Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь FAQ Написать работу 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 |
Ii.2.1. Производство чугуна и сталиСодержание книги
Похожие статьи вашей тематики
Поиск на нашем сайте
Чистое железо (Fe) – вязкий и ковкий металл, плотность его 7,87 г/см3 при 20 °С, температура плавления 1535 °С, кипения 2450 °С. Железо с углеродом образует различные железоуглеродные сплавы. Сплавы, содержащие до 2 % углерода, называют сталями; сплавы с бóльшим содержанием углерода – чугунами. Содержание углерода определяет свойства сплавов. Чугун тверд, хрупок и трудно поддается обработке. С увеличением содержания углерода повышается твердость и прочность стали и одновременно понижается ее пластичность. Помимо углерода в чугуне обычно присутствуют кремний, хром, марганец, случайные и попутные металлы, а также вредные примеси – сера и фосфор, газы – кислород, водород, азот. Сера сообщает металлу свойство красноломкости (непрочность при температуре красного каления). Фосфор делает металл хрупким при обычных и пониженных значениях температуры. Современная металлургия железа включает две основные стадии, или передела: 1) восстановительная плавка железных концентратов в доменной печи с получением чугуна; 2) рафинирование чугуна в сталеплавильных агрегатах различных типов с получением стали. Разрабатываются также процессы получения стали или железа непосредственно из руд (бездоменные). по химическому и минералогическому составу железные руды подразделяют на четыре типа: бурый, красный, магнитный и шпатовый железняки. Бурый железняк - это гидроксид железа Fe2О3 × n Н2О. Красный железняк, или гематит, содержит железо в виде безводного оксида железа Fe2О3. Магнитный железняк содержит магнетит Fe3О4. Шпатовый железняк, или сидерит, представляет собой карбонат железа FeСО3. Распространены также руды, в которых железо представлено ильменитом (FeTiO3). Из перечисленных минералов наибольшее распространение получил магнетит, поэтому железные руды обогащают, в основном, магнитными методами. Получаемые концентраты содержат 60-65 % железа. Их подвергают шихтовке, окускованию и затем плавят в смеси с коксом в доменной печи. Шихтовка концентратов проводится с целью усреднения их состава, а также смешения с требуемыми флюсами. Флюсы в доменной плавке применяют для связывания оксидов пустой породы и золы кокса в шлаки определенного состава, обеспечивающего необходимые физические свойства шлаков (вязкость, плотность и др.). В качестве флюса обычно используют известняк. Окускование шихты необходимо по условиям работы доменной печи. Наличие в шихте мелкого материала резко ухудшает газопроницаемость столба шихты в печи, вызывает большие потери материала с пылевыносом. Оптимальная крупность материала для доменной плавки 30-100 мм. Окускование может осуществляться двумя методами: агломерирующим обжигом и окатыванием. Агломерирующий обжиг проводится на ленточных агломашинах, лента которых состоит из секций (паллет), имеющих дырчатую поверхность. На ленту укладывают слой шихты, состоящей из железного концентрата (40-50 %), оборотного агломерата (20-30 %), угля (4-6 %), флюсов (15-20 %), влаги (6-9 %). При движении ленты каждая секция (паллета) попадает сначала под зажигательный горн, где воспламеняется уголь, содержащийся в шихте. При дальнейшем движении сквозь секции просасывается воздух, продолжается горение угля и развивается высокая температура (1500 °С). В результате происходит частичное оплавление материала и он спекается в крупные куски (агломерат). После схода с машины агломерат охлаждают, дробят и отгрохачивают до нужного класса крупности. При окусковании окатыванием железный концентрат в смеси с флюсом окатывают в шарики (окатыши) диаметром 20-35 мм в чашевых или барабанных грануляторах. Для механического упрочнения окатышей их подвергают высокотемпературному (900-950 °С) обжигу. Таким образом, первым основным исходным продуктом доменной плавки является агломерат или окатыши. Второй обязательный исходный продукт плавки - кокс, который служит восстановителем оксидов металлов и источником тепла для плавки. Он должен отвечать следующим требованиям: 1) обладать высокой теплотой сгорания; 2) характеризоваться достаточной прочностью и термостойкостью; 3) обладать неспекаемостью в условиях доменного процесса; 4) иметь достаточную чистоту по содержанию вредных примесей – серы и фосфора.
Третьим исходным продуктом доменной плавки является воздушное дутье. Воздух необходим для сгорания кокса. Доменная печь имеет объем от 2000 до 5000 м3 и более. Собственно доменная печь - это печь шахтного типа (рис.Ii.1), состоящая из фундамента, горна, заплечиков, распара, шахты, колошникового устройства и засыпного аппарата. Печь армирована стальным водоохлаждаемым кожухом и футерована внутри шамотным кирпичом или графитовыми блоками. В верхней части горна печи имеется фурменная зона, где расположены 18-20 фурм для вдувания в печь нагретого воздуха. Чугун и шлак выпускают через летки, представляющие собой каналы в кирпичной кладке, расположенные соответственно на расстоянии 0,5 и 1,4-1,9 м от уровня лещади. В промежутках между выпусками чугуна и шлака летки закрывают. сверху через колошник в печь порциями загружают агломерат (окатыши) и кокс, а снизу через фурмы подают воздух. Доменная плавка – это совокупность химических, физических, теплообменных и механических процессов, в результате которых из загруженных в доменную печь исходных материалов – агломерата (окатышей), кокса и флюса – получают продукты плавки – чугун, шлак и колошниковые газы. В процессе плавки шихтовые материалы перемещаются сверху вниз, а газы - снизу вверх. Скапливающиеся в горне печи чугун и шлак периодически выпускают. Основными процессами, протекающими в печи, являются: горение топлива; восстановление оксидов; образование чугуна и шлака. В районе фурм происходит интенсивное горение кокса за счет кислорода вдуваемого воздуха. углерод сгорает преимущественно по реакции С + О2 = СО2 + 395 кДж, в результате чего развивается температура 1700-1900 °С. По мере продвижения газов к оси печи и уменьшения содержания в них кислорода углекислый газ реагирует с кусками раскаленного кокса по реакции С + СО2 = 2СО – 172 кДж. Восстановление высшего оксида железа Fe2O3 при температуре выше 570 °С происходит ступенчато: Fe2O3 ® Fe3O4 ® FeO ® Fe. Восстановителем могут являться твердый кокс и оксид углерода (СО), содержащийся в печных газах. Кинетически предпочтительней оксид углерода, который и является основным восстановителем железа: 3Fe2O3 + СО = 2Fe3O4 + СО2 + 63,2 кдж; Fe3O4 + СО = 3FeO + СО2 - 23,5 кдж; FeO + СО = Fe + СО2 + 13,2 кдж. Основная масса оксидов железа восстанавливается в доменной печи в зонах нижнего горизонта шахты, распара и заплечиков. При высоких значениях температуры (более 1000 °С) в этих зонах и при наличии в шихте кусков кокса развиваются реакции прямого восстановления оксидов железа твердым углеродом: FeO + С= Fe + СО – 158,8 кДж. Восстановление оксидов железа сопровождается его науглероживанием по реакции 3Fe + 2СО = Fe3С + СО2. Науглероженное железо плавится на уровне распара и заплечников и каплями стекает по кускам кокса, дополнительно растворяя углерод. Одновременно с железом могут восстанавливаться и примеси, содержащиеся в шихте, основные из которых марганец, кремний, хром, фосфор: МnO + CO = Mn + CO2; SiO2 + 2C = Si + 2CO. Восстановленное, науглероженное железо плавится, растворяет в себе восстановившиеся примеси и в виде слоя расплавленного чугуна скапливается на дне горна. Следует отметить, что реакция науглероживания железа полезна с энергетических позиций, так как температура плавления науглероженного железа на 300-400 °С ниже, чем чистого. Минералы пустой породы взаимодействуют друг с другом а также с оксидами флюсов, образуют легкоплавкие соединения и в виде слоя расплавленного шлака скапливаются над слоем чугуна. Доменный шлак в основном состоит из трех оксидов: 30-40 % SiO2, 10-20 % Al2O3 и 40-50 % СаО.
Таким образом, конечными продуктами доменной плавки являются чугун, шлак и колошниковый газ. Чугун выпускается, в основном, двух типов - передельный и литейный. Они отличаются содержанием примесей (в литейном их больше). Передельный чугун служит сырьем для получения стали, а литейный поступает на изготовление малоответственных чугунных деталей. В доменной печи выплавляют также специальные чугуны (фосфористый, зеркальный) и ферросплавы – ферромарганец и ферросилиций. Шлак, выпускаемый из печи, обычно гранулируют в воде, и он используется в строительстве. Колошниковый газ, содержащий 8-12 % СО2, 27-32 % СО, 0,2-0,4 % СН4, 2,5-4 % Н2 и 57-58 % N2, после трехстадиальной очистки от пыли используется как топливо для внутренних нужд предприятия. Необходимым условием для нормальной работы доменной печи является подогрев исходного воздушного дутья до 1000-1100 °С. Современная доменная печь потребляет в сутки 15-20 тыс.т воздуха, для подогрева которого применяют подогреватели (3-4 шт. на одну печь). Подогреватель представляет собой вертикальный металлический цилиндр (диаметр около 9 м, высота до 36 м), внутренняя полость которого по вертикали разделена на две части. Одна часть является топкой, в которой в струе воздуха сгорает колошниковый газ. Другая часть заполнена насадкой из пористого огнеупорного материала. поверхность насадки 25-30 м2/м3. Горячие газы, образующиеся в топке, проходят сквозь насадку, отдавая ей свое тепло. После того, как температура насадки достигнет порядка 1100 °С, сжигание колошникового газа прекращают. И в подогреватель в обратном направлении подается холодный воздух, который, проходя насадку, нагревается и поступает из нагревателя в доменную печь. Подогреватели работают попеременно: одни нагреваются, другие подогревают воздух. Производство стали – второй этап двухстадиальной схемы извлечения железа из руд путем передела чугуна и металлоотходов в сталь. Чтобы понять сущность сталеплавильных процессов, необходимо представлять различие в составе чугуна и стали: чугун Fe + С (больше 2 %) + примеси; сталь Fe + С (меньше 2 %) + легирующие добавки. При этом примеси в чугуне - это случайные элементы, попадающие в него при доменной плавке. Их состав и количество определяется составом перерабатываемой руды (в основном это кремний, марганец, фосфор и сера). Легирующие добавки в стали - это строго определенные элементы, добавляемые в заданном количестве. В нашей стране существует ГОСТ 1050-60 на обозначение легирующих и маркировку стали:
В соответствии с маркировкой стали цифра перед буквами обозначает десятые доли процента углерода, цифры после буквы - содержание легирующих добавок в процентах. Если после буквы нет цифры, то содержание легирующей составляет около 1 %. Следовательно, сталь марки 2Х2Н4М содержит: 0,2 % углерода, 2 % хрома, 4 % никеля и 1 % молибдена. Для превращения чугуна в сталь необходимо: уменьшить в нем содержание углерода; удалить все примеси и добавить необходимое количество легирующих. Процессы получения стали из чугуна включают: 1. Окисление углерода и примесей (кремния, марганца, фосфора, серы и др.). Окислителем является кислород. Источником же кислорода могут быть: воздух или технический кислород, оксиды железа, кислород, растворенный в металле. Поэтому реакцию окисления углерода чугуна можно записать так: 2С + О2 = 2СО; С + (О) = СО; С + [O] = СО, где О2 - газообразный кислород; (О) - кислород оксидов; [O] - кислород, растворенный в металле. В промышленных способах получения стали наибольшее значение имеют две первые реакции. Таким же способом окисляются и примеси. Реакции окисления углерода и примесей сильноэкзотермичны, и их тепла с избытком хватает для проведения процесса получения стали. 2. Ошлакование окислившихся примесей. Оксиды примесей вступают во взаимодействие с другими оксидами (шлакующими) и образуют легкоплавкие соединения – шлак, который скапливается на поверхности расплавленного металла. Источником шлакующих оксидов являются футеровка агрегата и добавляемые флюсы. Образующийся шлак по мере накопления удаляют с поверхности металла. 3. Раскисление стали. В результате окисления металл насыщается избыточным кислородом. Для его удаления (раскисления) в металл после удаления шлака добавляют кремний или алюминий (обычно в виде сплава с железом). Поскольку эти элементы имеют большое сродство к кислороду, они взаимодействуют с ним, образуют оксиды и шлакуются. 4. Легирование стали. В очищенный металл вводят необходимые легирующие добавки в требуемом количестве. Все эти процессы обязательны независимо от того, каким способом получают сталь. Основные способы получения стали из чугуна: 1) конвертерный (~60 %); 2) мартеновский (~20 %); 3) электропечной (~20 %). Сущность конвертерного способа состоит в том, что через расплавленный чугун продувают воздух (томасовский и бессемеровский процессы) или технический кислород (кислородно-конвертерный процесс). В настоящее время наибольшее распространение получил последний. Кислородный конвертер представляет собой цилиндрический сосуд с суживающимся верхом (горловиной). Изнутри он футерован огнеупорным кирпичом (рис.Ii.2). В районе горловины имеется летка для слива шлака и выпуска стали. Конвертер может поворачиваться вокруг горизонтальной оси. Сначала в конвертер через горловину заливают жидкий чугун, добавляют необходимые флюсы и опускают в него водоохлаждаемую трубу - фурму, по которой подают под высоким давлением (9-14 ат.) технический кислород. Струя кислорода перемешивает ванну жидкого чугуна, при этом происходит интенсивное окисление углерода и примесей. Одновременно образуется шлак. После окончания процессов окисления и ошлакования подачу кислорода прекращают, фурму выводят из конвертера и его наклоняют для выпуска сначала шлака, а затем стали. Сталь выпускают в ковши, при этом в струю металла вводят раскислители. Легирование стали осуществляется в ковшах.
Емкость конвертеров составляет 50-400 т стали. Процесс кислородно-конвертерного получения стали характеризуется очень высокой интенсивностью. Так, например, варка стали в 300-тонном конвертере занимает всего 20-40 мин. Сущность мартеновского способа состоит в том, что чугун перерабатывают в сталь на поду пламенной отражательной печи. В обычной печи невозможно достичь температур, необходимых для получения стали. П.Мартен предложил подавать в печь топливо и воздух, предварительно подогретые до 1100 °С, используя для подогрева тепло отходящих газов. Это позволяет поднимать температуру в печи до 1800 °С. Мартеновская печь - это емкость прямоугольной формы, подина, стенки и свод которой футерованы огнеупором. С торцевых сторон печи имеются головки, в которых расположены фурмы для подачи воздуха и топлива, а также каналы для отвода печных газов. Печь с каждой стороны снабжена двумя регенераторами (полости, заполненные пористой огнеупорной насадкой). Движение газов в печи периодически изменяется (реверсируется). Сначала через предварительно нагретую пару регенераторов в печь подают топливо и воздух, а горячие печные газы отводят через другую пару регенераторов (рис.Ii.3). По мере нагрева второй пары генераторов и остывания первой пары направление газов автоматически изменяют. Теперь в нагретые регенераторы начинает поступать топливо и воздух, а в остывшие - печные газы. В передней стенке печи имеются закрывающиеся рабочие окна, через которые производится загрузка исходных продуктов плавки.
Для окисления примесей чугуна необходим кислород и, хотя атмосфера в мартеновской печи окислительная, кислорода печных газов недостаточно для ведения процесса окисления. Поэтому необходимым условием мартеновской плавки является присутствие в исходных продуктах железного лома (скрапа), кислород оксидов которого и является окислителем примесей чугуна. Если не хватает и его, то в шихту добавляют железную руду. Мартеновский способ получения стали - трудоемкий, длительный процесс (одна плавка занимает 7-12 ч), поэтому в настоящее время вытесняется более прогрессивными (например, конвертерным).
Сущность электропечного способа состоит в том, что сталь из чугуна получают в электродуговой печи. Она представляет собой емкость круглого сечения, футерованную изнутри огнеупорным кирпичом (рис.Ii.4). Через свод печи в нее опущены три графитовых электрода. Электродуга, возникающая между электродами и ванной расплава, является источником тепла для плавки. Такие печи выпускаются емкостью 12, 25, 50, 100 и 200 т. Большими преимуществами электроплавки являются: возможность быстрого достижения высокой температуры, точная регулировка температуры, создание в печи любой атмосферы. В настоящее время все высококачественные стали получают электропечным способом.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-06-06; просмотров: 697; 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 - 3.133.145.168 (0.013 с.) |