Темірдің тотықсыздануы

Темір домна пешіне тотықтар түрінде енеді, агломератта Fе₂О мен аздаған Fе₂О₃ және FeO болады, шекемтастарда - Fе₂О₃ және Fе₂О, темір кені, егер оны қолданса - Fе₂О₃ және Fе₂О, мұнымен қоса бұл тотықтардың бір бөлігі өздге де тотықтармен байланысқан түрде кездеседі.

Домна үрдісінің негізгі мақсаты - осы тотықтардан оларды тотықсыздандыра отырып мүмкіндігінше көп мөлшерде темірді бөліп алу. Тотықсыздану тотықтардан оттегіні бөліп алып олардан элементті алуға негізделген (немесе оттегі мөлшері аз тотықтар алуға). Оны тотықсыздандырғаш көмегімен жүзеге асырады - ол тотықсызданатын элементпен салыстырғанда, оттегімен көп ұқсастығы бар болуына байланысты оттегі бөлініп байланыс түзе алатын заттар. Осылайша, тотықсыздану үрдісінде бір зат оттегіден ажырайды, ал екіншісі оны өзіне алады (тотығады). Жалпы алғанда тотықсыздану үрдісі келесі теңдеумен жазылады:

 

МО + В = М + ВО,(3.1)

мұнда, М- тотықсыданатын металл; В - тотықсыздандырғыш; МО - тотықсызданатын тотық; ВО - тотықсыздандырғыш тотығы.

 

Академик А.А. Байковтың тұжырымдамасына сай, темір тотықтарының тотықсыздануы сатылай жоғарыдан төмен орындалады:

 

Fе₂О₃ - Fе₂О - FeO - Fe. (3.2)

 

570^○С - тан төмен температурада FeO тотығы тұрақсыз болғандықтан және ыдырап кететіндіктен (Fе₂О мен Fe - ге), 570^○С - тан төмен температурада тотықсыздану сұлбасы келесідей:

 

Fе₂О₃ - Fе₂О - Fe. (3.3)

 

Домна пешінде тотықсыздандырғыш ретінде көміртегі, СО мен сутегі қолданылады. Көміртегімен тотықсыздануды тікелей тотықсыздану, ал газдармен тотықсыздануды жанама тотықсыздану деп атау қабылданған. Көміртегі тотығымен тотықсыздану реакциясы төмендегідей:

 

> 570^○С температурада:

 

3Fе₂О₃ + СО = 2Fе₂О + CO₂ + 53740,

Fе₂О + СО = 3FeO + CO₂ + 36680,

FeO + СО = Fe + CO₂ + 16060.

< 570^°С температурада:

 

3Fе₂О₃ + СО = 2Fе₂О + CO₂ + 53740,

1 / 4Fе₂О + СО = 3 / 4Fe + CO₂ + 2870.

 

Олардың сипатты ерекшеліктеріне реакция өнімі әрқашан CO₂ болуында және ол ешбір жылу шығынынсыз жүргізіледі. Көміртегімен тікелей тотықсыздану СО - ның түзілуімен жүзеге асады және жылу шығынын қажет етеді, мысалы:

 

FeO + С = Fe + СО - 152670.

 

Айта кетерлік жай, келтірілген тікелей тотықсыздану реакциясы оның жүру механизмін көрсетпейді. Оның мәні, көміртегінің қатты тотықтармен тікелей әрекеттесуі шектелген, себебі бірдей емес кесектермен беттердің әсерлесуі өте аз. Сондықтан нақтылай алғанда тікелей тотықсыздану газ фазасы арқылы жүреді және екі сатыдан тұрады:

 

FeO + СО = Fe + CO₂, CO₂ + С = 2СО,

 

Қосынды алынғаннан кейін тікелей тотықсызданудың қорытынды реакциясын береді:

 

FeO + С = Fe + СО.

 

Осылайша, жанама тотықсызданудан тікелей тотықсызданудың айырмашылығы көміртегінің шығындалуында, ал бұл дегеніміз - тікелей тотықсыздану үрдісінің дамуымен фурмаға берілетін көміртегі мөлшері азаяды.

Домна пешінің атмосферасында 8 - 12% - ға дейін жетуі мүмкін сутегімен жанама тотықсыздану келесі реакциялармен жүреді:

 

3Fе₂О₃ + Н₂ = 2Fе₃О₄ + Н₂О - 4200,

Fе₃О₄ + Н₂ = 3FеО + H₂O - 62410,

FеО + Н₂ = Fе + H₂О - 27800.

 

Бұл реакциялар мен көміртегі тотығымен тотықсыздану реакцияларының тепе - теңдік сипаттарын салыстыру көрсеткендей, 810^○C - тан жоғары температурада сутегі күшті тотықсыздандырғыш болады, ал 810^○C - тан төмен температурада ол әлсізге жатады, яғни бұл температурада сутегінің оттегіге химиялық ұқсастығы СО - мен салыстырғанда төмен. Мұнымен қоса тәжірибелердің көрсетуінше, домна пешінде жоғары температураларда да, төмен температураларда да сутегі СО - ға қарағанда күштірек тотықсыздандырғышқа жатады. Сутегіні қосу мен оның концентрациясын газ фазасында ұлғайту тотықсыздану үрдісінің жылдамдығының артуы мен темірдің жанама тотықсыздану үрдісінің дәрежесінің артуына мүмкіндік береді. Бұл екі себеппен түсіндіріледі. Біріншіден, аз салмағы мен сутегі молекулаларының жеңіл болуына байланысты олар қозғалысқа тез түседі, агломерат араларына тез диффузияланады және басқа молекулалар тіптен ене алмайтын қуыстар мен саңылауларға ене алады, осының барлығы әрекеттесу бетін айтарлықтай ұлғайтады. Екіншіден, тотықсыздану үрдістерінде сутегі молекулаларының көп ретті қолданылатыны белгілі. Сутегі тотықсыздандырғыш ретіндегі қабілеттілігі домна үрдісінің температурасында және көміртегі мен СО - ның артық мөлшері болғанда су буларының пеште болуының мүмкін еместігімен түсіндіріледі. Жоғары температуралар аумағында (850 - 1000^○С мен одан жоғары) Н₂О булары оттегімен ыдырайды: Н₂О + С = Н₂ + СО, 810^○С - тан төмен температурада келесі реакциямен жүреді: Н₂О + СО = Н₂ + СО₂. Сәйкесінше, сутегімен тотықсыздану кезінде түзілетін Н₂О сол мезетте кокс көміртегісімен немесе СО - мен жоғарыда берілген реакциялар бойынша әрекеттеседі де, қайтадан сутегіге өтеді. Бұл түзілген сутегі қайтадан темір тотығымен әрекеттесіп, осылай көріктен колошникке көтерілгенше бірнеше рет қайталанып отырады. Басқаша айтқанда, тотықсыздануда қайтадан қолданыла отырып, сутегінің регенерация үрдісі жүзеге асады. Сутектің өзі де тотықсыздану үрдісі кезінде аралық реагент немесе темір тотықтарынан СО - ға оттегіні тасымалдаушы ретінде табылады және ақырында пештің газ фазасына беріледі. Осылайша газ фазасындағы сутегі мөлшері өзгермейді.

Жалпы домна пешінде темірдің тотығу үрдісін келесідей сипаттауға болады. Колошник үстінен бастап 900 - 1000^○С температураға дейінгі аумаққа дейін барлық жерде СО газымен және аз ғана сутегімен тотығу үрдісі жүреді. Жанама тотығудың бұл аумағында темірдің жоғарғы тотықтары ҒеО - ға дейін тотықсызданып, ал қалған ҒеО бөлігі темірге дейін тотықсызданады, мұнымен қоса тотықсызданған темір бөлшектері де колошникте кездеседі. Сонымен қатар, ҒеО бөлігі тіке жолмен жоғарғы температурада темірге дейін тотықсызданады. Бұл кезде 1100 - 1250^○С - тан жоғары температураларда қож түзілген кезде темір сұйық қождың тамшылары кокс кесектері арасымен жүріп өткенде тікелей тотықсызданады. Тотықсыздану кезінде темір сұйық күйде болады, материалдардан тотықсызданған темір бөлшектері губка формасында болады.

Домна пешінде темір толығымен тотықсызданады. Темірдің тотықсыздану дәрежесі 0,99 - 0,998, ал бұл дегеніміз 99 - 99,8% темір шойынға өтеді де, тек 0,2 - 1,0% ғана қожға өтеді.