Лекции ТКМ (1) (816151), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Восстановление металла из его окислов (раскисление металла)

Для восстановления металла из его окислов (раскисления) необходимо провести восстановительную реакцию по схеме:

MenOm + Bk → BkOm + nMe

Ме – восстанавливаемый металл

B – восстановитель – элемент, обладающий большим сродством к кислороду, чем восстанавливаемый металл.

n, m, k – валентность

В промышленности применяют 3 основных способа восстановления:

1) Карботермия

В качестве восстановителя используется твердый углерод С или газ СО.

Восстановление твердым углеродом – прямое восстановление

Восстановление СО – косвенное восстановление

При этом способе происходит насыщение Ме углеродом.

Производство чугуна

Чугунами называются сплавы железа (Fe) с углеродом (С > 2,14%). Кроме того, в состав чугуна входят полезные и вредные примеси (сера и фосфор). Полезные примеси вводятся в чугун специально для улучшения физико-химических свойств и называются легирующими элементами (W, Ti, Mo, V и т.д.).

Компоненты доменного процесса

Чугун выплавляют из железной руды в доменных печах.

К компонентам доменного процесса относятся:

1. Топливо (кокс, мазут, природный газ)

Кокс – продукт высокотемпературной переработки коксующегося каменного угля без доступа воздуха. Процесс ведется при температуре примерно 1000 оС в течение 16 часов. В результате снижается содержание серы и обеспечивается достаточная прочность.

Мазут – продукт крекинга (переработки) нефти.

Природный газ – метан (СН4).

В состав топлива в значительных количествах входит углерод (С), что способствует созданию восстановительной атмосферы в доменной печи. Помимо восстановительной реакции происходит насыщение железа углеродом.

2. Флюс. Применяется для получения легкоплавкого соединения с пустой породой руды. При взаимодействии флюса с пустой породой образуется шлак, который обладает меньшей плотностью, чем жидкий металл и в процессе выплавки располагается над ванной расплавленного металла. При изготовлении чугуна шлак периодически сливают.

3. Железная руда

Подготовка руды к доменному процессу

1. Обогащение руды

2. Дробление руды

Доменная печь работает нормально, если куски руды имеют определенные размеры.

Большие куски не успевают в процессе выплавки прореагировать на всю глубину, и поэтому часть материала используется бесполезно.

Мелкие куски слипаются,что препятствуют прохождению химически активных газов между ними. Оптимальный размер куска 30-80 мм в поперечнике. Поэтому добытую руду просеивают через грохоты и куски более 80 мм подвергаются дроблению.

3. Окускование

В процессе добычи руды и еѐ дробления образуется мелочь; мелочь смешивают с коксом и флюсом и подвергают брикетированию, агломерации, окатыванию.

а. Брикетирование – прессование увлажненных концентрата, топлива и флюса с дальнейшим просушиванием полученных брикетов на воздухе и обжигом в печи при температуре 1200 - 1300оС для обеспечения необходимой прочности.

б. Агломерация – спекание концентрата, топлива и флюса при Т=1300-1400 оС.

в. Окатывание – обработка увлажненных концентрата, топлива и флюса в тарельчатых чашах (грануляторах) с дальнейшей просушкой на воздухе и обжиге в печи при Т=1200-1300 оС. В результате образуются шарики-окатыши диаметром до 30 мм.

Использование брикетов, агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса в доменную печь при плавке.

При окусковании получается пористая газопроницаемая масса, называемая шихтой.

Доменная печь

Доменный процесс (рисунок 2.1) основан на восстановлении металла из его

окислов. Поэтому в доменной печи создается восстановительная атмосфера.

Загрузка печи компонентами доменного процесса осуществляется через верхнюю часть печи с помощью загрузочного устройства 9. Печь работает по принципу противотока. Сверху вниз двигается подготовленная шихта, руда, кокс 6, а снизу вверх через слой этих материалов, поднимаются химически активные газы.

Процесс идет в стальном сварном корпусе 1, выложенном изнутри огнеупорным шамотным кирпичом.

Через фурмы 4 вместе с жидким или газообразным топливом подается воздух, нагретый в водонагревателе до Т = 1200 оС.

Топливо горит на уровне фурм 4, создавая факел пламени 5 с температурой около 2000 оС

Газообразные продукты горения поднимаются вверх и отдают шихте, коксу и руде свою тепловую и химическую энергию , а затем отводятся из верхней части домны 10.

Рисунок 2.1 – Устройство доменной печи

1 – стальной сварной корпус, выложенный изнутри огнеупорным шамотным кирпичом; 2- жидкий шлак; 3- ванна расплавленного металла; 4- фурма; 5- факел пламени; 6- компоненты доменного процесса (шихта, руда, кокс); 7- летка для слива жидкого чугуна; 8- летка для слива жидкого шлака; 9- загрузочное устройство; 10- отвод газов

Процесс восстановления железа из его окислов идет по следующий реакции:

Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe

Помимо восстановления происходит насыщение железа углеродом.

3Fe + 2C → Fe3C + C

(Fe3C + C) – чугун.

В состав чугуна входит химическое соединение Fe3C (цементит) и С (свободный углерод).

Производительность доменной печи 10000 т за 24 часа

В результате доменного процесса получается литейный и передельный чугуны.

Литейный чугун используется для получения фасонных отливок.

Из передельного чугуна выплавляют сталь.

Кроме чугуна в доменных печах выплавляют ферросплавы – сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Их применяют для раскисления и легирования стали (FeSi; FeMn; FeAl – для раскисления и, редко, легирования стали; FeCr, FeMо, FeV, FeTi – для легирования стали).

Побочными продуктами доменной плавки являются шлак и доменный газ.

Из шлака изготовляют шлаковату, цемент, удобрения (стараются получить гранулированный шлак, для этого его выливают на струю воды).

Доменный газ после очистки используется как топливо для нагрева воздуха, подающегося в печь. Технико-экономические показатели работы доменных печей

1. Коэффициент использования полезного объѐма доменной печи (м3/т) - КИПО – это отношение полезного объема печи V (м3) к ее среднесуточной производительности Р (т) выплавленного чугуна.

2. Чем ниже КИПО, тем выше производительность печи. Для большинства доменных печей КИПО = 0,5…0,7 (для передовых – 0,45)

3. 2.Удельный расход кокса, К – это отношение расхода кокса за сутки А(т) к количеству чугуна, выплавленного за это же время Р(т).

4. Удельный расход кокса в доменных печах составляет 0,5…0,7 (для передовых – 0,36…0,4)

5. K – важный показатель, так как стоимость кокса составляет более 50% стоимости чугуна

ЛЕКЦИЯ 2. Производство стали

Сталями называются сплавы железа (Fe) с углеродом (С ≤ 2,14 %). Кроме того, в состав стали входят полезные и вредные примеси (сера и фосфор). Полезные примеси вводятся в сталь специально для улучшения физико-химических и, соответственно, механических свойств и называются легирующими элементами (W, Ti, Mo, V и т.д.).

Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап).

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода и других примесей

Для получения стали из передельного чугуна необходимо:

1) Снизить содержание С и других элементов в результате их окисления.

2) Раскислить сталь т.к. в процессе окисления С происходит окисление железа . Раскисление необходимо в следствие того, что окислы железа, располагаясь по границам зерен, нарушают связи между ними, что приводит к охрупчиванию стали ( при обработке давлением возможно возникновение трещин).

3) Снизить содержание серы и фосфора для повышения качества стали.

4) Ввести в сталь легирующие элементы для обеспечения необходимых эксплуатационных свойств.

Сталь выплавляют в специальных сталеплавильных агрегатах:

А) Электродуговых печах

Б) Кислородных конверторах

В) Мартеновских печах

Электродуговая печь

Процесс идет в стальном сварном корпусе 1 (рисунок 2.2), выложенным изнутри огнеупорным шамотным кирпичом. Загрузка печи металлическим ломом (скрапом), твердым чугуном, железной рудой, коксом и известняком (СаСО3) осуществляется при снятом своде 4. После загрузки свод устанавливается на место, опускаются электроды 6 диаметром 150 – 160 мм и зажигается электрическая дуга 5. Для зажигания и поддержания дуги применяется источник переменного тока 7. Под действием теплоты дуги расплавляются чугун, железная руда, кокс и известняк. В результате образуется расплавленный металл 3 и жидкий шлак 2. Слив жидкого шлака и расплавленного металла осуществляется при наклоне электропечи через летку 8.

Выплавка стали происходит в 3 этапа:

1. Загрузка печи, плавление компонентов и наведение шлака

На этом этапе за счет окислов руды происходит окисление примесей чугуна (С, Si, Mn, P) и снижение содержания серы и фосфора в результате воздействия СаСО3.

5Fe2O3+ 6P → 3P2O5↑ + 10Fe ;

CaCO3 → CaO + CO2↑ ;

FeS + CaO → FeO + CaS↑;

2P+5FeO+4CaO → (CaO)4P2O5 ↑ + 5Fe.

Стрелка вверх – переход в шлак.

2. Раскисление стали

Шлак сливают и в печь загружают ферросплавы, содержащие активные раскислители: FeMn, FeAl, FeSi.

2Fe2O3 + 3Si → 3SiO2↑ + 4Fe;

Fe2O3 + 3Mn → 3MnO↑ + 2Fe;

Fe2O3 + 3C → 3CO↑ + 2Fe.

Стрелка вверх – переход в шлак.

3. Легирование стали

Шлак сливают и в печь загружают ферросплавы, содержащие легирующие компоненты: FeCr, FeMо, FeV, FeTi

Производительность печи 600 тонн за 24 часа.

В электродуговых печах выплавляют качественные легированные стали (с пониженным содержанием серы и фосфора).

Кислородный конвертер

1 – стальной сварной корпус, выложенный изнутри огнеупорным шамотным кирпичом;

2 - жидкий шлак;

3 - ванна расплавленного металла;

4 - водоохлаждаемая фурма;

5 - опоры.

Рисунок 2.3 – Устройство кислородного конвертера

Процесс идет в стальном сварном корпусе 1 (рисунок 2.3), выложенным изнутри огнеупорным шамотным кирпичом. В конвертер через горловину загружают металлический лом (скрап) и металлические отходы. Затем заливают жидкий чугун и загружают СаСО3 . После этого опускают водоохлаждаемую фурму 4 и в течении 18-30 минут продувают техническим кислородом. В результате интенсивного окисления металла, которое происходит с выделением теплоты, температура в конвертере достигает 2400 оС. Образуется ванна расплавленного металла 3 и жидкий шлак 2. Подача кислорода прекращается и фурма убирается. Слив шлака и расплавленного металла осуществляется при повороте конвертора относительно опор 5.

Этапы выплавки:

1. Загрузка конвертера, подача О2 , образование жидкого шлака и расплавленного металла, слив шлака.

На этом этапе происходит окисление примесей чугуна , снижение в расплаве содержания S и P.

2. Раскисление стали.

Раскислители подаются не в конвертер, а на струю расплавленного металла при разливке расплава в разливочный ковш, т.к при подаче в конвертер они выгорят в атмосфере кислорода.

3. Легирование стали

Легирующие элементы также вводятся не в конвертер, а в ковш перед разливкой в него стали.

Производительность конвертера 600 тонн за 24 часа

В конвертере выплавляются низкоуглеродистые и низколегированные стали обычного качества.

Мартеновская печь

Процесс идет в стальном сварном корпусе 1 (рисунок 2.4), выложенным изнутри огнеупорным шамотным кирпичом. В печь через загрузочное окно 8 загружают железную руду, стальной лом (скрап), известняк CaCO3. Затем эти компоненты подогревают воздухом, нагретым с помощью регенератора 10 до Т 1200 С. После этого в печь заливают жидкий чугун и через фурмы 4 подают топливо (мазут, природный газ). Топливо, сгорая, образует факел пламени 5, температура которого около 2000 С. Образуется расплавленный металл 3 и жидкий шлак 2. Слив жидкого шлака и расплавленного металла выполняется через летки 6 и 7 соответственно. Отработанные газы очищаются в очистном устройстве 9 и выводятся в атмосферу.

Этапы выплавки такие же, как и при электродуговой плавке.

Производительность 600 тонн стали за 24 часа

В мартеновских печах выплавляют легированные стали обычного качества.

Характеристики

Список файлов лекций