемыепараметрами состояния.
Параметрами состояния являются давление, объем,концентрация, температура. Величины, характеризующие процесс или изменениесистемы, связанное с изменением параметров состояния, называют параметрамипроцесса. Ими являются:- тепловой эффект реакции, Q;- изменения свободной энергии, ∆G или изменение изобарногопотенциала;- изменение энтропии, ∆S;- изменение энтальпии, ∆H;- изменение давления, ∆P.В сталеплавильной практике обычно приходится иметь дело с процессами,протекающими при постоянном давлении. Поэтому при буквенных символахпараметров ставят индекс Р (давление).
Например, Qр – тепловой эффект припостоянном давлении, Кр – константа равновесия процесса и так далее.Характеристикой возможности протекания процесса служит величинаизменения свободной энергии системы∆G=∆H - T∆SЕсли величина∆G меньше нуля, то при данной реакции выделяетсяэнергия, идет самопроизвольный процесс. Если величина ∆G равна нулю, то этоозначает, что реакция достигла состояния равновесия. Если же величина∆Gбольше нуля, то это значит, что самопроизвольный процесс протекать не может, иреакция протекает в обратном направлении.Величина константы равновесия Кр характеризует в какой степени реакцияпротекает в ту или иную сторону. Величина∆G и Кр связаны между собойсоотношением:∆G = −RT ⋅ ln K pМожно записать− RT ⋅ ln K P = ∆H − T∆SилиR ⋅ ln K P = ∆S − ∆H TСледовательно, чем больше ∆S и чем меньше ∆Н, тем полнее протекаетреакция и чем выше температура, тем большее значение величины ∆S (вышеэнтропийный фактор) и меньшее величины ∆Н (энтальпийный фактор).В сталеплавильных агрегатах в большинстве случаев реакции протекают врастворах или с образованием растворов.
Металл и шлак представляют собойрастворы. Свойства же веществ в растворах отличаются от их свойств в чистомвиде. Обычно для реакций в растворах значения концентраций компонентовзаменяют значениями активностей этих компонентов в данном растворе.Активность компонента x обозначается ах и связана с концентрацией компонентасоотношением:ax = γ x ⋅Nx ,где Nх – молярная концентрация компонента,γ x – коэффициент активности.При рассмотрении реакций, в которых компонент растворен в металле,принято обозначать его в квадратных скобках.
Например, углерод [С], растворенный в металле, марганец, растворенный в металле [Mn], и так далее. В техслучаях, когда речь идет о концентрации компонента в шлаке, используют круглые скобки. Например, (MnO), (FeO). И реакция, происходящая между растворенным марганцем в металле и растворенным оксидом железа в шлаке запишется в виде:[Mn]+(FeO)=(MnO)+ FeжОсновными материалами для производства стали являются:- передельный чугун;- стальной лом (скрап).Состав стали отличается от чугуна пониженным содержанием углерода ипримесей (таблица 2).Таблица 2- Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали.МатериалССостав, %MnSiPSПередельный0,750,034-4,4До 1,750,15-0,3чугун1,250,07Сталь низко0,120,400,15-0,20,050,055углеродистая0,300,65Поэтому сущностью передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем окисления их и удаления в шлак.
Всталеплавильной практике особое значение имеют реакции окисления.Кислород для протекания этих реакций поступает из атмосферы, изжелезной руды или при продувки ванны кислородом.Окисление углерода. Углерод, растворенный в металле, окисляется собразованием газа (СО) по реакциям:[С]+1/2 О2г=СОгкислородом, содержащимся в газовой фазе,[С]+(FeO)=Feж+ СОгкислородом, содержащимся в оксиде железа шлака,[C]+[O]=COгкислородом, растворенным в металле.Повышение температуры во всех случаях благоприятствует протеканиюреакции окисления углерода.Реакция окисления углерода занимает особое место в сталеплавильномпроизводстве. Дело в том, что образующаяся при окислении углеродагазовая фаза в виде пузырьков СО перемешивает ванну, выравниваетсостав и темпе-ратуру металла, способствует процессу удаления газов инеметаллических включений.Окисление кремния.
Растворенный в металле кремний может окислятся пореакциям:[Si]+O2г=(SiO2)кислородом, содержащимся в газовой фазе,[Si]+2(FeO)=(SiO2)+2Feжкислородом, содержащимся в оксиде железа шлака,[Si]+2[O]=SiO2кислородом, растворенным в металле.Эти реакции сопровождаются выделением большого количества тепла. Приповышении температуры могут создаваться благоприятные условия дляобратного восстановления некоторого количества кремния, когда в кислых процессах активность SiO2 в шлаке высока, а окисленность шлака мала. Повышениеокисленности шлака способствует процессам окисления и удаления кремния ипрепятствует его восстановлению. Восстанавливать кремний из кислого шлакамогут углерод, марганец, железо.Окисление марганца. Марганец, растворенный в металле может окислятьсяпо реакциям:[Mn]+1/2O2г=(MnO)кислородом содержащимся в атмосфере,[Mn]+(FeO)=(MnO)+Feжкислородом, содержащимся в оксиде железа шлака,[Mn]+[O]=(MnO)кислородом, растворенным в металле.При повышении температуры плавки существует возможность протеканияобратного процесса-восстановления марганца и перехода в металл.
Марганецмогут восстанавливать углерод, кремний, железо.Температура, при которой прекратится окисление марганца и начнется еговосстановление, зависит от состава металла и шлака. При кислом процессе закисьмарганца (MnO) вступает во взаимодействие с кислотными оксидами шлака иактивность ее в кислом шлаке ниже, чем в основном. Поэтому в кислом процессемарганец окисляется легче и более полно, а восстанавливается менее полно, чем восновном.На процессы окисления и восстановления марганца оказывает также влияние окисленность шлака.
Чем выше окисленность шлака, тем полнее окисляетсямарганец и тем более высокая температура требуется для его восстановления.Окисление фосфора. Фосфор является вредной примесью, ухудшаетмеханические свойства стали при температурах ниже 0 °C и вызывает явление,называемое хладноломкостью. Фосфор попадает в сталь в основном из чугуна, таккак в процессе доменной плавки он восстанавливается и переходит в чугун.Фосфор, растворенный в металле, может окислятся по реакциям:4/5[P]+O2г=2/5(P2O5)кислородом, содержащимся в атмосфере,4 5 [ P ] + 2( FeO ) = 2 5( P2 O 5 ) + 2Fe жкислородом, содержащимся в оксидах железа шлака,4/5[P]+2[O]=2/5(P2O5),кислородом, растворенным в металле.При повышении температуры могут создаться благоприятные условия длявосстановления фосфора и перехода его снова в металл.
Для того, чтобы удалитьфосфор из металла и удержать его в шлаке, необходимо снижать активность Р2О5в шлаке, путем наведения основного шлака с помощью добавок извести. Привзаимодействии металла со шлаком, содержащим оксиды железа и кальция,протекает реакция:2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (CaO) 4 ⋅ (P2 O 4 )Образующееся прочное соединение (CaO) 4 ⋅ (P2 O 5 ) связывает фосфор и переводит его в шлак даже при высоких температурах.Уменьшить активность Р2О5 в шлаке и тем самым способствовать удалениюфосфора из металла можно путем смены шлака.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
