Восстановление марганца. Выплавка марганцовистых чугунов
Марганец в виде силикатов марганца [MnO·SiO2] содержится в железорудных компонентах доменной шихты (и в том числе в марганцевой руде, используемой в производстве высокомарганцевого чугуна или специального чугуна – доменного ферромарганца). В железных и марганцевых рудах имеются окислы марганца [MnO2; Mn2O3; Mn3O4]. Высшие окислы марганца, довольно легко, восстанавливаются доменными газами до [MnO] в районе колошника печи при умеренных температурах. Эти реакции – экзотермические и только реакция прямого восстановления марганца до металлического марганца: MnO + C = Mn + CO является эндотермической.
В доменной печи возможно образование карбида марганца по реакции: 3MnO + 4C = Mn3C + 3CO. В присутствии железа процесс восстановления марганца протекает в интервале температур (1100…1300) ºС. Большая часть марганца в виде [MnO·SiO2] переходит в шлак, не растворяясь в чугуне. Однако известь в шлаке, а шлак всегда основной, частично разрушает силикат марганца: MnO·SiO2 + CaO + C = Mn + CaO·SiO2 + CO (с поглощением тепла). Катализаторами процесса восстановления [MnO] до [Mn] служат углерод и железо.
Итак, [MnO] восстанавливается только при высокой температуре и основная часть марганца – (35…45)% остается в шлаке. При производстве доменного ферромарганца добиваются степени восстановления марганца – 90%.
Для максимального извлечения марганца из шихтовых материалов, непосредственно в доменной печи, необходимо увеличить расход кокса, температуру дутья до 1200 0С, обогащать дутье кислородом, повышать основность шлака, то есть вести расточительный технологический процесс доменной плавки. Так же, как и ферросилиций, ферромарганец выплавляется в электропечах. Содержание марганца в передельном чугуне – (0,5…1,5)%, а в литейном – (0,25…1,75)%.
|
|
|
Образование чугуна и шлака в доменной печи (науглероживание железа и плавление материалов шихты)
Находясь в постоянном контакте с доменными газами и раскаленным коксом, “губчатое” железо, образовавшееся в результате его восстановления, постепенно науглероживается и образуется чугун. С повышением температуры в печи, растворимость углерода в железе повышается до (5…6)%. Процесс науглероживания начинается еще в твердом состоянии компонентов шихты. Свежевосстановленное “губчатое” железо служит катализатором для распада окиси углерода на сажистый углерод и двуокись углерода по химической реакции: 2CO ® C + CO2 + Q кал (реакция Белла-Будуара). Затем, химически активный сажистый углерод образует карбид железа: 3Fe + C = Fe3C. Итоговая реакция: 3Fe + 2CO ® Fe3C + CO2 + Q кал.
В чугун переходят и другие элементы, восстановленные из окислов, входивших в состав шихты: Si; Mn; P; V; As; Cr; Ni; Cu; S. Карбидообразующие элементы [Mn; Cr] способствуют повышению содержания углерода в чугуне, а вот [S; P; Si], образуя карбиды, способствуют понижению содержания углерода в чугуне, так как они разрушают Fe3C.
|
|
|
Образование шлака происходит одновременно с образованием чугуна. Вначале образуется первичный шлак из невосстановившихся оксидов CaO; MgO; Al2O3; SiO2. В первичном шлаке имеются повышенные концентрации MnO и FeO. Шлак стекает вниз, нагревается, изменяется по химическому составу, увеличиваясь в объеме. В шлаке растворяются все большие количества CaO; MgO; Al2O3 и SiO2, в то время как содержание FeO и MnO в шлаке уменьшается, так как по ходу процесса происходит восстановление этих металлов. На уровне воздушных фурм, в шлак переходит зола топлива.
Сера постепенно переходит в шлак, вступая во взаимодействие с [CaO и MgO]. Ее окончательное содержание в шлаке устанавливается в горне при контакте слоев шлака и чугуна.
От свойств первичного и конечного шлаков зависит ровность хода печи и содержание серы в чугуне. Конечный шлак на (85…95)% состоит из SiO2, а также содержит (2…10)% MgO; (0,3…3)% MnO;(0,2…0,6)% Fe и (1,5…2,5)% S в виде [CaS].
Относительно высокое содержание [MgO] в шлаке специально поддерживают для обеспечения хорошей жидкоподвижности (жидкотекучести) шлака, которой он обладает при температурах более 1400 ºС.
|
|
|
Поведение фосфора в доменной плавке
Фосфор, в большинстве случаев, отрицательно влияет на комплекс физико-механических свойств чугуна и стали и поэтому стремятся ограничить его содержание в чугуне. Фосфор поступает в печь с пустой породой шихтовых материалов, чаще всего, в виде прочного химического соединения – тетракальций фосфата – [(CaO)4·P2O5] – солью фосфорной кислоты [H3PO4]. Разложение этой соли на [CaO] и [P2O5] начинается лишь при ее нагреве до 1500 ºС, однако, в присутствии [SiO2], металлического железа и избытка углерода, процесс начинается при более низких температурах, проходит более полно и с более высокой скоростью при больших количествах кремнезема в шихте, что имеет место при любом составе шихты. Высвободившийся фосфорный ангидрид [P2O5] восстанавливается углеродом до чистого фосфора, который тут же растворяется в железе в виде фосфидной эвтектики. Она обволакивает зерна феррита (почти химически чистого железа), разобщает их и снижает прочность металла при низких температурах обработки давлением (в диапазоне 700–800 ºС). Такое явление получило название хладноломкости металла (стали). Так как в горне доменной печи температура всегда выше 1100 ºС, то весь фосфор переходит в чугун, а затем и в сталь, резко ухудшая ее качество. Добиться получения низкофосфористого чугуна можно только путем применения железных руд, содержащих небольшие количества фосфора.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 907; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!