ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ ΣΙΔΗΡΟΥ Ι Μεταλλουργία Σιδήρου Χυτοσιδήρου Θεωρία και Τεχνολογία Τμήμα Μηχανικών Μεταλλείων - Μεταλλουργών ΔΡ. Α. ΞΕΝΙΔΗΣ ΔΙΑΛΕΞΗ 11. ΧΥΤΟΣΙΔΗΡΟΣ - ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΣ
ΑΔΕΙΑ ΧΡΗΣΗΣ 2 Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.
ΧΥΤΟΣΙΔΗΡΟΣ 3 Γενικά Κύριες πηγές: Πλούσια μεταλλεύματα Αιματίτη (Fe 2 O 3 ) Μαγνητίτη (Fe 3 O 4 ) Χαμηλή περιεκτικότητα SiO 2 Περιεκτικότητα Fe 50-70% Πτωχά μεταλλεύματα Λειμωνίτη (Fe 2 O 3.3Η 2 Ο) Σιδερίτη (FeCO 3 ) Περιέχουν αργιλοπυριτικά ή ασβεστιτικά στείρα Περιεκτικότητα Fe ως 20-30% όταν τα στείρα μπορούν να απομακρυνθούν ή να παίξουν τον ρόλο των συλλιπασμάτων Κύρια χαρακτηριστικά ενός μεταλλεύματος Περιεκτικότητα Fe % (υψηλή περιεκτικότητα οδηγεί σε υψηλή παραγωγικότητα και χαμηλότερο κόστος παραγωγής) Συνεκτικότητα (το μετάλλευμα δεν πρέπει να είναι πολύ συμπαγές ούτε πολύ εύθρυπτο) Καθαρότητα. Όσο γίνεται πιο καθαρό Ομοιομορφία (σταθερή φυσική και χημική σύσταση)
ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΣ 4 Γενικά Φρεατώδης κάμινος Αποτελείται από μεταλλικό κέλυφος Ύψος 30 m Διαμέτρου 15 m Εσωτερική πυρίμαχη επένδυση Δυναμικότητα 11000-12000 t χυτοσιδήρου / ημέρα Σχήμα 1 Σχήμα 2
ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΣ 5 Σχήμα 3 Σχήμα 4
ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΣ 6 Σχήμα 5 Σχήμα 6
ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΣ 7 Πηγάδι (Φρέαρ, stack) Κοιλία Βάση (bosh) Άνω μέρος βάσης (Ημίρρευστο υλικό) Κάτω μέρος βάσης (Ρευστό) Η μέγιστη θερμοκρασία (>1800 ο C) Μείωση του όγκου-αντεστραμένος κόλουρος κώνος Επένδυση: πυρίμαχα τούβλα, αργιλοπυριτικά με 40-99% Al 2 O 3 ή αργιλοχρομιούχα ή από γραφίτη ή CSi (επκρατούν σήμερα)
ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΣ Κοιλία Κυλινδρικό σχήμα Ομάλότερη συνέχεια Πηγάδι Ορθός κόλουρος κώνος (ομαλή κάθοδος του φορτίου) Θέρμανση και αναγωγή της τροφοδοσίας Ανώτερα τμήματα 2CO = CO2 + C έμφραξης κενών) (κίνδυνος Χαμηλότερα τμήματα (Τ ) CO2 + C = 2CO αλλά λόγω υψηλής Τ υπάρχουν αυξημένες τριβές Πυρίμαχα: αργιλοπυριτικά ή CSi Ψύξη με υδρόψυκτες χάλκινες πλάκες Χωνευτήριο Ρευστό Μέταλλο Ρευστή Σκουριά Οπή Απομετάλλωσης (iron notch) Οπή/Οπές Αποσκωρίωσης (slag notch) ΔH 1 1,5 m Δφ 50-60 0 Ακροφύσια Υδρόψυκτα: Cu, πυρίμαχα υλικά Βρίσκονται στο ανώτερο τμήμα του χωνευτηρίου (ζώνη ακροφυσίων) Εισάγεται ζεστός αέρας για την καύση του άνθρακα Αέρας, υγραέριο, Φ.Α., μαζούτ, σκόνη, γαιάνθρακα, Ο 2, H 2 O Βάση (bosh) Άνω μέρος βάσης (Ημίρρευστο υλικό) Κάτω μέρος Βάσης (Ρευστό) 8
ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΣ 9 Σχήμα 7 Σχήμα 8
ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΣ ΑΝΑΚΟΜΙΣΤΕΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ 10 1. Ψυχρός αέρας 2. Βαλβίδα εισόδου αέρα 3. Γραμμή ανάμιξης 4. Βαλβίδα ανάμιξης 5. Αγωγός θερμού αέρα 6. Βαλβίδα αγωγού 7. Θερμός αέρας 8. Βαλβίδα αερίου υψικαμίνου 9. Καυστήρας αερίου υψικαμίνου 10. Θάλαμος καύσης 11. Θάλαμος απόθεσης θερμότητας 12. Βαλβίδα καπνοδόχου 13. Αέρας καύσης 14. Βαλβίδα αέρα καύσης 15. Εκτόνωση Χρήση: προθέρμανση αέρα Η: 30 m, D: 7 m Δυο διαμερίσματα Καύσης (απαερίων ΥΚ, 30% CO) Αποθεσης θερμότητας στα πυρότουβλα (κατάλληλη κατασκευή με μεγάλη επιφάνεια) Τρόπος λειτουργίας Καύση των απαερίων Κατ αντιρροή κίνηση του καθαρού αέρα Τουλάχιστον 3, συνήθως 4
ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΣ ΠΥΡΙΜΑΧΗ ΕΠΕΝΔΥΣΗ 11 Ζωή της επένδυσης της καμίνου Συνάρτηση του ρυθμού φθοράς Μπορεί να φθάσει έως 10 χρόνια Προθέρμανση: 10 14 ημέρες Εκκίνηση: 1 μήνας περίπου Αιτίες φθοράς της πυρίμαχης επένδυσης Πυριμάχων Αλκάλια (πτητικά) Ανάγονται στα χαμηλά τμήματα και συμπυκνώνονται στα ανώτερα σχηματίζοντας με τα αργιλοπυριτικά τούβλα ενώσεις όπως Νεφελίνης (Na 2 O.Al 2 O 3.2SiO 2 ) Λευκίτης (K 2 O.Al 2 O 3.2SiO 2 ) (Μεγάλη θερμική διαστολή) Pb, Zn ατμοποιούνται αποτίθενται στους πόρους των πυριμάχων οξειδώνονται διογκώνονται (καταστρέφουν τα πυρίμαχα)
ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΣ ΠΥΡΙΜΑΧΗ ΕΠΕΝΔΥΣΗ 12 Αιτίες φθοράς της πυρίμαχης επένδυσης Πυριμάχων Άνθρακας 2CO = CO 2 + C (χαμηλές Τ) Θερμικοί αιφνιδιασμοί Τριβή κατά την κάθοδο σε συνδυασμό με την υψηλή Θερμοκρασία Περιοχή κοιλίας, βάσης και χωνευτηρίου Αγωγιμότητα Αντίσταση στη σκουριά Τρόπος Ξήρανσης Τρόπος Προθέρμανσης (dt/dx, Αποφλοίωση)
ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΣ ΠΥΡΙΜΑΧΗ ΕΠΕΝΔΥΣΗ 13 Προστασία πυριμάχων Τεχνική υδρόψυξης Μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα όταν γίνεται σε συνδυασμό με πυρίμαχα με πολύ υψηλή θερμική αγωγιμότητα, όπως το CSi λ: 5-10 φορες μεγαλύτερο από τα πυρίμαχα των οξειδίων λ: 5-7 φορές μικρότερο από τον γραφίτη 1970: Καταστράφηκε η δομή βάσης υψικαμίνου από τούβλα αλούμινας (94% Al 2 O 3 ) σε 4 μήνες Σχηματισμός λευκίτη (K 2 O.Al 2 O 3.2SiO 2 ) με μεγάλο συντελεστή θερμικής διαστολής Αντικατάσταση με CSi Το ίδιο συμβαίνει για όλες τις ποιότητες των αργιλοπυριτικών τούβλων
ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΣ - ΠΑΡΑΓΩΓΗ 14 Παραγόμενος χυτοσίδηρος Fe 93% C 3,5-4,5% Si 1 % Mn 1 % Χυτεύεται Σε χυτευτικές μηχανές (ατέρμονες μεταφορικές αλυσίδες με καλούπια) Ή σε κάμινο αναμονής μέχρι να οδηγηθεί προς παραγωγή χάλυβα Απαέρια Περιέχουν σημαντική ποσότητα σκόνης Αποκονίωση Κονιοθάλαμος και Η/Φ ή πύργοι πλύσεις Αξιοποίηση στους ανακομιστές θερμότητας
ΧΗΜΕΙΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΥ 15 Η αναγωγή προς μεταλλικό Fe απαιτεί Την παροχή θερμότητας Την αναγωγή (δέσμευση του οξυγόνου-απομάκρυνση από τα οξείδια σιδήρου) Κυριότερες φυσικοχημικές διαδικασίες: Καύση κωκ (Στα ακροφύσια. Προμήθεια ενέργειας για αναγωγή και τήξη) Αναγωγή (Οξειδίων σιδήρου) και Τήξη (Fe, Στείρων μεταλλεύματος, τέφρας και ασβεστόλιθου) Καύση Κώκ Θερμός αέρας Ζώνη ακροφυσίων C + O 2 = CO 2 = - 94.05 kcal Έξω από ζώνη ακροφ. CO 2 + C = 2CO = + 41.21 kcal Συνολική αντίδραση C + ½ O 2 = CO = - 26.42 kcal
ΧΗΜΕΙΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΥ 16
ΧΗΜΕΙΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΥ 17 Αναγωγή οξειδίων σιδήρου Τ < 1000 ο C 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2 FeO + CO = Fe ο + CO 2 Τ > 1000 ο C FeO + C = Fe ο + CO MnO + C = Mn + CO SiO 2 + 2C = Si + 2CO P 2 O 5 + 5C = 2P + 5CO ΔΗ ο 298 = - 12.53 kcal ΔΗ ο 298 = + 9.67 kcal ΔΗ ο 298 = - 4.43 kcal ΔΗ ο 298 = + 36.78 kcal ΔΗ ο 298 = + 65.58 kcal ΔΗ ο 298 = + 157.36 kcal ΔΗ ο 298 = + 227.9 kcal Τ = 550-650 ο C 2CO = C + CO 2 = - 41.21 kcal ΔΗ ο 298
ΧΗΜΕΙΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΥ 18 Τήξη στείρων, τέφρας και ασβεστόλιθου SiO 2 σημείο τήξης 1723 ο C Al 2 O 3 σημείο τήξης 2020 ο C SiO 2 Al 2 O 3, 5.5% Al 2 O 3 σημείο τήξης 1590 ο C
ΧΗΜΕΙΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΥ 19 Τήξη στείρων, τέφρας και ασβεστόλιθου Απαραίτητη η προσθήκη ασβεστολίθου CaCO 3 = CaO + CO 2 Διάσπαση σε T>820 o C Ενδόθερμη αντίδραση Μειώνει την ειδική κατανάλωση κωκ Αύξηση συγκέντρωσης CO 2 μείωση της αναγωγικής ικανότητας των αερίων Προτιμάται η προσθήκη CaO αντί CaCO 3 Υγρή σκουριά Σχηματίζεται στο άνω μέρος της βάσης Πλούσια σε FeO Περιέχει και SiO 2 και Al 2 O 3 Καθώς κατέρχεται Εισέρχεται CaO στη σκουριά και αυξάνεται η βασικότητα της Στο χαμηλότερο σημείο της βάσης Εισέρχεται περισσότερο SiO 2 και Al 2 O 3 (από την τέφρα του κωκ) και μειώνει τη βασικότητα της
ΣΚΟΥΡΙΑ Υ/Κ 20 Συστατικό Βάρος (%) SiO 2 35 CaO 44 Al 2 O 3 15 MgO 3 FeO 1 MnO 1 S 1 Σύνολο 100
ΤΡΙΓΩΝΙΚΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΣΚΟΥΡΙΑΣ ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΣ 21
ΧΗΜΕΙΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΥ 22 Αντιδράσει Si Αύξηση θερμοκρασίας ευνοεί την αντίδραση SiO 2 + 2 C = Si + 2CO ΔΗ ο 298=164,76 kcal Αύξηση βασικοτητας ευνοεί τη δέσμευση SiO 2 στη σκουριά CaO + SiO 2 = CaO.SiO 2 Μειώνει το ελεύθερο SiO 2 το οποίο μπορεί να σχηματίσει Si που διαλύεται στο Fe Αντιδράσεις Mn Αύξηση θερμοκρασίας ευνοεί την αντίδραση MnO + 2 C = Mn + 2CO ΔΗ ο 298=65,58 kcal Αύξηση βασικοτητας απελευθερώνει MnO (MnO.SiO 2 ) + (CaO) = (CaO.SiO 2 ) + (MnO)
ΧΗΜΕΙΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΥ 23 Αντιδράσεις S Προέρχεται κυρίως από το κωκ Σχηματίζει συνήθως το σταθερό FeS Απομακρύνεται από το μέταλλο όταν η βασικότητα είναι μεγάλη FeS (στον σίδηρο) + CaO = CaS (στη σκουριά) + FeO
ΧΗΜΕΙΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΥ 24
ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΥΨΙΚΑΜΙΝΟΥ 25 Υψηλό κόστος επένδυσης και λειτουργίας Ακαθαρσίες στο αργό μέταλλο Περιορισμένη δυνατότητα ελέγχου ποιότητας του χυτοσιδήρου Μικρή Υψικάμινος: Χαμηλή παραγωγικότητα και υψηλό κόστος παραγωγής Μεγάλη Υψικάμινος: Ανάγκη ύπαρξης μεγάλης αγοράς Εκλεκτικότητα της Υψικαμίνου σε πρώτες ύλες και συλλιπάσματα
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 26 Σχήμα 1. Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. Σχήμα 2. Blast Furnace. http://resources.schoolscience.co.uk/corus/14-16/steel/msch2pg2.html Σχήμα 3. Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. Σχήμα 4. Stoves. http://www.dillinger.de/dh/unternehmen/produktion/hochofen/index.shtml.cn Σχήμα 5. Blast Furnace: Process Description. Courtesy of Davy International. http://www.heattreatconsortium.com/metalsadvisor/iron_and_steel/process_descriptions/ra w_metals_preparation/ironmaking/blast_furnace/ironmaking_blastfurnace_processdescriptio n.htm Σχήμα 6. Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. Σχήμα 7. Blast Furnace Parts. http://aerographite.com/blast-furnace-parts/ Σχήμα 8. Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.
ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.