Науглероживание железа в доменной печи

Свойства рудного материала.

Состав газа восстановителя.

Влияние различных факторов на скорость восстановления.

Температура. Восстановление окислов железа – гетерогенная реакция. Закон Аррениуса.

k = k_oe^-E/RT

k – константа скорости химической реакции, Т – абсолютная температура, k_o – константа, Е – энергия активации процесса.. Взаимосвязь скорости диффузии ми температуры зависит от вида диффузии. Для свободной диффузии в газовой фазе и крупных порах ее скорость пропорционально Т^0,5-1, а в мелких даже замедляется. Скорость активированной диффузии газа в твердой фазе зависит от температуры экспоненциально. Поэтому скорость процессов на реакционной поверхности, а следовательно и восстановления в крупных порах резко возрастает. Таким образом, чем больше доля крупных пор, тем сильней скорость зависит от температуры.

Давление. Влияеие давления зависит от того, какой процесс является лимитирующим. Внешняя диффузия (диффузия в пограничном слое и крупных порах) подчиняется законам свободной диффузии и не зависит от давления. Взаимосвязь скорости химической реакции v и парциального давления газа-восстановителя р выражается уравнением вида

v = kp/(1+ kp)

Таким образом в кинетической области скорость восстановления растет с увеличением давления, приближаясь к некоторому пределу.

Расход газа-восстановителя. ускоряет процесс восстановления. При небольших расходах скорость пропорциональна расходу, затем влияние расхода на скорость уменьшается и с некоторого критического значения прекращается.

Увеличение содержание в смеси нейтрального газа заметно снижает скорость восстановления. Например при 800°С по мере увеличения доли азота в смеси с окисью углерода от 20 до 80%. время, необходимое для достижения степени врсстановления 90% увеличилось от 37 до 90 мин.

На скорость влияют размер пор рудного материала, размер куска и его минералогический состав. Чем больше размер куска, тем длительнее процесс восстановления. В состав куска могут входить как легко, так и трудновосстановимые минералы. Кроме того в ходе восстановления протекают самостоятельные процессы, которые влияют на скорость процесса.

Так в ходе восстановления возможны твердофазные реакции например между Fe₃O₄ и SiO₂, спекание металлических и оксидных компонентов и др.

Металлическое железо – продукт восстановления руд – появляется в нижней части шахты печи и распаре. При большом избытке углерода в печи получение чистого железа даже в начальный момент его появления затруднительно. При извлечении из шахты проб материалов в них находят губчатое железо, содержащее около 1-2% С. По мере опускания материалов в доменной печи и их дальнейшего нагрева, железо растворяет в себе углерод в увеличивающемся количестве. При этом температура плавления его снижается, металл плавится и в виде капель стекает в горн. Окончательный состав чугуна формируется в горне печи.

Можно выделить 4 стадии науглероживания:

Первая стадия – выпадение сажистого углерода на поверхности свежевосстановленного железа (400–1000 ^oC).

CO+H₂=C_саж+H₂O, 2CO=C_саж+CO₂

Все факторы, способствующие протеканию этих реакций, вызывают увеличение содержвания углерода в чугуне (рост давления в печи, высокая восстановимость шихт, рост основности, повышение содержания водорода в газовой фазе и др.).

Вторая стадия - диффузия С_саж в массу металлического железа (950–1150 ^oC)

2CO=C_саж+CO

3Fe+ C_саж = Fe₃C

__________________

3Fe+2CO = Fe₃C+CO₂

Третья стадия – плавление металла с содержанием примерно 2% С (>1150 ^oC) и стекание капель по коксовой насадке с растворением углерода кокса в металле:

3Fe+ C_к = Fe₃C

Четвёртая стадия – это процесс, протекающий в горне. Здесь с одной стороны, продолжается растворение углерода кокса в жидком металле (связано с температурой в горне, временем пребывания и составом чугуна в горне), а с другой – идёт окисление углерода чугуна в фурменных очагах (связано с размером печи).

По аналогии с процессом восстановления первые 2 стадии науглероживания могут быть названы «косвенным» науглероживанием, а вторые две – «прямым» науглероживанием.

Существует ряд формул, связывающих содержание в углерода в чугуне с долей других элементов.

Формула немецкого Союза литейщиков им. Тобиаса и Бринкмана.

[C] = 4,23 – 0,312 · [Si] - 0,33 · [P] + 0,066 · [Mn], % (масс.)

Формула Готлиба

[C] = 4,6 – 0,27 · [Si] - 0,32 · [P] + 0,63 · [Mn], % (масс.)

Формула Юсфина-Альтера

[C] = -8,62 + 28,8*(CO/(CO+ H₂)) - 18,2*(CO/(CO+ H₂))^2 - 0,244*[Si] + 0,00143*t_ч + 0,00278*

-парциальное давление СО в колошниковом газе; t_ч – температура чугуна на выпуске

Окончательное содержание углерода в чугуне зависит от устойчивости карбидов, которая во многом определяется наличием в чугуне примесей. Марганец, хром, ванадий образуют карбиды, способствуя увеличению содержания углерода в чугуне. Кремний, алюминий, фосфор, медь, наоборот, способствуют снижению содержания углерода в чугуне.

Дата добавления: 2015-04-24