Материал: Основы металлургического производства

Основы металлургического производства

Контрольная работа

Основы металлургического производства

1. Сущность металлургического производства

Вначале железо получали непосредственно из руды восстановлением в горнах. С увеличением высоты горнов железо насыщалось углеродом, получался хрупкий сплав с хорошими литейными свойствами. Этот сплав был назван чугуном. С 18 в. чугун начали перерабатывать в сталь. Это сплав с меньшим, чем в чугуне, содержанием углерода, кремния, марганца и некоторых других элементов, обладающий высокой пластичностью и прочностью.

Для производства металлов используются руды, флюсы, топливо, огнеупорные материалы.

Рудой называют горные породы, содержащие металлы в количествах, обеспечивающих экономичную их переработку.

Флюсом называют материалы, образующие при плавке шлак - легкоплавкое соединение с пустой породой руды, золой топлива и другими неметаллическими включениями.

Топливом в металлургических процессах служит кокс, природный, доменный или коксовый газ, мазут.

Огнеупорные материалы применяют для внутренней облицовки (футеровки) плавильных печей и другого оборудования, находящегося под действием высоких температур и расплавленных металлов и шлаков. По химическому составу огнеупоры подразделяют на кислые, основные и нейтральные. К кислым относятся динасовый кирпич, кварцевый порошок и другие материалы на основе кремнезема (SiO2); к основным - доломитовые, магнезитовые и другие материалы с большим содержанием основных окислов MgO, CaO; к нейтральным - материалы, состоящие из окислов AL2O3, Cr2O3, MgO и др. (шамот, хромомагнезит), а также углеродистый кирпич.

1.1 Способы получения металлов из руд

Для получения металлов применяют следующие основные способы.

Пирометаллургический способ - основан на том, что необходимое для осуществления процессов выплавки металлов тепло обеспечивается сжиганием топлива.

Электрометаллургический способ осуществляется из расплавов или водных растворов химических соединений их электролизом.

Гидрометаллургический способ заключается в выщелачивании металлов из руд различными растворителями и в последующем выделении их из раствора.

Химико-металлургический способ объединяет химические и пирометаллургические процессы.

2. Производство чугуна

Чугун выплавляют из железных руд пирометаллургическим способом в доменных печах.

Рассмотрим исходные материалы для плавки.

Железная руда - основной исходный материал для выплавки чугуна. Это горная порода, содержащая металл в таком количестве, при котором выплавка его экономически целесообразна. Богатые руды содержат 60% и более железа, бедные - 30…40%. Руда представляет собой окислы железа, хорошо восстанавливающиеся в условиях плавки; пустая порода - кварц, песчаник с примесью глин (избыток SiO2). В руде обычно присутствуют S и P.

Железные руды бывают следующих видов: магнитный железняк, содержит до 65% железа в виде Fe3O4; красный железняк, содержит до 60% железа в виде Fe2O3; бурый железняк, содержит до 55% железа в виде Fe2O3×nН2О; шпатовый железняк, содержит до 40% железа в виде FeCO3

Топливо. Применяют кокс, который получают путем сухой перегонки коксующихся углей. При выплавке чугуна кокс выполняет роль не только горючего, но и восстановителя железа из руды.

Флюсы. При выплавке чугуна применяют известняк, состоящий из CaCO3 и MgCO3. Назначение флюсов - образование легкоплавкого шлака для удаления пустой породы и вредных примесей (серы и фосфора).

.1 Подготовка шихты к плавке

Исходные материалы (железные руды, кокс, флюсы) перед загрузкой в печь специально подготавливают. Кокс отсеивают на роликовых или дисковых грохотах. Флюсы дробят в дробилках, а затем отсеивают мелочь на грохотах.

Богатые железом руды направляют на дробильно-сортировальные фабрики, где их сортируют на грохотах.

Бедные железные руды, содержащие вкрапления Fe3O4, обогащают электромагнитным способом в сепараторах барабанного типа. Внутри барабана помещают электромагнит. Лента транспортера подает на наружную поверхность барабана измельченную руду. Частицы пустой породы не притягиваются электромагнитом и скатываются с барабана в специальный бункер, а частицы руды отрываются от барабана только в нижней его части и попадают в бункер для обогащенной руды (концентрата).

Бурые железняки и некоторые другие железные руды с песчано-глинистой пустой породой промывают водой. Промытая руда после сушки несколько обогащается железом и становится пригодной к плавке.

Из мелкой фракции железных руд, образующейся после дробления и отсева, производят рудные брикеты, окатыши и агломерат. Наиболее распространенный способ окускования железных руд - производство агломерата, который получают спеканием мелкой руды, кокса и известняка. Применение агломерата увеличивает производительность печи и сокращает расход топлива на 1 тонну чугуна.

.2 Устройство доменной печи

Современные доменные печи имеют большие размеры (высота до 70 м) и высокую производительность (до 10000 т чугуна в сутки).

Шихта поступает в вагонетку (скип), после чего с помощью стального каната вагонетка поднимается по рельсам наклонного подъемника до верхней точки и там опрокидывается. Через загрузочное устройство шихта поступает в доменную печь, которая имеет колошник , шахту, распар, заплечики и горн. Доменная печь смонтирована на железобетонном фундаменте. Огнеупорная кладка печи делается из шамотного кирпича. Печь заключена в стальной кожух с холодильниками для циркуляции воды. В верхней части горна расположены водоохлаждаемые медные фурмы - для подачи горячего воздуха в доменную печь. Нижняя часть горна имеет лещадь, на которой накапливаются чугун и шлак, а затем выпускаются через спиральные отверстия (летки).

Для обеспечения доменной печи горячим воздухом используют воздухонагреватели.

Внутри воздухонагревателя имеется камера горения и огнеупорная насадка, выполненная из шамотных кирпичей с просветами (ячейками) между кирпичами. Холодный воздух проходит через разогретую огнеупорную насадку, где подогревается до 800…1200 0С и поступает через фурмы в печь.

Для бесперебойной работы доменной печи необходимо три воздухонагревателя: один из них нагревается, другой отдает тепло холодному воздуху, а третий нагретый - в резерве.

2.3 Доменный процесс

Все рабочее пространство доменной печи занято шихтовыми материалами, которые по мере сгорания кокса перемещаются в нижние горизонты навстречу движущемуся потоку раскаленных газов (принцип противотока). При этом протекают следующие процессы: горение топлива, восстановление и науглероживание железа, восстановление других элементов, образование шлака.

В районе фурм углерод кокса взаимодействует с кислородом вдуваемого воздуха; происходит полное сгорание кокса: С+О2→СО2+Q c выделением тепла.

В результате в этой зоне температура 1800..2000 0С. В этих условиях двуокись углерода взаимодействует с углеродом кокса с образованием окиси углерода, являющейся главным восстановителем железа: СО2+С→СО-Q.

Шихтовые материалы, опускаясь навстречу потоку раскаленных газов, нагреваются, из них испаряется влага, выделяются летучие вещества, происходит разложение флюсов.

При достижении температуры 450…900 0С происходит интенсивное восстановление железа: Fe2O3+CO→Fe3O4+CО2; Fe3O4+СО→FeO+CO2; FeO+CО→Fe+CO2 - реакции косвенного восстановления железа. Часть закиси железа опускается до распара и заплечиков и при более высоких температурах (1000…11000С) восстанавливается углеродом кокса: FeО+C→Fe+СО - прямое восстановление железа.

В результате в нижней части шахты образуется твердое губчатое железо. Находясь в соприкосновении с газами, коксом, сажистым углеродом (продуктом разложения СО), оно науглероживается: Fe+CО→Fe3C+CO2; Fe+C→Fe3C. Углерод понижает температуру плавления железа. Поэтому, опускаясь в нижнюю часть шахты, оно начинает плавиться, дополнительно насыщаясь при этом углеродом (до 4% и более), марганцем, кремнием, фосфором, которые восстанавливаются из руды (MnO+C→Mn+CO; SiO2+C→Si+CO; (CaO)3P2O5+C→CaO+P+CO), а также серой присутствующей в коксе и руде в виде органической серы и соединений FeS, FeS2, CaSO4, CaS. В результате получается чугун, который скапливается в горне печи. Одновременно в нижней части печи на поверхности жидкого чугуна скапливается шлак - сплав пустой породы, флюсов, золы топлива и не восстановившихся окислов. По мере образования и накопления чугун и шлак выпускают из печи: чугун - через 3…4 часа, шлак - через 1…1,5 часа.

2.4 Продукты доменного производства

Продуктами доменной плавки являются жидкий чугун (основной продукт), шлак и доменный (колошниковый) газ (побочные продукты).

В зависимости от химического состава и назначения, получаемые в доменной печи чугуны подразделяются на:

Передельные, идущие на передел в сталь (составляют до 90% выпускаемого объема чугуна). Обычно содержат 4…4,5% С, до 0,8%Si, до 1% Mn, до 0,3% Р и до 0,07% S. Чугуны, идущие на производство конвертерной стали, содержат пониженное количество серы (до 0,07%).

Литейные (составляют 8…10% объема), предназначены для выплавки конструкционных марок чугунов и получения фасонных отливок. Содержат повышенное количество кремния (до 3,0%).

Кроме чугуна в доменной печи выплавляют ферросплавы - сплавы железа с кремнием, марганцем и др. элементами. Их применяют для раскисления и легирования стали. К ним относятся: доменный ферромарганец (70…75% Mn и до 2% Si), доменный ферросилиций (9…13% Si и до 3% Mn), зеркальный чугун (10…25% Mn и до 2% Si).

Шлак идет для производства шлаковаты, шлакоблоков, цемента.

Колошниковый газ состоит из СО, СО2, Н2, СН4, N2, и др., после очистки от пыли используется как топливо для нагрева воздухонагревателей.

.5 Технико-экономические показатели доменного производства

Коэффициент использования полезного объема (КИПО) - отношение полезного объема печи к ее суточной производительности: КИПО=V/P (м3/т).

Значение КИПО составляет 0,4…1,35. Чем ниже КИПО, тем выше производительность, тем лучше режим работы печи. Наивысшая производительность печи при получении передельных чугунов, наименьшая - при выплавке доменных ферросплавов.

Удельный расход кокса: К=А/Р, где А - расход кокса в сутки, Р - суточная производительность печи. При выплавке передельных чугунов К=0,48…0,65; при выплавке литейных чугунов и ферросплавов значение К увеличивается, т.к. в этом случае процесс выплавки требует более высокой температуры в горне и большего времени.

2.6 Интенсификация доменного процесса

Основные пути:

Увеличение полезного объема печи (до 5000 м3).

Улучшение подготовки шихтовых материалов (обогащение, использование агломератов).

Вдувание в горн природного газа и угольной пыли - уменьшает расход кокса, увеличивает производительность.

Применение воздушного дутья, обогащенного кислородом при температуре 1000…12000С - ускоряет процесс горения, восстановительные процессы.

Повышения давления газов на колошнике - уменьшает расход кокса.

Расширение автоматического управления технологическим процессом.

3. Металлургия стали

3.1 Физико-химические процессы получения стали

Сталь - сплав Fe и С с содержанием С до 2% (2,14%). В состав стали входят так же элементы: Mn, Si, P, S - постоянные примеси.

Основными исходными материалами для производства стали служат передельный чугун и стальной лом (скрап). Сравнение химических составов передельного чугуна и стали показывает, что содержание углерода и примесей в стали существенно ниже.

Таким образом, для получения стали из чугуна необходимо снизить содержание примесей (Mn, Si, P, S) и углерода. Сущность процесса производства стали заключается в проведении окислительного процесса, в результате которого уменьшается содержание углерода и примесей (переводятся в шлак и газы в процессе плавки).

Углерод, соединяясь с кислородом, образует газ CO (окись углерода), который удаляется в атмосферу печи., Mn, P и S образуют оксиды, нерастворимые или малорастворимые в металле (SiO2, MnO, CaS и др.). В процессе плавки они частично всплывают на поверхность расплавленного металла, образуя шлак, который удаляется из печи.

Окислить примеси в полной мере не удаётся, т.к., несмотря на их большее сродство к кислороду, чем у железа, по мере снижения содержания примесей начинает окисляться Fe в соответствии с законом действующих масс. Образующаяся при этом закись железа FeO растворяется в металле, насыщая его кислородом. Такой металл не пригоден для ковки, прокатки, вследствие образования трещин. Поэтому завершающим этапом выплавки стали является её обязательное раскисление, для чего в процессе плавки вводятся элементы с большим, чем у железа, сродством к кислороду. Для раскисления, как правило, используют ферросплавы - ферросилиций, ферромарганец, а также алюминий. Продукты раскисления частично удаляются в шлак.

В металлургической промышленности сталь выплавляют в основном в трёх агрегатах: конвертерах, мартеновских и электрических печах.

.2 Производство стали в кислородных конвертерах

Кислородно-конвертерный процесс - это выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму. При этом используется технически чистый кислород (98,5...99,6%).

Кислородный конвертер - представляет собой сосуд грушевидной формы. Выполнен из листовой стали, изнутри выложен основным (доломитовым) кирпичом. Ёмкость - 130…150 тонн жидкого чугуна. Во время работы конвертер можно поворачивать вокруг горизонтальной оси на 3600 для завалки и заливки шихтовых материалов, слива стали, шлака и т.д. Во время продувки чугуна кислородом, который подаётся под давлением (0,9...1,4 МПа), конвертер должен находиться в строго вертикальном положении.

Шихтовыми материалами при кислородно-конвертерном процессе являются жидкий передельный чугун (3,7...4,4% С; 0,7...1,5% Mn; 0,4...0,8% Si; 0,03...0,07% S; 0,15...0,3% P), стальной лом, известь, железная руда, боксит, плавиковый шпат. Известь (более 90% CaO и минимальное количество SiO2 и серы) для наведения шлака. Боксит (Al2O3) и плавиковый шпат (CaF2) - для разжижения шлака.

Различают два периода процесса плавки в кислородном конвертере.

Окислительный период, в ходе которого происходит окисление составляющих чугуна при продувке кислородом.

В зоне контакта струи кислорода с металлом в первую очередь окисляется железо, так как его концентрация гораздо больше концентрации примесей.

Fe + O2 FeO

Закись железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом.