Jak wygląda proces wytapiania żelaza?

Metody wytwarzania żelaza obejmują głównie metodę wielkopiecową, metodę bezpośredniej redukcji, metodę redukcji wytapiania itp. zasadą jest, że zredukowaną surówkę uzyskuje się w wyniku reakcji fizykochemicznej rudy w określonej atmosferze (substancje redukujące Co, H2, C; odpowiednia temperatura itp. .). Oprócz niewielkiej części surówki wykorzystywanej do odlewania, zdecydowana większość wykorzystywana jest jako surowce do produkcji stali.

Hutnictwo hutnicze jest główną metodą nowoczesnego hutnictwa i ważnym ogniwem w produkcji żelaza i stali. Ze względu na dobre wskaźniki techniczne i ekonomiczne, prosty proces, duże zdolności produkcyjne, wysoką wydajność pracy i niskie zużycie energii, żelazo produkowane w procesie wielkopiecowym stanowi ponad 95% całkowitej światowej produkcji żelaza.

Schemat ideowy hutnictwa wielkopiecowego

Wielki piec jest podobny do pieca cylindrycznego, z zewnątrz pokryty jest blachą stalową, a ściana wewnętrzna wyłożona jest cegłą szamotową. Cały piec posadowiony jest na głębokim fundamencie betonowym.

Podczas produkcji wielkiego pieca topnik rudy żelaza, koks i żużel (wapień) ładowany jest od góry pieca, a podgrzane powietrze wdmuchiwane jest do dyszy znajdującej się w dolnej części pieca na obwodzie pieca. W wysokiej temperaturze tlenek węgla i wodór powstające w wyniku spalania węgla w koksiku oraz wdmuchiwany do powietrza tlen usuwają tlen z rudy żelaza w procesie jej unoszenia w piecu, w celu uzyskania żelaza. Stopione żelazo jest odprowadzane z otworu spustowego.

Nieredukujące zanieczyszczenia w rudzie żelaza łączą się z wapieniem i innymi topnikami, tworząc żużel, który jest odprowadzany z portu żużlowego. Wyprodukowany gaz jest wyprowadzany z górnej części pieca i po odpyleniu wykorzystywany jako paliwo do wielkiego wielkiego pieca, pieca grzewczego, pieca koksowniczego i kotła.

Surowce: ruda żelaza, rozpuszczalnik, paliwo

 Ruda żelaza

Trudno sprostać wymaganiom hutnictwa wielkopiecowego pod względem składu chemicznego, stanu skupienia i innych aspektów naturalnie wydobywanej rudy. Musi być przygotowany i poddany obróbce poprzez kruszenie, przesiewanie, wzbogacanie, brykietowanie i mieszanie, aby dostarczyć wielki piec o wysokiej jakości, jednolitym składzie i wielkości cząstek.

W przemyśle metalurgicznym stosowane są cztery rodzaje rud żelaza.

rozpuszczalnik

Skała płonna w rudzie i popiół w paliwie zawierają pewne związki o wysokiej temperaturze topnienia (np. temperatura topnienia SiO2 wynosi 1625 ℃, a Al2O3 2050 ℃). Nie można ich przetopić w ciecz w temperaturze wytopu wielkiego pieca, więc nie można ich dobrze oddzielić od stopionego żelaza. Jednocześnie eksploatacja pieca jest trudna.

Celem dodawania topnika jest wytworzenie żużla o niskiej temperaturze topnienia z tymi związkami o wysokiej temperaturze topnienia, aby całkowicie upłynnić w temperaturze wytopu wielkiego pieca i zachować znaczną płynność, aby osiągnąć cel dobrej separacji od metalu i zapewnić jakość surówki.

Zgodnie z właściwościami topnika można go podzielić na topnik podstawowy i topnik kwaśny. Wybór topnika zależy od właściwości skały płonnej w rudzie i popiołu w paliwie. Ponieważ większość skał płonnych w naturalnych rudach ma odczyn kwaśny, a zawartość popiołu w koksu jest kwaśna, zwykle stosuje się topniki alkaliczne, takie jak wapień. Topniki kwasowe są rzadko używane.

Paliwo

Ciepło potrzebne do wytopu wielkopiecowego zależy głównie od spalania paliwa. Jednocześnie paliwo pełni również rolę czynnika redukującego w procesie spalania, dlatego paliwo jest jednym z głównych surowców do wytopu wielkopiecowego. Powszechnie stosowanym paliwem jest głównie koks, antracyt i półkoks.

Proces fizykochemiczny: reakcja redukcji w wysokiej temperaturze + reakcja żużlowania

Celem wytapiania wielkopiecowego jest redukcja żelaza z rudy żelaza i usuwanie zanieczyszczeń. W całym procesie wytapiania najważniejsza jest redukcja odczynu żelaza i żużla.

Ponadto towarzyszy mu szereg innych złożonych reakcji fizycznych i chemicznych, takich jak odparowanie wody i substancji lotnych, rozkład węglanu, karbonizacja i topienie żelaza, redukcja innych pierwiastków itp., które mogą być realizowane tylko przy określona temperatura. Dlatego też proces wytapiania wymaga również spalania paliwa jako warunku koniecznego.

Spalanie paliwa

C＋O2→CO2

Rozkład ciężaru

Odparowanie wody i rozkład wody krystalicznej; eliminacja substancji lotnych; rozkład węglanu.

Reakcja redukcji w wielkim piecu

Redukcja żelaza

W wielkim piecu żelazo nie jest bezpośrednio redukowane z tlenku wysokowalencyjnego, ale poprzez proces redukcji z tlenku wysokowalencyjnego do tlenku niskowalencyjnego, a następnie z tlenku niskowalencyjnego do żelaza: Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe

Redukcja żelaza zależy głównie od gazowego tlenku węgla i stałego węgla jako środka redukującego. Redukcja tlenku węgla nazywana jest zwykle redukcją pośrednią, a redukcja węgla stałego nazywana jest redukcją bezpośrednią.

Całkowita reakcja redukcji pośredniej wynosi 3fe2o3 + 9co → 6fe + 9co2

Całkowita reakcja redukcji bezpośredniej wynosi 3fe2o3 + C → 2fe3o4 + Co

Karbonizacja żelaza

Żelazo zredukowane z rudy jest stałe, gąbczaste, a jego zawartość węgla jest bardzo niska, zwykle poniżej 1%. Ponieważ współrozkłada się w niższej temperaturze, a rozłożony C ma silną aktywność, w kontakcie z żelazem łatwo jest utworzyć stop żelazo-węgiel.

Dlatego stałe żelazko gąbczaste zaczyna się nawęglać w niższej temperaturze (400 ℃ ~ 600 ℃). Reakcja chemiczna jest następująca: 2CO + 3Fe → Fe3C + CO2 lub 3Fe (ciecz) + C (ciało stałe) → Fe3C

Proces żużlowania

Żużel to proces, w którym skałę płonną w rudzie i popiół w paliwie łączy się z topnikiem i usuwa z wielkiego pieca. W wielkim piecu występują dwa rodzaje żużla

Podczas wytapiania ze zwykłą kwaśną rudą topnik jest ładowany do wielkiego pieca w postaci wapienia, a Cao w strumieniu nie może być w bliskim kontakcie z tlenkami kwasowymi w rudzie. dlatego początkowo utworzony żużel składa się głównie z fe2sio4 utworzonego przez SiO2, Al2O3 i część zredukowanego FeO. Ze względu na obecność FeO w żużlu temperatura topnienia żużla jest obniżona, a żużel ma dobrą płynność. W procesie opadania (który jest jednocześnie procesem wzrostu temperatury) FeO zawarty w żużlu jest stopniowo redukowany i tracony, podczas gdy zawartość Cao wzrasta, a finalny żużel spływa do paleniska.

Przy topieniu rudą samotopnącą, ponieważ ruda zawiera więcej Cao i może być w dobrym kontakcie z kwaśnym SiO2, Cao natychmiast uczestniczy w reakcji żużlowania na początku topienia, zwłaszcza przy topieniu spiekem samotopliwym, Cao tworzy żużel z SiO2, Al2O3 itd. już w procesie spiekania, a więc zawartość CaO w żużlu pierwotnym tego rodzaju rudy jest wyższa. Skład żużla również niewiele się zmienia w procesie redukcji żużla.

Produkty wielkopiecowe

Głównymi produktami hutnictwa wielkopiecowego są surówka i żelazostopy, a produktami ubocznymi żużel, gaz i pył piecowy.

surówka

Surówka jest stopem żelaza i węgla z więcej niż węglem 2%, który zawiera również Si, Mn, s, P i inne zanieczyszczenia.

Surówkę można podzielić na dwie kategorie w zależności od jej zastosowania i składu. Jednym z nich jest surówka stalowa: węgiel w surówce występuje w postaci związku, a jego przekrój jest srebrnobiały, znany również jako białe żelazo; drugi to odlewanie surówki: jest bezpośrednio używany do produkcji części maszyn.

stop żelaza

Żelazo i każdy rodzaj metalu lub stopu niemetalicznego nazywane są żelazostopami (niektóre są również nazywane surówką stopową). Istnieje wiele rodzajów żelazostopów, takich jak żelazokrzem, żelazomangan, żelazochrom, żelazomolibden, żelazowolfram itp.

Żużel, gaz i pył

Żużel, gaz i pył są produktami ubocznymi wielkiego pieca. Wcześniej były wyrzucane jako odpady, ale teraz są szeroko stosowane w materiałach budowlanych.