Qual è il processo di fusione del ferro?

I metodi di fabbricazione del ferro includono principalmente il metodo dell'altoforno, il metodo di riduzione diretta, il metodo di riduzione della fusione, ecc. Il principio è che la ghisa ridotta è ottenuta dalla reazione fisico-chimica del minerale in un'atmosfera specifica (sostanze riducenti Co, H2, C; temperatura appropriata, ecc. .). Oltre a una piccola parte di ghisa utilizzata per la colata, la stragrande maggioranza viene utilizzata come materia prima per la produzione dell'acciaio.

La produzione del ferro d'altoforno è il metodo principale della moderna produzione del ferro e un collegamento importante nella produzione di ferro e acciaio. Grazie ai buoni indicatori tecnici ed economici, al processo semplice, alla grande capacità di produzione, all'elevata produttività del lavoro e al basso consumo energetico, il ferro prodotto dal processo di altoforno rappresenta oltre 95% della produzione mondiale di ferro.

Diagramma schematico della siderurgia d'altoforno

L'altoforno è simile a un forno cilindrico, la sua parte esterna è ricoperta di lamiera d'acciaio e la sua parete interna è rivestita di mattoni refrattari. L'intera fornace è costruita su una profonda fondazione di cemento.

Durante la produzione dell'altoforno, il minerale di ferro, il coke e il flusso di scorie (calcare) vengono caricati dalla parte superiore del forno e l'aria preriscaldata viene soffiata nella tuyere situata nella parte inferiore del forno lungo la circonferenza del forno. Ad alta temperatura, il monossido di carbonio e l'idrogeno generati dalla combustione del carbonio nel coke e l'ossigeno insufflato nell'aria sottraggono ossigeno al minerale di ferro nel processo di lievitazione nella fornace, in modo da ottenere il ferro. Il ferro fuso viene scaricato dal rubinetto.

Le impurità non riducenti nel minerale di ferro si combinano con il calcare e altri flussi per formare scorie, che vengono scaricate dal porto delle scorie. Il gas prodotto viene esportato dalla sommità del forno e utilizzato come combustibile di altoforno caldo, forno di riscaldamento, cokeria e caldaia dopo la rimozione della polvere.

Materie prime: minerale di ferro, solvente, combustibile

 Minerale di ferro

È difficile soddisfare i requisiti della fusione in altoforno in termini di composizione chimica, stato fisico e altri aspetti del minerale estratto naturalmente. Deve essere preparato e trattato mediante frantumazione, vagliatura, arricchimento, bricchettatura e miscelazione per fornire un altoforno di alta qualità, composizione uniforme e granulometria.

Ci sono quattro tipi di minerale di ferro comunemente usati nell'industria metallurgica.

solvente

La ganga nel minerale e la cenere nel carburante contengono alcuni composti ad alto punto di fusione (ad esempio, il punto di fusione di SiO2 è 1625 ℃ e quello di Al2O3 è 2050 ℃). Non possono essere fusi in liquidi alla temperatura di fusione dell'altoforno, quindi non possono essere ben separati dal ferro fuso. Allo stesso tempo, il funzionamento del forno è difficile.

Lo scopo dell'aggiunta di flusso è quello di formare scorie a basso punto di fusione con questi composti ad alto punto di fusione, in modo da liquefare completamente alla temperatura di fusione dell'altoforno e mantenere una notevole fluidità, in modo da raggiungere lo scopo di una buona separazione dal metallo e garantire la qualità della ghisa.

Secondo le proprietà del flusso, può essere suddiviso in flusso basico e flusso acido. Quale flusso utilizzare dipende dalle proprietà della ganga nel minerale e della cenere nel carburante. Poiché la maggior parte delle gange nei minerali naturali sono acide e il contenuto di ceneri del coke è acido, vengono solitamente utilizzati flussi alcalini, come il calcare. I flussi acidi sono usati raramente.

Carburante

Il calore necessario alla fusione dell'altoforno dipende principalmente dalla combustione del combustibile. Allo stesso tempo, il carburante svolge anche il ruolo di agente riducente nel processo di combustione, quindi il carburante è una delle principali materie prime per la fusione dell'altoforno. Il combustibile comunemente usato è principalmente coke, antracite e semi coke.

Processo fisico e chimico: reazione di riduzione ad alta temperatura + reazione di scorificazione

Lo scopo della fusione in altoforno è ridurre il ferro dal minerale di ferro e rimuovere le impurità. Nell'intero processo di fusione, la cosa più importante è la riduzione del ferro e la reazione di scorificazione.

Inoltre, è accompagnato da una serie di altre complesse reazioni fisiche e chimiche, come l'evaporazione dell'acqua e delle sostanze volatili, la decomposizione del carbonato, la carbonizzazione e la fusione del ferro, la riduzione di altri elementi, ecc., che possono essere realizzate solo a una certa temperatura. Pertanto, il processo di fusione richiede anche la combustione del carburante come condizione necessaria.

Combustione di carburante

C＋O2→CO2

Decomposizione del carico

Evaporazione dell'acqua e decomposizione dell'acqua cristallina; eliminazione dei volatili; decomposizione del carbonato.

Reazione di riduzione in altoforno

Riduzione del ferro

In altoforno, il ferro non viene ridotto direttamente da ossido ad alta valenza, ma attraverso un processo di riduzione da ossido ad alta valenza a ossido a bassa valenza, e quindi da ossido a bassa valenza a ferro: Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe

La riduzione del ferro dipende principalmente dal monossido di carbonio gassoso e dal carbonio solido come agente riducente. La riduzione del monossido di carbonio è solitamente chiamata riduzione indiretta e la riduzione del carbonio solido è chiamata riduzione diretta.

La reazione totale della riduzione indiretta è 3fe2o3 + 9co → 6fe + 9co2

La reazione totale di riduzione diretta è 3fe2o3 + C → 2fe3o4 + Co

Carbonizzazione del ferro

Il ferro ridotto dal minerale è spugnoso solido e il suo contenuto di carbonio è molto basso, solitamente inferiore a 1%. Poiché il co si decompone a una temperatura più bassa e il C decomposto ha una forte attività, quando entra in contatto con il ferro, è facile formare una lega di ferro e carbonio.

Pertanto, la spugna di ferro solida inizia a carburare a una temperatura più bassa (400 ℃ ~ 600 ℃). La reazione chimica è la seguente: 2CO + 3Fe → Fe3C + CO2 o 3Fe (liquido) + C (solido) → Fe3C

Processo di scorificazione

La scoria è un processo in cui la ganga nel minerale e la cenere nel carburante vengono combinate con il flusso e rimosse dall'altoforno. Ci sono due tipi di formazione di scorie nell'altoforno

Quando si fonde con il normale minerale acido, il flusso viene caricato nell'altoforno sotto forma di calcare e il Cao nel flusso non può essere a stretto contatto con gli ossidi acidi nel minerale. pertanto, la scoria inizialmente formata è principalmente fe2sio4 formata da SiO2, Al2O3 e una parte di FeO ridotto. A causa dell'esistenza di FeO nelle scorie, il punto di fusione delle scorie è ridotto e le scorie hanno una buona fluidità. Nel processo di caduta (che è anche il processo di innalzamento della temperatura), il FeO contenuto nella scoria si riduce e si perde gradualmente, mentre il contenuto di Cao aumenta, e infine la scoria finale defluisce nel focolare.

Quando si fonde con il minerale autofondente, poiché il minerale contiene più Cao e può essere in buon contatto con SiO2 acido, il Cao partecipa immediatamente alla reazione di scorificazione all'inizio della fusione, specialmente quando si fonde con la sinterizzazione autoflussante, Cao forma scorie con SiO2, Al2O3, ecc. già nel processo di sinterizzazione, quindi il contenuto di CaO nelle scorie primarie di questo tipo di minerale è maggiore. Anche la composizione delle scorie cambia poco nel processo di riduzione delle scorie.

Prodotti d'altoforno

I principali prodotti della fusione dell'altoforno sono ghisa e ferroleghe, mentre i sottoprodotti sono scorie, gas e polvere di forno.

ghisa

La ghisa è una lega di ferro e carbonio con più di carbonio 2%, che contiene anche Si, Mn, s, P e altre impurità.

La ghisa può essere suddivisa in due categorie in base al suo utilizzo e composizione. Uno è la ghisa per la produzione dell'acciaio: il carbonio nella ghisa esiste sotto forma di composto e la sua sezione trasversale è bianco argento, noto anche come ferro bianco; l'altro è la ghisa: viene utilizzata direttamente per realizzare parti di macchine.

ferrolega

Il ferro e qualsiasi tipo di lega metallica o non metallica sono chiamati ferroleghe (alcuni sono anche chiamati ghisa leghe). Esistono molti tipi di ferroleghe, come ferrosilicio, ferromanganese, ferrocromo, ferromolibdeno, ferrotungsteno, ecc.

Scorie, gas e polvere

Scorie, gas e polvere sono sottoprodotti dell'altoforno. Prima venivano scartati come rifiuti, ma ora sono ampiamente utilizzati nei materiali da costruzione.