Новые процессы получения металла (металлургия железа)

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Новые процессы получения металла (металлургия железа)

Рецензенты: докт.техн.наук, проф. ВJtЛогинов, ' \ { |' докт.техн.наук С.ЕЛазуткин
...
Изложены теоретические, технологические и экологические вопросы бездо-меиной металлургии железа, как наиболее значимой альтернативы традиционной металлургии. Рассмотрены требования к шихте и восстановителям, а также методы их получения и подготовки. Описана технология процессов получения твердого и жидкого металла и оборудование цехов прямого получения железа. Приведены расчетры агрегатов.
...
§ 2. Сравнение некоторых характеристик металлургии чугуна и металлургии железа. Причины развития металлургии железа . .
...
До настоящего времени основное количество черных металлов (более 98 %) получают по двухступенчатой схеме чугун-сталь. По этой схеме железо из руды в ходе доменной плавки практически полностью переходит в чугун, а сталь производят из чугуна в конвертерах или сталеплавильных печах. При этом не имеет значения, как отмечал А.Н.Пох-виснев, с какой долей скрапа (вплоть до 100 %) была получена сталь, так как скрап, в свою очередь, был получен из чугуна.
...
Двухстадийный процесс, несмотря на кажущуюся сложность по сравнению с непосредственным производством стали из руды, имеет следующие преимущества: возможность получать металл заданной марки из любого железорудного материала, высокую единичную производительность агрегата, сравнительно низкий уровень материальных и энергетических затрат и др. До последнего времени ни один из способов прямого получения стали из руды не выдерживал конкуренции с двухступенчатой схемой.
...
Во второй половине XX в. ситуация в промышленности резко изменилась. Возникшие дефициты источников энергии, территории, распространение производства металла в развивающихся странах, резкий рост требований к качеству металла и возросшие требования экологии заставили пересмотреть критерии успеха при получении черных металлов. Оказалось, например, что максимальная производительность труда, характерная для наиболее мощных доменных печей и конвертеров, и низкий уровень энергетических затрат в них не являются сами по себе доказательствами преимущества этих агрегатов, так как это может не соответствовать конечным народнохозяйственным критериям эффективности. Существенно выросло значение фактора "комфортности" человека на производстве, уровня интеллектуального взноса при участии его в производственном процессе. Вероятно, что эти факторы еще не очень осознанно, но все более мощно влияют на структуру производства и его содержание. Не 4
...
До настоящего времени основное количество черных металлов (более 98 %) получают по двухступенчатой схеме чугун-сталь. По этой схеме железо из руды в ходе доменной плавки практически полностью переходит в чугун, а сталь производят из чугуна в конвертерах или сталеплавильных печах. При этом не имеет значения, как отмечал А.Н.Пох-виснев, с какой долей скрапа (вплоть до 100 %) была получена сталь, так как скрап, в свою очередь, был получен из чугуна.
...
Двухстадийный процесс, несмотря на кажущуюся сложность по сравнению с непосредственным производством стали из руды, имеет следующие преимущества: возможность получать металл заданной марки из любого железорудного материала, высокую единичную производительность агрегата, сравнительно низкий уровень материальных и энергетических затрат и др. До последнего времени ни один из способов прямого получения стали из руды не выдерживал конкуренции с двухступенчатой схемой.
...
Во второй половине XX в. ситуация в промышленности резко изменилась. Возникшие дефициты источников энергии, территории, распространение производства металла в развивающихся странах, резкий рост требований к качеству металла и возросшие требования экологии заставили пересмотреть критерии успеха при получении черных металлов. Оказалось, например, что максимальная производительность труда, характерная для наиболее мощных доменных печей и конвертеров, и низкий уровень энергетических затрат в них не являются сами по себе доказательствами преимущества этих агрегатов, так как это может не соответствовать конечным народнохозяйственным критериям эффективности. Существенно выросло значение фактора "комфортности" человека на производстве, уровня интеллектуального взноса при участии его в производственном процессе. Вероятно, что эти факторы еще не очень осознанно, но все более мощно влияют на структуру производства и его содержание. Не 4
...
случайно именно во второй половине XX в. в металлургической промышленности начали активно проявлять себя нетрадиционные методы производства металла. Эти способы часто объединяют одним названием "прямое получение железа", хотя это не очень точно, о чем будет более подробно сказано далее.
...
Новые схемы производства металла развиваются во всех регионах мира, как в передовых, так и в развивающихся странах. В нашей стране с начала 80-х годов функционирует Оскольский электрометаллургический комбинат, не имеющий доменных печей и являющийся одним из наиболее крупных подобных заводов в мире. Намечается строительство аналогичных производств в других районах страны. Производство первичного металла в агрегатах бездоменной металлургии отличается рядом особенностей, не позволяющих использовать книги по доменному производству в качестве учебников для новых технологий.
...
Настоящий учебник является одним из первых учебников, посвященных анализу бездоменной технологии производства металла из руд. Он создан на основе многолетнего чтения разделов специальных курсов и целиком новых специальных дисциплин в Московском институте стали и сплавов и Днепропетровском металлургическом институте. Авторы стремились при подготовке учебника использовать весь экспери: ментальный и производственный материал, накопленный в промышленности и научных исследованиях с учетом новейших достижений физической химии, теплофизики и теплоэнергетики, газодинамики и других фундаментальных дисциплин. Выбор наиболее важных и общих закономерностей из большого фактического материала, относящегося как к крупномасштабным, используемым в промышленности технологиям, так и к перспективным, но еще проходящим стадию проверки процессам, представил основную трудность для авторов и вероятно привел к некоторой субъективности их позиции, что характерно для многих книг и авторов. Поэтому авторы с благодарностью примут замечания читателей этой книги.
...
случайно именно во второй половине XX в. в металлургической промышленности начали активно проявлять себя нетрадиционные методы производства металла. Эти способы часто объединяют одним названием "прямое получение железа", хотя это не очень точно, о чем будет более подробно сказано далее.
...
Новые схемы производства металла развиваются во всех регионах мира, как в передовых, так и в развивающихся странах. В нашей стране с начала 80-х годов функционирует Оскольский электрометаллургический комбинат, не имеющий доменных печей и являющийся одним из наиболее крупных подобных заводов в мире. Намечается строительство аналогичных производств в других районах страны. Производство первичного металла в агрегатах бездоменной металлургии отличается рядом особенностей, не позволяющих использовать книги по доменному производству в качестве учебников для новых технологий.
...
Настоящий учебник является одним из первых учебников, посвященных анализу бездоменной технологии производства металла из руд. Он создан на основе многолетнего чтения разделов специальных курсов и целиком новых специальных дисциплин в Московском институте стали и сплавов и Днепропетровском металлургическом институте. Авторы стремились при подготовке учебника использовать весь экспери: ментальный и производственный материал, накопленный в промышленности и научных исследованиях с учетом новейших достижений физической химии, теплофизики и теплоэнергетики, газодинамики и других фундаментальных дисциплин. Выбор наиболее важных и общих закономерностей из большого фактического материала, относящегося как к крупномасштабным, используемым в промышленности технологиям, так и к перспективным, но еще проходящим стадию проверки процессам, представил основную трудность для авторов и вероятно привел к некоторой субъективности их позиции, что характерно для многих книг и авторов. Поэтому авторы с благодарностью примут замечания читателей этой книги.
...
случайно именно во второй половине XX в. в металлургической промышленности начали активно проявлять себя нетрадиционные методы производства металла. Эти способы часто объединяют одним названием "прямое получение железа", хотя это не очень точно, о чем будет более подробно сказано далее.
...
Новые схемы производства металла развиваются во всех регионах мира, как в передовых, так и в развивающихся странах. В нашей стране с начала 80-х годов функционирует Оскольский электрометаллургический комбинат, не имеющий доменных печей и являющийся одним из наиболее крупных подобных заводов в мире. Намечается строительство аналогичных производств в других районах страны. Производство первичного металла в агрегатах бездоменной металлургии отличается рядом особенностей, не позволяющих использовать книги по доменному производству в качестве учебников для новых технологий.
...
Настоящий учебник является одним из первых учебников, посвященных анализу бездоменной технологии производства металла из руд. Он создан на основе многолетнего чтения разделов специальных курсов и целиком новых специальных дисциплин в Московском институте стали и сплавов и Днепропетровском металлургическом институте. Авторы стремились при подготовке учебника использовать весь экспери: ментальный и производственный материал, накопленный в промышленности и научных исследованиях с учетом новейших достижений физической химии, теплофизики и теплоэнергетики, газодинамики и других фундаментальных дисциплин. Выбор наиболее важных и общих закономерностей из большого фактического материала, относящегося как к крупномасштабным, используемым в промышленности технологиям, так и к перспективным, но еще проходящим стадию проверки процессам, представил основную трудность для авторов и вероятно привел к некоторой субъективности их позиции, что характерно для многих книг и авторов. Поэтому авторы с благодарностью примут замечания читателей этой книги.
...
случайно именно во второй половине XX в. в металлургической промышленности начали активно проявлять себя нетрадиционные методы производства металла. Эти способы часто объединяют одним названием "прямое получение железа", хотя это не очень точно, о чем будет более подробно сказано далее.
...
Новые схемы производства металла развиваются во всех регионах мира, как в передовых, так и в развивающихся странах. В нашей стране с начала 80-х годов функционирует Оскольский электрометаллургический комбинат, не имеющий доменных печей и являющийся одним из наиболее крупных подобных заводов в мире. Намечается строительство аналогичных производств в других районах страны. Производство первичного металла в агрегатах бездоменной металлургии отличается рядом особенностей, не позволяющих использовать книги по доменному производству в качестве учебников для новых технологий.
...
Настоящий учебник является одним из первых учебников, посвященных анализу бездоменной технологии производства металла из руд. Он создан на основе многолетнего чтения разделов специальных курсов и целиком новых специальных дисциплин в Московском институте стали и сплавов и Днепропетровском металлургическом институте. Авторы стремились при подготовке учебника использовать весь экспери: ментальный и производственный материал, накопленный в промышленности и научных исследованиях с учетом новейших достижений физической химии, теплофизики и теплоэнергетики, газодинамики и других фундаментальных дисциплин. Выбор наиболее важных и общих закономерностей из большого фактического материала, относящегося как к крупномасштабным, используемым в промышленности технологиям, так и к перспективным, но еще проходящим стадию проверки процессам, представил основную трудность для авторов и вероятно привел к некоторой субъективности их позиции, что характерно для многих книг и авторов. Поэтому авторы с благодарностью примут замечания читателей этой книги.
...
Восстановление железорудных материалов вне доменной печи проводят с разными целями. Иногда этот процесс называют предварительным восстановлением, а материалы, полученные таким образом, предварительно восстановленными. Эта терминология не точна. Для дальнейшего использования этих материалов (в любых металлургических агрегатах) основное значение имеет, сколько металла образовалось при восстановлении руды. Между тем величина степени восстановления не точно характеризует количество металлического железа, образовавшегося при восстановлении. В связи с этим более правильно называть восстановленные руды метал-лизованными (или частично металлизованными, если степень восстановления не велика), а их качество оценивать специальной величиной— степенью металлизации, которая представляет отношение содержания металлического железа в материале к общему (т.е. сумме окисленного и металлического железа) содержанию железа в нем, %:
...
Зная содержание общего железа и степень металлизации, можно определить количество металлического железа (по массе), поступающего в агрегат. Имеется предложение использовать понятие эффективной степени металлизации, т.е.
...
Формула (2) получена эмпирически, но смысл ее вполне ясен. Углерод, присутствующий в металлизованном материале, в ходе переплава может отнимать оставшийся кислород оксидов железа: FeO + С = Fe + СО, причем на 1 кг железа требуется 12/56 = 0,214 кг углерода. Считая (с небольшой 6
...
погрешностью), что содержание общего железа в металлизо-ванном материале близко 100%, можно принять, что каждые пять частей углерода дают один дополнительный процент металлизации. Впредь также под термином "руда" необходимо понимать любой железорудный материал— руду, агломерат, окатыши, концентрат и т.д.
...
Следует остановить внимание на использовании ряда терминов, характеризующих новые способы производства металла. В литературе встречаются такие наименования, как металлизация сырья, прямое получение железа, бездоменная (внедоменная) металлургия железа, бескоксовая металлургия железа. На наш взгляд, ни один из них полностью не охватывает существа технологий и процессов, поэтому не имеет явных преимуществ. Особенно неточен термин "прямое получение железа", поскольку по смыслу это не может быть ничем иным, как получением конечной стали из исходной руды в одном агрегате. Более чем за двухтысячелетнюю историю металлургии таким агрегатом был лишь сыродутный горн, наименее эффективный из всех известных металлургический агрегат. Даже старый, сопряженной с большими потерями железа способ передела чугуна в кричных горнах оказался более выгодным, чем сыродутный процесс.
...
Практические все используемые в настоящее время в промышленности или проходящие промышленную проверку процессы являются двухэтапными (получение первичного металла или Полупродукта и переплав затем в сталеплавильных печах). Подобного рода упреки можно легко адресовать и другим терминам. Видимо, по аналогии с понятиями металлургии чугуна и металлургии стали новое направление можно было бы назвать металлургией
...
Большое число предложенных способов, посвященных металлургии железа, делает необходимым провести их классификацию. Наиболее предпочтительной, по мнению большинства специалистов, является классификация по виду получаемого продукта, т.е.:
...
погрешностью), что содержание общего железа в металлизо-ванном материале близко 100%, можно принять, что каждые пять частей углерода дают один дополнительный процент металлизации. Впредь также под термином "руда" необходимо понимать любой железорудный материал— руду, агломерат, окатыши, концентрат и т.д.
...
Следует остановить внимание на использовании ряда терминов, характеризующих новые способы производства металла. В литературе встречаются такие наименования, как металлизация сырья, прямое получение железа, бездоменная (внедоменная) металлургия железа, бескоксовая металлургия железа. На наш взгляд, ни один из них полностью не охватывает существа технологий и процессов, поэтому не имеет явных преимуществ. Особенно неточен термин "прямое получение железа", поскольку по смыслу это не может быть ничем иным, как получением конечной стали из исходной руды в одном агрегате. Более чем за двухтысячелетнюю историю металлургии таким агрегатом был лишь сыродутный горн, наименее эффективный из всех известных металлургический агрегат. Даже старый, сопряженной с большими потерями железа способ передела чугуна в кричных горнах оказался более выгодным, чем сыродутный процесс.
...
Практические все используемые в настоящее время в промышленности или проходящие промышленную проверку процессы являются двухэтапными (получение первичного металла или Полупродукта и переплав затем в сталеплавильных печах). Подобного рода упреки можно легко адресовать и другим терминам. Видимо, по аналогии с понятиями металлургии чугуна и металлургии стали новое направление можно было бы назвать металлургией
...
получение металлизованного продукта в пластическом состоянии (получение кричного железа) для различных целей, в том числе как вариант пирометаллургического обогащения труднообогатимых, бедных и комплексных руд (температуры 1100-1400 °С);
...
Оценка перспектив развития металлургии железа требует сравнения основных характеристик металлургии чугуна и металлургии железа.
...
Доменный процесс обеспечивает получение кондиционного чугуна из железных руд с любым содержанием железа. При этом содержание железа влияет лишь на технико-экономические показатели процесса. Металлизация бедных руд (применение для этих целей металлургии железа) может быть эффективна лишь для получения кричного железа и жидкого металла. Частично металлизованные материалы и губчатое железо получать из бедных руд неэффективно. При получении частично металлизованных материалов из бедных руд необходимо ббльшее количество тепла на нагрев пустой породы и ббльший расход восстановителя, обусловленный диффузионными затруднениями при восстановлении оксидов железа. При производстве губчатого железа содержание в руде пустой породы в количестве > 2,5—3,0 % приводит к резкому росту расхода электроэнергии в электросталеплавильных печах, обусловленному увеличением количества шла-
...
получение металлизованного продукта в пластическом состоянии (получение кричного железа) для различных целей, в том числе как вариант пирометаллургического обогащения труднообогатимых, бедных и комплексных руд (температуры 1100-1400 °С);
...
Оценка перспектив развития металлургии железа требует сравнения основных характеристик металлургии чугуна и металлургии железа.
...
СРАВНЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛУРГИИ ЧУГУНА И МЕТАЛЛУРГИИ ЖЕЛЕЗА. ПРИЧИНЫ РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛУРГИИ ЖЕЛЕЗА
...
Доменная печь обеспечивает получение кондиционного по сере чугуна. Удаление из чугуна меди, фосфора, мышьяка невозможно. Низкотемпературные процессы внедоменного восстановления не обеспечивают удаления практически ни одного попутного элемента кроме серы, степень удаления которой в шахтных печах составляет 30 %. Иначе говоря, все попутные элементы, присутствующие в исходной руде, остаются в губчатом железе и попадают в сталеплавильный агрегат. Это же относится к получению кричного металла (здесь возможна некоторая степень удаления серы). Получение жидкого металла позволяет удалить из процесса цинк, щелочи, а степень десульфурации и удаление мышьяке и-возможно, фосфора зависят от режима процесса.
...
В доменной печи перерабатывают исключительно кусковый железорудный материал, причем размер кусков не должен быть меньше 3-5 мм. Отсюда вытекает необходимость процесса окускования руд (агломерация, производство окатышей). Это требование остается обязательным для процессов получения губчатого и кричного железа в шахтных и вращающихся печах. Низкотемпературная металлизация измельченных руд возможна в специальных агрегатах (например, аппараты кипящего слоя). Для большинства способов внедоменного получения жидкого металла размер кусков руды не имеет значения, что исключает из металлургического передела дорогостоящие процессы окускования мелких руд.
...
Для современных доменных печей невозможно использование другого вида топлива, кроме металлургического кокса. Это прежде всего связано с высокими прочностными качествами кокса, сохраняющимися при высоких температурах. Ни один из известных ныне видов твердого топлива не может в этом отношении конкурировать с коксом. Можно определенно утверждать, что отсутствие или исчезновение источников
...
Доменная печь обеспечивает получение кондиционного по сере чугуна. Удаление из чугуна меди, фосфора, мышьяка невозможно. Низкотемпературные процессы внедоменного восстановления не обеспечивают удаления практически ни одного попутного элемента кроме серы, степень удаления которой в шахтных печах составляет 30 %. Иначе говоря, все попутные элементы, присутствующие в исходной руде, остаются в губчатом железе и попадают в сталеплавильный агрегат. Это же относится к получению кричного металла (здесь возможна некоторая степень удаления серы). Получение жидкого металла позволяет удалить из процесса цинк, щелочи, а степень десульфурации и удаление мышьяке и-возможно, фосфора зависят от режима процесса.
...
В доменной печи перерабатывают исключительно кусковый железорудный материал, причем размер кусков не должен быть меньше 3-5 мм. Отсюда вытекает необходимость процесса окускования руд (агломерация, производство окатышей). Это требование остается обязательным для процессов получения губчатого и кричного железа в шахтных и вращающихся печах. Низкотемпературная металлизация измельченных руд возможна в специальных агрегатах (например, аппараты кипящего слоя). Для большинства способов внедоменного получения жидкого металла размер кусков руды не имеет значения, что исключает из металлургического передела дорогостоящие процессы окускования мелких руд.
...
Для современных доменных печей невозможно использование другого вида топлива, кроме металлургического кокса. Это прежде всего связано с высокими прочностными качествами кокса, сохраняющимися при высоких температурах. Ни один из известных ныне видов твердого топлива не может в этом отношении конкурировать с коксом. Можно определенно утверждать, что отсутствие или исчезновение источников
...
В настоящее время большинство известных способов и технологий металлургии железа не требует использования в качестве компонента шихты кокса. Применяют полученные различным способом восстановительные газы (в основном при производстве губчатого железа), недефицитные виды каменного угля, бурые угли и продукты их переработки, нефтепродукты и др. Выбор топлива в этом случае в основном связан с экономической конъюнктурой в данном регионе.
...
Несмотря на то, что использование энергии плазмы, атомной и других новых источников энергии для доменного производства не исключается, наибольший эффект от их применения соответствует внедоменному получению металла. Это повышает шансы новых технологий в конкуренции с доменным процессом в обозримом будущем.
...
Основным вопросом, который определяет и в будущем будет пределять преимущество того или иного способа получения металла, является расход энергии на процесс. В упрощенном виде его можно свести к расходу тепла (или источника тепла) на единицу получаемого продукта. Оставляя временно в стороне другие важные показатели технологий (качество продукта, требования к шихтовым материалам и др.), попытаемся приближенно оценить эти величины для различных методов металлургии железа.
...
Получение и проплавка в доменных печах частично металлизованных материалов. Проплавка металлизованных железорудных материалов в доменных печах должна снижать расход углерода-восстановителя за счет уменьшения количества углерода, идущего на прямое восстановление оксидов железа, в результате чего уменьшается расход тепла на этот процесс. Известно, что кроме удовлетворения потребностей доменной плавки в тепле (в этом случае говорят, что кокс является источником углерода-теплоносителя), кокс выполняет и другую ответственную роль - участвует в формировании чугуна, т.е. восстанавливает трудновосстановимые (практически не восстанавливаемые газом-восстановителем) оксиды кремния, марганца и другие, а 10
...
В настоящее время большинство известных способов и технологий металлургии железа не требует использования в качестве компонента шихты кокса. Применяют полученные различным способом восстановительные газы (в основном при производстве губчатого железа), недефицитные виды каменного угля, бурые угли и продукты их переработки, нефтепродукты и др. Выбор топлива в этом случае в основном связан с экономической конъюнктурой в данном регионе.
...
Несмотря на то, что использование энергии плазмы, атомной и других новых источников энергии для доменного производства не исключается, наибольший эффект от их применения соответствует внедоменному получению металла. Это повышает шансы новых технологий в конкуренции с доменным процессом в обозримом будущем.
...
Основным вопросом, который определяет и в будущем будет пределять преимущество того или иного способа получения металла, является расход энергии на процесс. В упрощенном виде его можно свести к расходу тепла (или источника тепла) на единицу получаемого продукта. Оставляя временно в стороне другие важные показатели технологий (качество продукта, требования к шихтовым материалам и др.), попытаемся приближенно оценить эти величины для различных методов металлургии железа.
...
Получение и проплавка в доменных печах частично металлизованных материалов. Проплавка металлизованных железорудных материалов в доменных печах должна снижать расход углерода-восстановителя за счет уменьшения количества углерода, идущего на прямое восстановление оксидов железа, в результате чего уменьшается расход тепла на этот процесс. Известно, что кроме удовлетворения потребностей доменной плавки в тепле (в этом случае говорят, что кокс является источником углерода-теплоносителя), кокс выполняет и другую ответственную роль - участвует в формировании чугуна, т.е. восстанавливает трудновосстановимые (практически не восстанавливаемые газом-восстановителем) оксиды кремния, марганца и другие, а 10
...
также железа (в этом случае говорят об углероде-восстановителе). Однако оксиды железа можно восстанавливать и газом, а прямое восстановление железа (активно проявляющее себя при высоких температурах > 900-1000 °С) имеет место в основном лишь потому, что к зоне высоких температур железо не полностью восстановлено газом до металла, а частично остается в виде FeO. Для условий современной доменной плавки (сравнительно невысокий расход кокса и обусловленное этим небольшое количество газа-восстановителя - продукта неполного сгорания углерода кокса и других топлив — такое положение закономерно, свидетельством чего является близость к равновесному состава газа по отношению к FeO в зоне температур 800—1000 °С. В связи с этим в большинстве современных доменных печей 20-30% железа восстанавливается углеродом кокса. Применение частично металлизованных железорудных материалов позволяет снизить эту величину, а следовательно, расход углерода-восстановителя и общий расход кокса.
...
Для подтверждения этой мысли и количественной оценки снижения расхода кокса необходимо провести некоторые несложные расчеты. Исходные данные (выносом пыли из доменной печи пренебрегаем): состав чугуна: [С] 4,5%; [Мп] 0,4%; [Si] 0,4%; [Р] 0,05%; базовый (исходный) расход кокса 500 кг/т чугуна; содержание углерода в коксе 85%; содержание золы в коксе 10 %; основность шлака (СаО • Si02) 1,2; соотношение между углеродом, сжигаемым на фурмах, Сф и углеродом, расходуемым на прямое восстановление оксидов, Са 3:1. Тогда (расчет ведут на 1т
...
Количество углерода, расходуемого на тепловые и восстановительные процессы (т.е. общий расход углерода за вычетом переходящего в чугун): 425 - 45 = 380 кг/т.
...
также железа (в этом случае говорят об углероде-восстановителе). Однако оксиды железа можно восстанавливать и газом, а прямое восстановление железа (активно проявляющее себя при высоких температурах > 900-1000 °С) имеет место в основном лишь потому, что к зоне высоких температур железо не полностью восстановлено газом до металла, а частично остается в виде FeO. Для условий современной доменной плавки (сравнительно невысокий расход кокса и обусловленное этим небольшое количество газа-восстановителя - продукта неполного сгорания углерода кокса и других топлив — такое положение закономерно, свидетельством чего является близость к равновесному состава газа по отношению к FeO в зоне температур 800—1000 °С. В связи с этим в большинстве современных доменных печей 20-30% железа восстанавливается углеродом кокса. Применение частично металлизованных железорудных материалов позволяет снизить эту величину, а следовательно, расход углерода-восстановителя и общий расход кокса.
...
Для подтверждения этой мысли и количественной оценки снижения расхода кокса необходимо провести некоторые несложные расчеты. Исходные данные (выносом пыли из доменной печи пренебрегаем): состав чугуна: [С] 4,5%; [Мп] 0,4%; [Si] 0,4%; [Р] 0,05%; базовый (исходный) расход кокса 500 кг/т чугуна; содержание углерода в коксе 85%; содержание золы в коксе 10 %; основность шлака (СаО • Si02) 1,2; соотношение между углеродом, сжигаемым на фурмах, Сф и углеродом, расходуемым на прямое восстановление оксидов, Са 3:1. Тогда (расчет ведут на 1т
...
Количество углерода, расходуемого на тепловые и восстановительные процессы (т.е. общий расход углерода за вычетом переходящего в чугун): 425 - 45 = 380 кг/т.
...
Следовательно, на прямое восстановление железа идет 95 - 4,8 = 90,2 кг/ т. При степени металлизации доменной шихты т)мет = 40%, предполагая (с небольшой погрешностью), что снижение расхода углерода, идущего на прямое восстановление оксидов железа, пропорционально степени металлизации шихты, получаем уменьшение расхода углерода: 90,2 • 0,4 = 36,1 кг/т и экономия углерода (или что то же - кокса) составит (36,1/425) • 100 = 8,5 %.
...
Наряду с этим имеет место экономия тепла за счет сокращения эндотермического эффекта реакции восстановления низшего оксида железа углеродом (принимаем условно восстановление свободного оксида железа), т.е. FeO + С = Fe + СО - 152,67 МДж или 12,72 МДж/кг С. При снижении расхода углерода на 36,1 кг/т экономия тепла составит: 12,72 • 36,1 • 0,001 = 459 кДж/кг чугуна.
...
В обычных условиях доменной плавки расход тепла (рассчитанный с учетом подлинных затрат тепла на процесс) колеблется в пределах 5,5-6,7 МДж/кг. Принимая среднее значение - 6,1 МДж/кг, получаем экономию тепла: (459/6100) • 100 = 7,5 %. Наконец, имеется еще одна значительная причина снижения расхода кокса - уменьшение выхода шлака за счет снижения прихода золы с коксом. Итоговая экономия кокса пока неизвестна. Задав ориентировочную величину экономии 15 %, получаем снижение прихода золы в печь: 500 • 0,15 • 0,1 = 7,5 кг/т. Кроме того, не требуется вводить флюс на ошлакование этого количества золы: 7,5 • 1,2 = 9 кг/т. Получаем общее снижение выхода шлака: 7,5 + 9 = 16,5 кг/т.
...
Обычно считают, что каждый дополнительный 1 кг шлака требует перерасхода кокса в размере 0,2 кг. Тогда экономия кокса за счет уменьшения выхода шлака составит: 16,5 • 0,2 = 3,3 кг/т
...
Итак, суммарная экономия кокса составит: 8,5 + 7,5 + 0,7 = 16,7%, или, как принято считать, 4,2% на каждые 10% металлизации шихты. Приведенный расчет является, конечно, приближенным и позволяет получить лишь порядок искомой величины, однако он хорошо совпадает с данными промышленных плавок (4-7 % на каждые 10 % металлизации шихты при общей степени металлизации 10-50 %).
...
Следовательно, на прямое восстановление железа идет 95 - 4,8 = 90,2 кг/ т. При степени металлизации доменной шихты т)мет = 40%, предполагая (с небольшой погрешностью), что снижение расхода углерода, идущего на прямое восстановление оксидов железа, пропорционально степени металлизации шихты, получаем уменьшение расхода углерода: 90,2 • 0,4 = 36,1 кг/т и экономия углерода (или что то же - кокса) составит (36,1/425) • 100 = 8,5 %.
...
Наряду с этим имеет место экономия тепла за счет сокращения эндотермического эффекта реакции восстановления низшего оксида железа углеродом (принимаем условно восстановление свободного оксида железа), т.е. FeO + С = Fe + СО - 152,67 МДж или 12,72 МДж/кг С. При снижении расхода углерода на 36,1 кг/т экономия тепла составит: 12,72 • 36,1 • 0,001 = 459 кДж/кг чугуна.
...
В обычных условиях доменной плавки расход тепла (рассчитанный с учетом подлинных затрат тепла на процесс) колеблется в пределах 5,5-6,7 МДж/кг. Принимая среднее значение - 6,1 МДж/кг, получаем экономию тепла: (459/6100) • 100 = 7,5 %. Наконец, имеется еще одна значительная причина снижения расхода кокса - уменьшение выхода шлака за счет снижения прихода золы с коксом. Итоговая экономия кокса пока неизвестна. Задав ориентировочную величину экономии 15 %, получаем снижение прихода золы в печь: 500 • 0,15 • 0,1 = 7,5 кг/т. Кроме того, не требуется вводить флюс на ошлакование этого количества золы: 7,5 • 1,2 = 9 кг/т. Получаем общее снижение выхода шлака: 7,5 + 9 = 16,5 кг/т.
...
Обычно считают, что каждый дополнительный 1 кг шлака требует перерасхода кокса в размере 0,2 кг. Тогда экономия кокса за счет уменьшения выхода шлака составит: 16,5 • 0,2 = 3,3 кг/т
...
Таким образом, целесообразность получения частично ме-таллизованных материалов для их проплавки в доменной печи связана с соотношением восстановителя, затраченного на частичную металлизацию, и кокса, сэкономленного в доменной печи, а также с ценами на топливо. Дать общие рекомендации в этом случае не представляется возможным, и для различных режимов будут различными ответы на этот вопрос.
...
Губчатое железо получают, главным образом, в установках шахтного типа при низких температурах (более подробно о причинах - см. далее) с использованием в качестве восстановителя продуктов конверсии природного газа. При наиболее простых соотношениях 3Fe203 + 9СО = 6Fe + 9С02, или 9 • 22,4/(6 • 56) = 0,6 м3/кг, или 600м3/т металлического железа.
...
При содержании в металлизованном продукте ~80% металлического железа (что соответствует содержанию пустой породы 5 %, углерода - 2 % и степени металлизации 90 %) и степени использования восстановительной способности газа-восстановителя 0,4 расход газа-восстановителя составит: 600 • 0,8/0,4 = 1200 м3/т продукта.
...
С учетом углекислотной или паровой конверсии, например, СН4 + С02 = 2СО + 2Н2 1 м3 природного газа позволяет получить 4 м3 газа-восстановителя. Т.е. для удовлетворения требований процесса восстановления гематитовой руды получение 1 т металлизованного продукта обеспечивает расход природного газа ~ 300 м3. В ориентировочном расчете принят ряд допущений (природный газ состоит из 100 % СН4, окислители в восстановительном газе отсутствуют, количеством газа, необходимого для науглероживания губки, пренебрегаем и т.д.). Однако порядок расхода газа получили соответствующим практическому. Подобное количество газа должно также обеспечить тепловые потребности процесса.
...
Для условий процесса "Мидрекс": температура газа-восстановителя 800 °С; температура колошникового газа 300 °С; температура металлизованного продукта после окончания процесса 720 °С; тепло металлизованного продукта
...
Таким образом, целесообразность получения частично ме-таллизованных материалов для их проплавки в доменной печи связана с соотношением восстановителя, затраченного на частичную металлизацию, и кокса, сэкономленного в доменной печи, а также с ценами на топливо. Дать общие рекомендации в этом случае не представляется возможным, и для различных режимов будут различными ответы на этот вопрос.
...
Губчатое железо получают, главным образом, в установках шахтного типа при низких температурах (более подробно о причинах - см. далее) с использованием в качестве восстановителя продуктов конверсии природного газа. При наиболее простых соотношениях 3Fe203 + 9СО = 6Fe + 9С02, или 9 • 22,4/(6 • 56) = 0,6 м3/кг, или 600м3/т металлического железа.
...
При содержании в металлизованном продукте ~80% металлического железа (что соответствует содержанию пустой породы 5 %, углерода - 2 % и степени металлизации 90 %) и степени использования восстановительной способности газа-восстановителя 0,4 расход газа-восстановителя составит: 600 • 0,8/0,4 = 1200 м3/т продукта.
...
С учетом углекислотной или паровой конверсии, например, СН4 + С02 = 2СО + 2Н2 1 м3 природного газа позволяет получить 4 м3 газа-восстановителя. Т.е. для удовлетворения требований процесса восстановления гематитовой руды получение 1 т металлизованного продукта обеспечивает расход природного газа ~ 300 м3. В ориентировочном расчете принят ряд допущений (природный газ состоит из 100 % СН4, окислители в восстановительном газе отсутствуют, количеством газа, необходимого для науглероживания губки, пренебрегаем и т.д.). Однако порядок расхода газа получили соответствующим практическому. Подобное количество газа должно также обеспечить тепловые потребности процесса.
...
(на 1 кг) (теплоемкость - 1,05 кДж/кг • К): 1 • 1,05х х(720-20) = 735 кДж. Тепло, оставляемое в печи газом-восстановителем (теплоемкость газа 1,5 кДж/м3 • К): (1200/1000) • 1,5(800-300) = 900 кДж.
...
С учетом потерь и возможного (небольшого) развития эндотермических реакций газ-восстановитель обеспечивает тепловые потребности процесса. С учетом неучитываемых в этом расчете процессов (конверсия природного газа и т.д.) можно считать, что на 1т губчатого железа расходуется 300-350 м3 природного газа.
...
Эти процессы в настоящее время проходят стадию промышленного освоения. Проведем ориентировочный расчет расхода топлива на процесс получения жидкого металла при использовании сырой неподготовленной мелкой руды и в качестве источника тепла и восстановителя недефицитного угля. В этом случае оксиды железа восстанавливаются только прямым путем, отходящий газ состоит только из СО (в отсутствие источников водорода). Топливо сжигается в потоке холодного дутья, состоящего из 100 % кислорода, температура отходящих газов 1500 °С.
...
На 1 кг металлического железа 36/112 = 0,321 кг С. При содержании в жидком металле 95,5 % Fe и 4,5 % С: расход углерода на восстановление 955 • 0,321 = 307 кг; расход углерода на науглероживание металла 45 кг; суммарный расход углерода 307 + 45 = 352 кг/т металла.
...
тепло прямого восстановления: 4240 • 0,955 = 4051 кДж; тепло жидкого металла 1176 кДж; тепло жидкого шлака (принята энтальпия шлака 1680кДж/кг).
...
расход руды: 95,5/30 = 3,18 кг/кг; приход Si02: 3,18 • 0,5 = 1,59 кг/кг; количество пустой породы руды: (1-0,429) • 3,18 = 1,82 кг/кг; при основности шлака CaO/SiO = 1,2 добавлялся СаО 1,59 • 1,2 = 1,91 кг, выход шлака:
...
При основности шлака CaO/Si02 = l,2 добавляется СаО 0,159 • 1,2 = 0,191 кг; выход шлака: 0,272 + 0,191 = = 0,463 кг; тепло шлака: 1680 • 0,463 = 778 кДж.
...
Для бедной руды добавляется 1,91 кг СаО. При содержании в известняке 53 % СаО добавляется известняка 1,91/0,53 = 3,6 кг.
...
Расчеты показали, что при дожигании 40 % СО в колошниковом газе при возвращении 80 % тепла ванне металла расход топлива может быть снижен на 30-40%. Приведенные упрощенные расчеты позволяют, однако, считать, что получение жидкого металла связано со значительным расходом твердого топлива и целесообразно лишь при использовании богатых железорудных материалов. До настоящего времени не найден экономичный способ получения жидкого металла из бедных необогащенных руд. Отметим также, что чем выше доля двухвалентного железа, тем меньше расход углерода на восстановление, поэтому для жидкофазного восстановления более пригодны отходы конвертерных и прокатных цехов и другие материалы, содержащие значительную долю двухвалентного железа.
...
В связи с вышеизложенным можно сделать некоторые выводы, касающиеся перспектив развития металлургии железа в современных условиях.
...
Расчеты показали, что при дожигании 40 % СО в колошниковом газе при возвращении 80 % тепла ванне металла расход топлива может быть снижен на 30-40%. Приведенные упрощенные расчеты позволяют, однако, считать, что получение жидкого металла связано со значительным расходом твердого топлива и целесообразно лишь при использовании богатых железорудных материалов. До настоящего времени не найден экономичный способ получения жидкого металла из бедных необогащенных руд. Отметим также, что чем выше доля двухвалентного железа, тем меньше расход углерода на восстановление, поэтому для жидкофазного восстановления более пригодны отходы конвертерных и прокатных цехов и другие материалы, содержащие значительную долю двухвалентного железа.
...
В связи с вышеизложенным можно сделать некоторые выводы, касающиеся перспектив развития металлургии железа в современных условиях.
...
вородных свойствах" металлизованных материалов или "первородной шихте", подчеркивая, что губчатое железо не прошло ранее стадию металлургического переплава. Добавим, что металлизованные материалы практически не содержат также растворенных в металле газов и неметаллических включений.
...
Металл, полученный путем жидкофазного восстановления, как правило, не отличается в лучшую сторону по качеству от доменного чугуна. Чаше всего в качестве агрегата для получения жидкого металла из шихты используют аналог горна доменной печи. Эти конструктивные и технологические особенности определяют поведение элементов (железо, кремний, марганец, сера, хром, ванадий и др.) и состав чугуна. В самом общем случае можно сказать, что отсутствие коксовой насадки, по каналам которой стекают в доменной печи жидкие металл и шлак, видимо, обусловливают отсутствие заметного развития восстановления марганца, ванадия, хрома, кремния и других и некоторое увеличение в шлаке содержания FeO. Существенно ухудшаются в печах жидкофазного восстановления условия десульфурации чугуна шлаками (из-за отсутствия фильтрации шлаком чугуна и роста содержания FeO в шлаке), что предопределяет повышенное содержание серы в жидком металле по сравнению с доменным чугуном. Качество кричного металла, как правило, значительно хуже, чем полученного другими методами.
...
3. Технико-экономические показатели доменного производства несколько улучшаются с ростом размера доменных печей. Иначе говоря, строить и эксплуатировать крупные доменные печи чаще всего выгоднее, чем маломощные. Между тем для малых и средних стран и отдельных регионов необходимы небольшие заводы, которые имели бы возможность достаточно гибко и быстро менять программу производства, ассортимент сырья и металла.
...
Агрегаты внедоменного получения металла в большей степени, чем технологическая схема доменная печь—конвертер, удовлетворяет этим требованиям. В связи с этим минизаво-ды, построенные в последние два десятилетия и характеризующиеся объемом производства металла до 1 млн.т в год, нашли широкое распространение.
...
вородных свойствах" металлизованных материалов или "первородной шихте", подчеркивая, что губчатое железо не прошло ранее стадию металлургического переплава. Добавим, что металлизованные материалы практически не содержат также растворенных в металле газов и неметаллических включений.
...
Металл, полученный путем жидкофазного восстановления, как правило, не отличается в лучшую сторону по качеству от доменного чугуна. Чаше всего в качестве агрегата для получения жидкого металла из шихты используют аналог горна доменной печи. Эти конструктивные и технологические особенности определяют поведение элементов (железо, кремний, марганец, сера, хром, ванадий и др.) и состав чугуна. В самом общем случае можно сказать, что отсутствие коксовой насадки, по каналам которой стекают в доменной печи жидкие металл и шлак, видимо, обусловливают отсутствие заметного развития восстановления марганца, ванадия, хрома, кремния и других и некоторое увеличение в шлаке содержания FeO. Существенно ухудшаются в печах жидкофазного восстановления условия десульфурации чугуна шлаками (из-за отсутствия фильтрации шлаком чугуна и роста содержания FeO в шлаке), что предопределяет повышенное содержание серы в жидком металле по сравнению с доменным чугуном. Качество кричного металла, как правило, значительно хуже, чем полученного другими методами.
...
3. Технико-экономические показатели доменного производства несколько улучшаются с ростом размера доменных печей. Иначе говоря, строить и эксплуатировать крупные доменные печи чаще всего выгоднее, чем маломощные. Между тем для малых и средних стран и отдельных регионов необходимы небольшие заводы, которые имели бы возможность достаточно гибко и быстро менять программу производства, ассортимент сырья и металла.
...
Агрегаты внедоменного получения металла в большей степени, чем технологическая схема доменная печь—конвертер, удовлетворяет этим требованиям. В связи с этим минизаво-ды, построенные в последние два десятилетия и характеризующиеся объемом производства металла до 1 млн.т в год, нашли широкое распространение.
...
вородных свойствах" металлизованных материалов или "первородной шихте", подчеркивая, что губчатое железо не прошло ранее стадию металлургического переплава. Добавим, что металлизованные материалы практически не содержат также растворенных в металле газов и неметаллических включений.
...
Металл, полученный путем жидкофазного восстановления, как правило, не отличается в лучшую сторону по качеству от доменного чугуна. Чаше всего в качестве агрегата для получения жидкого металла из шихты используют аналог горна доменной печи. Эти конструктивные и технологические особенности определяют поведение элементов (железо, кремний, марганец, сера, хром, ванадий и др.) и состав чугуна. В самом общем случае можно сказать, что отсутствие коксовой насадки, по каналам которой стекают в доменной печи жидкие металл и шлак, видимо, обусловливают отсутствие заметного развития восстановления марганца, ванадия, хрома, кремния и других и некоторое увеличение в шлаке содержания FeO. Существенно ухудшаются в печах жидкофазного восстановления условия десульфурации чугуна шлаками (из-за отсутствия фильтрации шлаком чугуна и роста содержания FeO в шлаке), что предопределяет повышенное содержание серы в жидком металле по сравнению с доменным чугуном. Качество кричного металла, как правило, значительно хуже, чем полученного другими методами.
...
3. Технико-экономические показатели доменного производства несколько улучшаются с ростом размера доменных печей. Иначе говоря, строить и эксплуатировать крупные доменные печи чаще всего выгоднее, чем маломощные. Между тем для малых и средних стран и отдельных регионов необходимы небольшие заводы, которые имели бы возможность достаточно гибко и быстро менять программу производства, ассортимент сырья и металла.
...
доменный цех—конвертерный цех является экологически опасным. Технология металлургии железа обеспечивает исключение из этой цепи одного из наиболее вредных производств — коксохимического, обогащения и окускования. Передовые заводы, работающие по технологии металлургии железа, практически полностью безопасны для окружающей среды. Это преимущество новой технологической схемы производства является одним из основных, а на перспективу явится решающим. При выборе технологии металлургии железа следует иметь в виду некоторые обстоятельства.
...
Расчеты и промышленный опыт технологии производства губчатого железа показывают, что для плавки в сталеплавильных печах металлизованные материалы должны иметь степень металлизации не менее 80 %, т.е. степень восстановления должна быть достаточно высокой. Эффективность процесса восстановления в этом случае значительно зависит от метода восстановления и применяемого агрегата. Широкие промышленные исследования были проведены в агрегатах трех типов: шахтных установках непрерывного и периодического (реторты) действия; аппаратах кипящего слоя; трубчатых вращающихся печах и комбинированных установках типа конвейерная машина—трубчатая печь. Для первых двух методов в качестве восстановителя применяют газ- продукт конверсии природного газа или жидкого топлива или продукт газификации твердого топлива. Для последнего способа характерно •совместное использование твердого и газообразного восстановителей. К настоящему времени трубчатые печи не нашли широкого распространения. Основное количество губчатого железа производят в печах шахтного типа. Различные способы получения металлизованного материала в этих агрегатах (Мидрекс, Армко, Пурофер, ХиЛ-3 и другие) не имеют принципиальных отличий (пожалуй, кроме способов получения губчатого железа в периодически действующих ретортах — ХиЛ-1, ХиЛ-2 и др.).
...
1. Восстановление ведется в твердофазной области. Жидкие продукты процесса отсутствуют. Следовательно, пустая порода от металла не отделяется, и весь полученный материал (вместе с пустой породой) направляют в сталеплавильный агрегат (целесообразней— в электросталеплавильную
...
доменный цех—конвертерный цех является экологически опасным. Технология металлургии железа обеспечивает исключение из этой цепи одного из наиболее вредных производств — коксохимического, обогащения и окускования. Передовые заводы, работающие по технологии металлургии железа, практически полностью безопасны для окружающей среды. Это преимущество новой технологической схемы производства является одним из основных, а на перспективу явится решающим. При выборе технологии металлургии железа следует иметь в виду некоторые обстоятельства.
...
Расчеты и промышленный опыт технологии производства губчатого железа показывают, что для плавки в сталеплавильных печах металлизованные материалы должны иметь степень металлизации не менее 80 %, т.е. степень восстановления должна быть достаточно высокой. Эффективность процесса восстановления в этом случае значительно зависит от метода восстановления и применяемого агрегата. Широкие промышленные исследования были проведены в агрегатах трех типов: шахтных установках непрерывного и периодического (реторты) действия; аппаратах кипящего слоя; трубчатых вращающихся печах и комбинированных установках типа конвейерная машина—трубчатая печь. Для первых двух методов в качестве восстановителя применяют газ- продукт конверсии природного газа или жидкого топлива или продукт газификации твердого топлива. Для последнего способа характерно •совместное использование твердого и газообразного восстановителей. К настоящему времени трубчатые печи не нашли широкого распространения. Основное количество губчатого железа производят в печах шахтного типа. Различные способы получения металлизованного материала в этих агрегатах (Мидрекс, Армко, Пурофер, ХиЛ-3 и другие) не имеют принципиальных отличий (пожалуй, кроме способов получения губчатого железа в периодически действующих ретортах — ХиЛ-1, ХиЛ-2 и др.).
...
1. Восстановление ведется в твердофазной области. Жидкие продукты процесса отсутствуют. Следовательно, пустая порода от металла не отделяется, и весь полученный материал (вместе с пустой породой) направляют в сталеплавильный агрегат (целесообразней— в электросталеплавильную
...
доменный цех—конвертерный цех является экологически опасным. Технология металлургии железа обеспечивает исключение из этой цепи одного из наиболее вредных производств — коксохимического, обогащения и окускования. Передовые заводы, работающие по технологии металлургии железа, практически полностью безопасны для окружающей среды. Это преимущество новой технологической схемы производства является одним из основных, а на перспективу явится решающим. При выборе технологии металлургии железа следует иметь в виду некоторые обстоятельства.
...
Расчеты и промышленный опыт технологии производства губчатого железа показывают, что для плавки в сталеплавильных печах металлизованные материалы должны иметь степень металлизации не менее 80 %, т.е. степень восстановления должна быть достаточно высокой. Эффективность процесса восстановления в этом случае значительно зависит от метода восстановления и применяемого агрегата. Широкие промышленные исследования были проведены в агрегатах трех типов: шахтных установках непрерывного и периодического (реторты) действия; аппаратах кипящего слоя; трубчатых вращающихся печах и комбинированных установках типа конвейерная машина—трубчатая печь. Для первых двух методов в качестве восстановителя применяют газ- продукт конверсии природного газа или жидкого топлива или продукт газификации твердого топлива. Для последнего способа характерно •совместное использование твердого и газообразного восстановителей. К настоящему времени трубчатые печи не нашли широкого распространения. Основное количество губчатого железа производят в печах шахтного типа. Различные способы получения металлизованного материала в этих агрегатах (Мидрекс, Армко, Пурофер, ХиЛ-3 и другие) не имеют принципиальных отличий (пожалуй, кроме способов получения губчатого железа в периодически действующих ретортах — ХиЛ-1, ХиЛ-2 и др.).
...
печь). Исходя из условий экономичности сталеплавильного процесса (минимальное количество шлака), предъявляют жесткие требования к содержанию пустой породы в исходном железорудном сырье. Ее количество в металлизованном материале не должно превышать 4,5-5 %, а следовательно, в исходном окисленном материале (руде, направляемой на металлизацию) должно быть не более 3-3,5%. Нетрудно подсчитать, что содержание железа в исходном железорудном концентрате, например, магнетитовом, должно составлять (100-3) • 0,724«70 %, где 0,724 - содержание железа в Fe304 (168:232).
...
Таким образом, первым условием реализуемости обсуждаемого процесса является наличие легкообогатимого железорудного материала, позволяющего получать концентрат, содержащий * 69-70 %Fe.
...
печь). Исходя из условий экономичности сталеплавильного процесса (минимальное количество шлака), предъявляют жесткие требования к содержанию пустой породы в исходном железорудном сырье. Ее количество в металлизованном материале не должно превышать 4,5-5 %, а следовательно, в исходном окисленном материале (руде, направляемой на металлизацию) должно быть не более 3-3,5%. Нетрудно подсчитать, что содержание железа в исходном железорудном концентрате, например, магнетитовом, должно составлять (100-3) • 0,724«70 %, где 0,724 - содержание железа в Fe304 (168:232).
...
Таким образом, первым условием реализуемости обсуждаемого процесса является наличие легкообогатимого железорудного материала, позволяющего получать концентрат, содержащий * 69-70 %Fe.
...
движение шихты и газов в печи и нарушается равномерность его тепловой и восстановительной обработки). Поскольку интенсивность спекания металла растет с повышением температуры, максимальное ее значение не должно, как правило, превышать 700-900 °С. Однако со снижением температуры и, следовательно, скоростей всех процессов ухудшаются технико-экономические показатели производства.
...
движение шихты и газов в печи и нарушается равномерность его тепловой и восстановительной обработки). Поскольку интенсивность спекания металла растет с повышением температуры, максимальное ее значение не должно, как правило, превышать 700-900 °С. Однако со снижением температуры и, следовательно, скоростей всех процессов ухудшаются технико-экономические показатели производства.
...
Получение жидкого металла из руд. Из множества предложений и патентов, существующих в разных странах, в настоящее время сохраняют значение и имеют перспективы технологии, которые можно сгруппировать в три направления. Первым из них является использование неподготовленной руды любого размера кусков в плавильной печи с получением газа, который можно использовать в других устройствах как восстановитель или теплоноситель (в этом случае тепло может использоваться и в собственном агрегате).
...
Второе направление— плавка в печи предварительно восстановленного рудного материала, причем восстановителем является газ, отходящий из плавильной печи. В этом случае установка состоит из двух основных агрегатов— печь предварительного восстановления (чаще всего шахтная печь) и плавильная печь, а руда должна быть окускованной.
...
Третье направление— плавка руд в печах, оборудованных плазмотронами, или источниками тепла, которыми являются атомные реакторы.
...
При всей условности такой классификации она позволяет рассмотреть некоторые общие вопросы перспективности получения жидкого металла вне доменных печей.
...
Получение жидкого металла из руд. Из множества предложений и патентов, существующих в разных странах, в настоящее время сохраняют значение и имеют перспективы технологии, которые можно сгруппировать в три направления. Первым из них является использование неподготовленной руды любого размера кусков в плавильной печи с получением газа, который можно использовать в других устройствах как восстановитель или теплоноситель (в этом случае тепло может использоваться и в собственном агрегате).
...
Второе направление— плавка в печи предварительно восстановленного рудного материала, причем восстановителем является газ, отходящий из плавильной печи. В этом случае установка состоит из двух основных агрегатов— печь предварительного восстановления (чаще всего шахтная печь) и плавильная печь, а руда должна быть окускованной.
...
Третье направление— плавка руд в печах, оборудованных плазмотронами, или источниками тепла, которыми являются атомные реакторы.
...
иных целей, шихта не ограничивается по размеру кусков. В плавильной печи имеет место исключительно прямое восстановление оксидов. В связи с этим при использовании порошковой руды (предварительное восстановление отсутствует) расход топлива растет с ростом окисленности руды, поэтому плавка на бедных (особенно гематитовых) рудах приводит к очень высокому расходу топлива. При воплощении схемы с предварительным восстановлением целесообразно использовать легковосстановимые руды. В связи с этим все сложности, характерные для шахтных печей низкотемпературного восстановления, характерны и для данного способа.
...
иных целей, шихта не ограничивается по размеру кусков. В плавильной печи имеет место исключительно прямое восстановление оксидов. В связи с этим при использовании порошковой руды (предварительное восстановление отсутствует) расход топлива растет с ростом окисленности руды, поэтому плавка на бедных (особенно гематитовых) рудах приводит к очень высокому расходу топлива. При воплощении схемы с предварительным восстановлением целесообразно использовать легковосстановимые руды. В связи с этим все сложности, характерные для шахтных печей низкотемпературного восстановления, характерны и для данного способа.
...
новления существенно снижается и зависит от температуры в плавильной печи. Можно утверждать, что в подобных агрегатах производство литейного чугуна и доменных ферросплавов неосуществимо. Таким образом, перспективы переработки комплексных железных руд в указанных агрегатах не ясны, Следует также считаться с несколько повышенным содержанием FeO в шлаке, т.е. с ростом потерь железа.
...
7. Важным преимуществом обсуждаемой технологии является гибкое маневрирование в ходе управления процессом плавки, возможности остановок, относительно малое время запуска плавильной печи, возможность создания установок самой различной производительности и комбинаций этш установок.
...
Таким образом, неоднозначность оценки способов и агрегатов, многообразие природных, производственных и экономических условий в различных регионах мира не дают возможности дать исчерпывающую сравнительную оценку традиционных и новых способов получения металла. Приводимые в литературе количественные оценки (общий расход тепла, расход условного топлива и др.) условны и субъективны. Кроме того, они не учитывают экологических характеристик, безвозвратных потерь полезных ископаемых. Для каждого случая лишь конкретный всесторонний анализ может дать ответ на вопрос, какая схема производства металла предпочтительна в реальных условиях для данного района.
...
При низко- и высокотемпературном восстановлении происходят самые разнообразные явления. Некоторые из них достаточно хорошо изучены на примере доменной плавки (твердофазное восстановление оксидов газами, теплообмен в слое, движение газов в слое шихты и др.), другие имеют значение только для металлургии железа (спекание гранул, вторичное окисление и самовозгорание металлического железа и др.).
...
новления существенно снижается и зависит от температуры в плавильной печи. Можно утверждать, что в подобных агрегатах производство литейного чугуна и доменных ферросплавов неосуществимо. Таким образом, перспективы переработки комплексных железных руд в указанных агрегатах не ясны, Следует также считаться с несколько повышенным содержанием FeO в шлаке, т.е. с ростом потерь железа.
...
7. Важным преимуществом обсуждаемой технологии является гибкое маневрирование в ходе управления процессом плавки, возможности остановок, относительно малое время запуска плавильной печи, возможность создания установок самой различной производительности и комбинаций этш установок.
...
Таким образом, неоднозначность оценки способов и агрегатов, многообразие природных, производственных и экономических условий в различных регионах мира не дают возможности дать исчерпывающую сравнительную оценку традиционных и новых способов получения металла. Приводимые в литературе количественные оценки (общий расход тепла, расход условного топлива и др.) условны и субъективны. Кроме того, они не учитывают экологических характеристик, безвозвратных потерь полезных ископаемых. Для каждого случая лишь конкретный всесторонний анализ может дать ответ на вопрос, какая схема производства металла предпочтительна в реальных условиях для данного района.
...
При низко- и высокотемпературном восстановлении происходят самые разнообразные явления. Некоторые из них достаточно хорошо изучены на примере доменной плавки (твердофазное восстановление оксидов газами, теплообмен в слое, движение газов в слое шихты и др.), другие имеют значение только для металлургии железа (спекание гранул, вторичное окисление и самовозгорание металлического железа и др.).
...
По технологии бездоменной металлургии при необходимости могут быть достигнуты условия, позволяющие восстановить те же оксиды, что и в доменной печи. В качестве восстановителя используют как газы (СО и Н2), так и различного вида твердое топливо. Сравнивая способность к сродству восстановителей и восстанавливаемых оксидов с кислородом (мерой прочности служит стандартное изменение свободной энергии реакции AG°), можно определить температуру начала восстановления того или иного оксида. Исходя из диаграммы изменения свободной энергии с ростом температуры, можно разделить элементы, находящиеся в шихте, на три группы: элементы, восстанавливающиеся практически вол-ностью, — железо, никель, кобальт, свинец, медь, мышьяк, цинк и др.; элементы, частично восстанавливающиеся, — кремний, марганец, хром, ванадий, титан и др.; элементы, не восстанавливающиеся, — кальций, барий и др.
...
Оценить и проанализировать процессы, проходящие при восстановлении железорудных материалов, невозможно без использования сведений о состоянии и свойствах основных соединений, входящих в состав железорудных материалов или образующихся в них при металлизации.
...
Железорудные материалы представляют собой смесь двух или нескольких кристаллических и аморфных фаз. Кроме того, отдельной фазой следует считать поры. Кристаллические соединения являются основными составляющими железорудных материалов.
...
Основными силами, приводящими к образованию стабильных. Молекул, являются электростатическое притяжение между противоположно заряженными ионами (ионная связь) и устойчивость строения электронных оболочек, при которых пары электронов одновременно принадлежат двум атомам (кова-лентная связь). Возможны и смешанные виды связи. Дополнительными видами связи служат слабые электростатические
...
По технологии бездоменной металлургии при необходимости могут быть достигнуты условия, позволяющие восстановить те же оксиды, что и в доменной печи. В качестве восстановителя используют как газы (СО и Н2), так и различного вида твердое топливо. Сравнивая способность к сродству восстановителей и восстанавливаемых оксидов с кислородом (мерой прочности служит стандартное изменение свободной энергии реакции AG°), можно определить температуру начала восстановления того или иного оксида. Исходя из диаграммы изменения свободной энергии с ростом температуры, можно разделить элементы, находящиеся в шихте, на три группы: элементы, восстанавливающиеся практически вол-ностью, — железо, никель, кобальт, свинец, медь, мышьяк, цинк и др.; элементы, частично восстанавливающиеся, — кремний, марганец, хром, ванадий, титан и др.; элементы, не восстанавливающиеся, — кальций, барий и др.
...
Оценить и проанализировать процессы, проходящие при восстановлении железорудных материалов, невозможно без использования сведений о состоянии и свойствах основных соединений, входящих в состав железорудных материалов или образующихся в них при металлизации.
...
силы между атомами и молекулами, обусловленные флуктуа-ционным дипольным моментом, меняющимся с мгновенным положением электронов (силы Ван-дер-Ваальса).
...
Силы, действующие между атомами в твердых телах, подобны этим связям, учитывая, что атомы в кристаллических твердых телах размещаются периодически, чтобы силы электростатического отталкивания были минимальными и образовывались связи, соответствующие энергетически наиболее выгодным углам и расстояниям решетки. Главной характеристикой, определяющей энергию и тип связи, является распределение электронов между атомами и молекулами. Твердые тела можно классифицировать как имеющие кристаллическую решетку с ионной, ковалентной, молекулярной, металлической и водородной связью.
...
Соединения металлов с кислородом имеют в основном ионный характер. Ионная связь характеризуется низкой электропроводностью при низких температурах и высокой ионной проводимостью при высоких температурах. Прочность ионной связи увеличивается с ростом заряда. Характерным свойством металлов является их высокая электропроводность. В металлах в большом количестве имеются носители зарядов — электроны проводимости.
...
Кристаллы состоят из упорядочение и периодически расположенных атомов или молекул. Наиболее устойчивыми структурами кристаллов являются те, в которых осуществлена самая плотная упаковка атомов с удовлетворением других требований, таких как наличие определенного числа связей на каждый атом, размера атомов, направления связей и т.д. Для простоты атомы рассматривают как шары, упакованные тем или иным способом. Изучение построения кристаллических решеток показывает, что возможны 14 вариантов различных пространственных решеток (решеток Бравэ), слагающихся из элементарных ячеек с разной величиной осей и углов и группирующихся в порядке возрастания симметрии в семь систем: триклинную, моноклинную, тригональную, гексагональную, ромбическую, тетрагональную и кубическую (табл. 1, рис. 1).
...
В ионных кристаллах строение решетки значительно зависит от того, как положительные и отрицательные ионы могут быть совмещены в решетке, чтобы энергия притяжения была максимальна, а энергия отталкивания- минимальна. Этот 26
...
силы между атомами и молекулами, обусловленные флуктуа-ционным дипольным моментом, меняющимся с мгновенным положением электронов (силы Ван-дер-Ваальса).
...
Силы, действующие между атомами в твердых телах, подобны этим связям, учитывая, что атомы в кристаллических твердых телах размещаются периодически, чтобы силы электростатического отталкивания были минимальными и образовывались связи, соответствующие энергетически наиболее выгодным углам и расстояниям решетки. Главной характеристикой, определяющей энергию и тип связи, является распределение электронов между атомами и молекулами. Твердые тела можно классифицировать как имеющие кристаллическую решетку с ионной, ковалентной, молекулярной, металлической и водородной связью.
...
Соединения металлов с кислородом имеют в основном ионный характер. Ионная связь характеризуется низкой электропроводностью при низких температурах и высокой ионной проводимостью при высоких температурах. Прочность ионной связи увеличивается с ростом заряда. Характерным свойством металлов является их высокая электропроводность. В металлах в большом количестве имеются носители зарядов — электроны проводимости.
...
Кристаллы состоят из упорядочение и периодически расположенных атомов или молекул. Наиболее устойчивыми структурами кристаллов являются те, в которых осуществлена самая плотная упаковка атомов с удовлетворением других требований, таких как наличие определенного числа связей на каждый атом, размера атомов, направления связей и т.д. Для простоты атомы рассматривают как шары, упакованные тем или иным способом. Изучение построения кристаллических решеток показывает, что возможны 14 вариантов различных пространственных решеток (решеток Бравэ), слагающихся из элементарных ячеек с разной величиной осей и углов и группирующихся в порядке возрастания симметрии в семь систем: триклинную, моноклинную, тригональную, гексагональную, ромбическую, тетрагональную и кубическую (табл. 1, рис. 1).
...
В ионных кристаллах строение решетки значительно зависит от того, как положительные и отрицательные ионы могут быть совмещены в решетке, чтобы энергия притяжения была максимальна, а энергия отталкивания- минимальна. Этот 26
...
силы между атомами и молекулами, обусловленные флуктуа-ционным дипольным моментом, меняющимся с мгновенным положением электронов (силы Ван-дер-Ваальса).
...
Силы, действующие между атомами в твердых телах, подобны этим связям, учитывая, что атомы в кристаллических твердых телах размещаются периодически, чтобы силы электростатического отталкивания были минимальными и образовывались связи, соответствующие энергетически наиболее выгодным углам и расстояниям решетки. Главной характеристикой, определяющей энергию и тип связи, является распределение электронов между атомами и молекулами. Твердые тела можно классифицировать как имеющие кристаллическую решетку с ионной, ковалентной, молекулярной, металлической и водородной связью.
...
Соединения металлов с кислородом имеют в основном ионный характер. Ионная связь характеризуется низкой электропроводностью при низких температурах и высокой ионной проводимостью при высоких температурах. Прочность ионной связи увеличивается с ростом заряда. Характерным свойством металлов является их высокая электропроводность. В металлах в большом количестве имеются носители зарядов — электроны проводимости.
...
чивость той или иной полиморфной формы при данной температуре зависит от величины свободной энергии. Однако, несмотря на то, что термодинамически стабильным оксидом железа при всех температурах является a-Fe203, при некоторых условиях могут образоваться у- и 8-Fe203.
...
Многие свойства твердых тел в значительной степени зависят от незначительных отклонений строения их решетки от идеального. Идеальным кристаллом считается такой, решетка которого полностью упорядочена. Атомы в такой решетке неподвижны, а электроны распределены по состояниям с минимумом энергии. В реальных кристаллах могут быть несколько типов дефектов. Одним из них является увеличение амплитуды колебаний атомов, другие- есть следствие изменений в распределении электронов по возможным энергетическим уровням. Имеется целый ряд атомных дефектов (замещение одного из атомов другим атомом решетки или посторонним атомом, расположение атомов в междоузлиях, не занятый атомом узел решетки или вакансия). Возможно также образование линейных несовершенств- дислокаций.
...
Из многих типов отклонений частыми являются внедрение посторонних атомов в решетку основного кристалла (твердые растворы замещения). Кристаллы оксида магния, например, часто содержат заметные количества железа, никеля и других элементов. В кристаллах вюстита могут присутствовать ионы кальция, магния, марганца и др. Подобные ряды твердых растворов наблюдаются в системах Fe203—Al203 и у многих шпинелей. Имеется несколько факторов, определяющих возможную степень замещения основных ионов посторонними.
...
Если размеры двух ионов различаются меньше чем при-. мерно на 15 %, то это благоприятствует образованию твердых растворов замещения. Этот фактор для ионных кристаллов является наиболее важным. Если валентности введенного постороннего и основного иона различаются, то это ограничивает образование твердого раствора. Чем выше склонность к протеканию химических реакций, тем ограниченней возможность замещения основного иона посторонним. Одинаковый тип кристаллической решетки способствует образованию твердого раствора.
...
чивость той или иной полиморфной формы при данной температуре зависит от величины свободной энергии. Однако, несмотря на то, что термодинамически стабильным оксидом железа при всех температурах является a-Fe203, при некоторых условиях могут образоваться у- и 8-Fe203.
...
Многие свойства твердых тел в значительной степени зависят от незначительных отклонений строения их решетки от идеального. Идеальным кристаллом считается такой, решетка которого полностью упорядочена. Атомы в такой решетке неподвижны, а электроны распределены по состояниям с минимумом энергии. В реальных кристаллах могут быть несколько типов дефектов. Одним из них является увеличение амплитуды колебаний атомов, другие- есть следствие изменений в распределении электронов по возможным энергетическим уровням. Имеется целый ряд атомных дефектов (замещение одного из атомов другим атомом решетки или посторонним атомом, расположение атомов в междоузлиях, не занятый атомом узел решетки или вакансия). Возможно также образование линейных несовершенств- дислокаций.
...
Из многих типов отклонений частыми являются внедрение посторонних атомов в решетку основного кристалла (твердые растворы замещения). Кристаллы оксида магния, например, часто содержат заметные количества железа, никеля и других элементов. В кристаллах вюстита могут присутствовать ионы кальция, магния, марганца и др. Подобные ряды твердых растворов наблюдаются в системах Fe203—Al203 и у многих шпинелей. Имеется несколько факторов, определяющих возможную степень замещения основных ионов посторонними.
...
Если размеры двух ионов различаются меньше чем при-. мерно на 15 %, то это благоприятствует образованию твердых растворов замещения. Этот фактор для ионных кристаллов является наиболее важным. Если валентности введенного постороннего и основного иона различаются, то это ограничивает образование твердого раствора. Чем выше склонность к протеканию химических реакций, тем ограниченней возможность замещения основного иона посторонним. Одинаковый тип кристаллической решетки способствует образованию твердого раствора.
...
Как правило, образование твердого раствора замещения сопровождается появлением вакансий из-за необходимости соблюдения условия электронейтральности решетки. Так, введение ионов трехвалентного железа в вюстит приводит к образованию вакансий катионов. Если размер посторонних атомов мал, то они могут входить в междоузлия решетки (твердые растворы внедрения).
...
В кристаллах могут встречаться дефекты, образование которых не связано с внедрением посторонних атомов. Если такие дефекты состоят из равного числа вакансий и атомов в междоузлиях, то их называют дефектами по Френкелю. Кристаллическая система с этими дефектами термодинамически более предпочтительна при высоких температурах. По Френкелю, концентрация вакансий (nv)
...
Таким образом, соотношение числа ионов в междоузлиях и нормальных узлах решетки при данной температуре постоянно. Равновесная концентрация дефектов при комнатной температуре очень мала, но становится значительной при высоких температурах. Однако в чистом виде, т.е. при равном числе атомов в междоузлиях и вакансий, эти дефекты могут быть только в кристаллах со стехиометрическим составом, что редко наблюдается у оксидов.
...
Другим вероятным типом дефектов, характерным для ионных кристаллов, является одновременное образование вакансий катионов и анионов, концентрации которых находятся в равновесии (дефекты по Шоттки). Наличие вакансий обусловливает повышенную энергию решетки. Для кристаллов типа NaCl уравнение для определения концентрации вакансий аналогично уравнению (3).
...
состава. Общим для нестехиометрических оксидов свойством является изменение их состава в зависимости от окружающей газовой среды и температуры.
...
Поверхности и границы раздела между различными фазами имеют большое значение при изучении процессов, протекающих при металлизации руд. Обычно состояние поверхности характеризуют поверхностным натяжением и поверхностной энергией. Для жидкости эти величины равны между собой, для твердого тела они различны. Кристаллы поверхности с различными кристаллографическими ориентациями обладают поверхностными энергиями различной величины. Те из поверхностей, которые совпадают с плоскостями атомов плот-нейшей упаковки, имеют минимальную поверхностную энергию и, следовательно, наиболее стабильны.
...
Многие явления, связанные с влиянием поверхностей и границ раздела фаз на процесс, обусловлены тем, что наличие поверхностной энергии приводит к возникновению разницы давления в среде над разными участками искривленной поверхности. При этом на участках с большей кривизной растет давление пара или растворимость, т.е.
...
Одним из простейших типов поверхностей раздела являются границы между зернами одного и того же материала. Если кристаллы наклонены друг относительно друга, то на границе раздела возникает некоторое несоответствие, эквивалентное вводу краевых дислокаций между кристаллами. Число последних и энергия границы возрастают с увеличением угла относительно наклона кристаллов. Если происходит поворот 30
...
состава. Общим для нестехиометрических оксидов свойством является изменение их состава в зависимости от окружающей газовой среды и температуры.
...
Поверхности и границы раздела между различными фазами имеют большое значение при изучении процессов, протекающих при металлизации руд. Обычно состояние поверхности характеризуют поверхностным натяжением и поверхностной энергией. Для жидкости эти величины равны между собой, для твердого тела они различны. Кристаллы поверхности с различными кристаллографическими ориентациями обладают поверхностными энергиями различной величины. Те из поверхностей, которые совпадают с плоскостями атомов плот-нейшей упаковки, имеют минимальную поверхностную энергию и, следовательно, наиболее стабильны.
...
кристаллов по отношению друг к другу, то образуется сетка винтовых дислокаций. Комбинирование наклона и поворота приводит к образованию сложной системы из винтовых и краевых дислокаций.
...
Поскольку фазы, присутствующие в железорудных материалах, имеют различные коэффициенты термического расширения, при охлаждении на границах раздела развиваются напряжения, приводящие иногда к растрескиванию и нарушению сплошности образцов. Это явление наблюдается и у однофазных систем, коэффициенты термического расширения которых в разных направлениях неодинаковы. В этом случае большое значение имеет размер зерен, причем чем больше размер зерна, тем выше величина возникающего напряжения.
...
Поскольку поверхность раздела между разными фазами отличается от внутренних частей повышенной энергией, то она стремится к такой конфигурации, чтобы энергия ее была минимальной. Поэтому растворенные вещества, снижающие поверхностную энергию, концентрируются на поверхности. При разрушении кристаллов оксидов поверхность становится химически более активной. В атмосфере воздуха на ней сразу же адсорбируются атомы кислорода, что приводит к снижению поверхностной энергии.
...
Для протекания химических или структурных изменений в твердой фазе должно происходить перемещение атомов. Существуют различные механизмы этого явления. Один из них — переход атомов из нормальных узлов решетки в расположенную рядом вакансию. Как было отмечено выше, вакансии существуют в каждом кристалле при всех температурах, отличных от абсолютного нуля. Скорость диффузии атомов в этом случае зависит от легкости перемещения атомов из нормального узля в вакантный и от концентрации вакансий. Передвижение атомов в каком-либо направлении эквивалентно блужданию вакансий в противоположном направлении. В связи с этим в подобном случае можно говорить о диффузии вакансий.
...
Другим возможным механизмом может быть движение атомов По междоузлиям. Если атомы переходят из нормального узла решетки в междоузлия, как это происходит при образовании
...
кристаллов по отношению друг к другу, то образуется сетка винтовых дислокаций. Комбинирование наклона и поворота приводит к образованию сложной системы из винтовых и краевых дислокаций.
...
Поскольку фазы, присутствующие в железорудных материалах, имеют различные коэффициенты термического расширения, при охлаждении на границах раздела развиваются напряжения, приводящие иногда к растрескиванию и нарушению сплошности образцов. Это явление наблюдается и у однофазных систем, коэффициенты термического расширения которых в разных направлениях неодинаковы. В этом случае большое значение имеет размер зерен, причем чем больше размер зерна, тем выше величина возникающего напряжения.
...
Поскольку поверхность раздела между разными фазами отличается от внутренних частей повышенной энергией, то она стремится к такой конфигурации, чтобы энергия ее была минимальной. Поэтому растворенные вещества, снижающие поверхностную энергию, концентрируются на поверхности. При разрушении кристаллов оксидов поверхность становится химически более активной. В атмосфере воздуха на ней сразу же адсорбируются атомы кислорода, что приводит к снижению поверхностной энергии.
...
Для протекания химических или структурных изменений в твердой фазе должно происходить перемещение атомов. Существуют различные механизмы этого явления. Один из них — переход атомов из нормальных узлов решетки в расположенную рядом вакансию. Как было отмечено выше, вакансии существуют в каждом кристалле при всех температурах, отличных от абсолютного нуля. Скорость диффузии атомов в этом случае зависит от легкости перемещения атомов из нормального узля в вакантный и от концентрации вакансий. Передвижение атомов в каком-либо направлении эквивалентно блужданию вакансий в противоположном направлении. В связи с этим в подобном случае можно говорить о диффузии вакансий.
...
Другим возможным механизмом может быть движение атомов По междоузлиям. Если атомы переходят из нормального узла решетки в междоузлия, как это происходит при образовании
...
дефектов по Френкелю, то далее они легко перемешаются по кристаллу из одного междоузлия в другие. Одним из вариантов этого процесса является так называемый эстафетный механизм, при котором атом, находящийся в междоузлии, переходит в нормальный узел, выталкивая ранее находившийся там атом в новое междоузлие.
...
Действительный механизм процесса в данной системе определяется относительной величиной энергии, требующейся для протекания этого процесса. Диффузионные процессы, как правило, во многом определяют скорость химических реакций и спекания. Количественно диффузия характеризуется двумя законами Фика:
...
Согласно выражению Нернста—Эйнштейна Д = В,ЯГ, где В,— подвижность атома (скорость, приобретаемая под действием единицы силы). Это выражение удобно применять при рассмотрении подвижности заряженных частиц и связи между коэффициентом диффузии и электропроводностью.
...
Атом при перемещении из одного положения в решетке в другое должен пройти через промежуточное положение с высокой энергией.
...
Величина необходимой для этого энергии называется энергией активации процесса, а температурная зависимость коэффициента диффузии может быть представлена выражением:
...
Величина коэффициента диффузии и его изменение с ростом температуры зависят прежде всего от концентрации дефектов кристаллической решетки (вакансий, ионов в междоузлиях), энергии активации их перемещения по решетке. Как правило, на кривой зависимости между температурой и коэффициентом диффузии различают два участка: низкотемпературный, во многом определяемый наличием примесей (так называемая примесная область диффузии), и высокотемпературный (собственно область диффузии).
...
Для нестехиометрических оксидов концентрация дефектов кристаллической решетки велика по сравнению с концентрацией дефектов по Френкелю и Шоттки в решетке стехиометри-ческих оксидов или по сравнению с концентрацией дефектов, обусловленных наличием примесей. Энергия активациии диффузии катионов при постоянном составе вюстита соответствует величине энергии активации перемещения вакансий по катионным узлам и составляет 125-150 кДж/моль.
...
В жидкостях диффузия протекает иначе, так как строение решеток у этих систем другое. В этом случае диффузия характеризуется высокими значениями коэффициентов диффузии и низкими значениями величины энергии активации, так как решетка жидкости обладает высокой степенью неупорядоченности.
...
Необходимо отметить, что диффузия вдоль границ зерен, где решетка менее упорядочена, должна идти быстрее, чем в объеме кристалла. Точно так же и подвижность атомов на поверхности кристалла должна быть больше, чем внутри кристалла. Таким образом, при низких температурах должна преобладать диффузия по поверхности и границам зерен, а при высоких- объемная диффузия.
...
Железо образует с кислородом три стабильных оксида: ^i-yO, Fe30< и Fe203 (рис.2). Вюстит Fej_yO может содержать от 23,1 до 25,6 % 02. Отсюда видно, что стехио-Метрическое отношение Fe: О = 1, соответствующее 22,3 %Oj, не достигается. Вюстит имеет гранецентрирован-
...
ную кубическую решетку типа NaCl. Если все узлы решет-ки, соответствующие ионам кислорода, заняты, то в уз-лах ионов железа имеются вакансии. Считают, что из-за этого в решетке должно находиться эквивалентное число ионов трехвалентного железа, иначе не выполнялось бы условие электронейтральности.
...
Избыток положительных зарядов ионов железа может передвигаться по решетке между ионами двух- и трехвалентного железа. Эти заряды называют дефектными электронами, они являются носителями электричества и причиной электропроводности вюстита. Благодаря наличию вакансий ионов железа возможно передвижение ионов железа по решетке, при этом вакансия иона железа блуждает в противоположном направлении. Между коэффициентом самодиффузии железа в вюстите СЕ>ре)
...
Процесс восстановления железа из оксидов по принципу Байкова о последовательности превращений протекает ступенчато путем последовательного перехода от высших оксидов к низшим по схеме Fe203 —*-Fe304 —*-FeO —*Fe (выше 570 °C) или Fe203 —*Fe304 —*Fe (ниже 570 °C). При этом в соответствии с диаграммой Fe—О в системе возникают не только низшие оксиды и металл, но и твердые растворы.
...
Поскольку эти реакции идут с поглощением тепла, константы равновесия их растут с повышением температуры, т.е. содержание СО и Н2 в равновесной смеси падает. Реакция (13) сопровождается выделением тепла, в результате чего равновесие с ростом температуры смещается влево. Для этой реакции
...
Fe304 + тСО —*• 3FeO + (m - l)CO + С02; FeO + лСО —» Fe + (л - l)CO + СОг; Fe304 + рНг -* 3FeO + (р - l)H2 + НгО; FeO + qH2 -» Fe + (q
...
Из графика (см. рис. 4) следует, что газ, который не может быть использован для восстановления FeO, может восстановить Fe304 до FeO, что делает возможным протекание реакций восстановления высших оксидов железа до FeO при пониженных температурах в начале процесса восстановления, например, в верхней части шахтной восстановительной печи.
...
Анализ кривых равновесия реакций восстановления оксидов железа оксидом углерода показывает, что процесс можно условно разделить на легкую и .трудную части. К первой можно отнести восстановление высших оксидов железа, ко второй— восстановление FeO. Для протекания реакций (11),
...

Технология термической обработки металлов
Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т. Т. 1. Свариваемость материалов. Справ. изд.
Двойные и тройные карбидные и нитридные системы переходных металлов: Справ, изд.
Новые процессы получения металла (металлургия железа)
Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Книга 1
Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Книга 2
Сплавы с эффектом памяти формы

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Новые процессы получения металла (металлургия железа)