Τήξη Στερεών Πρώτων Υλών Εξαγωγική Μεταλλουργία
Τήξη Πρώτων Υλών και Μεταλλευμάτων Σκοπός της Τήξης (smelting) είναι η παραγωγή ρευστού μετάλλου, κράματος, χλωριούχου ένωσης ή matte. Η τήξη είναι μια διεργασία που διεξάγεται σε ψηλή θερμοκρασία η οποία υπερβαίνει τη θερμοκρασία τήξης των υλικών που συμμετέχουν στη διεργασία και μπορεί να συνοδεύεται ή όχι από χημική αντίδραση. Ανάλογα με το σκοπό η τήξη μπορεί να είναι: 1. απλή τήξη, 2. ρεύστωση, 3. οξειδωτική τήξη για παραγωγή μετάλλου ή matte, 4. θειωτική, 5. αναγωγική τήξη ή 6. μεταλλαγή της matte Slide 2
1. Απλή τήξη Σκοπός της απλής τήξης είναι η τήξη ενός μετάλλου προκειμένου στη συνέχεια να χυτευθεί. Παράδειγμα απλής τήξης είναι η τήξη χελωνών χυτοσιδήρου προκειμένου να χυτευθούν σε διάφορα χυτοσιδηρά αντικείμενα. Τήξη Παλαιοσιδήρου (scrap) και Σιδήρου από Άμεση Αναγωγή σε Ηλεκτρική Κάμινο Slide 3
2. Ρεύστωση Σκοπός της ρεύστωσης είναι η τήξη χωρίς αντίδραση που οδηγεί στον αποχωρισμό κάποιου εύτηκτου συστατικού από το μηχανικό μίγμα στο οποίο περιέχεται. Παραδείγματα ρεύστωσης αποτελούν: H θέρμανση μεταλλεύματος αντιμονίτη στους 500 ο C που συνοδεύεται με τήξη και διαχωρισμό του Sb 2 S 3. Το ίδιο συμβαίνει και με το μετάλλευμα βισμουθίτη το οποίο η θέρμανση στους 750 ο C συνοδεύεται με τήξη και διαχωρισμό του Bi 2 S 3. ΑπότομηχανικόμίγμαSn και Fe αποχωρίζεται τηκόμενος ο Sn όταν η θερμοκρασία φθάσει στους 232 ο C που είναι το σημείο τήξης του Sn. Slide 4
Παραγωγή Χάλυβα από Σιδηρομετάλλευμα (A) Πρώτες Ύλες Άμεση Αναγωγή Χαλυβοποίηση Χύτευση Αναγωγική Τήξη Iron Ore Τήξη Άμεση Αναγωγή Εξευγενισμός Κωκ Χαλυβοποίηση Μεταλλάκτης Ασβεστόλιθος Αναγωγική Τήξη Υψικάμινος Χυτοσίδηρος Slide 5
Παραγωγή Χάλυβα από Σιδηρομετάλλευμα (B) Πυροσυσσωμάτωση Αναγωγικη Τήξη Παραγωγή κωκ Οξειδωτική Τήξη Χύτευση Slide 6
Αναγωγική Τήξη Σιδηρομεταλλεύματος, Υψικάμινος Αναγωγική Τήξη Slide 7
Αναγωγική Τήξη Σιδηρομεταλλεύματος, Υψικάμινος Αναγωγική Τήξη Slide 8
Αναγωγική Τήξη Σιδηρομεταλλεύματος, Υψικάμινος Slide 9
Αναγωγική Τήξη Σιδηρομεταλλεύματος, Υψικάμινος Slide 10
Αναγωγική Τήξη Σιδηρομεταλλεύματος, Υψικάμινος Slide 11
Αναγωγική Τήξη Σιδηρομεταλλεύματος, Υψικάμινος http://www.early-birthplaces.eu/simulation.html Slide 12
Αναγωγική Τήξη Σιδηρομεταλλεύματος, Υψικάμινος http://www.early-birthplaces.eu/simulation.htm Slide 13
Αναγωγική Τήξη, Υψικάμινος Αναγωγική Τήξη Slide 14
500 C Αναγωγή Αιματίτη προς Μαγνητίτη 3Fe 2 O 3 +CO 2Fe 3 O 4 + CO 2 Αιματίτη προς Βουστίτη Fe 2 O 3 +CO 2FeO + CO 2 850 C Αναγωγή Μαγνητίτη προς Βουστίτη 3Fe 2 O 3 +CO 2Fe 3 O 4 + CO 2 1000 C Αναγωγή Βουστίτη προς Σίδηρο FeO +CO Fe + CO 2 1300 C Αναγωγή Διοξειδίου προς Μονοξείδιο CO 2 +C 2 CO 1900 C Καύση Άνθρακα C + O 2 CO 2 Αναγωγή Βουστίτη από C(s) FeO +C Fe + CO Slide 15
500 C Αναγωγή Αιματίτη προς Μαγνητίτη 3Fe 2 O 3 +CO 2Fe 3 O 4 + CO 2 Αιματίτη προς Βουστίτη Fe 2 O 3 +CO 2FeO + CO 2 850 C Διάσπαση Ασβεστόλιθου CaCO 3 = CaO + CO 2 Ζώνη Ακροφυσίων Αναγωγή από C(s) MnO +C Mn + CO SiO 2 +C 2Si + CO Σχηματισμός Σκουριάς 2 FeO + SiO2 = 2FeO.SiO2 CaO + SiO2 = CaO.SiO2 Aποθείωση CaO + FeS = CaS + SiO2 850 C Αναγωγή Μαγνητίτη προς Βουστίτη 3Fe 2 O 3 +CO 2Fe 3 O 4 + CO 2 1000 C Αναγωγή Βουστίτη προς Σίδηρο FeO +CO Fe + CO 2 1300 C Αναγωγή Διοξειδίου προς Μονοξείδιο CO 2 +C 2 CO 1900 C Καύση Άνθρακα C + O 2 CO 2 Αναγωγή Βουστίτη από C(s) FeO +C Fe + CO Slide 16 Slide 16
Αναγωγή Οξειδίων από Μονοξείδιο του Άνθρακα CO(g) Διάσπαση Ασβεστόλιθου Αναγωγή Διοξειδίου προς Μονοξείδιο CO 2 +C 2 CO Ζώνη Ακροφυσίων Καύση Άνθρακα Αναγωγή Οξειδίων από C(s) Σχηματισμός Σκουριάς Slide 17 Slide 17
3. Οξειδωτική Τήξη - Μεταλλαγή Οξειδωτική Τήξη Slide 18
3. Οξειδωτική Τήξη Μετάλλων Η οξειδωτική τήξη των μετάλλων συνδέεται με τον καθαρισμό τους. Οι περιεχόμενες προσμίξεις οξειδώνονται σε μικρό ή μεγάλο ποσοστό και μεταβαίνουν στη σκουριά σαν οξείδια ή απομακρύνονται σαν αέρια οξείδια. Παράδειγμα αποτελεί η μεταλλαγή του χυτοσιδήρου σε χάλυβα κατα την οποία μειώνεται η περιεκτικότητα του χυτοσιδήρου σε Mn, Si, C, και P και τα παραγόμενα οξείδια (MnO, SiO 2, P 2 O 5 ) μεταβαίνουν είτε στη σκουριά είτε στα καπναέρια. Σαν οξειδωτικό χρησιμοποιείται: ο αέρας σε φυσική κατάσταση, ο αέρας εμπλουτισμένος σε οξυγόνο ή καθαρό οξυγόνο. Slide 19
Οξειδωτική Τήξη - Μεταλλαγή Οξειδωτική Τήξη Slide 20
Μεταλλαγή Χυτοσίδηρου-Χαλυβοποίηση Χυτοσίδηρος Pig Iron Χυτοσίδηρος Cast Iron Μαλακτός Σίδηρος Wrough Iron Μαλακός Χάλυβας Milde Steel Χάλυβας Steel C 2 5 % 0.02 0.12 <1 Si 0.5 1.5 0.09 0.15 0.5 Mn 0.5 2.5 0.4 0.67 0.5-1.5 0.7 S 0.02 0.05 <0.03 0.06 3.0 P 0.1 0.05 <0.03 Σκληρός Εύθραυστος Μαλακός, Ελατός Όλκιμος Για να γίνει ο χυτοσίδηρος χάλυβας πρέπει να μειωθεί η περιεκτικότητα του σε C, Si, Mn, S, P Slide 21
Μεταλλαγή Χυτοσίδηρου-Χαλυβοποίηση Αυτό θα γίνει με την καύση των ακαθαρσιών σε C, Si, Mn, S, P C + O 2 (g) = CO 2 (g) Si + O 2 (g) = SiO 2 (l) 2 Mn + O 2 (g) = 2 MnO(l) 2 P + 5/2 O 2 (g) = P 2 O 5 (l) Τα οξείδια που σχηματίζονται απομακρύνονται είτε με τη σκουριά είτε με τα καπναέρια Slide 22
Μεταλλαγή Χυτοσίδηρου-Χαλυβοποίηση Χαλυβοποίηση σε μεταλλάκτη Slide 23
Μεταλλαγή Χυτοσίδηρου-Χαλυβοποίηση Χαλυβοποίηση σε μεταλλάκτη Slide 24
Μεταλλαγή Χυτοσίδηρου-Χαλυβοποίηση Τύποι Μεταλλακτών Εμφύσηση Αέρα από τον Πυθμένα Εμφύσηση Αέρα ή Οξυγόνου από την οροφή Slide 25
Οξειδωτική Τήξη - Μεταλλαγή Slide 26
Οξειδωτική Τήξη - Μεταλλαγή Slide 27
Μεταλλαγή Χυτοσίδηρου-Χαλυβοποίηση Μεταλλάκτης Bessemer C + O 2 (g) = CO 2 (g) Si + O 2 (g) = SiO 2 (l) 2 Mn + O 2 (g) = 2 MnO(l) 2 P + 5/2 O 2 (g) = P 2 O 5 (l) Εμφύσηση αέρα Slide 28
Μεταλλαγή Χυτοσίδηρου-Χαλυβοποίηση Μεταλλάκτης Bessemer 1855 Αγγλία, Shefield Slide 29
Μεταλλαγή Χυτοσίδηρου- Χαλυβοποίηση Μεταλλάκτης Bessemer 1855 Αγγλία, Shefield Slide 30
Μεταλλάκτης LD Πυθμένας Είσοδος αέρα Σκουριά Ακροφύσια Η εμφύσηση οξυγόνου διαρκεί περίπου 20 min. Συνηθισμένη πρακτική αποτελεί η εμφύσηση οξυγόνου από το στόμιο του μεταλλάκτη και η εμφύσηση αδρανών αερίων από τον πυθμένα για ανάδευση. Slide 31
Μεταλλαγή Χυτοσίδηρου-Χαλυβοποίηση Εμφύσηση Οξυγόνου Στόμιο Μεταλλάκτη Οπή Απόχυσης Αέρια Δακτύλιος Στήριξης Πυθμένας Μεταλλάκτη Σκουριά Ρευστό μέταλλο Πυρίμαχη επένδυση Μεταλλάκτης Εμφύσησης Οξυγόνου Slide 32
Μεταλλαγή Χυτοσίδηρου-Χαλυβοποίηση Slide 33
Μεταλλαγή Χυτοσίδηρου-Χαλυβοποίηση Slide 34
Φόρτωση Ρευστού Χυτοσίδηρου Μεταλλάκτη Slide 35
Φόρτωση Παλαιοσιδήρων στο Μεταλλάκτη Το 25% περίπου του φορτίου του μεταλλάκτη είναι παλαιοσίδηρα τα οποία εκτός των άλλων χρησιμεύουν και για την ψύξη του μεταλλάκτη γιατί οι χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν είναι έντονα εξώθερμες. Το φορτίο του μεταλλάκτη φθάνει μέχρι 400 t. Mαζί με το ρευστό χυτοσίδηρο προστίθενται και συλλιπάσματα όπως ασβέστης για να ρυθμίσουν το ιξώδες και το σημείο τήξης της σκουριάς και άλλα μέταλλα που χρησιμεύουν για την παραγωγή κραμάτων. Η εμφύσηση οξυγόνου διαρκεί περίπο20 min. Συνηθισμένη πρακτική αποτελεί η εμφύσηση οξυγόνου από το στόμιο του μεταλλάκτη και η εμφύσηση αδρανών αερίων από τον πυθμένα για ανάδευση. Slide 36
Φόρτωση Παλαιοσιδήρου στο Μεταλλάκτη Το 25% περίπου του φορτίου του μεταλλάκτη είναι παλαιοσίδηρα τα οποία εκτος των άλλων χρησιμεύουν και για την ψύξη του μεταλλάκτη γιατί οι χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν είναι έντονα εξώθερμες Το φορτίο του μεταλλάκτη φθάνει μέχρι 400 t μαζί με το ρευστό χυτοσίδηρο προστίθενται και συλλιπάσματα όπως ασβέστης για να ρυθμίσουν το ιξώδες και το σημείο τήξης της σκουριάς και άλλα μέταλλα που χρησιμεύουν για την παραγωγή κραμάτων. Η εμφύσηση οξυγόνου διαρκεί περίπου 20 min. Συνηθισμένη πρακτική αποτελεί η εμφύσηση οξυγόνου από το στόμιο του μεταλλάκτη και η εμφύσηση αδρανών αερίων από τον πυθμένα για ανάδευση Slide 37
Μεταλλάκτης LD Πυθμένας Είσοδος αέρα Σκουριά Ακροφύσια Η εμφύσηση οξυγόνου διαρκεί περίπου 20 min. Συνηθισμένη πρακτική αποτελεί η εμφύσηση οξυγόνου από το στόμιο του μεταλλάκτη και η εμφύσηση αδρανών αερίων από τον πυθμένα για ανάδευση Slide 38
Οξειδωτική Τήξη Slide 39
Οξειδωτική Τήξη Slide 40
Οξειδωτική Τήξη Slide 41
Ολική Οξειδωτική Φρύξη Slide 42
Ολική Οξειδωτική Φρύξη Slide 43
Ολική Οξειδωτική Φρύξη Slide 44
Παραγωγή Χάλυβα από Χυτοσίδηρο Μια σημαντική πρώτη ύλη για την παραγωγή χάλυβα είναι ο χυτοσίδηρος (pig iron). Επειδή ο χυτοσίδηρος έχει υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα και πυρίτιο είναι απαραίτητο να μειωθεί η περιεκτικότητα τους αυτή ώστε να φθάσει τα επίπεδα που απαιτούν οι προδιαγραφές του χάλυβα. Για να γίνει αυτό εμφυσάται οξυγόνο και αέρας σε ειδικές καμίνους που ονομάζονται μεταλλάκτες, ώστε να οξειδωθεί ο άνθρακας και το πυρίτιο. Ο μεν άνθρακας να απομακρυνθεί με τα απαέρια του μεταλλάκτη σαν διοξείδιο του άνθρακα, το δε πυρίτιο με τη σχηματιζόμενη σκουριά. Οι αντιδράσεις οξείδωσης που συμβαίνουν είναι οι ακόλουθες: C + O 2 -----> CO 2 Si + O 2 -----> SiO 2 Fe + 1/2 O 2 -----> FeO Στον μεταλλάκτη τροφοδοτούνται 750 kg χυτοσίδηρος ο οποίος περιέχει 1.5% Si, 4.1% C, scrap το οποίο περιέχει 0.35% Si, 0.065% C, καθαρό οξείδιο του ασβεστίου για να ρυθμιστεί το ιξώδες της σκουριάς του μεταλλάκτη, καθαρό οξυγόνο και αέρας. Από τη διεργασία παράγονται 1000 kg/h χάλυβας που περιέχει 0.05% C και 0.05% Si και σκουριά με περιεκτικότητα 35.1% FeO, 50.0% CaO και 14.9% SiO 2.Tα απαέρια του μεταλλάκτη περιέχουν 34.4% CO 2,3.11%O 2 και 62.5% Ν 2. Ζητείται να προσδιοριστούν οι ποσότητες των εισερχόμενων και εξερχομένων υλικών. 1. Η σύσταση και οι ποσότητες των υλικών στα διάφορα ρεύματα Slide 45
Θειωτική Φρύξη Slide 46