Основы металлургичесуого производства (стр. 1 из 2)
Московский государственный автомобильно-дорожный институт.
Основы металлургического производства.
Студент: Троицкий. А. П.
Группа: 1КМ1.
Москва 2001.
1. Материалы, применяемые для производства металлов и сплавов.
Для производства металлов и сплавов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.
Промышленной рудой называется горная порода, из которой при данном развитии техники целесообразно извлекать металлы и их соединения.
Флюсы – материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой или концентратом и золой топлива (шлака).
Топливом в плавильных печах является кокс, природный газ, доменный газ.
Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного покрытия металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. Покрытие должно быть образованно из оксидов одного типа с флюсом (основным, кислотным или нейтральным). В противном случае произойдет разрушение покрытия.
2. Назначение флюса. Пример.
Флюсы в производстве металлов применяют для отделения от расплавленного металла пустой породы или концентрата или золы топлива.
Образованный шлак имеет меньшую плотность, нежели металл, благодаря чему он поднимается на поверхность и подвергается удалению.
Так при изготовлении чугуна применяется CaCO3илидоломитизированный известняк, содержащий CaCO3и MgCO3, так как в шлаке нужно должно содержаться некоторое количество основных оксидов (CaO, MgO).
3. Назначение кокса. Получение.
В доменном производстве кокс играет роль топлива. Кокс получается на коксохимических предприятиях путем сухой безвоздушной перегонки каменного угля коксующихся сортов при 10000С. Кокс содержит 80-88% углерода, 8-12 % золы, 2-5% влаги, 0.5 – 1.8 % серы, 0,02 – 0,2 % фосфора и до 1-2% летучих компонентов. Кокс должен иметь размеры 25-60 мм и должен быть достаточно прочным, чтобы не разрушался под действием шихтовых материалов.
4. Назначение огнеупоров. Допустимыесочетания огнеупоров с флюсами. Пример.
Огнеупоры применяются для защиты поверхностей металлургических печей и ковшей, контактирующих с расплавленным металлом, от высоких температур, нагрузок, и химических воздействий металла и шлака. Огнеупоры бывают основными, кислыми и нейтральными. Допускается сочетание только однотипных флюсов и огнеупоров (т.е. кислые с кислыми, основные с основными), в противном случае произойдет разрушение огнеупорного покрытия.
Так, например, применимо сочетание кислого флюса, содержащего кислотный оксид SiO2, и кислого огнеупора, например кварцевого песка, содержащего95%SiO2.
5. Определение чугуна.
Чугун – сплав железа с углеродом с концентрацией углерода более 2.14%.
Передельный чугун [C] =4 – 4.25%
Литейный чугун [C] =2.75-3.25%.
6. Исходные материалы, применяемые для получения чугуна.
При выплавке чугуна применяются железные руды, топливо, флюсы.
Железная руда содержит железо в различных соединениях:
· В виде оксидов
· Гидроксидов
· Карбонатов и т.д., а также пустую породу, состоящую в основном из оксидов Si, Mg, Al, Ca и др.
К железным рудам относится магнитный железняк Fe3O4 (55-60% Fe), красный железняк Fe2O3 (55-60% Fe) , бурый железняк (содержит гидраты оксидов железа 2Fe2O3*3H2O), шпатовые железняки (содержащие FeCO3 30-40%).
При изготовлении чугуна применяется CaCO3илидоломитизированный известняк, содержащий CaCO3и MgCO3, так как в шлаке нужно должно содержаться некоторое количество основных оксидов (CaO, MgO).
Топливом при производстве чугуна является кокс, обеспечивающий необходимую температуру для восстановления железа из оксидов.
7. Процесс агломерации.
Процесс агломерации заключается в следующем:
Шихту, состоящую из железной руды (40-50%), известняка (15-20%), возврата мелкого агломерата (20-30%), коксовой мелочи (4-6%), влаги (6-9%), спекают на агломерационных машинах при температуре 1300-15000С. При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера и мышьяк), разлагаются карбонаты, и получается кусковой пористый офлюсованный материал – агломерат.
8. Сущность основного принципа работы доменной печи. Схема доменной печи с указанием температур.
Сущность основного принципа работы доменной печи заключается в противотоке. Нерасплавленная шихта спускается вниз доменной печи, проходя через ряд химических реакций. Расплавленный металл поднимается вверх и тем самым поддерживает условия для протекания реакций на всей высоте доменной печи. Тем самым упрощается сам процесс, так как отпадает необходимость в искусственном создании условий, необходимых для протекания каждой реакции, каждый химический процесс находит свой горизонт.
9. Реакция горения углерода кокса.
C + O2® CO2 + Q1
CO2 + C ® 2CO - Q2
10. Уравнение восстановления железа в доменной печи.
3Fe2O3 + CO2 ® 3Fe3O4 + CO2 + Q3
Fe3O4 + CO ®3FeO + CO2 – Q4
FeO + CO ® Fe + CO2 + Q5
11. Продукты доменной печи.
· Чугун – основной продукт доменной печи
Литейный чугун – применяется на машиностроительных предприятиях для производства фасонных отливок.
Передельный чугун предназначен для переплавки в сталь в конвертерах или мартеновских печах.
· Доменные ферросплавы – сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Применяются для раскаления и легирования сталей.
· Побочные продукты – шлак и доменный газ. Из шлака изготавливают цемент, шлаковату. Доменный газ применяют как топливо для подогрева воздуха, подаваемого в доменную печь.
12. Определение стали.
Сталь – сплав Fe с C ([С] < 2.5%)
Высококачественная сталь ([С] < 0,6~0,7%).
13. Сущность металлургического процесса передела чугуна в сталь.
Сущность процесса переплавки чугуна в сталь заключается в снижении концентрации углерода и удаления вредных примесей, путем избирательного их окисления и перехода в шлак или газ.
14. Границараздела шлак – сталь.
Граница обеспечивается тем, что расплавленный металл и шлак имеют разную плотность и нерастворимы друг в друге.
15. Основные этапы переплавачугуна в сталь.
Первый этап: Расплавление шихты и нагрев металла. Окисление железа. Удаление фосфора. Для более полного удаления фосфора в расплавленный металл добавляют шлак, содержащий CaO. Из-за нехватки FeO добавляют в металл руду или окалину (в виде шлака).
Второй этап: кипение металлической ванны, восстановление Fe из FeO с выделением углекислого газа. Вместе с всплывающими пузырьками поднимаются прилипшие к ним примеси (флотация). Удаление серы из металла в шлак. Чем выше температура, тем активнее удаляется сера.
Третий этап: раскисление стали (восстановление Fe из FeO).
16. Химическая реакция окисления железа при переплавке чугуна в сталь.
2Fe + O2® 2FeO + 527.36 кДж/моль;
17. Протеканиеосновных химических реакций и физико-химических явлений на этапе расплава шихты и нагрева расплавленного металла.
2FeO + Si®SiO2 + Fe + 330 кДж/моль;
5FeO + 2P®P2O5 + 5Fe + 226 кДж/моль
FeO + Mn = MnO + Fe + 123 кДж/моль.
Ангидрид фосфора – нестойкое соединение. Его вытесняют из расплавленного металла с помощью CaO:
2P + 5FeO + 4CaO 4CaO*P2O5 + 5Fe
18. При кипении металла происходят следующие реакции:
FeO + C = CO + Fe – 153.93кДж/моль
FeS + CaO = CaS + FeO (в шлаке)
FeS + CaO = CaS + FeO (на границе раздела металл – шлак).
19. Сущность раскисления стали, два основных способа раскисления.
Сущность раскисления заключается в восстановлении оксида железа, растворенного в жидком металле. Раскисление можно проводить двумя способами:
a) Осаждающим. Осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия). В результате раскисления восстанавливается железо, и образуются оксиды марганца, алюминия и кремния, обладающие меньшей плотностью, нежели сталь, удаляющиеся в шлак. Однако часть их может остаться в стали, что понижает её свойства.
b) Диффузионным. Осуществляется раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций, ферроалюминий мелкоизмельченными загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. В соответствии с законом распределения оксид железа, растворенный в стали, начнет переходить в шлак. Оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, что уменьшает содержание в ней неметаллических примесей и тем самым повышая её свойства.
20. Стали, получаемые в процессе раскисления.
Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи или ковше.
Кипящая сталь получается при неполном раскислении. Её раскисление продолжается при остывании слитка. CO выделяется из стали, способствуя удалению из неё водорода и азота, в виде пузырьков, вызывая её «кипение».
FeO + C = Fe + CO.
Полуспокойная сталь. Сталь, раскисление которой протекает в печи и в процессе остывания слитка.
21. Легирование стали.
Легирование стали проводят для придания ей необходимых свойств. Если легирование проводят элементами, у которых сродство с кислородом меньше чем у железа (Ni, Co, Mo, Cu) , то их можно вводить в любой момент плавки. Обычно легирующие элементы вводят вместе с шихтой. Если легирование проводят элементами, у которых сродство кислороду больше чем у железа(Si, Mn, Al, Cr, V, Ti и др.), то их вводят в металл после или одновременно с раскислителями, в конце плавки, а иногда непосредственно в ковш.
22. Особенности структуры слитков спокойной, кипящей и полуспокойной стали.