123272 (Металлургическое производство)

Учебное пособие

Металлургическое производство

Введение

Получение металлов известно человечеству давно. Например, медь и олово добывались уже в пятом тысячелетии до нашей эры.

В России первый металлургический завод начал работать в 1701 г. на Урале. В дальнейшем производство чугуна и стали быстро развивалось . Россия даже стала экспортировать сталь. Однако в начале XX века на душу населения в России все же приходилось в 18 раз меньше чугуна и стали, чем в США, в 8 раз меньше, чем в Германии, в 4 раза меньше, чем во Франции.

Металлы и сплавы делят на черные и цветные.

Важнейшим промышленным металлом является железо (Fе), которое в сплавах с углеродом (С) и другими элементами образует группу сплавов черных металлов — сталь, чугун и ферросплавы. Из общего количества производимых в мире металлов свыше 90% приходится на долю черных металлов.

Из цветных металлов особое значение имеют медь (Си), алюминий (А1), магний (Мg), свинец (РЬ), цинк (Zn), олово (Sn), а также хром (Сr), никель (Ni), молибден (Мо) и другие.

Все перечисленные металлы называют техническими в отличие от благородных (платина, золото, серебро), редкоземельных и прочих металлов.

Наибольшее распространение в народном хозяйстве имеют металлические сплавы, так как их свойства лучше свойств составляющих их простых элементов.

1. Металлургия чугуна

1.1 Исходные материалы для выплавки чугуна

Сплавы черные металлов, как было сказано, представляют сплавы железа с углеродом; кроме того, они содержат примеси — кремний, марганец, фосфор, серу и некоторые другие.

Химически чистое железо в промышленности практически не применяется, поскольку механические свойства его невысоки.

Элементом, оказывающим главное влияние на свойства черных металлов, является углерод, и в зависимости от содержания его черные металлы делят на сталь и чугун.

Сталью называют железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2,14%. Чугуном является железоуглеродистый сплав, содержащий углерода от 2,14% до 6,67%. Сталь обладает значительно более высокими механическими свойствами (прочностью, твердостью, пластичностью и др.) по сравнению с чугуном. Основное назначение чугуна — служить сырьем для получения стали.

Исходным сырьем для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы. Агрегатом для выплавки чугуна служит доменная печь.

Рассчитанное в определенном соотношении количество загружаемых в доменную печь исходных материалов называется шихтой.

Железной рудой является горная порода, содержащая те или иные соединения железа, а также примеси соединений других элементов, являющихся пустой породой.

В настоящее время для получения чугуна употребляют следующие руды.

Магнитный железняк (Fе₃О₄) — минерал черного цвета, обладает магнитными свойствами; содержание в нем железа доходит до 72%,

Бурый железняк (2Fе₂О₃ЗН₂О) — минерал желто-бурого цвета; содержание железа колеблется от 35% до.50%.

Красный железняк (Fе₂О₃) — минерал красного цвета, содержит до 60% железа.

Шпатовый железняк (FеСО₃) — минерал серого цвета, содержит 30—42% железа.

Топливо, употребляемое для доменного процесса, должно иметь высокую теплотворную способность и малую зольность, обладать пористостью, прочностью при высоких температурах, а также содержать как можно меньше серы, которая частично переходит из топлива в чугун и ухудшает его свойства.

В качестве топлива при доменном производстве используется каменноугольный кокс. Для интенсификации выплавки чугуна применяют природный газ и кислород.

Для отделения пустой породы и золы в доменную печь вводят вещества, называемые флюсами; эти вещества при сплавлении с пустой породой и золой топлива образуют легкоплавкие химические соединения, образующие шлак.

Для выплавки чугуна руду подвергают предварительной подготовке — обогащению. Качество подготовки руды оказывает большое влияние на ход плавки, расход топлива и качество получаемого чугуна.

Подготовка руды включает операции дробления, сортировки, обогащения и, если необходимо, обжига.

Дробление — измельчение крупных кусков руды — производится специальными машинами — дробилками, при этом получают куски размером 20—100 мм. Мелочь отсеивается и идет на агломерацию (спекание).

Магнитное обогащение основано на действии магнитного поля на составляющие руды, обладающие магнитными свойствами. Оно осуществляется в агрегатах, называемых магнитными сепараторами.

Агломерация производится с целью использования мелкой порошкообразной руды и колошниковой пыли; для спекания эти вещества смешивают с измельченным коксом.

Спекание осуществляют на специальных агломерационных ленточных машинах, где топливо, сгорая, образует пористые спеченные куски, называемые агломератом.

Прогрессивным способом обогащения руд является более эффективный процесс подготовки руды — окомкование. Сущность процесса состоит в окатывании измельченных частиц шихты и последующем обжиге окатышей/

1.2 Устройство доменной печи

Современная доменная печь представляет собой шахтную (вертикальную) печь общей высотой до 70 м и диаметром до 14 м.

Внутри доменная печь выкладывается (футеруется) огнеупорным кирпичом. Снаружи печь для прочности имеет стальной кожух. Части доменной печи следующие (рис. 1): засыпной аппарат, колошник, шахта, распар, заплечники и горн.

Засыпной аппарат служит для накопления и подачи шихты через колошник. Вверху колошника имеется газоотвод для выхода доменного (колошникового) газа. Шахта имеет форму усеченного конуса, расширяющегося книзу. Такая форма шахты способствует свободному опусканию шихты при плавке. Заплечники имеют форму усеченного конуса, расширяющегося кверху, поэтому они удерживают всю твердую шихту, находящуюся в распаре и шахте.

Рис. 1. Доменная печь:

1. Дымовая труба;

2. Пламя;

3. Горючий колошниковый газ;

4. Воздух;

5. Выпуск чугуна;

6.Выпуск шлака;

7.Горячий воздух;

8.Газовый канал;

9.Дымовой канал;

10.Воздушная труба.

Нижняя часть доменной печи — горн — имеет цилиндрическую .форму. В верхней части горна по окружности расположены фурмы для подачи в печь подогретого воздуха, природного газа и кислорода. Нижняя часть горна, в которой собираются жидкий чугун и шлак, называют лешадью. В горне имеется два отверстия — летки — для выпуска чугуна и шлака. Чугунная летка располагается в нижней части горна, а шлаковая — в верхней.

Подогрев воздуха осуществляется для увеличения производительности печи и уменьшения расхода топлива. Нагрев производят в специальных нагревательных аппаратах — воздухонагревателях.

Воздухонагреватель представляет собой башню диаметром порядка 10 м, высотой до 50 м. Корпус воздухонагревателя выполнен из листовой стали, внутри футерован огнеупорным кирпичом. В шахте воздухонагревателя сгорает доменный газ. Остальное пространство воздухонагревателя заполнено насадкой (кирпичной кладкой с проходами для газов), аккумулирующих тепло от продуктов горения доменного газа.

Атмосферный воздух направляется к воздухонагревателю, где проходит через горячую насадку, нагревается до 1000—1200°С и затем направляется к фурмам доменной печи.

1.3 Доменный процесс

В печи непрерывно навстречу друг другу движутся два материальных потока: сверху вниз — поток шихтовых материалов и снизу вверх — поток газов, образующихся в результате горения топлива и реакции с составляющими шихты.

Сущность доменной плавки состоит в восстановлении железа из его оксидов, содержащихся в руде, науглероживании железа до получения чугуна и ошлакования пустой породы.

Кислород воздуха, вдуваемый через фурмы, вступает в реакцию с углеродом топлива по формуле:

С + О₂ = СО₂ + Q

При этом в районе фурм развивается температура до 2000 °С. Диоксид углерода СО₂ при высоких температурах и в присутствии углерода над фурмами восстанавливается в оксид:

С0₂ + С =2СО - Q

Встречая при своем дальнейшем подъеме руду, часть оксида углерода восстанавливает оксиды железа, при этом вновь превращаясь в С0₂.

Загруженная в печь руда в области колошника в верхней части шахты высушивается и теряет химически связанную воду. Начиная от середины шахты и до распара происходит постепенное восстановление оксида железа оксидом углерода:

ЗFе₂О₃ + СО = 2Fе₃О₄ + СО₂

Fе₃О₄ + СО = ЗFеО + С0₂

FеО + СО = Fе + СО₂

Суммарный тепловой эффект реакций восстановления железа оксидом углерода (косвенное восстановление) является положительным; эти реакции протекают при 400— 950°С. Параллельно в области распара и в верхней части заплечников при температуре 1300—1400 °С идет процесс восстановления железа твердым углеродом раскаленного кокса (прямое восстановление):

FеО + С = Fе + СО + Q

Полученное твердое губчатое железо в зоне распара и заплечников науглероживается и вследствие понижения при этом температуры плавления (температура плавления железа 1539°С, чугуна — 1100—1200 °С), переходит в жидкое состояние. Стекающие в горн струйки чугуна поглощают восстановленные в процессе плавки примеси — марганец, кремний и фосфор, а также частично серу из золы кокса.

Наличие кремния и марганца в чугуне оказывает положительное влияние на свойства чугуна. Фосфор и сера являются вредными примесями. Кремний улучшает литейные качества чугуна; марганец при небольшом (до 1%) содержании повышает прочность чугуна. Фосфор делает чугун хрупким в холодном состоянии, сера увеличивает хрупкость чугунных изделий в нагретом состоянии.

Вместе с кремнеземом (SiO₂), глиноземом (А1₂О₃) и другими примесями из пустой породы и золы топлива флюсы образуют шлак, который плавится в распаре и заплечниках и стекает в горн, где накапливается поверх жидкого чугуна.

1.4 Продукты доменного производства

Основным продуктом доменного производства является чугун. В чугуне углерод может содержаться в виде механической примеси (свободного графита) и химического соединения — карбида железа (Fе₃С), называемого цементитом.

Чугуны, содержащие свободный графит, имеют в изломе серый цвет и крупнозернистое строение. Эти чугуны применяются для получения отливок, так как хорошо заполняют литейные формы и достаточно легко поддаются обработке режущим инструментом. Такой чугун называют серым или литейным чугуном. Характерным для него является повышенное содержание кремния и пониженное — серы.

Чугуны, содержащие углерод в виде химического соединения с железом (Fе₃С), имеют белый излом. Для отливок они малопригодны и трудно обрабатываются режущим инструментом. Эти чугуны преимущественно перерабатываются на сталь, они имеют пониженное содержание кремния и называются белыми или предельными чугунами.

Кроме литейных и предельных чугунов в доменных печах получают специальные чугуны, или ферросплавы. Ферросплавы имеют повышенное (более 10%) содержание некоторых элементов, например кремния, марганца. Применяются ферросплавы в качестве специальных присадок при выплавке стали.

Кроме чугуна в доменном производстве получают доменный газ и шлак.

Доменный газ и шлак представляют собой побочные продукты плавки.

Доменный газ используется в качестве топлива. Он улавливается в области колошника и подвергается очистке. Около 25% доменного газа используется непосредственно в доменном процессе, остальные 75% идут для сжигания на ТЭЦ. Шлак идет для производства строительных материалов

2. Металлургия стали

Значительную часть стали получают из предельного чугуна. Сущность процесса заключается в уменьшении в чугуне содержания углерода и примесей (серы, фосфора, кремния и марганца) путем их окисления. Кроме чугуна в состав шихты могут входить металлический лом, железная руда, флюсы. Сталь выплавляют в кислородных конверторах, мартеновских и электрических печах.

2.1 Выплавка стали в кислородных конвертерах

Сущность процесса заключается в том, что через расплавленный чугун и небольшое количество металлического лома черных металлов, загруженных в конвертор, продувается кислород, образуется оксид железа FO, который, взаимодействуя с углеродом и примесями чугуна, окисляет и обращает их в газ и шлак. Реакции окисления идут с выделением тепла. Чугун при этом превращается в сталь. Конвертер с кислородным дутьем (рис. 2) состоит из стального корпуса, футерованного огнеупорным кирпичом. Конвертер имеет поворотное устройство, с помощью которого может устанавливаться в наклонном положении. В таком положении его заливают жидким чугуном, затем устанавливают вертикально и через фурму производят продувку кислородом. По окончании процесса конвертер вновь наклоняют и выпускают сталь и шлак.

Рис.2. Выплавка стали в кислородных конвертерах

Емкость современных конвертеров составляет 300-350т, Продолжительность плавки 30-40 минут. Температура, развиваемая в плавильном пространстве, достигает 1800 °С. Высокая производительность агрегата, простота конструкции и обслуживания, отсутствие потребности в топливе обеспечивают невысокую себестоимость конверторной стали,

К недостаткам работы конверторов относятся невозможность переработки значительного количества металлического лома, значительный угар металла (5—10%), повышенное содержание вредных примесей в получаемой стали.