Transcript FeChem

Výroba železa a oceli
očima chemika
Kamil Wichterle
VŠB – Technická Univerzita Ostrava
Metalurgie železa:
Redukce oxidů železa
FeO(s) + CO(g)  Fe(?) + CO2(g)
• (?)=(s) … Přímá redukce
• (?)=(ℓ) … Vysoká pec
Železná ruda
Dřevěné uhlí
CO2
,N2
Pec, T<1000oC
Reakce g-s
Vzduch
Železná houba
kování, nauhličování,
kalení a popouštění
Ocel
Historická výroba železa
(Technické museum Brno)
1. tísíciletí
18. století
http://www.technicalmuseum.cz/pamatky.html
ŽELEZNÁ HOUBA
Kování - hamry
http://www.cassovia.sk/stm/v3.php3
Železná ruda
Koks
CO, CO2 ,N2
o
T>1200 C
Vysoká pec,
Reakce g-l-s
Horký vzduch Surové železo (Fe – Fe C)
3
Odlévání
Surové železo (pig iron - asi 4 % uhlíku)
Nižší
teplota
nahoře
C
CO
CO2
FeO + CO
C
O2
FeO
CO
Fe
C
Fe + CO2
FeO
CO2
Vyšší
teplota
dole
>1500°C
Vysoká
pec
FeO
CO
Fe
C
CO2
FeO
Fe
Boudouardova
reakce :
CO2 + C
2 CO
Boudouardova reakce
CO2 + C
2 CO
ΔG° [kJ/mol] =170,5 – 0,174 T [K]
% CO ve směsi s CO2
Složení plynu v přítomnosti C
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
400
Hoření při vysoké
teplotě :
parciální tlak směsi CO a CO2
0.1 MPa
1 MPa
600
800
Teplota [°C]
1000
O2 + 2 C
1200
2 CO
(i v přebytku O2 !)
Vedlejší reakce ve vysoké peci
Redukce Mn, Si, S, P, ……
Tvorba slitiny Fe-C-Mn-Si-S-P-……
= surové železo (pig iron)
Tvorba strusky CaSiO3 , ……
HLAVNÍ ÚKOL OCELÁRNY
Odstranění
uhlíku
Ocel – pod 2% C
Speciální oceli 99.95% Fe
Odstranění:
křemíku dusíku
kyslíku
fosforu
vodíku
síry
CO
Procesy v
tekutém kovu
OCEL
(kujné železo) pod 2% C
tvárné, kujné
LITINA
nad 2% C
křehké
OCEL - LITINA
Praha 1891
Petřín
rozhledna
Hannavský pavillon
Tekutá ocel
Fe – C
Teplota oC
1638oC
Nejnižší bod tání
OCEL
Fe
1153oC
LITINA
Hmotnostní procento
uhlíku
Fe3
C
PUDLOVÁNÍ - Henry Cort 1780
•Kelímková pec
•Roztavené surové železo (pig iron)
+ vzduch
•Reakce:
Fe-C(ℓ) + O2 (g) → Fe(s) + Fe-C(ℓ) + CO(g)
nebo:
[Fe-C] + {O2 } → <Fe> + [Fe-C] + {CO }
•Mechanické vytahování kusů ztuhlé oceli
z „louže“ („puddle“) litiny
KONVERTOR – Sir Henry Bessemer 1856
•Konvertor
•Roztavené surové železo (pig iron)
+ dnem vháněný vzduch
•Rychlá reakce:
[Fe-C] + {O2 } → [Fe] + {CO }
Méně významně:
[Fe] + {O2 } → (FeO)
•Výsledkem tekutá ocel
•SiO2 vyzdívka (kyselá)
VLIV VYZDÍVKY - 1875
Sidney Gilchrist Thomas a Percy Gilchrist
Odfosfoření v konvertoru
MgO, CaO vyzdívka (zásaditá)
Vyzdívka spotřebovávaná dalšími reakcemi:
[Fe-P] + {O2 } + <CaO> → [Fe] + (Ca3(PO4)2)
roztavený kov plyn
pevný nekov roztavený kov nekovová tavenina (struska)
struska => hnojivo „Thomasova moučka“
Další reakce:
[Fe-S] + <CaO> → [Fe-O] + (CaS)
[Fe-Si] + {O2 } + <CaO> →[Fe] + (CaSiO3)
MARTINSKÁ PEC - 1863
Sir Charles William Siemens
Émile et Pierre Martin
•Roztavené železo (surové železo + šrot)
+ horký vzduch
+ spalné plyny
[Fe-C] + {CO2 } → [Fe] + 2{CO}
+ železná ruda
[Fe-C] + (FeO) → 2[Fe] + {CO}
+ magnezitová vyzdívka
+ CaO
Odstraňování P, S, Si
Pomalejší proces než v konvertoru
Spotřeba paliva
Vyšší homogenita produktu
Možnost vsazovat šrot
1950
• Výroba železa a oceli – zcela
propracovaná technologie
• bez požadavků na další technický
vývoj
Bible – 1. kniha Mojžíšova
1. Adam
2. Kain
3. Enoch
4. Irád
5. Mechuael
… Cila také porodila syna,
6. Metušael
Tubal-kaina, učitele všech
7. Lámech
8. Tubal-kain
kovářů mědi a železa. …
9. …
Genesis 4:22
10. …Noe
POTOPA SVĚTA
Revoluce v ocelářství
od 1960
• Zásaditý kyslíkový proces
• Kontinuální lití
• Ochrana životního prostředí
Cyklus železa
Uhlí
Koksovna
Koks
Aglomerace
Odprašky
Okuje
Vápenec
Vápno Skládka
VysokáSurové
Železná ruda
železo
pec 250
Válcovna
kg/osobu/rokOcelárna
Vzduch
Přídavné palivo
Struska
Šrot
350 kg/osobu/rok
Revoluce v ocelářství
KYSLÍKOVÝ PROCES
KONVERTORY
Kyslík v ocelářství
• Prof. Robert Durrer
(poloprovoz Gerlafingen,
Švýcarsko 1948)
• První průmyslový kyslíkový konvertor
(VOEST Linz-Donawitz,
Rakousko 1952)
KYSLÍKOVÝ KONVERTOR
Šrot
Tekutá
ocel
Konvertor
Vsázka oceli 200 000 kg
O2 : 500 normálních m3/min
20 min
Mimovrstvová rychlost 1.5 m/s
250 vvm
Příkon přes plyn 60 kW/m3 (tj 8 W/kg)
Směšovací čas 10-100 s
Celý cyklus 50 min
Kyslíková tryska
Ocel
Struska
Výhody čistého kyslíku
Nepřítomnost dusíku:
•
•
•
•
•
Reakce rychlejší než se vzduchem
Lepší využití tepla
Vyšší teplota
Potlačený vznik nitridů
Výhřevnější odpadní plyn
Výroba kyslíku
Zkapalnění a destilace
Největší jednotky v ocelárnách
•
•
•
•
•
•
spotřeba 50-60 normálních m3 na tunu oceli
Rychlost dávkování 500-800 norm.m3/min
Tlak asi 1.5 MPa
99.5% O2; příměsí je argon
Vedlejší produkty: argon a dusík
Spotřeba energie 0.45 kWh na norm.m3
VYZDÍVKY OCELÁŘSKÝCH
PÁNVÍ
•
•
•
•
•
•
Až 1 mvstupují
tloušťky do reakce a
Chemické,
mechanické a tepelné
namáhání
spotřebovávají
se !!!!
Ztráty 0.5-1 mm na 1 cyklus
Laserem sledovaný stav
Zpomalování rozpouštění přídavkem CaO
Životnost až 1000 cyklů
(klasické konvertory 100 cyklů)
• Regenerace stěn nástřikem strusky ;
(až do 10 000 cyklů do generální opravy)
KYSLÍKOVÉ TRYSKY
•Kovové
•Keramické
Ochrana chlazením - vodou
- endotermní reakcí rozkladu
uhlovodíků
Nový vstup chemie do metalurgie
•Oxidačně - redukční rovnováhy v tekutých kovech
•Termodynamika vysokoteplotních procesů
•Fázové rovnováhy v nemísitelných taveninách
•Elektrochemie tavenin
•Kinetika reakcí v tekutých kovech
•On-line chemické analýzy
Sekundární metalurgie
nastavování přesného složení a teploty oceli
•Vstupní tavenina je již zbavena hlavních příměsí
(C, Si, P, S)
• Odstranění rozpuštěných plynů (O, CO, N, H)
probubláváním argonem pod vakuem
•Deoxidace přídavkem Al, Ca, CaC2, …
•Úprava složení přídavkem dalších kovů (Ni, Cr,
Mo, V, W, …)
•Nastavení žádoucího podílu C, N
•Odloučení strusek
•Homogenizace probubláváním argonem
Revoluce v ocelářství
KONTINUÁLNÍ LITÍ
•1933 první pokusy
•1950 průmyslové využití
•1960 10% výroby
•1985 50% výroby
•2000 90% výroby
Krystalizace
roztavené
oceli
Konti-lití
Problémy ochrany prostředí
•Snížení energetických nároků
– náhrada koksu méně hodnotnými palivy
– využití reakčního tepla oxidace
– omezení elektrického obloukového ohřevu
•Snížení spotřeby vody
•Snížení prašnosti
•Omezení tuhého odpadu (odprašky)
•Kontrola příměsí ve vstupním šrotu
•Zachycení a využití Zn, Cu, Pb, Cd, Hg, …
•Zneškodnění Cl, S
Těžké kovy, Zn, Pb, Cd,…
Uhlí
Koksovna
Úlet ve formě par kovů, chloridů,…
vytváření polétavých částic ve
výstupních plynech - filtrace – odprašky
5-10 kg/osobu/rok = 50-100 tis. t/rok/ČR
Skládka
Koks
Aglomerace
Železná ruda
Odprašky
Okuje
Vápenec Vápno
Skládka
VysokáSurové
železo
pec 250
Válcovna
kg/osobu/rokOcelárna
Vzduch
Přídavné palivo
Struska
Vstup převážně se šrotem
Šrot
350 kg/osobu/rok
Skládkování odprašků
50 % Fe
6 % Zn 30 Kč/kg
2 % Pb 18 Kč/kg
0,3 % Cd
…….
Dávka za rok: ČR: 50- 100 000 t (5-10 kg/osobu)
Cena za skládkování 100 000 000 Kč
Výzkum chemického využití strusek
a jemných metalurgických odpadů
Prof. Ing. Juraj Leško, CSc.
Katedra chemie
Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství
VŠB – Technická univerzita Ostrava
Závěr
•Výroba železa o oceli se v posledních desetiletích
přeměnila na moderní chemickou technologii
•Současná výroba železa o oceli je soustavou
složitých a zajímavých chemických procesů
•Za podmínek vysokých teplot se obtížně
experimentuje; tudíž je zde nutno využívat maxima
teoretických znalostí
•Metalurgové by měli umět dokonaleji využívat
poznatků chemie, fyzikální chemie a chemického
inženýrství
•Chemici, fyzikální chemici a chemičtí inženýři by
měli zase více rozvíjet poznatky, aplikovatelné i za
podmínek a v rozměrech metalurgických procesů
Děkuji za pozornost
Vypracováno v návaznosti na výzkum,
podporovaný grantem GAČR 104/04/0827