книги / Металлургические технологии

новление оксидов железа газами-восстановителями СО и Н2. Продукт восстановления - губчатое железо (ПВЖ), состоящее из 90...92 % ме­ таллического железа, содержащего 1,5...5 % углерода и 8... 10 % окси­ дов железа, по транспортерам-питателям 5 подают в плавильно­ восстановительный горн 1. Колошниковый газ по газопроводу 12 пода­ ют в скруббер мокрой очистки 8. После очистки этот газ можно исполь­ зовать как топливо каких-либо других агрегатов 13 или как охлаждаю­ щий газ 14, подмешивая его к горновым газам-восстановителям.

В горне 1 всегда имеется определенное количество жидкого чу­ гуна. ПВЖ, подаваемое в горн, растворяется в жидком чугуне; окси­ ды железа, входящие в состав ПВЖ, при этом полностью восстанав­ ливаются, а оксиды, входящие в состав пустой породы, и флюс обра­ зуют шлак. Чугун и шлак периодически выпускают через летку 19.

Необходимое количество газов-восстановителей получают в гор­ не в результате газификации угля, подаваемого из бункера 3 по пита­ телю 4. Одновременно с подачей угля в горн через фурму 15 подают кислород. В контакте с кислородом и жидким чугуном уголь газифи­ цируется с образованием высших углеводородов, которые под воз­ действием высоких температур мгновенно разлагаются на СО и Н2. Газы-восстановители по газопроводу 10 транспортируют в циклон горячей очистки 6. Уловленную в циклоне пыль по оборотной систе­ ме 7 возвращают в горн, а очищенные газы-восстановители по газо­

и 0,15.. .0,2 % фосфора. Температура чугуна на выходе - около 1500 °С. По сравнению с доменным процессом Корекс-процесс имеет сле­ дующие преимущества: в установке используется неподготовленный уголь; себестоимость Корекс-чугуна на 25 % ниже; Корекс-процесс экологически более чистый - выбросы оксидов серы меньше при­

мерно в 10 раз, выбросы оксидов азота меньше в 5-7 раз.

Таким образом, процесс Корекс является реальной альтернати­ вой доменному процессу в стремлении металлургов к полной замене кокса на каменный уголь при производстве чугуна.

Процесс Romelt. Процесс Romelt предложен и разработан в России в Московском институте стали и сплавов (1979 г.). Для отработки техноло­ гии и проверки возможностей процесса на Новолипецком металлургиче­ ском комбинате (НЛМК) была построена опьггно-промышленная уста­ новка, на которой в 1985-1998 годах было проведено более 40 опытных плавок и выплавлено около 40 тыс. т чугуна. Весь выплавленный чугун был успешно переработан на сталь в конвертерном цехе НЛМК.

В процессе Romelt используют неокускованные железосодержа­ щие материалы и уголь. Эти материалы непрерывно подают в печь через специальные отверстия в своде печи (рис. 3.18). Печь работает под небольшим разрежением, поэтому не требуются специальные уплотнения и загрузочные устройства.

Рис. 3.18. Продольный (а) и поперечный (б) разрезы установки Romelt:

зочная воронка; 7 - дымоотводящий патрубок; 8 - фурмы нижнего ряда (барботажные); 9 - фурмы верхнего ряда (дожигательные); 10 - слой спокойного шлака; 11 - слой металла; 12 - водоохлаждаемые кессоны. ДГ - дымовые га­ зы в котел-утилизатор; Ш - подача шихты; Шл - шлак; В - подача воздуха;

0 2 - подача кислорода

Процессы плавления и восстановления железа, рафинирования чугуна происходят в жидкой шлаковой ванне, продуваемой через нижние фурмы дутьем, обогащенным кислородом.

Реакционная зона ограничена водоохлаждаемыми панелями, что снимает проблемы стойкости футеровки. Ниже уровня продувочных фурм находится зона спокойного шлака и металла. Рабочее про­ странство печи связано со шлаковым и металлическим отстойниками футерованными перетоками различной высоты, обеспечивающими разделение металла и шлака.

В отличие от всех известных процессов в процессе Romelt орга­ низована и эффективно работает зона дожигания. Организация пере­ дачи тепла из зоны дожигания в ванну позволяет использовать в процессе Romelt холодное воздушно-кислородное дутье и неокускованное сырье с низким содержанием железа.

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое сплав?

2.Какие сплавы называют черными?

3.Какие существуют типы железных руд?

4.Что такое кокс?

5.Как можно получить железо без применения кокса?

6.Как выглядит общая схема получения различных видов метал­ лопродукции?

7.Что обеспечивается в результате сгорания кокса в доменной печи?

8.Что такое косвенное и прямое восстановление?

9.Основные химические реакции в ходе доменной плавки.

10.Приведите схему восстановления окислов железа в доменном процессе (схема А.А. Байкова). Каким путем происходит восстанов­ ление низшего окисла железа?

11.Приведите классификацию окислов, участвующих в домен­ ном процессе. Каково поведение различных групп окислов?

12.Какие доменные окислы относят к амфотерным?

13.Как происходит удаление серы в условиях доменного процесса?

14.Что является шихтой доменного процесса?

15.Что такое железная руда? Перечислите наиболее распростра­ ненные железные руды.

16.Что такое железорудные и металлизированные окатыши?

17.Каково назначение доменного флюса?

18.Каковы функции кокса в доменном процессе?

19.Для чего необходима подготовка руд? Перечислите стадии подготовки.

20.Что такое усреднение шихты? Сформулируйте главную цель усреднения.

21.Что такое обогащение руды? Дайте краткую характеристику способа обогащения.

22.Дайте определение агломерации. Опишите основные химиче­ ские процессы при агломерации.

23.Что называют профилем доменной печи? Перечислите ос­ новные части профиля.

24.Что представляет собой бункерная эстакада и рудный двор?

25.Какое оборудование используют для подачи и нагрева дутья?

26.Каковы конечные продукты доменного процесса? Дайте их краткую характеристику.

27.По какому показателю можно сравнить эффективность рабо­ ты двух доменных печей?

28.Каковы перспективы доменного процесса?

29.Что представляют собой процессы внедоменного получения железа?

30.Виды выплавляемого чугуна в доменном процессе.

Термодинамика должна прежде всего ответить на следующие

вопросы:

1)каково направление процесса;

2)какое количество энергии при этом поглощается или выделяется;

3)каково соотношение концентраций (или активностей), при ко­ тором достигается состояние равновесия.

Пусть имеем реакцию nvA + п-В =р-С + q-D.

Возможность протекания реакции в прямом направлении оцени­ вается величиной изменения энергии Гиббса AG, которая находится из уравнения

AG = ±Atf± AST,

где АН - изменение энтальпии; AS - изменение энтропии; Т - абсо­ лютная температура.

Данное выражение можно также назвать температурной зависи­ мостью AG:

•если при данной температуре AG < 0, реакция протекает в пря­ мом направлении;

•если AG > 0, реакция протекает в обратном направлении;

•если AG = 0, наблюдается термодинамическое равновесие.

Для проведения элементарного термодинамического анализа большое значение в температурной зависимости AG имеет знак пе­ ред энтропийным слагаемым AST.

Если перед энтропийным слагаемым стоит знак минус: AG =

=±АН - AST, тогда с повышением температуры AG будет уменьшать­ ся, и, следовательно, вероятность протекания реакции в прямом на­ правлении с повышением температуры будет только увеличиваться.

Если же перед энтропийным слагаемым стоит знак плюс: AG =

=±ДН + AST, тогда с повышением температуры AG будет увеличи­ ваться, и, если исходно AG было отрицательным, то при достижении какой-то определенной температуры наступит термодинамическое равновесие, когда AG = 0, а при дальнейшем повышении температу­ ры AG станет положительным, и возникнет вероятность протекания реакции в обратном направлении.

Полнота протекания химической реакции оценивается величи­ ной константы реакции Kv, которая записывается как отношение произведения активностей (или концентраций) продуктов реакции к произведению активностей (или концентраций) исходных веществ, взятых в соответствующей степени

Поскольку термодинамическую активность какого-либо вещест­ ва можно записать как произведение коэффициента активности этого вещества у,- на концентрацию данного вещества [/]:

щ=у, - И,

константу реакции можно переписать следующим образом:

к_ Ус-[С]р -Ур-[РГ

рУл-[Л]т- У в - { в у '

Втом случае, если коэффициенты активности всех веществ, принимающих участие в реакции, близки к единице, константа реак­ ции будет равна отношению произведения концентраций продуктов реакции к произведению концентраций исходных веществ, взятых

всоответствующей степени:

кЛ С У - [ Р У

р[Л Г -[Я ]"'

Втех случаях, когда одно или несколько веществ, участвующих

вреакции, находятся в газообразном состоянии, вместо концентра­ ции можно записать парциальное давление соответствующего газа.

Реакция в прямом направлении идет тем полнее, чем меньше значение константы реакции Кр или, другими словами, чем меньше активность продуктов реакции и чем больше активность исходных веществ.

Величина энергии Гиббса и константа реакции связаны между собой следующим соотношением:

AG = -R T]nK p.

Поскольку AG = ±АН ± AS -Т, то можно записать следующее ра­ венство:

-Л’ТЫКр = ±ДЯ ± AS-T

и окончательно:

Последнее уравнение позволяет предсказать, в какую сторону будет смещаться равновесие реакции с изменением температуры, т.е., по сути, представляет собой температурную зависимость кон­ станты реакции.

В сталеплавильном агрегате химический элемент (или химиче­ ское соединение) может находиться в одной из трех фаз: в жидком металле, в шлаке или в газовой фазе. Если элемент растворен в жид­ ком металле, принято его символ заключать в квадратные скобки. Например, углерод, растворенный в жидком металле, будет записан как [С]. Если элемент или соединение растворено в жидком шлаке, то его символ заключают в круглые скобки. Например, кислород в шлаке может быть записан как (О) или (FeO). Если вещество нахо­ дится в газовой фазе, то это указывают буквой «г» в верхнем индек­ се, например, СОг

Так, реакция окисления углерода, растворенного в жидком желе­ зе, кислородом, растворенным в шлаке, с образованием газообразной окиси углерода и жидкого железа, запишется следующим образом:

[С]+ (FeO) = Fe* + СОг;

азапись константы этой реакции будет выглядеть как

^ _ Рсо

р[С]-(FeO)'

Кинетика позволяет ответить на вопрос, какова скорость про­ цесса и как она зависит от различных факторов.

Всамом общем случае протекание какого-либо химического процесса в ванне сталеплавильного агрегата может быть представле­ но следующими стадиями:

1 ) подвод реагентов к месту реакции;

2 ) сам акт химической реакции;

3)выделение продуктов реакции в отдельную фазу и их удаление.

Вкаждом конкретном случае одна из этих стадий может лими­

тировать скорость протекания процесса в целом, особенно, если ско­ рость этой стадии будет значительно меньше скорости двух других стадий. Так, для большинства металлургических реакций при тех температурах, которые реализуются в сталеплавильных агрегатах, скорость второй стадии практически никогда не является лимити­ рующей, поскольку сам акт химической реакции протекает практи­ чески мгновенно. Лимитирующими же оказываются первая и, осо­ бенно, третья стадия. В свою очередь, скорость первой и третьей ста­ дий очень часто определяются состоянием шлака в сталеплавильном агрегате. Поэтому важно знать параметры, характеризующие состоя­ ние шлака и уметь ими управлять.

4.2.Сталеплавильные шлаки

Врезультате расплавления шихты в сталеплавильном агрегате об­ разуются два несмешивающихся слоя - жидкий металл и жидкий шлак.

Источниками шлака в сталеплавильных агрегатах являются:

1)оксиды, образующиеся в процессе плавки: SiC>2, FeO, MnO, Р2О5;

2)продукты удаления примесей: FeS, MnS, (СаОУРгОб;

3)пустая порода руд, флюсы, зола топлива: CaO, CaF2, А120з;

4)футеровка агрегата: CaO, MgO или Si0 2 .

Всамом общем случае в формировании шлаков принимают уча­

стие три типа оксидов:

•кислые (или кислотные) оксиды: Si02, Р2О5, Ti02, V20 5;

•основные оксиды: CaO, MgO, MnO;

•нейтральные (амфотерные) оксиды: Fe20 3, А120з-

Шлаки, в которых преобладают кислые оксиды называют кис­ лыми шлаками; а шлаки, в которых преобладают основные оксиды, - основными.

Если все оксиды, принимающие участие в сталеплавильных про­ цессах, расположить в ряд - SiC>2, Р2О5, ТЮ2, А120 3, Fe20 3, МпО, MgO, СаО, то в этом ряду слева направо основность окислов возрас­ тает. Таким образом, двуокись кремния является самым сильным кислым оксидом, а оксид кальция - самым сильным основным окис­ лом. Поскольку и доля этих оксидов, по отношению к другим макси­ мальна, то отношение (Ca0)/(Si02) является первой важнейшей ха­ рактеристикой состояния ишаков. Эта характеристика носит назва­ ние «основность шлака».

По величине основности ишаки делят на следующие виды:

•кислые: (CaO)/(Si02) < 0,8;

•нейтральные: (CaO)/(Si02) = 0,8...1,2;

•низкоосновные: (CaO)/(Si02) = 1,2... 1,5;

•среднеосновные: (CaO)/(Si02) = 1,5...2,5;

•высокоосновные: (Ca0)/(Si02) > 2,5.

Показатель основности шлака имеет решающее значение для процессов удаления из жидких сталей таких вредных примесей, как фосфор и сера (дефосфорация и десульфурация). Известно, что под кислыми шлаками удаление этих примесей принципиально невоз­ можно. Чем выше основность ишака, тем успешнее проходят процес­ сы дефосфорации и десульфурации.

Другая важнейшая характеристика шлака - это его окисленность, ко­ торая характеризуется содержанием в шлаке кислорода: (О) или (FeO).

Повышение окисленности шлака позволяет полнее реализовать такие процессы, как окисление углерода и окисление примесей, а снижение окисленности является необходимым условием для про­ текания десульфурации.

Еще одной важной характеристикой шлака является его вязкость. Обычно вязкость шлака больше, чем вязкость жидкой стали. Если вяз­ кость шлака становится чрезмерно большой, шлак становится газоне­ проницаемым. В этом случае будет затруднено протекание реакций,