Темір ұнтақтарын алу

Темір ұнтағы ұнтақты металлургияның негізгі материалдарының бірі болып табылады. Ұнтақты темір қара металдар прокатынан шамамен 2-2,5 есе қымбат. Темір ұнтағы негізінде жасалған бұйымдардың экономикалық тиімділігі жоғары.

Қазіргі кезде темір ұнтақтарын жаппай өндіру үшін арзан тотықты шикізаттың екі түрі пайдаланылады:

1. Прокаттық қақтар, олар прокаттар мен құймаларды қыздырғанда немесе суытқанда кезде көп мөлшерде түзіледі. Қақ негізінен Fe₃О₄ және Fe₂О₃ – тен тұрады, ондағы темірдің үлесі кемінде 72 %.

2. Табиғи тотыққан темір кендері – гематит Fe₂О_3, магнетит Fe₃О_4, сидерит FeСО₃ және басқа да химиялық қосылыстар түріндегі, құрамында шамамен 71 % темірі бар жоғары байытылған концентрат

Шикізаттың мұндай түрлерінде қоспалар да болады: 0,3-0,4 % марганец және 0,2-0,3 % кремний. Тотықсыздандыру алдында, сондай-ақ аралық сатыларда ұсақталған қақ магниттік сеперацияға жіберіледі, соның нәтижесінде кремнийдің үлесін 0,1 % дейін азайтуға болады.

Темір тотықтарын сутегімен тотықсыздандыру. Темір үш түрлі тотық түзеді: Fe₂О₃, (гематит); Fe₃О₄ (магнетит) және асқын тотық FeО (вьюстит). Бұлардың ішіндегі ең тұрақтысы – жоғарғы тотығы Fe₂О₃, ең аз тұрақтысы - төменгі тотығы FeO .

Процестің температурасы 572 °С жоғары болғанда, Fe₂О₃ тотығының темірге дейін тотықсыздану процесі үш сатыда жүреді:

Fe₂ О₃ → Fe₃ О₄ → FeO → Fe (43)

Ал, процестің температурасы 572 °С төмен болғанда, екі сатыда жүреді:

Fe₂ О₃ → Fe₃ О₄ → Fe (44)

Сутегімен тотықсыздандыру процесі қымбат болғандықтан, мұндай әдіспен темірдің аз ғана мөлшері өндіріледі. Бұл әдіс тек қана арзан сутегі бар болғанда, яғни ол химиялық немесе басқа өндірістің, сондай-ақ табиғи газды қолдану кезінде қалдық болып табылғанда қолданылады. Сутегімен тотықсыздандыру тәжірибелерінің бірнеше тәсілдері белгілі:

1. Муфельді немесе құбырлы пештерде;

2. Конвейерлі пеште (Пайрон-процесс, АҚШ; ).

3. Қайнау қабатты пешінде.

Қатты тотықсыздандырғышты пайдалану. Көміртегі тотығы арзан тотықсыздандырғыш. Темір тотықтарын көмірмен тотықсыздандыру процесін қарастырғанда, оның механизмі газ тәрізді көмір тотығымен тотықсыздандыруға негізделген.

Темір тотығының тотықсыздануы төмендегі реакциялар бойынша көміртегі тотығының регенерациясымен бір уақытта жүреді:

MeO + CO =Me +CО₂

С + CО₂ = 2 СО

МеО+С=Ме+СО

Бұл процесс сутегімен тотықсыздандыру сияқты адсорбциялық-каталитикалық механизм негізінде келесідей сатылар бойынша үдейді:

- Fe₂О₃ бөлшектерінің бетіне СО сыртқы диффузиясы;

- СО ішкі диффузиясы және оның тотықтың оттегісімен химиялық әрекеттесуі;

- тотықсыздандыру қабатына бағытталған шихтадағы каналдар мен кеуектер арқылы түзілген СО₂ молекулаларының қарама қарсы диффузиясы;

- тотық бетінен СО₂ десорбциясы және СО төмендегі реакция бойынша регенерациясы:

СО₂ +С = 2СО (46)

Тотықсыздау процесінің жалпы жылдамдығы шихтаға СО₂ молекулаларының диффузияланып кіру және шихта қабаты арқылы түзілген СО молекулаларының кері қарай шығу жылдамдығына тәуелді. СО₂ кон­центрациясы 60-100 % болуы тиіс.

Тотықты темір шикізаттарын тотықсыздандырудың құрамдастырылған әдісі.

Ол тотықсыздандырғыш ретінде қатты көміртегі мен конвертерленген табиғи газды бір уақытта қолдануға негізделген.

Метан газы белсенді тотықсыздандырғыш болып табылмайтындықтан, оны су буымен конвертерлейді. Ол үшін табиғи газ 80 °С мөлшерінде сумен өңделеді, содан кейін ол бу-газ қоспасы конверсия пешіне түседі, онда 1100 °С температурасында никель катализаторының қатысында құрамында 75 % Н₂ және 25 % СО бар газ түзіледі. Оны мына реакция бойынша көрсетуге болады:

СН₄+Н₂О=СО+3Н₂ (47)

Конвертерленген табиғи газдың бағасы сутегінің бағасынан бірнеше есе төмен. Құрамдастырып тотықсыздандыру өнімділікті арттырып, өнімдегі темірдің үлесін жоғарылатады. Мұндағы қатты тотықсыздандырғыштың ролі келесідей:

1. Тотықсыздандыру процесінің жылдамдығы негізінен тотықсыздан-дырылатын тотықтардың қабаты арқылы газдың айналу (өту) жылдамдығына тәуелді. Тотықсыздану қатты және газ тәрізді фазалардың бөлу шекараларында жүреді. Осыдан, газбен жанасатын қатты фазаның беті үлкен болған сайын тотықсыздану жылдамдығы да жоғары болады. Қатты тотықсыздандырғыш – күйе, ұсақталған мұнай коксі немесе ағаш көмірі – шихтаның кеуектілігін жоғарылатады, осыдан газ айналымы жеңілдейді.

2. Қатты тотықсыздандырғыштың бөлшектері тотықсызданған темір бөлшектерін оқшаулап, олардың жентектелуіне кедергі болады.

3. Қатты тотықсыздандырғыш көміртегі тотығының мына реакция бойынша регенерациялануына әкеледі СО₂ + С = 2 CO, бұл конвертерленген газдың тотықсыздандырғыш қасиетін арттырады.

Шихтаға тотықсыздандырғышпен қатар ірі фракциялы темір ұнтағы салынады. Ол да шихтаны кеуектендіретін катализатор болып табылады және тотықсыздау процесінің қарқындылығын арттырады.

Шихтаның құрамы мынадай болуы мүмкін: ұсақталған қақ немесе кон­центрат - 77 %, көмір - 7 %, тас көмір кесекшелері (байланыстырғыш) - 7 %, қайтарымды ұнтақталған темір ұнтағы - 9 %.

Құрамдастырылған тотықсыздағышпен ұнтақты өндіру технологиясы (Броварлық ұнтақты металлургия зауыты). Шихтаның құрамы: ұнтақталған прокаттық қақ - 76,8 %, күйе - 7,4 % (кокстың ұнтақталған азды күлі немесе ағаш көмірі), тас көмір кесектері (байланыстырғыш) - 7,4 %; қайтарымды ұнтақталған темір ұнтағы - 8,4 %.

Темір қағының химиялық құрамы: Fе - 72-75 %; Si-0,15 %, Мn-0,35 %; S - 0,03 %; Р- 0,02 %.

Шихта 80-100 °С температурасына дейін бумен қыздырылатын араластырғышта араластырылады. Брикеттеу шихтаның жылуөткізгіштігін арттырып, тотықсыздандыру кезінде оның қызуын үдетеді, осыдан шихтаның алатын көлемі азаяды.

Брикеттердің салмағы өлшеніп болат табаншаларға салынады. Ол конвейермен тотықсыздандыру пешіне жіберіледі. Пеш табиғи газдың жалынымен қыздырылады. Негізінен ұзындығы 11 м екі муфельді пештер қолданылады. Пеште үш температуралық аймақ бар: 1130-1150 °С; 1230-1250 °С; 1250-1300 °С. Табаншалар осы аймақтар арқылы 5 сағатта өтеді, содан кейін тағы да шамамен 4 сағат бойы – конвертірленген газ атмосфера-сындағы суыту аймағынан өтеді. Пештен шығар жерде табаншалардан өнім түсіріп алынады.

Алынған кеуекті темір балғалы ұсатқыштарда бөлшектеп, содан кейін шарлы, құйынды немесе басқа диірмендерде ұсақталады. Осылайша ұсақтау кезінде тотығуға жол бермес үшін диірмендерге азот беріледі.

Бұл процестің механизмі тотықсыздандырғыш мен тотықты шикізаттың ұсақ бөлшектерінің әрекеттесуі нәтижесінде пайда болған СО₂ және Н₂О шихтаның кеуектерінде СО және Н₂ ыдырайды, бұл бүкіл тотықсыздану процесінде брикеттердің кеуекті құрылымының сақталуына себеп болады. Осыдан пешке берілетін конвертірленген газ құрамындағы сутегі мен көміртегі тотығының өтуін жақсартады.

Темірдің тотықсыздануы мына сызба бойынша жүреді. :

Fe₂ О₃ → Fe₃ О₄ → FeO → Fe (48)

Тотықсыздандыру процесінің химиялық реакциялары:

а) қатты тотықсыздағышпен:

FeO+CO = Fe+CО₂

СО₂ +С = 2 СО

_________________

Fe+С=Fe+CО (49)

б) сутегімен:

3Fe₂ О₃ + Н₂ =2Fe₃ О₄+ H₂О

Fe₃ О₄+ H₂=3FeО+ H₂О

___________________________

FeО+H₂=Fe+H₂О (50)

Осы технологияның негізгі кемшілігі – процесс өнімділігінің төмен болуы, ол алынатын ұнтақ бағасына әсерін қатты тигізеді. Келешегі зор жобалар бойынша шикізатқа кететін шығындардың үлесі - 16-18 %.