ΜΑΘΗΜΑ 12°

ΧΗΜΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΜΕΣΑ ΣΤΗΝ ΥΨΙΚΑΜΙΝΟ

Ι. Χημικές αντιδράσεις μέσα στο πηγάδι

Τ < 1000-1100 οC

Αναγωγή οξειδίων του σιδήρου

Διάσπαση Ανθρακικών Ενώσεων

CaCO3 = CaO + CO2 = + 42.86 kcal

MgCO3 = MgO + CO2 = + 27.95 kcal

Διάσπαση CaCO3 όταν T 820 οC

Αντιδράσεις Θείου

Αναγωγικές συνθήκες

Συνεπώς, δεν σχηματίζονται SO2, SO3 αλλά H2, COS

FeO + COS = FeS + CO2 = - 19.2 kcal

CaO + COS = CaS + CO2 = - 18.2 kcal

Άλλες Αντιδράσεις

MnO2, Mn3O4 Κατώτερα οξείδια

MnO2 + CO = MnO + CO2 = - 35.4 kcal

Mn3O4 + CO = 3MnO + CO2 = - 12.5 kcal

Οξείδια Cu, Ni, Sn, Zn

MeO + CO = Me + CO2

(όπου Me = Cu, Ni, Sn, Zn)

02980298

0298

02980298

0298

ΙΙ. Χημικές αντιδράσεις μέσα στη βάση

T > 1000 – 1100 oC

- Αναγωγή άλλων οξειδίων (Mn, Si, Cr, Ti…)

- Σχηματισμός σκουριάς και

- Σίδηρος Χυτοσίδηρο

Αναγωγή άλλων οξειδίων

MnO, Cr2O3, SiO2, TiO2, P2O5, As2O5

Π.χ. MnO

MnO + C = Mn + CO = + 65.6 kcal

ή

> 0

Αν αυξάνει η θερμοκρασία Τ, τότε το Κ αυξάνει ( > 0)

Θερμοκρασία αναγωγής MnO

C + ½ O2 = CO = -26700 – 20.95 T

MnO = Mn + ½ O2 = 91950 – 17.4 T

MnO + C = Mn + CO = 65250 – 38.35 T

0298KRTSTHG o

ToT

oT ln

R

S

RT

HK

oT

oT

ln

0298

oTG

oTG

oTG

ΔGT = + R T lnPCO

Για

PCO = 0.40 atm

ΔGT = 65250 – 38.35 T + 4.575 T log0.4 = 65250 – 40.17 T

Οπότε T = 1624 K (1350 οC)

Αν η βασικότητα αυξάνει, τότε η αναγωγή MnO δεξιά

Αναγωγή SiO2

SiO2 + 2C = Si + 2CO = + 164.8 kcal

Αφού > 0

Αν η θερμοκρασία Τ αυξάνει τότε και το Κ αυξάνει.

Αναγωγή P2O5

P2O5 + 5 C = 2P + 5CO = + 224.5 kcal

Αν το Τ αυξάνει τότε και το Κ αυξάνει ( > 0)

Όξινη σκουριά [P]Fe%

Αναγωγή As2O5 ως P2O5.

Αναγωγή TiO2

Αν TiO2 < 2%

[Ti]Fe σ.τ. του Fe

Αν (TiO2)σκουριά > 1.5% παχύρευστη σκουριά

oTG

0298

0298

0298

0298

Αντιδράσεις Σχηματισμού Σκουριάς

Al2O3, CaO, MgO, BaO κ.α. Δεν ανάγονται

SiO2, MnO, Cr2O3 κ.α. Ανάγονται μερικώς

2CaO.SiO2 Ορθοπυριτικό ασβέστιο

CaO.SiO2 Μεταπυριτικό ασβέστιο

3CaO.2SiO2 Πύρο-πυριτικό ασβέστιο

2CaO.MgO.2SiO2 Ακερμανίτης

CaO.MgO.SiO2 Μοντισελίτης

CaO.Al2O3.2SiO2 Ανορθίτης

2CaO.Al2O3.SiO2 Γκελενίτης

MnO.SiO2

FeO.SiO2

(Mn,Fe)O.SiO2

Αντιδράσεις Ρύπανσης του Σιδήρου

Εικόνα πίσω

Σίδηρος Χυτοσίδηρος

Αποθείωση

(FeS) + (CaO) = (FeO) + (CaS) = - 4.4 kcal

CSiύ ,

0298

Εικόνα 17: Μεταβολή της περιεκτικότητας του μετάλλου σε Si, S και C.

ΙΙΙ. Χημικές αντιδράσεις μέσα στο χωνευτήριο

-Ζώνη καύσης και

-Αντιδράσεις μεταξύ μετάλλου - σκουριάς

Αντιδράσεις στη Ζώνη Καύσης

(Μόνη στερεά φάση ο C)

Ταέρα ~ 1250 οC

Pαέρα = 2-3 atm ή 4-5 atm (για υψηλή πίεση κορυφής)

C + O2 = CΟ2 = - 94.05 kcal

Tζώνης 1800 οC

CO2 + C = 2CO = + 41.21 kcal

Αντιδράσεις Μετάλλου – Σκουριάς (Μη αναμίξιμα υγρά)

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO) = - 4.38 kcal

(SiO2) + 2C = [Si] + 2CO = + 164.8 kcal

Αποθείωση

3Fe + SO2 = FeS + 2FeO = - 78.8 kcal

10FeO + SO2 = FeS + 3Fe3O4 = - 120.8 kcal

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO) = - 4.38 kcal

(FeO) + [C] = CO + Fe = + 37.28 kcal

2(FeO) + [Si] = (SiO2) + 2[Fe] = - 77.6 kcal

[FeS] + (CaO) + [C] = (CaS) + CO + Fe = + 32.9 kcal

2[FeS] + 2(CaO) + [Si] = 2(CaS) + (SiO2) + 2Fe = - 86.36 kcal

0298

0298

0298029802980298

0298

0298

0298

0298

0298

ΣΥΝΟΨΗ ΤΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΤΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ (ΜΕΣΑ ΣΤΗΝ ΥΨΙΚΑΜΙΝΟ)

-Κύριες ζώνες αντιδράσεων: Εικόνα 18 -Συνολική αντίδραση: Μετάλλευμα + Κώκ + Ασβεστόλιθος + Αέρας = Χυτοσίδηρος + Σκουριά + Απαέρια-Αναγωγή Εικόνα 13. Επίδραση της θερμοκρασίας στο ποσοστό [S%] και [Si%]

ΚΩΚ-Παροχή θερμότητας-Αναγωγικό μέσο ΣΗΜΑΝΤΙΚΟΤΕΡΕΣ ΧΗΜΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ (στην Υψικάμινο)1. Καύση του κώκ. 2. Αναγωγή των οξειδίων. 3. Τήξη των στείρων και της τέφρας.-Καύση κωκ

2C+O2 = 2CO = - 52.84 kcalΑνάπτυξη θερμοκρασίας T 1800 oCTo CO ανέρχεται, θερμαίνει και ανάγει

Το Ν2 δρα ως μέσο μεταφοράς θερμότητας

-Αναγωγή των οξειδίων του Fe

Απομάκρυνση του SFeS(στο Fe) + CaO = CaS(σκουριά) + FeO < 0Απαιτεί επίσης χαμηλή Τ και υψηλή βασικότητα.-Ικανοποιητική ροή σκουριάς για Τ 1400-1500 οC

0298

0298

Εικόνα 18. Κύριες ζώνες χημικών αντιδράσεων στην υψικάμινο

Εικόνα 19. Επίδραση της θερμοκρασίας στο ποσοστό [S%] και [Si%] στο χυτοσίδηρο

ΣΥΣΤΑΣΗ ΧΥΤΟΣΙΔΗΡΟΥ

Εξαρτάται από

-Τη σύσταση τροφοδοσίας

-Τη σύσταση σκουριάς

-Τη θερμοκρασία του χωνευτηρίου

Οι σχετικές αναλογίες βαρών πρώτων υλών και προϊόντων προς παραγωγή ενός τόνου χυτοσιδήρου

δίνονται στον πίνακα 11.

Εισερχόμενα Προϊόντα

Ά Ύλες Βάρος Εξάγονται Βάρος

t % t %

1. Μετάλλευμα (Fe 61.3%)

1,61   32,8 1.Χυτοσίδηρος 1,00 20,3

2. Κωκ 0,52 10,5 2. Σκουριά 0,21 4,3

3. Ασβεστόλιθος 0,18 3,6 3. Απαέρια και σκόνη

3,71 75,4

4. Αέρας 2,61*

(2,01 103 m3)

53,1

Σύνολο 4,92 100,0 4,92 100,0

Πίνακας 11. Ενδεικτικό ισοζύγιο μαζών της υψικαμίνου.

Συστατικό Χυτοσίδηρος

(%)

Μαλακτός

Σίδηρος*

(%)

Σπογγώδης

Σίδηρος

(%)

Μαλακός

Χάλυβας

(%)

Χάλυβας

(%)

C 3,5 – 4,5 0,02 1 0,12 < 1

Si 0,5 – 1,5 0,09 0 0,15 0,5

Mn 0,5 – 2,5 0,40 0 0,67 0,5-1,5

S 0,7 0,02 0,02 0,05 < 0,03

P 0,06 - 3,0 0,10 0,13 0,046 < 0,03

Fe 94 85-90 97

Φυσικές

Ιδιότητες

Σκληρός

Εύθραυστος

Μαλακός

Ελατός

Όλκιμος

Κοκκώδες

Υλικό

Μαλακός

Ελατός

Όλκιμος

Μαλακός

Ελατός

Όλκιμος

Ακαθαρσίες

(SiO2, CaO,

MgO, Al2O3,

κλπ)

Δεν έχει * 10 Δεν έχει Δεν έχει

FeO 15

*Ο μαλακτός σίδηρος φαίνεται στο μικροσκόπιο ως μηχανικό μίγμα φερρίτη (Feα) και σκουριάς. Είναι η καθαρότερη πρώτη ύλη για παραγωγή ειδικών χαλύβων

Πίνακας 12. Τυπική χημική ανάλυση χυτοσιδήρου, μαλακτού σιδήρου, σπογγώδους σιδήρου, μαλακού χάλυβα και χάλυβα