Кислородно-конвертерный сп-б произв-ва стали.

Кислородно-конвертерный(КК) м-д выплавки стали — это один из вариантов конвертерного метода, предложенного в 1856 году Г.Бессемером.

Теоретические основы процесса

Кислородно-конвертерный процесс — один из видов передела чугуна в сталь без использования топлива путем продувки чугуна в конвертере током кислорода. При этом окислительный и восстановительный периоды плавки разделены не только по времени, но и в пространстве: первый протекает в конвертере, второй — после выпуска стали в ковше. Окислительный период плавки

1. Окисление железа. Вследствие высокой (приближающейся к 100%) концентрации железа в шихте оно окисляется, непосредственно газообразным кислородом на поверхности металла в зоне его контакта с кислородной струей:

2Fe + О2 = 2FeO

В незначительной степени железо может окисляться в массе металла за счет высших оксидов железа, содержащихся в руде и стальном ломе:

Fe + Fe2O3 - 3FeO

2. Окисление углерода является основной реакцией при выплавке стали, так как снижает его содержание до предела, за которым чугун превращается в сталь. Угдерод окисляется премущественно до оксида углерода (II); Окисление начинается с момента подачи кислорода в конвертер и происходит гл.обр. за счет кислорода, раств-го в металле:

[С].+ [О] = СО

и в шлаке: [С] + (FeO) = СО

3. Окисление марганца и кремния. Эти реакции, как и окисление углерода, начинаются с момента подачи кислорода и происходят за счет кислорода, растворенного в металле:

[Мп] + [О] à (МnО)

[Si] + 2[О] à(SiO2)

и в меньшей степени за счет кислорода, растворенного в шлаке, на границе раздела фаз «шлак—металл»:

[Мп] + (FeO) = (МпО) + Fe

[Si] + 2(FeO) = (SiO2) + 2Fe

Окисление марганца наиболее интенсивно происходит в начале продувки и за 3—5 мин. окисляется до 70% марганца, содержащегося в чугуне.

Высокая скорость окисления марганца и относительно низкая температура в начале плавки ограничивает скорость окисления углерода. В дальнейшем, при снижении

содержания марганца и кремния скорость окисления углерода возрастает и падает только при его выгорании.

4. Реакции дефосфоризации и десульфуризации. Удаление из металла фосфора и серы необходимо потому, что фосфор увеличивает хладоломкость, а сера красноломкость выплавляемой стали. Фосфор растворяется в железе в значительных количествах и переходит в него из чугуна и железного лома. При дродувке конвертера фосфор окисляется уже в начале процесса и переходит в шлак:

2[Р] + 5(FeO) + З(СаО) = (ЗСаОР205) + 5Fe - АН

5. Образование шлака. Шлак в процессе плавки образуется в результате взаимодействия основных, кислотных и амфотерных оксидов различных элементов в составе металлической шихты:

МеО + ЭО = МеО-ЭО

Основным источником шлакообразования становится поступающий в конвертер оксид кальция СаО и продукты окисления компонентов чугуна (SiO2, MnO, FeO, P2O5), а также оксиды из растворяющейся футеровки конвертера (СаО, MgO).

В процессе плавки шлак выполняет несколько функций:

— связывает оксиды, образующиеся при окислении компонентов металлической шихты;

— служит переносчиком кислорода из газовой фазы к жидкому металлу;

— является теплопередающей фазой (при электроплавке);

— защищает металл от насыщения газами из газовой фазы. Вследствие этого состав, вязкость, количество и скорость

образования шлака при плавке оказывают существенное влияние на качество и выход стали и стойкость футеровки конвертера.

При этом обеспечивается нагрев стали, выпускаемой из конвертера, до 1600—1650С, что значительно выше температуры заливаемого чугуна (1250—1400С).

Б. Восстановительный период плавки при кислородно-конверторной выплавке стали пространственно отделен от окислительного и протекает после выпуска стали из конвертера в ковше. Одновременно с восстановлением оксида железа FeO в восстановительныи период происходит процесс перевода растворенного в стали кислорода в нерастворимые в металле соединения и отделение их от стали. В качестве реагентов для раскисления, восстанавливающих оксид железа FeO и связывающих растворенный в стали кислород, используют так называемые раскислители, к которым относятся элементы с большим сродством к кислороду, чем железо. Обычно для этой цели применяют марганец и кремний в виде соответствующих ферросплавов, алюминий и сплавы некоторых редкоземельных металлов. При этом протекают реакции:

Мп + [О] = (MnO); Si + 2{О] = (SiO2) и

Mn + (FeO) = Fe + (MnO); Si + 2(FeO) - 2Fe + (SiO2)

Образовавшиеся оксиды раскисляющих элементов переходят в шлак.

Обычно процесс раскисления стали совмещается с введением в нее легирующих добавок в виде ферросплавов, содержащих соответствующие легирующие элементы.

4 7. Выплавка стали в электропечах.

Выплавка стали осуществляется в электрических 3хфазных печах,на переменном токе с напряжением 120-150В. Печь состоит из стального кожуха футерованного магнезитовым кирпичом. Верх.футеровка- хромомагнезитовая,в кот. встроены электроды. Удобны качающиеся печи, кот.м/т наклоняться для выпуска стали и шлака. м/у электородам и жидк. металлом возникают эл.дуги с темп.4000град => в этих печах м/о выплавлять тугоплавкие стали и стали высокого кач-ва. При доб. лигирующих добавок получ. лигированные тугоплавкие ферростали. В печь не подается не воздух, не кислород è атмосфера не окислительная. Это снижает потерю чугуна и лигированных добавок.Окислителем служит FeO.

рис.

Время плавки зависит от состава стали.За 1 плавку выпускают 350т стали. Расход электроэнергии составляет 400-1000кВт/час на 1т стали. Очень энергоемкий пр-сс.

Х-зм пр-са.

После загрузки тв. шихты и жидк.чугуна под действием О2 воздуха нач-ся быстрое окисление Fe: 2Fe+O2à 2FeO

Руда,кот. имеется в шихте, восст-ся до FeO, кот. хорошо рас-ся в жидком Me

Fe2O3 + Fe à3 FeO

FeO активно взаим-ет с примесями

Si + FeO à Fe + SiO2 (при добавлении флюсов образуют шлак)

P + FeOà Fe + P2O5

Mn + FeO à Fe + MnO

Частично в шлак переходит и S: FeS + CaOà FeO + CaS (нераств-м в Ме, тоже переходит в шлак.

Обр-ся слой шлака изолирует Ме от О2, поэт. пр-сс резко замедляется.

рис

Оксиды Fe после обр-ся шлака служат переносчиками О2 от газа к Ме,т.е. FeO диффундирует на пов-ть шлака, ок-ся О2 до Fe2O3,часть его переходит в Ме, а часть снова дифф-ет, но пр-сс окис-я идет медл.

Вследствии нагревании пламени темп. повышается до 1600град. и нач-ет интенсивно протекать р/ия ок-ия «С»: FeO + Cà Fe + CO

Угар.газ выд-ся в виде пузырьков и Ме как бы закипает, этот п/д – «кипение» стали. После чего дел-т кол-ный экспресс ан-з на сод. примесей – Si, Fe, P, C. Для разл. сортов стали – опр-е значение сод-я примесей. После удовл-го ан-за шлак удаляют, а в сталь вводят раскислители(Al, железокремниевые, железомарганцевые). Раскисление – это пр-сс восст-я FeO. 2 FeO +Si à 2 Fe + SiO2

Снова проводят ан-з, доводя все значения до опр-х велечин.

4 8. Получение окиси алюминия по сп-бу Байера

Сырье: алюминиевые руды,сод. Al2O3:

1. Бокситы - Al2O3*nH2O. В природе встреч-ся в 2х формах: диаспор НAlO2; гидроаргелит – Al(OН)3, сод-е Al2O3 в бокситах- 46-48%.

Кр.месторожд.:Кустанайская, Кемеревская, Северо-южно-уральск.

2. Нефелины – составная часть аппатито-нефелиновой руды:

Na2O(K2O)*Al2O3*2SiO2 + 3Ca3(PO4)2*CaF2 (нефелин+апатит)

Для произв-ва Al исп-ют нефелин.концентрат, где сод-е Al2O3 – 20-30%,

Кр.месторожд.:Красноярский край, Армения, Узбекистан.

3. Алунит – K2SO4*Al2(SO4)3*Al(OH)3, сод. Al2O3 до 20%.

Азербайджан, Казахстан.

4. Кланид (селиманит) - Al2O3*SiO2

5. Каолин (бел.глина) - Al2O3*2SiO2*2H2O

Сырье имеет разл.примеси. Особенно затрудняет выделение оксида Al, песок и кварц, карбонаты и оксиды Fe, придающие бокситам кр.окраску. Легко перерабатыв.бокситы с сод.песка-5%. Чаще сод-е SiO2 – 15-20%. Поэт. сырье требует допол-го обогащения. Al в металлургии получают в 2этапа: переработка сырья в глинозем(чист. Al2O3) осущ-ся мокрым выщелачиванием р-ра NaOH, м-д разработан в Рос.в 1892г Байером. И 2ой этап: - электролиз Al2O3 с получ. чист. Al.

Гидрометаллургич.сп-б переработки бокситов.

Основан на взаим-е р-ров NaOH с диаспором или гидрогидритом при нагревании они переходят в р-р. алюминат Na. Этот пр-сс- выщелачивание.

HAlO2 + NaOH à NaAlO2 + H2O

Al(OH)3 + NaOH à NaAlO2 + 2 H2O

В боксите присутствует SiO2, так же при нагревании реагирует с NaOH с обр-ем силиката Na, кот-й взаимод-ет с алюминатом, образуя осадок алюмосиликат.

SiO2 + 2NaOH (t)/à Na2SiO3 + H2O

Na2SiO3 + 2NaAlO2 + H2O à Na2O*2SiO2*2H2O(алюмосиликат) + 4 NaOH

В итоге все примеси (SiO2, Fe2O3) уходят в осадок, а Al в виде алюмината Na нах-ся в р-ре.

Осадок за счет соед. Fe имеет кр.окраску, поэт. его назв. кр.шлам.

Гидроаргеритовый боксит (Al(OH)3) выщелачивают при t=100град. в теч. 1ого часа в неск-ких открытых аппаратах с мешалками.

Диаспоровый боксит(HAlO2) выщелачивают при t 220-240 град., р-23-33атм.,в теч. 2,5часов, т.к. он более трудно переходит в р-р. Осущ-ся в автоклаве. Оттуда пульпа отправляется в самоиспаритель, где снижается р и происходит сильное вскипание. Выдел.большое кол-во пара,кот. идет на подогрев нов. порции сырья. З/м пульпу разбавляют 3раза промывной водой от кр.шлама и она перетекает в сгуститель-бак с коническим дном и медл.вращ-ся мешалкой. Кр.шлам подгребается к центру и удал.ч/з разгруз.отверстия. Для быстрого осаждения шлама в р-р доб-т коагулянты, флокулянты, напр., полиакриламид. Р-р алюмината сливают и фильтруют. Фильтрат сод. 120г/л в перечисление на Al2O3, степень извлеч.- 85-92%.

Выдел.гидроокиси происходит в рез-те гидролиза Al-ната Na вследствие охл-ния с 60 до 40град. В теч.60-90 часов при постоянном помешивании – выкручивание.

NaAlO2 + H2O à Al(OH)3 + NaOH

Из р-ра в осадок переходит 50-55% Al2O3. Применяют принцип циркуляции: оставшийся

NaOH и 45-50% Al-ната Na возвращается в цикл, пройдя упаривание. Для эффек-ти выкручивания в Al-нат доб-т затравку – ранее получ. Al(OH)3, кристаллики кот-го служат центрами крист-ции.

Далее Al(OH)3 в сгустителях оседают. З/м его промывают и фильтруют, осадок прокаливают при 1200град. во вращ-хся печах. Этот пр-сс кальцинация:

2 Al(OH)3 (1200град.)/à Al2O3 + 3H2O

схема

4 9. Произ-во Al э/хим-м сп-бом. Применение Al

Сырье: алюминиевые руды,сод. Al2O3:

1. Бокситы - Al2O3*nH2O. В природе встреч-ся в 2х формах: диаспор НAlO2; гидроаргелит – Al(OН)3, сод-е Al2O3 в бокситах- 46-48%.

Кр.месторожд.:Кустанайская, Кемеревская, Северо-южно-уральск.

2. Нефелины – составная часть аппатито-нефелиновой руды:

Na2O(K2O)*Al2O3*2SiO2 + 3Ca3(PO4)2*CaF2 (нефелин+апатит)

Для произв-ва Al исп-ют нефелин.концентрат, где сод-е Al2O3 – 20-30%,

Кр.месторожд.:Красноярский край, Армения, Узбекистан.

3. Алунит – K2SO4*Al2(SO4)3*Al(OH)3, сод. Al2O3 до 20%.

Азербайджан, Казахстан.

4. Кланид (селиманит) - Al2O3*SiO2

5. Каолин (бел.глина) - Al2O3*2SiO2*2H2O

Сырье имеет разл.примеси. Особенно затрудняет выделение оксида Al, песок и кварц, карбонаты и оксиды Fe, придающие бокситам кр.окраску. Легко перерабатыв.бокситы с сод.песка-5%. Чаще сод-е SiO2 – 15-20%. Поэт. сырье требует допол-го обогащения. Al в металлургии получают в 2этапа: переработка сырья в глинозем(чист. Al2O3) осущ-ся мокрым выщелачиванием р-ра NaOH, м-д разработан в Рос.в 1892г Байером. И 2ой этап: - электролиз Al2O3 с получ. чист. Al.

Al2O3 – глинозем – это прочное соед-е, t пл.=2050град., Al не восст-ся ни углем,ни Ме-ми, хотя углерод восс-ет Al при t=2100град., но при этом обр-ся карбид Al (Al4C3)=> единств. сп-б получ. Ме-го Al – электролиз.

Электролиз проводят из р-ра Al2O3. Из большого кол-ва изученных раств-лей наиболее подходящим оказался расплавленный креолит(Na3AlF6 - гексафторалюмината Na). Креолит получ. искусственно при взаимод-ии плавиков.к-ты, гидроксида Al и соды:

6HF + Al(OH)3 à H3AlF6 + 3H2O

2H3AlF6 + 3Na2CO3 à 2 Na3AlF6 + 3CO2 + 3 H2O

tпл. креолита= 1000град.

Для снижения tпл. в него доб-т 8-10% фторидов Ca, Mg, Al. В рез-те tпл.уменьш. до 950-970град.

Электролит.сп-б получ. Al был разработан Федотьевым и 1ый Al-ый завод Волховский начал работать с 1932г.

Х-зм пр-са

Креолит в расплаве подвергается диссоциации на ионы:

Na3AlF6 ó 3Na+ + AlF63-

AlF63-ó Al3+ + 6F- (частично)

Al2O3ó 2Al 3+ + 3O2-

Al2O3 диссоциирует в расплавленном креолите.

На катоде б/т разряжаться ионы Al:

K(-): Al3+ + 3e- à Al⁰

На аноде ионы О2.

Катодом служит выдели-ся ранее жидк.Al,т.к. t пл. Al= 660град.

О2 реагирует с угольным анодом с обр-ем угарн.газа (СО),кот. в горелке сжигается до СО2.

Поэт.О2 в рез-те электролиза не выдел. Этот пр-сс требует большой затраты электроэнергии. На электродах поддерживается напряжение ~4,5 В. Непосредственно на выдел. Al затрачивается 1/3 всей электроэнергии. Остальная превращается в теплоту, кот. подд-ет электролит в расплав.состоянии без внешнего подогрева.

Схема электролизера для выплаки Al.

Р-р электролита доб-т кажд.2мин., спец-ым приспособлением. Корка застывшего электролита постоянно разбивается. Al накапливается на дне ванны, выполняя роль катода. Извлекают Al 1раз в сут. Для этого в корке пробивают отверстие, опускают трубку, соед-ую с вакуумным насосом, кот. откачивает Al в формы. Произ-ть электролизера – 1,2т/сут.

Применение

Al имеет комплекс ценных свойств:

- малая плотность (ρ = 2,7 г/см³),

- легкость (Al в 3 раза легче стали),

- пластичность,

- высокие тепло- и электропроводность. Хотя электрическая проводимость Al меньше, чем у Cu (60% электропроводности Cu), но это компенсируется легкостью алюминия, позволяющей делать провода более толстыми, при одинаковой электропроводности алюминиевый провод весит вдвое меньше медного.

- не токсичность,

- не магнитность,

- коррозионная стойкость,

- низкая стоимость,

поэтому Al находит очень широкое применение:

транспорт – авиаконструкции, двигатели, судостроение, вагоны;

строительство – ангары, рамы, хранилища, теплицы;

электротехника – кабели, конденсаторы, выпрямители;

машино- приборостроение – моторы, блоки цилиндров, насосы, контрольно-измерительная аппаратура;

тара и упаковочный материал – бачки, фляги, емкости для консервирования, пивные банки, фольга;

предметы домашнего обихода – посуда, столовые приборы;

получение различных сплавов – дуралюмины, силумины, алюминиевые бронзы;

алитирование – насыщение поверхности стальных и чугунных изделий алюминием с целью защиты от окисления при сильном нагревании;

Алюминий высокой чистоты используется в ядерной энергетике, радиолокации, для изготовления отражающих поверхностей, зеркал;

Алюмотермии;

Раскисление сталей;

алюминиевая краска, (алюминиевая пудра, растворенная в олифе);

в пиротехнике (порошок Al как восстановитель);

получение термита (смесь порошка алюминия и оксидов железа, используется для термитной сварки металлов).