Виды химических реакций, их использование в промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Виды химических реакций, их использование в промышленности»

Содержание

1. Определение и описание шлака

2. Химические свойства шлака

3. Физические свойства

4. Окислительно-восстановительные реакции в основе металлургии

5. Валентность

6. Обратимые реакции

7. Плавка на штейн

8. Восстановительно-сульфидирующая плавка

Выводы

Библиографический список

1. Определение и описание шлака

Шлак представляет собой сплав пустой породы с флюсом и золой кокса. По составу шлаки разделяют на кислые и основные; первые содержат больше кремнезема и меньше извести, чем вторые. Основные шлаки применяют в цементном производстве и при изготовлении кирпича.

При производстве чугуна в доменную печь загружают железную руду, флюсовый камень (известняк и/или доломит) и кокс. Получаемая на выходе из печи продукция - расплавленный чугун и шлак. Шлак состоит в основном из кварца и оксидов алюминия (от железной руды) и оксидов кальция и магния (от флюсового камня). Из печи шлак выходит в расплавленном состоянии, причем температура расплава может превышать 1480C (2700F). Существует четыре основных способа обработки расплавленного шлака: охлаждение воздухом, быстрое охлаждение холодной водой (вспучивание шлака), дробление и помол. При каждом из данных методов обработки получается уникальный шлаковый материал, обладающий отличительными свойствами.

2. Химические свойства шлака

Основные составляющие доменного шлака - кварц, оксиды алюминия, кальция и магния, на которые приходится 95% всего состава шлака. Остальные 15% - марганец, соединения железа и серы и следовое количество других элементов. Однако, следует отметить, что основные оксиды, входящие в состав шлака не встречаются в свободной форме. В доменном шлаке, охлажденном воздухом, оксиды объединяются в различные силикаты и алюмосиликатные минералы, такие как мелилит, мервинит, волластонит и др., которые также существуют в виде природных пород. В дробленом и молотом шлаках, данные элементы присутствуют в виде стекла. Химический состав шлаков варьируется в очень узких пределах, поскольку все сырье, загружаемое в доменную печь, очень тщательно отбирается и смешивается.

Типичный химический состав доменного шлака, %
кварц(SiO2)	32-42
оксид алюминия(A12O3)	7-16
оксид кальция (CaO)	32-45
окись магния (MgO)	5-15
сера (S)*	1-2
оксид железа (Fe203)	1-1,5
оксид марганца (MnO)	0,2-1,0

3. Физические свойства

Физические характеристики шлака, такие как вес, размер частиц, структурные свойства и т.д. различаются в зависимости от метода обработки расплавленного шлака. Соответственно, конечное применение обработанного шлака также различается в зависимости от метода обработки.

В последнее время в России и других странах большое внимание уделяется проблеме использования вторичных ресурсов. Одним из наиболее перспективных направлений утилизации промышленных отходов является использование их в производстве строительных материалов.

Металлургия занимает одно из ведущих мест среди других отраслей промышленности. На основных технологических переделах производства черных и цветных металлов образуются побочные продукты - отходы, химико-минералогический состав и физико-механические свойства которых позволяют считать их ценным сырьем для производства строительных материалов. Основная масса отходов металлургических процессов образуется в виде шлаков.

Шлаки - продукты высокотемпературного взаимодействия компонентов исходных материалов - топлива, руды, плавней и газовой среды. Трудно, пожалуй, найти другое сырье, которое обладало бы таким множеством ценных качеств и при этом так долго пробивало бы путь к широкому применению в строительной промышленности, как шлак. Во многих районах страны из шлака построены многоэтажные дома, промышленные здания, возведены мосты и плотины, проложены ленты автострад. Из обременительного отхода он становится признанным сырьем строительной промышленности.

химический шлак металлургия валентность

4. Окислительно-восстановительные реакции в основе металлургии

Трудно переоценить значение металлов для народного хозяйства, а получение металлов из руд также основано на окислительно-восстановительных реакциях.

Обычно руды состоят из кислородных или сернистых соединений, из которых предстоит восстановить металл в свободном состоянии.

Один из самых распространенных в природе металлов - железо. Для получения его из руд применяют восстановление оксидов с помощью оксида углерода (II) CO и кокса при высоких температурах. Металлургические процессы, производимые с применением высоких температур, называются пирометаллургическими. Получается не чистое железо, а сплав его с углеродом и другими примесями (кремнием, марганцем, серой, фосфором) - чугун.

Производительность доменных печей может быть повышена, если применять рудное сырьё в форме окатышей. Из рудного концентрата с помощью связующего материала (бентонита) получают шарики диаметром несколько больше 1 см. сырые окатыши подвергают обжигу при температуре 1200-1350°С. При этом происходит упрочнение их. Магнетит Fe₃O₄ окисляется до гематита Fe₂O₃ :

4Fe₃O₄ + O₂ = 6Fe₂O₃

Между зернами магнетита образуются перемычки из гематита, которые связывают зерна в прочный монолит.

Для получения стали из чугуна необходимо окислить содержащийся в нем лишний углерод. Это производили в мартеновских печах. Последние требуют подвода теплоты извне, выделяющейся за счет сжигания топлива.

Однако чаще применяются кислородно-конверторные установки, производительность которых в 6-7 раз выше, чем у мартеновских печей. В то же время развиваются новые, перспективные способы ее получения: прямое восстановление стали из руды, электролиз, электрошлаковый переплав и т.д.

Прирост производства стали во всех странах в настоящее время происходит главным образом в результате ввода в строй новых кислородно-конверторных цехов. Кислород в таких установках продувается под давлением в жидкий чугун, и обогрева не требуется, так как температура развивается до 2000°С за счёт самой реакции.

В конверторы загружают чугун, флюсы (известняк, известь, боксит, плавиковый шпат), охладители (железная руда, окалина), раскислители. Кроме основного процесса окисления углерода:

C+ ¹/₂O₂= CO

происходит окисление примесей. Они окисляются как газообразным, так и растворенным в металле кислородом. На границе металл - шлак сначала окисляется железо в шлаке:

2Fe + O₂ = 2FeO

Образующийся оксид железа (II) FeO, перемешиваясь с расплавом, окисляет кремний, марганец, фосфор и углерод, которые входят в состав чугуна:

Si +2FeO = SiO₂ + 2 Fe

Mn + FeO = MnO + Fe

2P + 5FeO = P₂O₅ + 5Fe

C + FeO = CO + Fe

Одним из новых направлений в производстве стали является прямое восстановление железной руды газом-восстановителем. При этом исключается доменный процесс и применение кокса - наиболее дефицитного материала.

Окатыши, получаемые на комбинате, подвергаются восстановлению водородом. Водород получают конверсией природного газа.

Процесс конверсии также окислительно-восстановительный (он используется для синтеза органических продуктов и получения газов-восстановителей) и заключается в разложении углеводородов на водород и углерод с последующим окисление углерода до СО с помощью оксида углерода (IV) и водяных паров:

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂

CH₄ + CO₂ = 2CO + 2H₂

Восстановление(металлизация) окатышей протекает 8-12 часов, из них 4-6 часов при температуре 760°С в зоне восстановления и 40°С на выходе из печи. Суточная производительность печи 5-9 т/м³, то есть в 2-4 раза выше, чем при доменной плавке.

Металлизованные окатыши содержат до 90% железа. Из них в электродуговых печах выплавляют высококачественные или легированные стали. При большой степени металлизации до 96-97% железа получается продукт, называемый губчатым железом, который хранят в бункере, заполненном инертным газом, и поставляют в порошковую металлургию.

Преимуществом прямого восстановления железной руды является высокая чистота металла, который не загрязняется серой из золы кокса и другими примесями, сопровождающими доменный процесс. Уменьшается выброс в атмосферу вредных газов.

Некоторые металлы (молибден, вольфрам) также восстанавливают из оксидов водородом:

MoO₃ +3H₂ =Mo+3H₂O

WO₃ + 3H₂ = W + 3H₂O

В практике часто применяют восстановление металлов из их соединений с другими металлами. В качестве восстановителей применяют алюминий, магний, кальций, натрий, а также кремний. Металлотермией получают те металлы (и их сплавы), которые при восстановлении их оксидов углем образуют карбиды. Это марганец, хром, молибден, вольфрам и другие.

Гидрометаллургия охватывает способы получения металлов из растворов их солей. При этом металл, входящий в состав руды, сначала переводят в раствор с помощью подходящих реагентов, а затем извлекают его из этого раствора. Например, при обработке разбавленной серной кислотой медной руды, содержащей оксид меди, медь переходит в раствор в виде сульфата:

CuO+H₂SO₄= CuSO₄+H₂O

Затем медь извлекают из раствора либо электролизом, либо вытеснением с помощью железа:

CuSO₄ +Fe=Cu+FeSO₄

Современная металлургия получает более 75 металлов и многочисленные сплавы на их основе.

Металлы и сплавы подвергаются коррозии. Под коррозией понимают разрушение металла под воздействием металла с сухими газами или жидкостями, не проводящими электрический ток. Большой вред приносит газовая коррозия, то есть окисление металлов кислородом воздуха. При повышенных температурах скорость окисления многих металлов сильно возрастает. Так, на железе уже при 250-300°С появляется видимая плёнка оксидов. При 600°С и выше поверхность металла покрывается слоем окалины, состоящей из оксидов железа различной степени окисления FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃. Окалина не защищает железо от дальнейшего окисления, так как содержит трещины и поры, которые не могут препятствовать проникновению кислорода к металлу. Поэтому при нагревании железа свыше 800°С скорость окисления его очень быстро растет.

У некоторых металлов соприкосновение с кислородом воздуха сильно замедляет процесс коррозии.

5. Валентность

Валентность (от лат. valens -- имеющий силу) -- способность атомов химических элементов образовывать определённое число химических связей с атомами других элементов. В соединениях, образованных при помощи ионных связей, валентность атомов определяется числом присоединённых или отданных электронов. В соединениях с ковалентными связями валентность атомов определяется числом образовавшихся обобществленных электронных пар. Семиполярные и донорно-акцепторные (дативные) связи по своей сути являются «двойными» связями, поскольку при их образовании происходят оба процесса: перенос электрона (образование ионной связи) и обобществление электронов (образование ковалентной связи).

Многие металлы имеют переменную валентность, и следовало говорить, например, о двухвалентном, трехвалентном и шестивалентном хроме. Чтобы обойти некоторые трудности, было дано определение, согласно которому при определении валентности атома надо учитывать суммарное число неспаренных электронов, неподеленных электронных пар и вакантных орбиталей, участвующих в образовании химических связей. Вакантные орбитали принимают непосредственное участие в образовании донорно-акцепторных связей в разнообразных комплексных соединениях. [8]

6. Обратимые реакции

Обратимые реакции - реакции, составляющие особую группу реакций, протекающих одновременно в двух противоположных направлениях (прямом и оборотном).

Одним из примеров процесса соединения является промышленный способ получения аммиака, который основан на прямом воздействии водорода и азота:

N_2(г) + 3H_2(г) - 2NH_3(г) + 45,9 кДж

Это так называемый процесс Габера (немецкий физик, разработал физико-химические основы метода).

Реакция происходит с выделением тепла и понижением объёма. Следовательно, исходя из принципа Ле-Шателье (если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий (температура, давление, концентрация), то равновесие смещается таким образом, чтобы компенсировать изменение.), реакцию следует проводить при возможно низких температурах и при высоких давлениях -- тогда равновесие будет смещено вправо. Однако скорость реакции при низких температурах ничтожно мала, а при высоких - увеличивается скорость обратной реакции. Проведение реакции при очень высоких давлениях требует создания специального, выдерживающего высокое давление оборудования, а значит и больших капиталовложений. Кроме того, равновесие реакции даже при 700 °C устанавливается слишком медленно для практического её использования.

Применение катализатора (пористое железо с примесями Al₂O₃ и K₂O) позволило ускорить достижение равновесного состояния. Интересно, что при поиске катализатора на эту роль пробовали более 20 тысяч различных веществ.

Учитывая все вышеприведённые факторы, процесс получения аммиака проводят при следующих условиях: температура 500 °C, давление 350 атмосфер, катализатор. Выход аммиака при таких условиях составляет около 30 %. В промышленных условиях использован принцип циркуляции -- аммиак удаляют охлаждением, а непрореагировавшие азот и водород возвращают в колонну синтеза. Это оказывается более экономичным, чем достижение более высокого выхода реакции за счёт повышения давления.

Аммиак в основном используется для производства азотных удобрений (нитрат и сульфат аммония, мочевина), взрывчатых веществ и полимеров, азотной кислоты, соды (по аммиачному методу) и других продуктов химической промышленности. Жидкий аммиак используют в качестве растворителя.

В холодильной технике используется в качестве холодильного агента (R717)

Также обратимые реакции используются при производстве карбамида (мочевины) CO(NH₂)₂, который содержит 46,6% азота и является наиболее концентрированным азотным удобрением, которое полностью усваивается растениями. Карбамид также ценный полупродукт для многих синтезов, его широко используют в фармацевтической промышленности (снотворные препараты - веронал, бромурал и другие производные карбамида). Карбамид и его производные используют для стабилизации взрывчатых веществ, в производстве целюлоида, органического стекла, как высококонцентрированные азотные удобрения.

Карбамид образуется при взаимодействии CO₂ с большим сравнительно со стехиометрическим избытком NH₃ при температуре 185 - 200°С и при давлении до 200* Па. Это обратимый процесс, который происходит по такой схеме:

2 NH₃ + CO₂? CO(NH₂)₂ + Н₂O

Процесс состоит из 2 стадий:

а) образование карбамата аммония:

2+? - CO - N+153.1 кДж;

б) дегидратация карбомата аммония:

- CO - N СО(N+ - 285 кДж

В жидкой фазе дегидратация карбамата аммония ускоряется, поэтому для оптимального выхода карбамиду необходимо, чтобы карбанат аммония был в расплавленном состоянии.

Также с помощью обменных реакций добывают каустическую соду или едкий натр NaOH с помощью известково-содового (или просто известкового) способа.

Сырьем для известкового способа производства каустической соды является содовый раствор и негашеная известь. Во время реакции известь гасится водой раствора и реагирует с содой: вследствие чего образуется NaOH. Степень каустификации (так называется процесс) тем большая, чем ниже концентрация в исходном растворе. Реакция образования NaOH обратима: при определенных концентрациях и температуре наступает состояние равновесия. С увеличением содержания соды в растворе значительная её часть остается неиспользованной.

Еще один способ применения обратимых реакций в промышленности - это реакция восстановление металлов СО, которая происходит по такой схеме:

МеО+СО?Ме+С

Константа зависит от температуры, которая способствует укреплению равновесия в сторону образования и восстановлению металла, а также выведению из сфер реакции при поступлении новых порций СО. [1], [2].

7. Плавка на штейн

Плавка на штейн окисленных никелевых руд повсеместно проводится в шахтных печах, которые требуют прочной кусковой, желательно пористой шихты. Этим требованиям природные окисленные никелевые руды не удовлетворяют, и перед плавкой их подвергают окускованию методом брикетирования или агломерации.

Брикетирование проводят на валковых прессах в брикеты яйцеобразной формы массой 0,2... 0,3 кг каждый. Перед брикетированием руду измельчают на молотковых дробилках и подсушивают. Связующим материалом служит глина, содержащаяся в самой руде. В состав шихты для брикетирования вводят сульфидизатор. Готовые брикеты сушат теплотой отходящих газов шахтных печей.

Брикетирование без связующего - сравнительно дешевая и простая операция. Однако получающиеся брикеты имеют недостаточную прочность, совершенно негазопроницаемы и содержат влагу. Их плавка требует повышенного расхода топлива и характеризуется меньшей удельной производительностью.

Агломерация (спекание) - более дорогой и сложный метод подготовки руды по сравнению с брикетированием. Однако с технологической точки зрения он является более совершенным процессом. Агломерация позволяет получать хорошо термически подготовленный пористый материал с достаточно высокой механической прочностью.

Для агломерации окисленных никелевых руд используют ленточные агломерационные машины с площадью всасывания 50 и 75 м2.

Во время приготовления шихты к руде добавляют оборотный агломерат и коксик (мелкий кокс), расход которых от массы руды соответственно составляет 18... 20 и 8... 10 %. Крупность руды и оборота 20... 30 мм, коксика 5 мм. При смешении шихты ее увлажняют до оптимальной влажности 21 ... 23 %.

Агломерат или брикеты являются рудной составляющей шихты при плавке на штейн.

Цель шахтной плавки окисленных никелевых руд - максимальное извлечение никеля и кобальта в штейн и ошлакование пустой породы. Образование штейна из оксидного материала происходит в результате восстановления и сульфидирования никеля, кобальта и частично железа, содержащихся в руде в форме оксидов и силикатов. По этой причине плавка окисленных никелевых руд в шахтных печах получила название восстановительно-сульфидизирующей плавки.

Шихта для такой плавки состоит из брикетов или агломерата, оборотов, флюсов и сульфидизатора. Так как окисленные никелевые руды являются силикатными, то в качестве флюса при плавке используют основной флюс - известняк. Сульфидизаторами железа и никеля служат гипс или пирит, а топливом - кокс. Гипс при плавке в отличие от пирита является одновременно флюсующим материалом, так как в конечном итоге практически полностью в форме оксида кальция СаО переходит в шлак.

Плавка проводится в восстановительной атмосфере, что необходимо для восстановления высших оксидов железа и гипса (при его наличии в шихте). При этом часть оксидов железа и никеля могут восстанавливаться до свободных металлов, которые растворяются в штейне. Процессы восстановления при плавке окисленных никелевых руд сопровождаются одновременным образованием сульфидов.

8. Восстановительно-сульфидирующая плавка

Восстановительно-сульфидирующая плавка окисленных никелевых руд в шахтных печах характеризуется протеканием следующих основных физико-химических процессов: сжигания топлива; восстановления и сульфидирования оксидов; штейно-и шлакообразования; разделения жидких продуктов плавки - штейна и шлака.

Процесс горения топлива является едва ли не одним из самых главных факторов, определяющих многие технологические параметры работы шахтных печей при плавке никелевых руд. Качество сжигания топлива определяет температуру в печах, восстановительную способность топочных газов, производительность печей, расход топлива, извлечение металлов в штейн и т.д.

При плавке в шахтных печах в качестве топлива используется самый дорогой и дефицитный вид топлива - кокс. Горение углерода кокса происходит за счет кислорода, подаваемого в печи через фурмы с воздухом или дутьем, обогащенным кислородом.

Вблизи фурм имеется большой избыток кислорода и кокс сгорает по реакции до С02. По мере удаления от фурм концентрация кислорода в дутье непрерывно уменьшается, горение углерода становится неполным и протекает по реакции:

(1)

С + 1/20, = СО + 172200 кДж.

Зона шахтной печи, в которой в газовой фазе присутствует свободный кислород, называется кислородной зоной. При шахтной плавке она простирается от фурм вверх и вглубь печи на 500... 600 мм.

Образующиеся при горении кокса горячие газы поднимаются вверх, пронизывают и нагревают опускающуюся вниз шихту и вступают с ней в химическое взаимодействие. В первую очередь это взаимодействие приводит к образованию новых количеств СО (восстановителя) по реакции:

С02 + С - 2СО.(2)

В результате протекания реакций (1) и (2) в области фурм концентрация СО в газовой фазе в центре печи достигает 20 ... 25 %.

Распределение газового потока в столбе шихты зависит от качества шихтовых материалов (крупности и прочности кусков) и равномерности их гранулометрического состава в горизонтальных сечениях шахты печи. Наилучшим считается равномерное распределение газов по всему сечению печи, что на практике достигается очень редко. Для работы шахтных печей никелевой плавки типичен периферийный ход, когда горячие газы разделяются на две струи, поднимающиеся вблизи боковых стен печи. Возможен также центральный ход шахтных печей.

Для периферийного хода шахтных печей характерно распределение температур, приведенное на рис. 3, где четко просматриваются две высокотемпературные зоны, отвечающие движению двух струй горячих газов. В фокусе печи развиваются максимальные температуры, достигающие 1600... 1700 'С. На выходе из печи газы содержат 10.. . 16% С02 и 8... 16% СО и имеют температуру 500... 600 0С.

Второй вид химических взаимодействий направлен на образование штейна и шлака. Процессы штейно и шлакообразования тесно связаны с протеканием реакций восстановления оксидов шихты и сульфидирования железа, никеля и кобальта.

Реакции восстановления протекают при взаимодействии газовой фазы, содержащей значительные количества СО, и твердого углерода кокса с брикетами или агломератом и получающимися при плавке расплавами.

Результатом восстановления является образование низших оксидов железа и металлической фазы по реакциям:

Ni0 + C0 = Ni + C02;(3)

NiSi03+C0=Ni+C02+Si02; (4)

Fe203 + C0 = 2Fe0 + C02; (5)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.3. Распределение температур в шахтной печи никелевой плавки: на воздушном дутье (а) и при 24,5 % О2

Химизм сульфидирования более сложен и различен при использовании гипса и пирита.

Химизм сульфидирования никеля пиритом относительно прост. В процессе сульфидирования в этом случае участвуют продукты разложения пирита по реакции (4) - сульфид железа FeS и элементарная сера. Процесс в основном протекает по реакциям:

NiO + FeS - NiS + FeO;(7)

3NiO + 2FeS + Fe Ni3S2 + 3FeO.

Равновесие реакций (7) и (8) в условиях плавки практически полностью смещено вправо, т.е. в сторону образования сульфидов никеля (главным образом Ni3S2). Это связано с тем, что никель по сравнению с железом имеет большее сродство к сере и меньшее к кислороду.

Получившаяся в результате восстановления и сульфидирования сульфидно-металлическая фаза (Ni3S2, FeS, CoS, Ni, Fe), сплавляясь, образует никелевый штейн.

Использование пирита в качестве сульфидизатора позволяет регулировать состав штейнов и получать их с меньшим количеством ферроникеля, т.е. более сернистыми. К обеднению штейнов никелем ведет введение в шихту больших количеств пирита, вследствие чего в штейн переходит больше FeS.

Расход пирита (сульфидизатора) при плавке определяется требованиями к составу получаемого штейна, приводящему к минимальным потерям никеля со шлаками, и величиной степени десульфуризации.

Химизм сульфидирования гипсом CaS04 * 2Н2О, который является одним из наиболее прочных сульфатов, более сложен.

Его нагрев вначале сопровождается удалением влаги. Полное обезвоживание гипса происходит при нагревании до температуры > 900 °С. Сульфат кальция практически не разлагается до температуры 1200 °С. В отсутствие кислорода его термическое разложение происходит по реакции:

CaS04-CaO + S02 + l/202. (9)

Разложению гипса в шахтных печах способствуют также восстановительная атмосфера и его взаимодействие с оксидами и сульфидом кальция по реакциям:

Образующиеся по реакциям (39) и (40) серусодержащие газы и частично сульфид кальция сульфидируют металлы руды по реакциям:

Использование гипса в качестве сульфидизатора при плавке требует более восстановительной атмосферы в печи, что приводит к образованию больших количеств свободных металлов.

При этом избыток вводимого в шихту гипса не влияет на состав и выход получающегося штейна, так как в конечном итоге он весь превращается в оксид кальция, который полностью переходит в шлак. Использование гипса в качестве сульфидизатора и одновременно известкового флюса экономически невыгодно из-за его значительно более высокой стоимости.

Никелевый штейн представляет собой сплав сульфидов никеля и железа, в котором растворены свободные металлы - никель и железо (ферроникель).

Такой штейн называют металлизованным; он характеризуется переменным содержанием серы. Обычно заводской штейн содержит, %: Ni 15... 18; Fe 60... 63; Со 0,4... 0,6; S 16... 20 и прочие 1... 2. Получение более богатого никелем штейна нежелательно, так как это ведет к увеличению потерь никеля в шлаках.

Выход штейна при плавке окисленных никелевых руд небольшой и составляет 3 ... 8 % от массы руды.

Образование шлака происходит в результате взаимодействия оксидов пустой породы с оксидами железа, образующимися при восстановлении и сульфидировании и их плавлении.

Выход шлака при плавке окисленных никелевых руд достигает иногда 120 ... 130 % (обычно 95 ... 105 %) от массы переработанного рудного сырья. Это обусловлено необходимостью вводить в шихту в качестве флюса большие количества известняка (до 30 % от массы руды), особенно при переработке высококремнистых руд.

Следовательно, плавка окисленных никелевых руд на штейн фактически является плавкой на шлак. По этой причине правильный выбор состава шлака определяет многие технико-экономические показатели плавки и особенно потери никеля со шлаками.

Оптимальными при плавке на никелевый штейн считаются шлаки, содержащие, %: Si02 44 ... 46; FeO 18 ... 22; CaO 15 ... 18; MgO 8...12;Al2O3 4...10.

Содержание никеля в шлаках зависит в значительной степени от содержания оксида железа в шлаке и никеля в штейне. Чем больше будет в шлаке FeO и чем богаче никелем будет получающийся штейн, тем больше никеля перейдет в шлак.

Практически установленное правило, согласно которому процентное соотношение никеля в штейне и в шлаке (коэффициент распределения) равно примерно 100 ± 10, хорошо соблюдается для заводских условий. При плавке на штейн с 15... 18 % Ni шлаки обычно содержат 0,12 ... 0,2 % Ni. Это отвечает прямому извлечению никеля в штейн в пределах 70... 85 %, а в шлак до 25 % от его содержания в руде.

Количество уносимой газами пыли зависит от расхода воздуха, физического состояния шихты и высоты ее загрузки в шахте печи (высоты сыпи). В среднем при плавке агломерата пыле-вынос составляет около 15 %, а при плавке брикетов 5... 10 %. Пыль по химическому составу почти не отличается от шихты и после улавливания направляется в оборот.

Шахтные печи никелевой плавки (рис. 4) имеют те же конструктивные элементы, что и другие шахтные печи заводов цветной металлургии. Применяемые в никелевой промышленности шахтные печи в области фурм имеют площадь поперечного сечения 13,5... 25 м2, длину до 15 м, ширину в области фурм 1,4... 1,6 м и высоту шахты 4,5... 6 м. Поперечный профиль печей характеризуется либо параллельностью боковых стен, либо расширением их книзу.

Шахтные печи для плавки окисленных никелевых руд отличаются большим объемом внутреннего горна и отсутствием водяного охлаждения его стенок. При охлаждении расплава во внутреннем горне он зарастает в результате выделения (кристаллизации) тугоплавкого ферроникеля.

Размещено на http://www.allbest.ru/

До недавнего времени стены шахтных печей на никелевых заводах изготавливали из водоохлаждаемых кессонов, а шатер на колошнике выполняли в виде огнеупорной кладки в металлическом каркасе или также из кессонов.

Кессоны шахтных печей представляли собой сварные коробчатые конструкции из листовой стали с патрубками для ввода и вывода охлаждающей воды. Перепад температуры входящей и выходящей воды обычно составлял 5... 15 0С. В этих условиях каждый литр (кг) воды отбирал максимально 4,18-15 = 63 кДж теплоты [4,18 - теплоемкость воды, кДжДкг * °С)].

В настоящее время применяют более эффективный способ отвода избыточной теплоты - испарительное охлаждение. Сущность способа состоит в использовании скрытой теплоты испарения воды (2253 кДж/кг), т.е. замене холодной воды на кипящую.

Если принять во внимание, что температура поступающей воды обычно составляет около 30 "С, то для ее нагрева до температуры кипения потребуется еще до 290 кДж теплоты. Таким образом, при испарительном охлаждении каждый килограмм воды будет отбирать от охлаждаемых элементов около 2550 кДж теплоты, т.е. почти в 40 раз больше, чем при использовании кессонов. Во столько же раз уменьшается расход охлаждающей воды.

Полученный при испарительном охлаждении пар можно использовать для хозяйственных и технологических нужд, тогда как при кессонном охлаждении теплота нагретой в кессонах примерно на 10 "С воды полностью и безвозвратно терялась при ее охлаждении на воздухе.

Охлаждающие элементы испарительного охлаждения представляют собой сваренные из труб кессоны, объединенные двумя коллекторами: нижним - для подвода воды и верхним - для отвода пара (рис. 5).

Для испарительного охлаждения пригодна только химически очищенная вода.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.5. Боковой кессон испарительного охлаждения: 1 - люк для чистки кессона; 2 -фурменный патрубок; 3-подвод воды; 4 - коллектор; отводящий пароводяную смесь; 5-- планка крепления труб; 6 -- трубы испарительного кессона; 7 - коллектор подогретой воды; 8 - патрубок для отвода воды; 9 - подфурменный кессон; 10, 11 -- отводящий и подводящий патрубки соответственно

Разделение жидких продуктов плавки - никелевого штейна и шлака - можно проводить как во внутреннем горне, так и с использованием внешних отстойников. В первом случае печь оборудуется шпуром для периодического выпуска штейна и шлаковой леткой почти непрерывного действия, расположенных на противоположных сторонах печи. При использовании наружного отстойного горна (см. рис. 4) штейн и шлак совместно поступают в него по закрытому наклонному каналу. Нижняя часть горна заполнена штейном до уровня, показанного на рис. 4 штриховой линией. Шлак в этом случае, всплывая на поверхность расплава, проходит через слой штейна, подогревает его и обедняется в результате захвата взвешенных в шлаке сульфидных включений штейновым расплавом. Отстойный горн оборудован шпуром и леткой.

Интенсификации процесса шахтной плавки и снижению расхода кокса способствуют подогрев дутья и обогащение воздуха кислородом. При плавке агломерированной шихты нагрев дутья до 300 °С ведет к экономии топлива на 15,2 %, а при 400 °С - на 23,3 % и к росту проплава соответственно на 10 и 15,3 %. Обогащение дутья кислородом до содержания 25 % позволяет повысить проплав печи на 22,2 %, а расход кокса уменьшить на 17 %.

Выводы

Поскольку в природе лишь незначительное количество элементов можно получить в чистом виде, необходимо получать остальные, необходимые элементы другим путем. Часто это происходит с помощью химических реакций. Иногда даже не существует другого способа, например, металлы окисляются и с этим процессом нельзя ничего сделать, потому что они обязательно контактируют с кислородом. Вследствие этого для восстановления металла необходимы химические реакции.

В технологических процессах обработки конструкционных материалов встречаются все четыре основных типа химических реакций: соединения, разложения, замещения, обмена.

Химические реакции происходят при получении и рафинировании металлов, литье, сварке, пайке, горячей обработке давлением, нанесении покрытий газотермическими способами, в порошковой технологии, то есть в различной степени касаются многих разделов технологии металлоконструкций. Некоторые химические реакции, например окисление, являются общими для всех способов обработки металлов.

Также химические реакции используются для получения других видов продуктов: разнообразных кислот, удобрений, этанола. Также используют тепло от экзотермических реакций в химической промышленности, энергетике.

Химические реакции - выгодный способ получения материалов.

Библиографический список

1. Гончаров А.И., Середа И.П. Химическая технология: Учебник для студентов химических специальностей университетов: В 2 ч. - К.: Высшая школа, 1978. Т.1. - 286 с.

2. Гончаров А.И., Середа И.П. Химическая технология: Учебник для студентов химических специальностей университетов: В 2 ч. - К.: Высшая школа, 1980. Т.2. - 278 с.

3. Марч Дж. Органическая химия. Реакции, механизмы и структура. Углубленный курс для университетов и химических вузов / Пер. с англ., под редакцией И.П.Белецкой. - М.: Мир, 1987. -- Т. 2. -- 504 с.

4. Мухина Т.Н. Пиролиз углеводородного сырья: Учебник - М.: Химия, 1987.

5. Металлотермия: Сб. трудов Ключевского завода ферросплавов. Вып.2. / Ред. Ю.Л. Плинер. - М: Металлургия,1965.-168 c

6. Тазетдинов Р.Г.Физико-химические основы технологии конструкционных материалов в производстве летательных аппаратов. Учебное пособие - Москва: МАИ, 2004.- 440 с.

Размещено на Allbest.ru

...