Доменный процесс. Основные реакции. Устройство доменной печи

Задание 1. Доменный процесс. Основные реакции. Устройство доменной печи.

Доменный процесс.

 

Для успешного ведения доменного  процесса необходимо соблюдать два  основных условия:

1. Количество тепла и температура по высоте печи должны быть распределены так, чтобы все реакции протекали в определённом месте и в определённое время;

2. Образование шлака должно происходить только после окончания восстановления из руды железа и необходимых примесей.

Первое условие  обеспечивается непрерывным движением  в печи 2-х встречных потоков, поднимающих снизу вверх горячих газов от сгорания в горне топлива и опускающихся сверху вниз шихтовых материалов, нагревающихся под действием тепла газов.

Второе условие  обеспечивается подбором по тугоплавкости  шлаков соответственно сортам выплавляемого чугуна, чтобы образовавшийся шлак не сплавил руду до восстановления железа и др. примесей, не изменил заданного состава чугуна и не вызвал расстройство в ходе процесса.

Доменный процесс  начинается с горения топлива.

Горячий воздух, вдуваемый через фурмы, сжигает углерод кокса по реакции:

                                     C+O =CO +Q                    (1)

Двуокись углерода (CO ) встречает углерод раскаленного кокса и почти полностью разлагается:

                                     CO +C=2CO-Q               (2)

Одновременно  с этим идёт реакция восстановления водорода из пара, содержащегося в  дутье:

                                    H O +C = H +CO-Q      (3)

В результате этих реакций вверх из горна идут газы, состоящие из CO, H .

Подготовительные  процессы в загруженных шихтовых материалах начинают происходить в верхних горизонтах печи немедленно под влиянием температуры поднимающихся газов. Сначала при температуре 100…200ºС испаряется гигроскопическая вода, а при 300…500ºС кристаллизационная, при соприкосновении которой с окисью углерода газов и углеродом кокса колошниковые газы получают дополнительно CO , CO и H .

Восстановление  железа из руды начинает происходить  при помощи окиси углерода (непрямое восстановление) в верхних горизонтах печи, где температура не высока, и постепенно усиливается при опускании вниз по мере повышения температуры примерно до 900°C. Обычно  в доменных газах содержится небольшое количество водорода, поэтому основное восстановление идёт за счёт окиси углерода и углерода кокса.

Восстановление окисью углерода начинается в шахте и происходит ступенчато от высшего окисла железа к низшему в следующем порядке:

                                                      Fe₂O₃ ® Fe₃O₄ ® FeO ® Fe .

Протекают следующие  реакции восстановления:

                              3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂          (4)

                              Fe₃O₄ + CO = 3FeO CO₂                  (5)

                              FeO + CO = Fe + CO₂                      (6)

Основной реакцией считается реакция (6), т.к. конечным продуктом является металлическое железо и она называется реакцией косвенного восстановления железа, протекает при умеренных температурах (500…900°C) с выделением тепла.

При более высоких  температурах (выше 1000…1100°C) в присутствии раскалённого кокса в доменной печи идёт восстановление железа при помощи углерода по реакции:

                             FeO + C = Fe + CO                         (7)

Эта реакция называется прямым восстановлением железа. Считается, что в доменной печи около 60…50% железа образуется по реакции (6), т.е. с помощью окиси углерода и 50…40% с помощью твёрдого углерода. Прямое восстановление железа происходит в районе распара доменной печи. Образующееся в доменной печи металлическое железо находится в твёрдом виде (губчатое железо), поскольку оно имеет температуру плавления 1535°C. В присутствии окиси углерода губчатое металлическое железо постепенно науглероживается по реакции:

                            3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂                 (8)

Температура его  плавления понижается вплоть до 1150…1200°C. Вследствие этого науглероженное железо (от 1,8 до 2 % C) переходит в жидкое состояние (расплавляется) и стекает по каплям между кусками раскалённого кокса на лещадь горна доменной печи.

Во время перемещения  капелек металла происходит дополнительное насыщение железа углеродом примерно до 3,5…4 %, т.е. до обычного содержания углерода в жидком чугуне. Параллельно с процессом восстановления железа в доменной печи наблюдается восстановление из шихты марганца, кремния и фосфора, которые переходят в чугун.

Восстановление  высших и средних окислов марганца до низшего окисла происходит ступенчато за счёт окиси углерода по схеме:

                   MnO₂ ® Mn₂O₃ ® Mn₃O₄ ® MnO ® Mn

Закись марганца MnO трудно восстановимый низший окисел марганца, восстанавливается твёрдым углеродом по реакции:

                       MnO + C = Mn + CO                                                 (9)

Реакция сопровождается поглощением тепла и происходит при температурах выше 1100…1200°C. При выплавке марганцевистых марок чугуна доменная печь должна расходовать больше кокса и питаться горячим дутьём (800…900°C). Восстановление кремния из пустой породы происходит при температуре 1450°C при помощи твёрдого углерода по реакции:

                     SiO₂+ 2C = Si + 2CO – Q                                             (10)

В присутствии  железа эта реакция начинается при  температуре 1050°C и требует поглощения меньшего количества тепла.

Фосфор содержится в руде в виде соединений (FeO)₃P₂O₅  и (CaO)₃P₂O₅ и восстановление его в присутствии пустой породы железной руды совершается за счёт твёрдого углерода:

    P₂O₅(CaO)₄ + 5C + 2SiO₂ = 2P + 2(CaO)₂*SiO₂ + 5CO             (11)

  и фосфат железа восстанавливается окисью углерода:

            2Fe₃(PO₄)₂ +16CO = 2Fe₃P + 2P + 16CO₂                                   (12)

Сера поступает в плавку с  рудой, флюсом и коксом в виде сульфида железа. Часть серы улетучивается (от 10 до 60%), оставшаяся часть серы руды  и кокса переходит в шлак и в металл. Для удаления серы в шлак необходимо иметь избыточное количество извести:

                         FeS + CaO = FeO +CAS + Q                                   (13)

Образующееся сернистое железо вступает в реакцию с известью. Другой путь удаления серы из чугуна –  это после выпуска из печи выдержке и при перевозках в ковшах наличие реакции взаимодействия сернистого железа с марганцем:

                       FeS + Mn = MnS + Fe +Q                                          (14)

Никель подобно железу восстанавливается  окисью углерода, твёрдым углеродом и водородом. Процесс восстановления начинается и заканчивается раньше восстановления железа.

Хром, никель, титан и ванадий  принадлежат к числу трудно восстанавливаемых  элементов и восстанавливаются  только твёрдым углеродом при  температуре выше 1250…1300°C.

Шлакообразование, т.е. сплавление пустой породы руды с  флюсом, начинается с образования  наиболее лёгкоплавкого соединения из кремнезёма, глинозёма и извести. Это происходит в распаре при  температуре около 1200°C. При более высоких температурах он изменяет свой химический состав в связи с растворением в нём золы кокса, флюсов и остатков пустой породы железной руды. Окончательный состав шлака находится в заплечиках и горне.

 

Устройство доменной печи.

Схема доменной печи представлена на рисунке 1.

Колошник 1 – верхняя цилиндрическая часть, куда при помощи засыпного аппарата загружаются проплавляемые материалы, а от боковых сторон его по газоотводам 2 удаляются колошниковые газы.

 

 

 

Шахта 3 – расположена под колошником. В ней в определённой последовательности идут процессы подготовки материалов, восстановление из окислов руды железа и др. элементов, науглероживание железа и плавление образовавшегося сплава. Шахте придаётся форма расширяющегося книзу усечённого конуса для облегчения опускания из колошника загруженных материалов.

Распар 4 – самая широкая цилиндрическая часть печи, где происходит плавление пустой породы руды и флюса с образованием из них шлака.

В заплечиках 5, следующей части печи в виде усечённого и расширяющегося кверху конуса, процесса шлакообразования заканчивается. Здесь остается в твёрдом состоянии только горючее и часть флюса.

В горне 6 происходит горение спустившегося сверху топлива и накапливаются в жидком состоянии чугун и шлак. Горячий воздух для сжигания топлива от воздухонагревателей подводится к печи по кольцевому воздухопроводу 7 через фурмы 8. Чугун и шлак накапливаются на дне горна, называемом лещадью 9, расположенной на мощном железобетонном фундаменте 10.

Чугун выпускается из печи через  лётку, расположенную на дне лещади, по желобам в ковши, а шлак в специальные ковши через две шлаковые лётки.

В верхней части печи имеется  малый конус засыпного аппарата, на который попадает шихта, при опускании  его шихта попадает в чашу. Из чаши шихта попадает на большой конус, при опускании которого шихтовые материалы попадают в доменную печь, предотвращая при этом выход газов из доменной печи в атмосферу. Для равномерного распределения шихты в доменной печи малый конус и приёмная воронка после очередной загрузки поворачивается на угол кратный 60º.

При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через  загрузочное устройство в печь попадаются новые порции шихты в таком  количестве, чтобы весь полезный объём  печи был заполнен. Полезный объём  печи – это объём, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании. Современные доменные печи имеют полезный объём  2000…50000 м , полезная высота доменной печи достигает 35 м, это более, чем в тир раза превосходит диаметр её поперечного сечения.

Это позволяет доменной печи, работающей по принципу встречного движения материалов и газов, иметь более высокий  коэффициент полезного использования  тепла (до 85%).

Кладка лещади и горна выполняется  из углеродистых блоков  и высокоглинозёмистых кирпичей, а заплечики, распар и шахта – из шамотных кирпичей высшего качества.

Лещадь и горн заключены в  мощный стальной кожух и интенсивно охлаждаются водой при помощи специальных холодильников, к которым  подведены две водопроводные  магистрали, из них одна находится в работе, а другая - в резерве.

Колошник футерован стальными  неохлаждаемыми плитами, полости которых  заполнены шамотным кирпичом. Купол  печи футерован чугунными плитами.

 

Вспомогательные устройства доменных печей.

1. Подъёмные и загрузочные устройства – служат для подъёма на колошник и загрузки в печь шихтовых материалов.

2. Литейные дворы и поддоменники – служат для обслуживания печей при выпуске чугуна и шлака. Они обслуживаются мостовым краном.

3. Воздухонагреватели – предназначены для нагрева воздуха, поступающего в доменную печь, для интенсификации плавильного процесса путём получения в горне высокой температуры при меньшем расходе воздуха. Они должны обеспечивать подачу в печь 3800 м /мин воздуха, нагретого до 1200 ºС при объёме печи 2002 м (работают одновременно по два воздухонагревателя, чередуясь; всего их 4).

Постоянная влажность дутья  осуществляется при помощи пара, вводимого  в воздухопровод холодного воздуха  перед поступлением его в воздухонагреватель, причём заданная влажность регулируется автоматически до заданного предела.

4. Воздуходувные машины – обеспечивают доменные печи необходимым количеством сжатого воздуха для сжигания горючего и давлением на колошнике в пределах 5…7 МПа, а у новых печей до 25 МПа.

5. Газоочиститель – служит для очистки колошникового газа, поступающего из печи по газоотводам.

 

Задание 2. Строение вещества. Амфорные и кристаллические тела. Энтропия и изотропия.

Строение вещества

Вещества состоят из отдельных мельчайших частиц. Их называют атомами. Во многих случаях атомы не существуют поодиночке, а объединяются в группы – молекулы. Атомы и молекулы чрезвычайно малы: в любом крошечном кусочке вещества, который мы в состоянии разглядеть (например, в пылинке) содержится больше атомов, чем звезд во всей нашей Галактике.

 

 Молекула (рис.2) – это наименьшая  частица вещества, определяющая  его свойства и способная к  самостоятельному существованию.  Молекулы построены из атомов. На рисунке изображена молекула воды, которая состоит из атома водорода и двух атомов кислорода.