Výroba železa a oceli. Vysoká pec. Abstrakt – TeacherPRO

Stále běžnou, i když zastaralou formou metalurgické výroby je proces výroby tekutých kovů reakcí proudu vzduchu se směsí kovové rudy, koksu a tavidla. Jedná se o doménový proces, který je považován za univerzální a používá se pro:

1. Výroba litiny ze železné rudy.
2. Následné zpracování litiny na ocel.
3. Tavení kovů, jako je olovo nebo měď, které mají relativně nízkou teplotu tání.

Rychlé spalování je podporováno prouděním vzduchu přiváděného pod tlakem.

Vstupní suroviny

Vysoké pece vyrábějí surové železo ze železné rudy redukčním působením uhlíku (dodávaného jako koks) při vysoké teplotě v přítomnosti tavidla, jako je vápenec.

Pro výrobu surového železa a také pro tavení primární oceli ve vysoké peci se používají tři druhy primárních surovin:

1. Železná ruda předupravená v aglomeraci.
2. Koks je pevná látka, která zůstane po zahřátí uhlí bez přístupu vzduchu. Koks obvykle obsahuje až 90 % uhlíku.
3. Vápenec (CaCO₃) nebo nehašené vápno (CaO), které je nutné periodicky přidávat do vysoké pece.

Pro efektivní realizaci vysokopecního procesu při výrobě litiny je potřeba ruda s obsahem železa minimálně 50 %. V praxi se však často musíme potýkat s takzvanými „chudými“ rudami. Vzhledem k tomu, že náklady na přepravu železné rudy jsou poměrně vysoké, podstupuje před odesláním operace zvané beneficiace. Technologie obohacení zahrnuje následující přechody:

1. Rozdělení.
2. Třídění – průmyslové prosévací zařízení, které odděluje frakce rudy.
3. Omílání je proces, který dává rudě vzhled geometricky proporcionálních kusů.
4. Flotace je čištění vody od mechanických nečistot, které využívá rozdílu v hustotě složek.
5. Magnetická separace – separace nemagnetických nečistot.

Těmito procesy se vyčištěná ruda obohatí na více než 60 % železa a před expedicí se obvykle přemění na pelety.

Složení původní suroviny nutně obsahuje řadu chemických prvků. Hlavním z nich je uhlík, který zajišťuje následné zvýšení mechanických vlastností kovu prostřednictvím tepelného zpracování. K výrobě oceli je zapotřebí relativně malé množství uhlíku: až 0,25 % u nízkouhlíkové oceli, 0,25–0,50 % u středně uhlíkové oceli a 0,50–1,25 % u oceli s vysokým obsahem uhlíku. Ocel může obsahovat až 2 % uhlíku a nad toto množství lze hovořit pouze o litině, kde přebytečný uhlík tvoří grafit.

V malých množstvích (0,03. 1,0 %) se mangan používá při tavení kovů ve vysoké peci k odstranění nežádoucího kyslíku a ke kontrole obsahu síry. Z oceli se obtížně odstraňuje a forma, kterou tam nabývá (sulfid železa, FeS), dává kovu křehkost, která je důsledkem růstu velikosti zrn ve struktuře. Hrubozrnný kov zhoršuje jeho kujnost a válcování, zejména při zvýšených teplotách. Obsah síry v ocelích obvykle nepřesahuje 0,05 %.

Nežádoucí složkou jakéhokoli druhu suroviny pro vysokou pec je fosfor. Typicky jeho množství nepřesahuje 0,04 %, ale má tendenci se rozpouštět v litině, což mírně zvyšuje pevnost a tvrdost slitiny.

V závislosti na podmínkách dalšího použití využívá vysokopecní výroba jako suroviny legovací přísady kovů jako je chrom, molybden, nikl, hliník, kobalt, wolfram, vanad a titan. Nekovy, jako je bor a/nebo křemík, jsou často součástí složení surovin.

Podstata procesu ve vysoké peci

Surovina (vsázka materiálů obsahujících železo, jako jsou železné rudné pelety a aglomerát), koks a tavidla (jako je vápenec) jsou unášeny šachtou, kde se předehřívají a reagují se stoupajícími redukčními plyny. Vzniká tekutá tavenina železa a strusky, která se hromadí v ohništi.

Vzduch předehřátý na teploty mezi 900° a 1250°C spolu se vstřikovaným palivem, jako je ropa nebo zemní plyn, je vháněn do pece několika dmychadly (tryskami) umístěnými po obvodu topeniště v horní části topeniště. Počet takových trysek může být od 12 do 40 (u vysokovýkonných vysokých pecí).

Předehřátý vzduch je zase přiváděn z dmychadla o velkém průměru, které obklopuje topeniště. Předehřátý vzduch prudce reaguje s horkým koksem, což má za následek jak tvorbu redukčního plynu (oxid uhelnatý), který stoupá pecí, tak velmi vysokou teplotu asi 1650 °C, při které se tvoří tekuté železo a struska.

Fyzikálně-chemické základy procesu

Výroba kovu ve vysoké peci je proces přenosu tepla a hmoty, proto lze pec rozdělit do různých zón podle fyzikálního a chemického stavu surovin a teploty. Podle každého teplotního intervalu proběhnou určité reakce.

Sestupná nálož se suší a předehřívá při sestupu stoupajícím plynem. Předehřátý vzduch je vháněn do pece tryskami ve spodní části pece. Kyslík reaguje s uhlíkem v koksu za vzniku oxidu uhelnatého a vodní pára ve výbuchu reaguje s uhlíkem za vzniku oxidu uhelnatého a vodíku.

Dusík ve výbuchu působí jako dodatečné chladivo (spolu s CO, CO₂ a H₂). Teplota adiabatického plamene ve spalovacím prostoru před tryskami je cca 2100…2300 °C. Stoupající horký plyn ohřívá železo a strusku, které se postupně shromažďují v peci pod úrovní dmyšny a v určitých intervalech se uvolňují. Stoupající plyn prochází kohezní zónou, kde železo a struska měknou, oddělují se a taví. Strusková fáze obsahuje určité množství neredukovaného oxidu železa FeO.

Nad kohezní zónou plyn ohřívá vsázku. Oxid uhelnatý a vodík redukují oxid železa nepřímo, ve formě reakcí plyn-pevná látka, za vzniku redukčních plynů.

Tyto reakce slábnou, když teplota plynu klesne pod 900 °C. Redukční reakce, zvýšení obsahu CO₂ a ochlazování plynu pokračuje, jak stoupá. Zbývající tepelný obsah plynu se používá k sušení a předehřívání vsázky před tím, než plyn opustí horní část pece při teplotě 100…300 °C. Vrchní plyn je stále cenným palivem s nižší výhřevností 3–4 MJ/Nm3.

Po relativně rychlém zahřátí na přibližně 900 °C se zátěž dostane do chemické rezervní zóny, kde je teplotní rozdíl mezi plynem a pevnou látkou přibližně 50 °C. Při přibližně 1000…1100 °C (v závislosti na chemickém složení železné vsázky a stupni redukce) vstupuje zátěž do kohezní zóny. Oxidy železa se redukují na kovové Fe a současně se odděluje železo a struska. Kovové železo je nasyceno uhlíkem v koksu a CO a taje při 1200…1300 °C. Roztavené železo a struska proudí ložem koksu do nístěje, kde dosahují konečné teploty a složení.

Konstrukce vysoké pece

Pece, kde probíhá vysokopecní tavení, se skládají z několika zón:

• Nístěj ve tvaru kelímku na dně pece;
• Mezilehlá zóna, nazývaná prase, která se nachází mezi topeništěm a komínem;
• Svislá šachta (hromada) probíhající od prasete k horní části pece;
• Horní část, která obsahuje nakládací mechanismus trouby.

Důležité: praktická měrná produktivita vysoké pece se pohybuje v rozmezí 1300. 2300 kg kovu na 1 m3 objemu pece za den jejího nepřetržitého provozu.

Klíčová slova abstraktu: výroba železa, výroba oceli, železná ruda, surové železo, ocel, ruda, koks, křemičitan vápenatý, pyrit, vysoká pec.

VÝROBA LITINY. VYSOKÁ PEC

Z hlediska objemu výroby a spotřeby je nejdůležitějším kovem železo. Železo se obvykle používá ve formě slitin. Průmyslovým odvětvím, které vyrábí železo a jeho slitiny, je metalurgie železa.

Zdrojem železa je Železná Ruda. Hlavními složkami rudy jsou sloučeniny železa:

• Fe₃O₄ – magnetit (magnetická železná ruda),
• Fe₂O₃ – hematit (červená železná ruda),
• Fe₂O₃nH₂O – limonit (hnědá železná ruda),
• FeS₂ – pyrit (pyrity železité, sirné pyrity).

Pyrit se nejprve praží (při výrobě kyseliny sírové) a škvára (Fe₂O₃) se používá při výrobě litiny.

Produkty výroby jsou litina a ocel.

Litina – slitina železa a uhlíku, ve které je hmotnostní podíl uhlíku vyšší než 2 % a dále obsahuje nečistoty křemíku, fosforu, síry a manganu.

Výroba surového železa se provádějí ve vysokých pecích (viz obr.). Surovinou pro výrobu jsou železná ruda, koks, vápenec a horký vzduch.

Vysoká pec je nejprve naplněna koksem a poté vrstva po vrstvě aglomerátem a koksem. (Aglomerát je speciálně upravená ruda spékaná tavidlem, v tomto případě vápencem.) Horký vzduch obohacený kyslíkem je přiváděn do spodní části vysoké pece speciálními otvory (dmyšními trubkami). Ve spodní části vysoké pece hoří koks za vzniku CO₂, který stoupá vzhůru a prochází vrstvami horkého koksu, interaguje s ním a tvoří CO:

Ruda prochází přeměnami v pořadí:

Ruda obsahuje také hlušinu, která je tvořena převážně oxidem křemičitým – SiO₂. Je to žáruvzdorná látka. Pro přeměnu na nízkotavné sloučeniny se do rudy přidává tavidlo. Obvykle je to vápenec. Když interaguje s oxidem křemičitým (SiO₂) vzniká křemičitan vápenatý:

SaSO₃ + SiO₂ = CaSiO₃ + CO₂↑ (800С)

Výsledný silikát se snadno oddělí jako struska.

Když se ruda redukuje, získá se železo v pevném stavu. Postupně sestupuje do teplejší části trouby – páry – a rozpouští v sobě uhlík. Tvoří se litina. Ta se taví a teče do spodní části vysoké pece a kapalná struska se shromažďuje na povrchu litiny a chrání ji před oxidací. Litina a struska se pravidelně uvolňují speciálními otvory.

Když se kovové železo uvolňuje v kapalném stavu, uhlík se v něm poměrně dobře rozpouští. Když takový roztok krystalizuje, vzniká litina – slitina železa a uhlíku. Má vysokou křehkost díky vysokému obsahu karbidu železa Fe₃C (cementit), který vzniká v důsledku vedlejších reakcí:

3Fe + C = Fe₃C
3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂

Litina obsahuje nečistoty fosforu a síry. Síra zhoršuje tekutost litiny a způsobuje červenou křehkost oceli – křehkost při zahřátí na červený žár. Fosfor způsobuje křehkost oceli za studena – křehkost za normálních teplot.

VÝROBA OCELI

ocel – slitina železa a uhlíku, ve které je hmotnostní podíl uhlíku menší než 2 %.

Esence získávání oceli z litiny spočívá v co nejúplnějším snížení obsahu uhlíku v kovu a odstranění nečistot – síry a fosforu – a také uvedení obsahu křemíku, manganu a dalších prvků na požadované limity.

Je jich několik způsoby zpracování litiny na ocel : otevřené ohniště, bessemer и Tomášovský. Liší se v metodách oxidace.

V Bessemerově a Thomasově metodě se oxidace provádí kyslíkem ze vzduchu vháněného skrz roztavený kov. Při všech procesech se uhlík obsažený v kovu oxiduje na CO a CO₂, odstraněny z reakční zóny. Křemík Si, mangan Mn, chrom Cr a další kovy při oxidaci přecházejí do strusky ve formě SiO₂, MnO atd.

Mechanismus oxidačního procesu lze reprezentovat následovně. V první řadě dochází k oxidaci části železa. Některé z výsledných oxidů se rozpouštějí v kovu a interagují s nečistotami:

C + FeO ⇆ Fe + CO
Si + 2 FeO ⇆ 2Fe + SiO₂
2P + 5Škaredý ⇆ 5Fe + P₂O₅

Pro zajištění maximálního odstranění síry a fosforových nečistot je nutné, aby hlavní strusky byly získány během procesu zpracování železa; Toho se dosáhne přidáním vápence nebo vápna. Síra obsažená v litině ve formě FeS reaguje s oxidem vápenatým CaO:

FeS + CaO = CaS + FeO

Vzniklý sulfid vápenatý přechází na strusku. Výsledný P₂O₅ také interaguje s vápnem a tvoří fosforečnan vápenatý, který se mění na strusku:

3 CaO + P₂O₅ = So₃(RO₄)₂

Bessemerova a Thomasova metoda se provádějí v konvertorech. Převodníky – zařízení hruškovitého tvaru ze speciální kotlové oceli (plášť) a zevnitř vyložené žáruvzdornými materiály.

Shrnutí lekce chemie: “Výroba litiny a oceli. Vysoká pec”. Vyberte svou další akci:

• Návrat na seznam poznámek z chemie
• Shrnutí najdete v OGE Codifier in Chemistry
• Najděte shrnutí v Unified State Exam Codifier in Chemistry