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)

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

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

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

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 (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

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 kcal Ανάπτυξη θερμοκρασίας T  1800 oC To CO ανέρχεται, θερμαίνει και ανάγει Το Ν2 δρα ως μέσο μεταφοράς θερμότητας -Αναγωγή των οξειδίων του Fe Απομάκρυνση του S FeS(στο Fe) + CaO = CaS(σκουριά) + FeO < 0 Απαιτεί επίσης χαμηλή Τ και υψηλή βασικότητα. -Ικανοποιητική ροή σκουριάς για Τ  1400-1500 οC

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. Πίνακας 11. Ενδεικτικό ισοζύγιο μαζών της υψικαμίνου. Εισερχόμενα Προϊόντα Ά Ύλες Βάρος Εξάγονται 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

Πίνακας 12. Τυπική χημική ανάλυση χυτοσιδήρου, μαλακτού σιδήρου, σπογγώδους σιδήρου, μαλακού χάλυβα και χάλυβα Συστατικό Χυτοσίδηρος (%) Μαλακτός Σίδηρος* Σπογγώδης Σίδηρος Μαλακός Χάλυβας C 3,5 – 4,5 0,02 1 0,12 < 1 Si 0,5 – 1,5 0,09 0,15 0,5 Mn 0,5 – 2,5 0,40 0,67 0,5-1,5 S  0,7 0,05 < 0,03 P 0,06 - 3,0 0,10 0,13 0,046 Fe 94 85-90  97 Φυσικές Ιδιότητες Σκληρός Εύθραυστος Ελατός Όλκιμος Κοκκώδες Υλικό Ακαθαρσίες (SiO2, CaO, MgO, Al2O3, κλπ) Δεν έχει * 10 FeO  15 *Ο μαλακτός σίδηρος φαίνεται στο μικροσκόπιο ως μηχανικό μίγμα φερρίτη (Feα) και σκουριάς. Είναι η καθαρότερη πρώτη ύλη για παραγωγή ειδικών χαλύβων