Материал: Курс Теория конструкционных материалов (ТКМ)

Вопросы по разделам курса «Технология конструкционных материалов»

Раздел 1. Металлургическое производство

1. Процессы подготовки руд.

В основе производства металлов лежат металлургические процессы, то есть технологические процессы извлечения металлов из руд и отходов производства. В общем случае металлургический процесс включает три последовательных стадии:

— подготовка руды — превращение ее в состояние, обеспечивающее извлечение из руды металла;

— восстановление химического соединения, в виде которого металл содержится в руде, до свободного металла;

— вторичная обработка полученного металла.

Подготовка руды состоит из ряда механических и физико-химических операций, содержание которых зависит от состава руды и формы химического соединения металла в ней. К таким операциям относят измельчение или укрупнение, классификацию и обогащение руды, а также превращение содержащего металл соединения в форму, пригодную для восстановления.

Дробление.

Руда может быть в виде кусков до 1500 мм при открытой добыче и до 300 мм при подземной добыче. Дробление руд применяется как самостоятельная операция для получения кусков руды требуемого размера и как вспомогательная операция при обогащении руд для разрушения механических связей между железосодержащим минералом и пустой породой. В зависимости от крупности руды после дробления различают четыре стадии дробления:

1. Крупное (размер кусков после дробления 100–300 мм).

2. Среднее (40–60 мм).

3. Мелкое (8–25 мм).

Процесс дробления характеризуется степенью и эффективностью дробления. Степень дробления определяют отношением максимальных размеров кусков до и после дробления:

i = D/d,

где i – степень дробления; D и d – максимальный размер кусков до и после дробления соответственно.

Эффективность дробления определяют выходом дробленого материала на единицу израсходованной электроэнергии. Дробление – наиболее дорогая операция в системе подготовки руд.

Мелкое и тонкое дробление называют измельчением и применяют только для руд, идущих на обогащение. Крупное, среднее и мелкое дробление осуществляют преимущественно в конусных дробилках.

Грохочение.

Грохочением называется разделение руды на классы по крупности. Для руд, поступающих на металлургический завод без обогащения, грохочение является самостоятельной и очень важной операцией, в процессе которой выделяют мелкую руду (0–10 мм) для агломерации, а крупную (более 10 мм) сортируют на два класса: доменную (10–30 мм) и мартеновскую (30–80 мм).

При обогащении руд на обогатительных фабриках грохочение является вспомогательной операцией, совмещаемой с дроблением руд. Это позволяет загружать в дробильные устройства только те фракции, которые подлежат дроблению, а следовательно, уменьшить расход электроэнергии на дробление, повысить производительность дробильных устройств и качество дробления. Грохочение руд осуществляется на механических ситах.

Усреднение.

Железные руды по условиям залегания и добычи всегда имеют непостоянный химический состав. Значительные и частые колебания содержания железа и пустой породы в рудах вызывают нарушение теплового состояния доменной печи и химического состава шлака. Это приводит к нарушению ровного хода печи, при котором неизбежны повышение расхода кокса, снижение производительности печи и ухудшение качества выплавляемого чугуна.

Чтобы уменьшить отрицательное влияние непостоянства химического состава руд на показатели доменной плавки, руды подвергают усреднению. Усреднением называют перемешивание железорудных материалов с целью выравнивания химического и гранулометрического составов. В связи с тем, что почти все добываемые руды подвергают окуксованию, основное назначение усреднения состоит прежде всего в уменьшении колебаний содержания железа и кремнезема в рудах. Необходимо добиться такого усреднения руд, при котором колебания содержания железа и кремнезема в руде не превышали бы ±0,5% от среднего значения.

Обогащение.

Обогащением называется процесс разделения рудного минерала и пустой породы с целью повышения содержания металла в руде и уменьшения содержания пустой породы, а в некоторых случаях и вредных примесей. Все способы обогащения основаны на различии физических свойств рудных минералов и пустой породы. В результате обогащения руды получают:

1. концентрат – продукт, в котором содержится большая часть извлекаемого металла;

2. хвосты – отходы при обогащении руды, в которых содержится незначительное количество металла;

3. промежуточный продукт, в котором содержание металла больше, чем в хвостах и меньше, чем в концентрате.

Промежуточный продукт подвергают повторному обогащению.

В зависимости от метода обогащения и устройства аппарата степень извлечения железа при обогащении железных руд может изменяться от 60 до 95%. Различают пять основных методов обогащения руд:

1. рудоотборка, основанная на различии цвета и блеска кусков рудного минерала и пустой породы;

2. промывка, основанная на разной размываемости кусков рудного минерала и пустой породы;

3. гравитационное обогащение – разделение в жидкой среде рудных минералов и пустой породы в зависимости от плотности зерен;

4. флотация – метод обогащения, основанный на различии физико-механических свойств поверхности частиц рудного минерала и пустой породы;

5. магнитная сепарация (самый распространенный метод обогащения), основанная на различии магнитных свойств минерала и пустой породы.

В соответствии с методом технологические процессы подготовки руды подразделяются на пирометаллургические игидрометаллургические.

Пирометаллургические процессы проводятся при высоких температурах с полным или частичным расплавлением руды. К ним относят:

—обжиг — процесс, проводимый при высокой (500—1200°С) температуре в твердой фазе с целью изменения химического состава руды. Условия обжига зависят от состава руды и назначения процесса. Руды, содержащие сульфиды металлов, подвергаются окислительному обжигу до их оксидов; руды для последующего магнитного обогащения подвергаются восстановительному обжигу;

—восстановительная плавка — процесс восстановления оксидов металлов при температурах, обеспечивающих полное расплавление руды;

—дистилляция — процесс испарения перерабатываемого вещества с целью разделения его компонентов на основе их различной летучести.

Гидрометаллургические процессы проводятся в водных средах при температурах до 300°С на границе раздела твердой ижидкой фаз.

Наиболее распространенным гидрометаллургическим процессом является выщелачивание— процесс перевода в жидкую фазу (раствор) извлекаемых из руды соединений металлов при воздействии на нее растворителей. Выщелачивание может быть физическим процессом (растворитель вода) или химическим процессом (растворитель — реагент, взаимодействующий с извлекаемым компонентом).

2. Сущность доменного процесса.

Доменный процесс представляет собой совокупность механических, физических и физико-химических явлений, протекающих в работающей доменной печи. Загружаемые в доменную печь шихтовые материалы – кокс, железосодержащие компоненты и флюс – в результате протекания доменного процесса превращаются в чугун, шлак и доменный газ.

В химическом отношении доменный процесс является восстановительно-окислительным: из оксидов восстанавливается железо, а окисляются восстановители. Однако доменный процесс принято называть восстановительным, так как цель его состоит в восстановлении оксидов железа до металла.

Агрегатом для осуществления доменного процесса служит печь шахтного типа (см. приложение 2). Рабочее пространство доменной печи в горизонтальных сечениях имеет круглую форму, а в вертикальном разрезе – своеобразное очертание, называемое профилем.

Важнейшим условием осуществления доменного процесса в рабочем пространстве печи является непрерывное встречное движение и взаимодействие опускающихся шихтовых материалов, загружаемых в печь через колошник, и восходящего потока газов, образующегося в горне при горении углерода кокса в нагретом до 1000–1200° С воздухе (дутье), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его окружности фурмы. К дутью может добавляться технический кислород, природный газ, водяной пар.

Кокс поступает в горн нагретым до 1400–1500° С. В зонах горения углерод кокса взаимодействует с кислородом дутья. Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода неустойчив и превращается в оксид углерода. Таким образом, за пределами зон горения горновой газ состоит только из оксида углерода, азота и небольшого количества водорода, образовавшегося при разложении водяных паров или природного газа. Смесь этих газов, нагретая до 1800–2000° С, поднимается вверх и передает тепло материалам, постепенно опускающимся в горн вследствие выгорания кокса, образования чугуна и шлака и периодического выпуска их из доменной печи. При этом газы охлаждаются до 200 – 450° С, а оксид углерода, отнимая кислород из оксидов железа, превращается частично в диоксид углерода, содержание которого в доменном газе на выходе из печи достигает 14 – 20%.

Шихтовые материалы загружают в доменную печь при помощи засыпного аппарата отдельными порциями – подачами. Они располагаются на колошнике чередующимися слоями кокса, руды или агломерата и флюса при работе на не полностью офлюсованном агломерате. Загрузку подач производят через 5 – 8 мин. по мере освобождения пространства на колошнике в результате опускания материалов.

В процессе нагревания опускающихся материалов происходит удаление из них влаги и летучих веществ кокса и разложение карбонатов. Оксиды железа под действием восстановительных газов постепенно переходят от высших степеней окисления к низшим, а затем – в металлическое железо по схеме: Fe₂O₃ ® Fe₃O₄ ® FeO ® Fe.

Свежевосстановленное железо заметно науглераживается еще в твердом состоянии. По мере науглераживания температура плавления его понижается. При температуре 1000–1100° С восстановление железа почти заканчивается и начинают восстанавливаться более трудновосстановимые элементы – кремний, марганец и фосфор. Науглероженное железо, содержащее около 4% углерода и некоторое количество кремния, марганца и фосфора, плавится при температуре 1130–1150° С и стекает в виде капель чугуна в горн. В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы руды и флюса. Понижению температуры плавления шлака способствуют невосстановленные оксиды железа и марганца. В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляется вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса – и зола.

При взаимодействии жидких продуктов плавки с раскаленным коксом в заплечиках и горне происходит усиленное восстановление кремния, марганца и фосфора из их оксидов, растворенных в шлаке. Здесь же поглощенная металлом в ходе плавки сера переходит в шлак. Железо и фосфор печи полностью восстанавливаются и переходят в чугун, а степень восстановления кремния и марганца и полотна удаления из чугуна серы в большой мере зависят от температурных условий, химического состава шлака и его количества.

Жидкие чугун и шлак разделяются в горне благодаря различным удельным массам. По мере скопления их в горне чугун выпускают через чугунную летку, а шлак – через шлаковые летки (верхний шлак) и чугунную летку во время выпуска чугуна (нижний шлак).

Все перечисленные процессы протекают в доменной печи одновременно, оказывая взаимное влияние.

3. Исходные материалы для получения чугуна.

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/

4. Продукты доменной плавки.

Основной продукт доменной плавки — чугун — сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, серой и фос­фором. В состав легированных чугунов входят хром, ни­кель, ванадий. Чугуны разделяются на передельные, из которых получают сталь; литейные, предназначенные для отливки различных изделий, и доменные ферроспла­вы, предназначенные для легирования и раскисления стали.

Передельный чугун. Этот чугун в жидком или твер­дом виде используется в мартеновских печах, конверте­рах и электропечах для производства стали. Средний состав передельного чугуна: 4—4,5 % С, 0,5—1,5 % Mn; 0,2—1,3 % Si; <0,15—0,3 % P;. <0,02—0,06 % S.

Литейный чугун отличается от передельного жидко — текучестыб, позволяющей хорошо заполнять литейную форму. По содержанию фосфора эти чугуны делят на че­тыре класса: А (<0,1 % Р); Б (0,1—0,3% Р); В (0,3— 0,7 % Р); Г (0,7—1,2 % Р). Для изготовления высоко­прочных изделий применяют чугуны с низким содержа­нием фосфора, а для художественного литья — высоко­фосфористые, обладающие высокими литейными свойст­вами. Каждый класс литейных чугунов ЛК состоит из 6 марок, различающихся по содержанию кремния. В чу­гуне ЛКО самое высокое содержание кремния (3,25— 3,75 %), в каждой последующей марке на 0,5 % меньше. Литейные чугуны делятся также на группы по содержа­нию марганца и серы.

Доменные ферросплавы. К ним относятся ферромар­ганец с 70—75 % Mn, ферросилиций СИ 10 с 9—13 % Si и СИ 15, содержащий не менее 13 % S, и зеркальный чугун с 10—25 % Mn и г^2 % Si.

Шлаки содержат 35—40 % SiO2; 8—17 % Al2O3; 40— 46 % CaO, 2—10 % MgO и другие вещества. Выход шла­ка составляет 300—600 кг/т чугуна, т. е. за сутки в до­менной печи производительностью 6000 т чугуна образу­ется от 1800 до 3600 т шлака.

Доменный шлак является ценным сырьем для про­мышленности стройматериалов. Из него делают цемент, вяжущие вещества, растворы и бетоны, шлаковую пем­зу, вату, стеновые материалы, брусчатку, шлаковый щебень. Ежегодно перерабатывают 75 % всех шлаков, т. е. более 35 млн. т. В перспективе должна быть полная переработка шлаков и постоянное использование старых шлаковых отвалов.

Колошниковый газ. Поскольку в газе содержится до 30 % СО, то он является топливом, которое используют после очистки от пыли. Количество колошникового газа в 2,5 раза по массе превышает количество чугуна. Тепло­та сгорания составляет 3600—3900 кДж/м3. При работе доменной печи на комбинированном дутье с применени­ем природного газа содержание водорода в колошнико­вом газе возрастает до 6—8, а иногда до 12 %, при этом теплота сгорания возрастает до 4200 кДж/м3. Око­ло 30—35 % колошникового газа используется в домен­ном цехе для обогрева насадок воздухонагревателей. Остальной газ используется в прокатных и термических цехах и на теплоэлектроцентрали.

Колошниковая пыль. Вынос пыли составляет от 10 до 80 кг/т чугуна, т. е. в сутки, например, на печи объ­емом ~2700 м3 выносится до 300—400 т пыли, из кото­рых улавливается ~65 %• Пыль содержит 38—50 % Fe и 8—14 % С, она направляется на фабрики окомкования доменной шихты.

5. Оценка эффективности работы доменной печи.

Наиболее важными показателями работы доменной печи, характеризующими эффективность производства, являются производительность и удельный расход кок- са. Технико-экономические показатели (ТЭП) работы печи зависят от совокупно- сти конструктивных, технологических и организационных параметров, и, в значи- тельной степени, определяются качеством шихтовых материалов, режимами загруз- ки, дутья и выпусков и др. Производительность оценивают количеством выплавленного чугуна в тоннах за сутки, величиной полезного объема, приходящегося при этом на 1 т чугуна (КИПО), или чугуна, приходящегося на 1 м3 объема (удельная производительность). Современные доменные печи выплавляют до 10-12 тыс. тонн чугуна в сутки и рабо- тают с удельной производительностью до 2,2-2,6 т/м3 в сутки при КИПО не более 0,5 м3 /т в сутки. Удельный расход кокса при выплавке передельного чугуна при применении качественной шихты и работе на комбинированном дутье с топливными добавками достигает 350 кг/т чугуна и даже менее. При этом кокс является главной статьей се- бестоимости чугуна (более 50 %). Таким образом, производительность и расход кокса, в большой мере опреде- ляют себестоимость чугуна, и являются конечным результатами доменной плавки, характеризующими уровень техники, технологии и организации производства чугу- на. В связи с важностью этих показателей в практике доменного производства уделяется большое внимание анализу причин их изменения.

Снижение удельного расхода кокса и повышение производительности печи происходят за счет: - снижения потребностей в тепле; - введения дополнительных восстановителей и повышения их концентрации; - введения дополнительного тепла или топлива в высокотемпературную зону; - улучшения использования в печи тепловой и химической энергии газа; - уменьшения взаимосопротивления шихты и газов их движению в противото- ке. Для положительного эффекта от некоторых мероприятий требуется одновре- менно использовать другие. Например, для снижения расхода кокса увеличением расхода природного газа необходимо повышать содержание кислорода в дутье или его температуру, снизив влажность дутья. Для реализации преимуществ повышен- ного давления газов на колошнике необходимо изменением режима загрузки повы- шать равномерность распределения шихтовых материалов по сечению и увеличи- вать интенсивность подачи дутья. На результаты доменной плавки влияют качество шихты, параметры дутья, состав и свойства продуктов плавки, режим загрузки и выпуска и др.

Основными показателями качества шихты, влияющими на результаты домен- ной плавки являются: - содержание железа; - прочность, гранулометрический состав и содержание мелочи; - основность (отношение основных оксидов к кислотным); - кремниевый модуль (отношение SiO2 / Al2O3); - содержание вредных и полезных примесей; - колеблемость состава и свойств. 6 Основными направлениями снижения удельного расхода кокса и повышения производительности печей в современных условиях служат снижение содержания мелочи в компонентах шихты и повышение в них содержания железа.