Материалы для доменного производства чугуна.

 

Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы.

К железным рудам относится магнитный, красный, бурый и шпатовый железняк.

Магнитный железняк (магнетит) содержит железо в виде Fe₃O₄ (закись-окись железа), обладающей хорошо выраженными магнитными свойствами. Магнетиты содержат 40…70 % железа и являются наиболее богатыми железными рудами, но восстанавливаются труднее других руд

Красный железняк (гематит) содержит железо в виде Fe₂O₃ (безводная окись железа). Содержание железа составляет 55…60 % при малом содержании вредных примесей.

Бурый железняк (лимонит) содержит гидраты оксидов железа 2Fe₂O₃∙ 3H₂OиFe₂O₃∙H₂O. Содержание железа – 25…50 %. Гидратная влага, легко удаляемая при плавке, делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению. Бурые железняки содержат значительное количество серы, фосфора и других вредных примесей.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли FeCO₃. Содержание железа – 30…37 %. Перед плавкой эти руды обжигают, удаляющийся при этом углекислый газ делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению.

Комплексные железные руды наряду с железом содержат другие полезные металлы, которые при доменной плавке переходят в чугун и улучшают его свойства.

Железные руды обычно содержат мало марганца, который необходим для получения чугуна. Поэтому в шихту (специально подготовленную смесь, содержащую руду, топливо и флюсы) для доменных печей добавляют марганцевые руды. Марганцевые руды применяются для выплавки сплава железа с марганцем – ферромарганца (10…82%), а также передельных чугунов, содержащих до 1% марганца. Mарганец в рудах содержится в виде окислов и карбонатов: MnO₂,Mn₂O₃,Mn₃O₄,MnCO₃ и др.

Топливом для доменной плавки служит кокс, который играет двоякую роль: служит топливом и обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры; обеспечивает восстановление окислов железа. Возможна частичная замена кокса газом или мазутом.

Флюсом является известняк CaCO₃ или доломитизированный известняк, содержащий CaCO₃ и MgCO₃, так как в шлак должны входить основные оксиды (CaC,MgO), которые необходимы для удаления серы из металла. В их состав входит минимальное количество вредных примесей.

 

16. Выплавка чугуна в доменной печи. Продукты доменной плавки.

Чугун – железоуглеродистый сплав, содержащий более 2% углерода. Кроме углерода, в нем всегда присутствуют кремний (до 4%), марганец (до 2%), а также фосфор и сера. Чугун является основным исходным материалом для получения стали, на что расходуется примерно 80-85% всего чугуна.

A) Основные задачи плавки чугуна в доменной печи:
1) восстановление железа из окислов руды, науглероживание его и удаление в виде жидкого чугуна определенного химического состава;
2) оплавление пустой породы руды, образование шлака, растворение в нем золы кокса и удаление его из печи.
Сырые материалы при загрузке в доменную печь попадают в область низких температур на колошнике 200 - 300' С, перемещаются сверху вниз и встречают более высокие температуры, которые достигают 1800 - 1900' С на уровне фурм и снижаются в горне до 1450' С.
Вдуваемый через фурмы нагретый воздух обусловливает горение углерода кокса по реакции: С + О2 = СО2 + 94 052 кал (394 кДж).
Встречая раскаленный кокс при высокой температуре, углекислота восстанавливается. СО2 + С = 2СО - 412 220 кал (176 кДж).
Кроме того, окись углерода образуется в результате взаимодействия паров влаги и углерода кокса: Н2О + С = СО + Н2 - 31 382 кал (132 кДж).
В верхних горизонтах доменной печи при температуре 100- 200 С испаряется влага, а при 300 - 350' С удаляется гидратная вода. Из топлива удаляются летучие вещества. При более высоких температурах (до 900 С) разлагается известняк с выделением углекислоты: СаСО3 = СаО + СО2 - 42 490 кал (178 кДж).
Восстановление железа происходит последовательно по схеме Fe2O3 -> Fe3O4 -> FeO -> Fe.
При более умеренных температурах происходит косвенное (непрямое) восстановление руды окисью углерода. ЗFe2O3 + СО = 2Fe3O4 + СО2 + 12 136 кал (50,7 кДж); 2Fe3O4 + 2СО = 6FeO + 2СО2 - 16 528 кал (69,2 кДж); 6FeO + 6СО = 6Fe + 6СО2 + 23 616 кал (99,1 кДж).
При более высоких температурах (> 950' С) в нижней части печи происходит прямое восстановление железа за счет сажистого углерода, осаждающегося в порах материалов: FeO + С = Fe + СО - 37 284 кал (155,5 кДж).
Газами восстанавливается около 60% получающегося в доменной печи железа, а твердым углеродом - около 40%.
Кроме железа, в доменной печи восстанавливаются кремний, марганец, сера, фосфор и другие элементы. Восстановление кремния и марганца происходит при высоких температурах (около 1450' С) твердым углеродом и требует больших затрат тепла и топлива: SiO2 + 2С = Si + 2СО - 152 568 кал (639,5 кДж); MnO + С = Mn + СО - 65 584 кал (275,8 кДж).
Сера как вредная примесь чугуна должна быть, по возможности, более полно удалена из него. В доменную печь сера попадает вместе с сырыми материалами; содержится в коксе, руде и флюсах. Около 10 - 60% серы улетучивается с газами в верхних горизонтах печи. Для удаления серы обеспечивают избыток извести в шлаках и высокую температуру в горне. Сера удаляется по реакции FeS + СаО = CaS + FeO + 4380 кал (18,4 кДж).
Образующийся сульфид кальция нерастворим в чугуне, переходит в шлак и вместе с ним удаляется из печи. Дополнительно десульфурация чугуна происходит после выпуска его из доменной печи за счет взаимодействия серы с марганцем, которого для этого должно быть в чугуне достаточно много. FeS + Mn = Fe + MnS + 21 700 кал (90,9 кДж).
Фосфор также является вредной примесью чугуна, однако его удаление из жидкого чугуна в условиях доменной плавки затруднительно. Фосфор, попавший в доменную печь с сырыми материалами, растворяется в чугуне и остается в нем.
Непосредственно после восстановления в доменной печи получается твердое пористое губчатое железо с высокой температурой плавления 1539' С. При его взаимодействии с окисью углерода образуется карбид железа (цементит) Fe₃С: 3Fe + 2СО = Fe3C + СО2 + 36 220 кал (150,4 кДж).
Цементит растворяется в железе, науглероживает его до 4,3% и понижает температуру плавления до 1140 - 1150' С. Науглероженное низкоплавкое железо расплавляется, каплями стекает в горн и по пути растворяет кремний, марганец, серу, фосфор и другие элементы. Образующийся сплав сложного состава представляет собой чугун - главный продукт доменной плавки.
Шлакообразование должно происходить после завершения процессов восстановления железа из руды, так как иначе легкоплавкий холодный шлак стекает вниз печи, захолаживает ее, расстраивает нормальный ход плавки и приводит к изменению химического состава чугуна и шлака. Согласование процессов восстановления и шлакообразования достигается поддержанием определенного химического состава и температуры плавления шлаков, а также регулированием всего хода плавки.
Образование шлака начинается после опускания шихты приблизительно до распара при температуре 1200' С, когда пустая порода сплавляется с флюсами (известью). При стекании шлака вниз он обедняется окислами железа и марганца, обогащается известью и приобретает заданный состав.

B) К продуктам доменного производства относятся чугун, ферросплавы, шлак, доменный газ и колошниковая пыль. Чугун- главный продукт, остальные - побочные.
Чугуны, выплавляемые в доменной печи, в зависимости от назначения подразделяются на передельные (применяются для выплавки стали); литейные (используемые для получения отливок); ферросплавы (используемые при плавке стали для раскисления, а также для введения в сплавы легирующих элементов).
Передельных (половинчатых) чугунов в доменных печах выплавляется около 80 - 90%. Они содержат 0,2 - 1,75% кремния, 0,5 - 1,75% марганца, не более 0,08% серы, не более 0,07% - фосфора (кроме томасовского). В зависимости от вида сталеплавильного агрегата, в котором будет выплавляться сталь, передельные чугуны подразделяются на мартеновские, содержащие значительное количество марганца (1,0 - 1,75%) и мало кремния (0,76 - 1,25%), серы (до 0,07%) и фосфора (до 0,3%); бессемеровские, содержащие много кремния (0,7 - 1,75%) и томасовские, содержащие много фосфора (1,6 - 2,0%).
Литейных (серых) чугунов выплавляется около 8 - 17%. В их состав входит 1,25 - 4,75% кремния, 0,5 - 1,3% марганца, до 0,05% серы и до 1,2% фосфора.
Ферросплавов в доменных печах выплавляется 2 - 3%. Различают три вида ферросплавов: ферросилиций с содержанием 10- 15% кремния; ферромарганец с 70 - 80% марганца и зеркальный чугун с 10 - 25% марганца.
17. Производство стали. Сущность процесса, этапы выплавки стали.

Сталь - это железоуглеродистый сплав, в котором содержится практически до 1,5% углерода, при большом его содержании увеличивается хрупкость и твёрдость стали, но они не широко применяются.

А)Способы получения стали зависят от применяемого оборудования:

1)кислородно-конвертерный;

2)мартеновский;

3)электроплавильный.

1)При первом способе выплавка стали производиться в конвертере, представляющим собой стальной сосуд грушевидной формы, выложенный внутри огнеупорным кирпичом. Для получения стали,в конвертер заливают жидкий чугун, имеющий высокую температуру (1250-1400 С) и загружают известняк, металлолом. Затем подают кислород под давлением. При этом кислород быстро выжигает из чугуна избыток углерода и др. примесей, известь взаимодействует с фосфором, серой и переводит их в шлак. По ходу плавки берут пробы металла на экспресс-анализ. Если содержание углерода соответствует заданному продувку кислородом прекращают и сталь сливают в ковш, а шлак сливают через специальное отверстие.
Преимущества конвертерного способа:1) высокая производительность; 2) компактность и простота устройства конвертера; 3) низкая себестоимость стали.

Недостатки:1)в конвертерах перерабатывается только жидкий чугун, а переработка металлолома возможна в небольшом количестве (до 10%); 2)в процессе продувки наряду с выгоранием углерода и других примесей выгорает немалая часть железа (потери металла составляют 10-15%); 3)процесс получения стали вследствие большой скорости с трудом поддается регулированию, что сокращает возможность получения стали точно определенного состава. Конвертерную сталь применяют главным образом для изготовления изделий не требующих от металла особо высоких качеств.

2) Мартеновская печь- это печь особой конструкции пламенная печь, в которой металл плавится под непосредственным воздействием пламени горящего топлива. Мартеновская печь работает на газообразном и жидком топливе (мазуте).

Преимущества мартеновского способа:1) процесс плавки хорошо поддается управлению, что дает возможность получать сталь высокого качества и определенного состава; 2) возможность использования постоянно возрастающих ресурсов вторичного сырья (отходы сталелитейного производства, отходы металлообработки, амортизационный лом, который образуется в процессе эксплуатации машин и металлических изделий).

Недостатки:1) значительный расход топлива. 2)Одним из основных путей снижения себестоимости стали является снижение расхода топлива и увеличение производительности мартеновских печей.

3)Производство стали в электрических печах (дуговые и индукционные печи) является более совершенным, чем предыдущие способы. Наиболее широкое распространение в металлургической промышленности поучили дуговые электрические печи. При плавке стали в дуговых электропечах в состав шихтовых материалов входят в основном стальной лом и скрап с добавками чугуна, железной руды, флюсов, раскислителей и ферросплавов. В этих печах плавку металла осуществляют теплом, выделяемым электрической дугой, образуемой между электродами и металлом (служащим вторым электродом) (температура до 3500°С).

В индукционных печах плавку металла осуществляют теплом, выделяемым от вихревых токов, образующих от подачи на корпус индуктора тока высокой частоты. Плавку ведут быстро, поэтому металл не успевает сильно окислиться. Плавка в индукционных печах ведется в воздушной среде или вакууме.

Преимущества способа получения стали в электропечах:

1) создание высокой температуры в плавильном пространстве печи дает возможность быстро проводить плавку;

2) получать сталь и сплавы любого состава;

3) использование известкового шлака, способствует хорошему очищению металла от вредных примесей серы и фосфора;

4) возможность ведения плавки при всех режимах и условиях производства;

5) создание воздушной среды или вакуума в печи способствует хорошему раскислению и дегазации стали.

Недостатки:

1) значительный расход электроэнергии и электродов;

2) высокая стоимость получения стали.

В электропечах получают высоколегированные жаростойкие, жаропрочные и конструкционные стали и сплавы с особыми свойствами. В обычных сталеплавильных печах трудно, а иногда и невозможно получить металл, который удовлетворял бы возросшим потребностям современной техники. Поэтому большое развитие получают различные специальные способы производства высококачественных сплавов и сталей. К ним относятся плазменный, электрошлаковый, вакуумный, и другие. наиболее перспективны методы внепечной обработки стали: обработка жидкой стали в вакууме, продувка стали газами, обработка стали жидкими синтетическими шлаками.

Выбор способа производства стали зависит от ряда технических, экономических и географических факторов. Предпочтение отдается тому способу производства, который позволяет получить сталь необходимого состава и высокого качества при меньшей ее себестоимости.

В) Этапы выплавки стали

Первый этап. Нагрев ванны жидкого металла и расплавление шихты.

Температура металла не высокая, происходит процесс окисления железа примесей, образование оксида железа, а именно марганца, кремния и фосфора.

Самая важная задача этапа - это удаление фосфора. Для этого желательно провести плавку в основной печи. Должна быть не высокая температура ванны и шлака.

Второй этап. Кипение металлической ванны, которое начинается по мере прогрева к более высоким температурам. Следовательно, при повышении температуры быстрее протекает реакция окисления углерода, которая происходит с поглощением теплоты:

 

FeO+C=CO+Fe-Q

 

Для того что бы, произошли окисления углерода в металл необходимо ввести малое количество руды.

Для удаления серы также создаются условия. В стали сера находится в виде сульфида, который тоже растворяется в главном шлаке. Если температура высокая, то количество сульфида железа растворяется в шлаке больше и взаимодействует с оксидом кальция:

 

FeS+CaO=CaS+Fe

 

Третий этап. Следовательно, сталь раскисляется в восстановлении оксида железа, который растворён в жидком металле.

Существуют два способа раскисления стали: осаждающее и диффузионное.

Принцип осаждающего раскисления заключается в том, что большее количество в ней кислорода переводят в нерастворимые оксиды элементов - раскислителей.

Диффузионное раскисление взаимодействует со специальным шлаком и за счёт этого происходит процесс снижения концентрации кислорода в расплаве стали.

Стали выплавляют в зависимости от степени раскисления:

а) спокойные,

б) полуспокойные,

в) кипящие.

При полном раскислении в печи и ковше получается спокойная сталь.

Полуспокойная сталь раскисляется промежуточно между спокойной и кипящей. Кипящая же сталь раскисляется в печи не полностью.

18. Производство стали в мартеновских печах, виды мартеновских процессов.

Мартеновское производство — это процесс получения стали методом окислительной плавки в мартеновских печах.

Мартеновская печь — пламенная регенеративная печь с горизонтальным рабочим пространством. Для вы­плавки стали в мартеновской печи может применяться как жидкий, так и твердый чугун. В отличие от кисло­родного конвертора для выплавки стали в мартеновской печи недостаточно того тепла, которое выделяется в ре­зультате экзотермических реакций окисления примесей чугуна. Поэтому в печь подводится дополнительное теп­ло, получаемое в результате сжигания топлива в рабо­чем пространстве. В качестве топлива применяют природный газ, мазут, а также смесь доменного и коксового (образующегося при производстве кокса) газов.

Сущность мартеновского процесса состоит в переработке чугуна и металлического лома на паду отражательной печи. В мартеновском процессе в отличие от конвертерного не достаточно тепла химических реакций и физического тепла шихтовых материалов. Для плавление твердых шихтовых материалов, для покрытия значительных тепловых потерь и нагрева стали до необходимых температур в печь подводиться дополнительное тепло, получаемое путем сжигания в рабочем пространстве топлива в струе воздуха, нагретого до высоких температур.

Для обеспечение максимального использования подаваемого в печь топлива (мазут или предварительно подогретые газы) необходимо, чтобы процесс горения топлива заканчивался полностью в рабочем пространстве. В связи с этим в печь воздух подается в количестве, превышающем теоретически необходимое. Это создает в атмосфере печи избыток кислорода. Здесь также присутствует кислород, образующийся в результате разложения при высоких температурах углекислого газа и воды.

Таким образом, газовая атмосфера печи имеет окислительный характер, т. е. в ней содержится избыточное количество кислорода. Благодаря этому металл в мартеновской печи в течение всей плавки подвергается прямому или косвенному воздействию окислительной атмосферы.

Для интенсификации горения топлива в рабочем пространстве часть воздуха идущего на горение, может заменяться кислородом. Газообразный кислород может также подаваться непосредственно в ванну (аналогично продувке металла в конвертере).

В результате этого во время плавки происходит окисление железа и других элементов, содержащихся в шихте. Образующиеся при этом оксиды металлов FeO, Fe2O3, MnO, CaO, P2O5, SiO2 и др. Вместе с частицами постепенно разрушаемой футеровки, примесями, вносимыми шихтой, образуют шлак. Шлак легче металла, поэтому он покрывает металл во все периоды плавки.

Шихтовые материалы основного мартеновского процесса состоят, как и при других сталеплавильных процессах, из металлической части (чугун, металлический лом, раскислители, легирующие) и неметаллической части (железная руда, мартеновский агломерат, известняк, известь, боксит).

Чугун может применятся в жидком виде или в чушках. Соотношение количества чугуна и стального лома в шихте может быть различным в зависимости от процесса, выплавляемых марок стали и экономических условий.

По характеру шихтовых материалов основной мартеновский процесс делиться на несколько разновидностей, наибольшее распространение из которых получили скрап-рудный и скрап-процессы.

При скрап-рудном процессе основную массу металлической шихты (от 55 до 75 %) составляет жидкий чугун. Этот процесс широко применяется на заводах с полным металлургическим циклом.

При скрап-процессе основную массу металлической массы шихты (от 55 до 75 %) составляет металлический лом. Чугун (25 - 45 %), как правило, применяется в твердом виде. Таким процессом работают заводы, на которых нет доменного производства.