Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Структура металлургического производства
Металлургическое производство – сложная система, базирующаяся на месторождениях руд, коксующихся углей и огромных энергетических комплексах. Оно в себя включает: · шахты и карьеры по добыче руд и каменного угля; · горно-обогатительные комбинаты (где руды обогащают и готовят к плавке); · коксохимические заводы (коксование угля и извлечение полезных химических соединений); · энергетические цеха – для выплавки чугуна; · заводы для ферросплавов; · сталеплавильные цеха (конверторные, мартены, …); · прокатные цеха.
Основная продукция черной металлургии
К ней относятся: · чугуны (передельный – для выплавки стали, литейный чугун); · железорудные металлизированные окатыши; · ферросплавы (с высоким содержанием марганца, кремния, ванадия, титана, молибдена); · стальные слитки.
Продукция цветной металлургии
· слитки цветных металлов; · лигатуры (сплавы цветных металлов с легирующими компонентами); · слитки чистых и особо чистых металлов, для электронной и радиотехнической промышленности.
Исходные материалы для производства металлов и сплавов
Для производства металла используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы. Промышленной рудой является горная порода, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металл или его соединения (железа, если его в руде содержится 30 – 60 %; меди, если ее содержание в руде составляет 3 – 5 %, молибдена – 0,005 – 0,02%). Сама руда состоит из минералов и пустой породы. Минерал – это сам металл или его соединения. Пустая порода – различные примеси. Сами руды бывают богатыми и бедными. Бедные руды подвергают обогащению, после чего из них получают концентрат. Использование концентрата улучшает технико-экономический показатель металлургических печей. Флюсы – материалы, загружаемые в плавильные печи для образования легкоплавких соединений с пустой породой руды или концентрата. Такое соединение называют шлаком, то есть Флюс -> печь с высокой температурой обработки -> шлак.
Шлак имеет меньшую плотность по сравнению с основным металлом, он всплывает в процессе плавки и защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак бывает двух видов: кислый и основной.
В кислом шлаке преобладают такие элементы как кремний, кислород, оксид фосфора. В основном шлаке – оксид кальция, оксид магния, оксид железа и др.
Топливо используется для доменного процесса (кокс, природный газ, мазут, колошниковый газ).
Огнеупорные материалы используют для изготовления внутренней облицовки слоя печи и ковшей для расплавленного металла.
Физико-химическая сущность процесса получения стали
Стальной лом (скраб) и передельный чугун – основные материалы для получения стали. Эти перечисленные материалы называются шихтой. Сущностью любого металлургического процесса является переделка чугуна в сталь и снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак или в газы в процессе плавки.
Состав передельного чугуна низкоуглеродистой стали
Таблица 1
Примеси отличаются по своим физико-химическим свойствам, следовательно для удаления каждой из них в плавильном агрегате создают определенные условия, используя основные законы физической химии. 1 закон. В соответствии с законом “Действующих масс” скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Так как в чугуне содержится наибольшее количество железа (Fe), то оно окисляется в первую очередь, при взаимодействии с кислородом (О2).
Fe + ½ O2 = FeO + 264 кДж (выделение тепла – экзотермическая реакция) (1)
Одновременно с железом будут окисляться Si, P, Mn и другие примеси. Образующийся FeO при повышении температуры растворяется в Fe и отдаёт свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их.
2FeO + SiO = SiO2 + 2Fe + 330.5 кДж (2)
5FeO + 2P = P2O5 + 5Fe + 226кДж (3)
FeO + Mn = MnO + Fe + 123кДж (4)
FeO + C = CO + Fe – 154 кДж (поглощение тепла – эндотермическая реакция) (5)
Чем больше содержания FeO в жидком металле, тем активнее будут окисляться примеси, следовательно для ускорения окисления примесей в расплав добавляют железную руду или окалины.
2 закон. Скорость окисления примеси зависит не только от концентрации, но и от температуры, и подчиняется закону Ле Шателье – химические реакции выделяющие теплоту интенсивно протекают при низких температурах, а реакции с поглощением тепла протекают активно при более высоких температурах. 3 закон. После расплшавления шихты образуются две несмешивающиеся жидкости (среды) – это жидкий шлак и металл, которые разделены. В соответствии с законом распределения Нернста “Если какое-либо вещество растворяется в двух соприкасающихся но не смешивающихся жидкостях, то распределение вещества между ними происходит до установления определенного соотношения при данной температуре (характеризуется константой распределения)”. Следовательно, большинство компонентов и их соединения будут распределяться между шлаком и металлом. Нерастворимые соединения в зависимости от плотности будут либо в шлаке, либо в металле. Изменяя состав шлака можно менять соотношение между количеством примесей в металле и шлаке так, что нежелательные примеси будут удаляться из металла в шлак. Удаляя шлак с поверхности металла и наводя новый при подаче флюса требуемого состава, можно удалять вредные примеси такие как фосфор (P), сера (S). Следовательно регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из путей управления металлургическим процессом. Весь процесс плавки происходит в три этапа:
1 этап. Расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. Так как на этом этапе температура невелика, то интенсивно происходит окисление железа с образованием оксида и окислов примесей (по реакциям 2 и 4 указанных выше). Выделяющийся фосфорный ангидрид P2O5 (реакция 3) образует с оксидом железа FeO нестойкое соединение (FeO)3P2O5. Так как у CaO сильнее основные свойства, чем у FeO, то он связывает фосфорный ангидрид, переводя его в шлак.
2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (4CaOP2O5) + 5[Fe], (6)
здесь [] – в металле; () – в шлаке. Для удаления фосфора из металла необходимо достаточное содержание FeO, для этого в период плавки добавляют железную окалину или руду, наводя железистый шлак. По мере удаления фосфора из металла его содержание в шлаке увеличивается, следовательно согласно закону распределения удаление фосфора из металла будет замедляться. Для ускорения процесса удаления фосфора старый шлак сливают и наводят новый со свежими добавками CaO. 2 этап. “Кипение” ванны жидкого металла. Процесс начинается по мере прогрева при более высокой температуре, чем на первом этапе. При повышенной температуре в соответствии с принципом Ле Шателье начинает более интенсивно протекать реакция окисления углерода (реакция 5) так как в металле содержится углерода С2 больше чем всех других примесей, то в соответствии с законом действующих масс для его окисления в металл вводят значительное количество руды, окалины или вдувают кислород (протекает реакция 1). При этотм образующийся оксид железа реагирует (согласно реакции 5) с С2, а пузырьки углекислого газа СО2 выделяются из жидкого металла, вызывая его “кипение”. При “кипении” уменьшается содержание углерода до требуемого количества, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам углекислого газа. Всё это способствует качеству металла, следовательно, процесс “кипения” металла является основным в плавке сталей. В этот же период создаются условия для удаления серы из металла, которая находится в нем в виде сульфида, а также в шлаке ((FeS) и [FeS]). Чем выше температура, тем дольше количество FeS растворяется в шлаке, происходит процесс перехода серы из металла в шлак, при этом сульфид железа растворяется в шлаке, взаимодействуя с СаО.
(FeS) + (CaO) = (CaS) + [FeO] (7)
Как видно из реакции (7), чем больше (СаО) и меньше (FeS), тем полнее удаляется сера в шлак. Вывод: при плавке в основных печах можно снизить содержание угленрода и серы в стали, при этом выплавлять металл из шихты любого химического состава; в печах с кислой футеровкой нет условий для уменьшения количества фосфора и серы в стали, так как нельзя использовать основной шлак с повышенным содержанием СаО из-за разрушения футеровки печи, следовательно, в “кислых” печах выплавляют метел с низким содержанием серы и фосфора. 3 этап. Раскисление стали. Это процесс восстановления оксида железа в жидком металле.
(FeS) + (CaO) = [FeO] +CaS (8)
При плавке высокое содержание кислорода необходимо для окисления примесей, но в готовой стали – это очень вредная примесь, сильно снижающая механические свойства металла при высокой температуре. Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным. Осаждающее раскисление – введение в жидкую сталь растворимых раскислителей (FeMn, FeSi, Al), которые в данных условиях обладают большим родством к кислороду, чем железо. Происходит восстановление железа и образуются оксид магния, оксид кремния и алюминия, имеющие малую плотность и удаляющиеся в шлак. При нарушении режима раскисления некоторые примеси могут остаться в металле, что снизит его механические свойства. Диффузионное раскисление – раскисление шлака. Мелко размельченный раскислитель загружают на поверхность шлака, который восстанавливает оксид железа, уменьшая его содержание в шлаке. Согласно закону распределения растворенный оксид железа в стали, начинает переходить в шлак. При этом способе все образующиеся оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, что уменьшает содержание в ней неметаллических включений и повышает качество. При плавке в кислой печи процесс протекает при кислом шлаке (55-58% SiO2), что создает благоприятные условия для полного раскисления стали. Кремнеземные сильные свойства связывающие оксид железа с оксидом кремния при долгой выдержке под кислым шлаком приводят к резкому уменьшению процентного содержания оксида железа в стали.
По степени раскисления различают следующие виды сталей: спокойные, кипящие, полуспокойные. Спокойные стали – при полном раскислении в печи и ковше, кипящие стали – здесь раскисление в печи происходит не полностью, её раскисление продолжается в изложнице, при затвердевании слитка.
FeO + C = Fe +CO (9)
CО способствует удалению водорода и азота в виде пузырьков, вызывая “кипение”. “Кипящая” сталь почти не содержит неметаллических включений (продуктов раскисления). Такая сталь обладает высокой пластичностью. Разливка высококачественной стали.
Выплавленную сталь разливают в изложницы, где происходит ее кристаллизация, то есть образуется слиток. Слиток по своему кристаллическому строению не однороден. Обычно слиток спокойной стали имеет следующие зоны: 1. поверхностный слой мелких кристаллов; 2. зона столбчатых кристаллов; 3. внутренняя зона крупных различно ориентированных кристаллов; 4. конус осаждения из более мелких неориентированных кристаллов; 5. мост плотного металла верхней части слитка из хорошо сформировавшихся неориентированных кристаллов; 6. усадочная раковина.
В слитке могут появляться продольные и поперечные трещины. Все пустоты, включая усадочную раковину – это следствие неравномерности теплообмена в изложнице во время кристаллизации. Для устранения дефекта необходимо: 1. чтобы футеровка изложницы была без дефектов; 2. поверхность изложницы должна быть достаточно чистой; 3. изложница должна быть хорошо теплоизолирована. При кристаллизации слитка создаются не равные условия теплообмена в верхней и нижней части слитка, т.к. через верхнюю поверхность (свободную) металла осуществляется несоизмеримо меньший отвод тепла, чем стенками и дном изложницы. То сокращение объёма слитка сопровождается нижним уровням жидкого металла и образуется в итоге усадочная раковина, глубоко распространяющаяся в тело слитка. Усадочная раковина выводится с помощью прибыльной надставки – это сужающаяся часть в верхней части изложницы.
Чтобы сохранить металл в прибыльной части слитка, в течение всего времени затвердевания, применяют специальные способы обогрева прибыли сверху. Это делается с помощью люнкеритных смесей, которые содержат 20% Al, 10%FeSiO2, 20% древесного угля, 20% кокса + шамотный порошок и боксит. Или используются экзотермические смеси, которые засыпаются в прибыльную часть надставки на поверхность металла. Использование смесей уменьшает скорость снижения температуры металла в прибыльной части слитка (в 4 раза по сравнению с открытым зеркалом металла). Жидкую сталь разливают в изложницы на установках непрерывной разливки. Сама разливка металла в изложницы осуществляется двумя способами: разливка осуществляется сверху или производится сифоном.
При разливке сверху, металл поступает в изложницу (2) непосредственно из сталеразливочного ковша (1) или через промежуточное устройство в виде воронки (3). При сифонной разливке жидкая сталь из ковша попадает в центровую (2), затем по сифонной проводке (3) поступает в изложницу (4) через поддонник (количество изложниц 2 - 6).
Разливка сверху часто встречается в цехах с большой производительностью при выплавке больших слитков. Разливка сифоном даёт возможность разлить единовременно сталь на несколько малых слитков, удобно наблюдать за поверхностью поднимающегося металла, а также улучшается поверхность металла в слитках. К недостаткам можно отнести увеличение расхода огнеупора, трудозатраты по зачистке сифонов.
ВНЕПЕЧНОЕ РАФИНИРОВАНИЕ СТАЛИ (ВРС) Особенности внепечного рафинирования: При увеличение удельной мощности дуговых печей и мощности трансформатора. Нерациональное проведения процессов рафинирования (очистка от примесей) в сталеплавильных печах, особенно с восстановительным периодом. Рафинирование стали в крупных сталеплавильных печах в следствие малой удельной поверхности ванны, низкой скорости процесса взаимодействия металла и шлака, а также сложности смены шлака весьма затруднительно, при этом очень низкое использование мощности. Все это приводит к снижению производительности, а также к увеличению расходов раскислителей и легирующих элементов. Сказывается на качестве стали, приводит к снижению. Все эти показатели значительно повышаются при внепечном рафинирование стали. При внепечном рафинирование, используется вакуум, кислород, инертный газ, синтетический шлак и др. Достоинства внепечного рафинирования:
2. Повышение интенсивной массы переноса, из-за увеличения градиента концентрации с уменьшением объема. 3. 3.Улучшение термодинамических условий удаления примесей, из-за изменения состава газовой атмосферы или создания вакуума. 4. Глубокое обезуглероживание стали. 5. Глубокое рафинирование стали от серы, в результате добавки синтетического шлака. 6. Возможность глубокой очистки от водорода.
Внепечное рафинирование осуществляется различными методами и их использование превращает сталеплавильную дуговую печь в агрегат для расплавления жидкостей и получения полупродукта.
Основные способы: Вакуумирование в ковше
Для обработки, расплав металла вместе со шлаком сливают в ковш (3), который устанавливают в вакуумную камеру (1), с понижением давления в камере, начинается процесс дегазации расплава, который сопровождается перемешиванием металла и шлака, выделяющимися пузырьками.
1. стальной корпус; 2. бетонная оправка; 3. ковш; 4. крышка. Вакуумирование в струе
Струя дробится на малые объемы, что также позволяет провести более глубокое рафинирование, при производстве мелких слитков, металл вакуумируется этим методом.
|
|||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2020-12-09; просмотров: 514; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.141.200.180 (0.053 с.) |