Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Výroba železa a oceli očima chemika Kamil Wichterle VŠB – Technická Univerzita Ostrava.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Výroba železa a oceli očima chemika Kamil Wichterle VŠB – Technická Univerzita Ostrava."— Transkript prezentace:

1

2 Výroba železa a oceli očima chemika Kamil Wichterle VŠB – Technická Univerzita Ostrava

3 Metalurgie železa: Redukce oxidů železa FeO(s) + CO(g)  Fe(?) + CO 2 (g) (?)=(s) … Přímá redukce (?)=(ℓ) … Vysoká pec

4 Pec, T<1000 o C Železná ruda Dřevěné uhlí Vzduch CO 2,N 2 Železná houba kování, nauhličování, kalení a popouštění Ocel Reakce g-s

5 Historická výroba železa (Technické museum Brno) 1. tísíciletí 18. století

6 ŽELEZNÁ HOUBA

7 Kování - hamry

8 Železná ruda Koks Horký vzduch CO, CO 2,N 2 Surové železo (Fe – Fe 3 C) Odlévání Surové železo (pig iron - asi 4 % uhlíku) Reakce g-l-s Vysoká pec, T>1200 o C

9 Vysoká pec C C C C FeO CO Fe O2O2 CO 2 CO Fe Boudouardova reakce : CO 2 + C 2 CO Nižší teplota nahoře Vyšší teplota dole >1500°C FeO + CO Fe + CO 2

10 Boudouardova reakce CO 2 + C 2 CO Δ G° [kJ/mol] =170,5 – 0,174 T [K] Složení plynu v přítomnosti C Hoření při vysoké teplotě : O C 2 CO (i v přebytku O 2 !)

11 Vedlejší reakce ve vysoké peci Redukce Mn, Si, S, P, …… Tvorba slitiny Fe-C-Mn-Si-S-P-…… = surové železo (pig iron) Tvorba strusky CaSiO 3, ……

12 HLAVNÍ ÚKOL OCELÁRNY Procesy v tekutém kovu dusíku kyslíku vodíku CO Odstranění uhlíku Ocel – pod 2% C Speciální oceli 99.95% Fe Odstranění: křemíku fosforu síry

13 OCEL LITINA ( kujné železo) pod 2% C nad 2% C tvárné, kujné křehké

14 Praha 1891 OCEL - LITINA Petřín rozhledna Hannavský pavillon

15 FeFe 3 C Hmotnostní procento uhlíku Teplota o C LITINA Nejnižší bod tání 1153 o C 1638 o C Tekutá ocel OCEL KYSLÍK – DURRER 1950 KONVERTOR -BESSEMER 1856 PUDLOVÁNÍ - CORT 1780 MARTINSKÁ PEC - SIEMENS-MARTIN Fe – C

16 PUDLOVÁNÍ - Henry Cort 1780 Kelímková pec Roztavené surové železo (pig iron) + vzduch Reakce: Fe-C(ℓ) + O 2 (g) → Fe( s ) + Fe-C(ℓ) + CO(g) nebo: [Fe-C] + {O 2 } → + [Fe-C] + {CO } Mechanické vytahování kusů ztuhlé oceli z „louže“ („puddle“) litiny

17 KONVERTOR – Sir Henry Bessemer 1856 Konvertor Roztavené surové železo (pig iron) + dnem vháněný vzduch Rychlá reakce: [Fe-C] + {O 2 } → [Fe] + {CO } Méně významně: [Fe] + {O 2 } → (FeO) Výsledkem tekutá ocel SiO 2 vyzdívka (kyselá)

18 VLIV VYZDÍVKY Sidney Gilchrist Thomas a Percy Gilchrist Odfosfoření v konvertoru MgO, CaO vyzdívka (zásaditá) Vyzdívka spotřebovávaná dalšími reakcemi: [Fe-P] + {O 2 } + → [Fe] + (Ca 3 (PO 4 ) 2 ) roztavený kov plyn pevný nekov roztavený kov nekovová tavenina (struska) struska => hnojivo „Thomasova moučka“ Další reakce: [Fe-S] + → [Fe-O] + (CaS) [Fe-Si] + {O 2 } + →[Fe] + (CaSiO 3 )

19 MARTINSKÁ PEC Sir Charles William Siemens Émile et Pierre Martin Roztavené železo (surové železo + šrot) + horký vzduch + spalné plyny + železná ruda + magnezitová vyzdívka + CaO Odstraňování P, S, Si Pomalejší proces než v konvertoru Spotřeba paliva Vyšší homogenita produktu Možnost vsazovat šrot [Fe-C] + (FeO) → 2[Fe] + {CO} [Fe-C] + {CO 2 } → [Fe] + 2{CO}

20 1950 Výroba železa a oceli – zcela propracovaná technologie bez požadavků na další technický vývoj

21 Bible – 1. kniha Mojžíšova … Cila také porodila syna, Tubal-kaina, učitele všech kovářů mědi a železa. … Genesis 4:22 1.Adam 2.Kain 3.Enoch 4.Irád 5.Mechuael 6.Metušael 7.Lámech 8.Tubal-kain 9.… 10.…Noe POTOPA SVĚTA

22 Zásaditý kyslíkový proces Kontinuální lití Ochrana životního prostředí Revoluce v ocelářství od 1960

23 Aglomerace Válcovna Okuje Odprašky Cyklus železa Skládka Šrot 350 kg/osobu/rok Kychtový plyn Přídavné palivo Surové železo 250 kg/osobu/rok Vysoká pec Koksovna Koks Uhlí Vzduch Vápenec Železná ruda Struska Ocelárna Kyslík Argon Vápno Konvertorový plyn

24 Revoluce v ocelářství KYSLÍKOVÝ PROCES KONVERTORY MARTINSKÉ PECE KYSLÍKOVÉ ELEKTRICKÝ OBLOUK

25 Kyslík v ocelářství Prof. Robert Durrer (poloprovoz Gerlafingen, Švýcarsko 1948) První průmyslový kyslíkový konvertor (VOEST Linz-Donawitz, Rakousko 1952)

26 Konvertor Ocel Šrot Struska Kyslíková tryska KYSLÍKOVÝ KONVERTOR Vsázka oceli kg O 2 : 500 normálních m 3 /min 20 min Mimovrstvová rychlost 1.5 m/s 250 vvm Příkon přes plyn 60 kW/m 3 (tj 8 W/kg) Směšovací čas s Celý cyklus 50 min Tekutá ocel

27 Výhody čistého kyslíku Nepřítomnost dusíku: Reakce rychlejší než se vzduchem Lepší využití tepla Vyšší teplota Potlačený vznik nitridů Výhřevnější odpadní plyn

28 Výroba kyslíku Zkapalnění a destilace Největší jednotky v ocelárnách spotřeba normálních m 3 na tunu oceli Rychlost dávkování norm.m 3 /min Tlak asi 1.5 MPa 99.5% O 2 ; příměsí je argon Vedlejší produkty: argon a dusík Spotřeba energie 0.45 kWh na norm.m 3

29 VYZDÍVKY OCELÁŘSKÝCH PÁNVÍ Až 1 m tloušťky Chemické, mechanické a tepelné namáhání Ztráty mm na 1 cyklus Laserem sledovaný stav Zpomalování rozpouštění přídavkem CaO Životnost až 1000 cyklů (klasické konvertory 100 cyklů) Regenerace stěn nástřikem strusky ; (až do cyklů do generální opravy) vstupují do reakce a spotřebovávají se !!!!

30 KYSLÍKOVÉ TRYSKY Kovové Keramické Ochrana chlazením - - vodou - endotermní reakcí rozkladu uhlovodíků

31 Nový vstup chemie do metalurgie Oxidačně - redukční rovnováhy v tekutých kovech Termodynamika vysokoteplotních procesů Fázové rovnováhy v nemísitelných taveninách Elektrochemie tavenin Kinetika reakcí v tekutých kovech On-line chemické analýzy

32 Sekundární metalurgie nastavování přesného složení a teploty oceli Vstupní tavenina je již zbavena hlavních příměsí (C, Si, P, S) Odstranění rozpuštěných plynů (O, CO, N, H) probubláváním argonem pod vakuem Deoxidace přídavkem Al, Ca, CaC 2, … Úprava složení přídavkem dalších kovů (Ni, Cr, Mo, V, W, …) Nastavení žádoucího podílu C, N Odloučení strusek Homogenizace probubláváním argonem

33 Revoluce v ocelářství KONTINUÁLNÍ LITÍ 1933 první pokusy 1950 průmyslové využití % výroby % výroby % výroby

34 Krystalizace roztavené oceli

35 Konti-lití

36 Problémy ochrany prostředí Snížení energetických nároků – náhrada koksu méně hodnotnými palivy – využití reakčního tepla oxidace – omezení elektrického obloukového ohřevu Snížení spotřeby vody Snížení prašnosti Omezení tuhého odpadu (odprašky) Kontrola příměsí ve vstupním šrotu Zachycení a využití Zn, Cu, Pb, Cd, Hg, … Zneškodnění Cl, S

37 Skládka Válcovna Okuje Odprašky Těžké kovy, Zn, Pb, Cd,… Aglomerace Skládka Šrot 350 kg/osobu/rok Přídavné palivo Surové železo 250 kg/osobu/rok Vysoká pec Koksovna Koks Uhlí Vzduch Vápenec Železná ruda Struska Ocelárna Kyslík Argon Vápno Úlet ve formě par kovů, chloridů,… vytváření polétavých částic ve výstupních plynech - filtrace – odprašky 5-10 kg/osobu/rok = tis. t/rok/ČR Vstup převážně se šrotem

38 50 % Fe 6 % Zn 2 % Pb 0,3 % Cd ……. 30 Kč/kg 18 Kč/kg Skládkování odprašků Dávka za rok: ČR: t (5-10 kg/osobu) Cena za skládkování Kč

39 Prof. Ing. Juraj Leško, CSc. Katedra chemie Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství VŠB – Technická univerzita Ostrava Výzkum chemického využití strusek a jemných metalurgických odpadů

40 Závěr Výroba železa o oceli se v posledních desetiletích přeměnila na moderní chemickou technologii Současná výroba železa o oceli je soustavou složitých a zajímavých chemických procesů Za podmínek vysokých teplot se obtížně experimentuje; tudíž je zde nutno využívat maxima teoretických znalostí Metalurgové by měli umět dokonaleji využívat poznatků chemie, fyzikální chemie a chemického inženýrství Chemici, fyzikální chemici a chemičtí inženýři by měli zase více rozvíjet poznatky, aplikovatelné i za podmínek a v rozměrech metalurgických procesů

41 Děkuji za pozornost Vypracováno v návaznosti na výzkum, podporovaný grantem GAČR 104/04/0827

42


Stáhnout ppt "Výroba železa a oceli očima chemika Kamil Wichterle VŠB – Technická Univerzita Ostrava."

Podobné prezentace


Reklamy Google