Контрольная работа по «Теплотехнические процессы и производства»

1. Восстановление окислов железа.       
В соответствии с основными закономерностями процесса восстановления окислов железа, выявленными академиком А. А. Байковым, высший окисел железа Fe203 превращается в железо последовательно через промежуточные окислы. Из курса теории металлургических процессов известно, что закись железа неустойчива при температуре ниже 570° С и превращается в Fe и Fe304 по реакции 
    4FeO = Fe + Fe304. 
При этом реакции протекают по следующей схеме: 
а) при температуре ниже 570° С 
      Fe203 -> Fe304 -> Fe, 
б) при температуре выше 570° С 
    Fe303 -> Fe304 - FeO -> Fe. 
Это, конечно, не точная схема, так как фактически образуются еще и твердые растворы Fe304 в FeO (вюстит) и Fe203 в Fe304. 
Восстановителями окислов железа в доменной печи служат углерод, окись углерода и водород. Восстановление углеродом принято называть прямым восстановлением, а газами — косвенным. 
Однако непосредственное взаимодействие углерода с твердыми окислами ограничено несовершенством контакта между кусковыми материалами. Прямое восстановление понимают шире, чем непосредственное взаимодействие углерода кокса с окислами. Фактически процесс связан с газовой фазой и состоит из двух стадий: косвенного восстановления и реакции взаимодействия С02 с углеродом: 
    МеО + СО = Me + С02; 
     С02 + С = 2СО. 
Таким образом, главное, что отличает процесс прямого восстановления от косвенного, это расходование углерода, т. е. с развитием реакций прямого восстановления сокращается количество углерода, достигающего фурм. 
Восстановление окислов железа окисью углерода протекает по следующим реакциям: 
а) при температуре выше 570° С 
1. 3Fe203 + СО = 2Fe304 + С02; АНт = —63 120 кдж/кмоль (—15 050 ккал/кмоль); 
2. Fe304 + СО = 3FeO + С02; АНт = 22 470 кдж!кмоль (5350 ккал/кмоль); 
3. FeO + СО = Fe + С02; АНт = —13 230 кдж/кмоль (—3150 ккал/кмоль); 
б) при температуре ниже 570° С. 
1. 3Fe203 + СО = 2Fe304 + С02; АЯ298 = —63 120 кдж/кмоль (—15 050 ккал/кмоль); 
2. Fe304 + 4CO = 3Fe + 4С02; АНт = —17220 кдж/кмоль (—4 100 ккал/кмоль). 
Однако нельзя не считаться с тем, что реакции прямого восстановления протекают с затратой тепла. Кроме того, увеличение степени прямого восстановления приводит к снижению количества кокса, достигающего фурм, следовательно, к уменьшению прихода тепла в горне. Это и есть тот основной фактор, ограничивающий развитие прямого восстановления. Для устранения этого недостатка необходимо нагревать дутье до весьма высокой температуры. 
Оптимальная степень развития косвенного восстановления может быть определена расчетом, она составляет 60—85%. В реальных условиях доменной плавки она еще не достигнута. Поэтому следует принимать меры для улучшения условий восстановления шихты газами (подготовка шихты и надлежащее распределение материалов на колошнике), что приведет к снижению расхода топлива и повышению производительности печей. 
Для ускорения реакций восстановления кусков железорудной шихты необходимо создать условия для развития внешней и внутренней диффузии молекул газа, химической адсорбции восстановителя на поверхности пор реакционной зоны, десорбции молекул С02 или Н20 с твердой поверхности и перехода их в газ. Скорость восстановления возрастает с повышением до определенных пределов температуры, скорости газового потока, давления и концентрации СО и Н2, а также с уменьшением размера кусков и повышением их пористости. В доменной печи скорость газового потока достаточно велика, внешнее диффузионное сопротивление весьма мало, а состав газа вполне благоприятен для быстрого протекания реакций восстановления окислов железа. Необходимо лишь избегать плохого распределения материалов и обеспечивать условия для протекания активных восстановительных процессов не только в отдельных зонах или участках, но и во всем объеме печи.

2. Неметаллические  включения

     Неметаллическими  включениями называют содержащиеся в стали соединения металлов (железа, кремния, марганца, алюминия, церия и др.) с неметаллами (серой, кислородом, азотом, фосфором, углеродом). Количество неметаллических включений, их состав, размеры и характер расположения в готовом изделии оказывают существенное, а иногда решающее влияние на состав стали. Неметаллические включения ухудшают не только механические (прочность, пластичность), но и другие свойства стали (магнитную проницаемость, электропроводность и др.), так как нарушаются плотность металла  и образуют полости, в которых концентрируются напряжение в металле.

    Неметаллические  включения принято разделять  на две группы:

1. включения,  образующиеся в процессе реакции  металлического   

    передела (эндогенные включения).

2. включения, механически попадающие в сталь (экзогенные 

    включения).

Эти включения  представляют собой частицы загрязнений, бывших в шахте и не удалившихся  из металла в процессе плавки, частицы  оставшегося в металле шлака, частицы попавшей в металл  футеровке  желоба, ковша.

      Эндогенные  включения непрерывно образуются в  металле в процессе плавки, разливки и кристаллизации слитка или отливки. Большая часть образующихся  включений  успевает всплыть и удалится в шлак, однако какая-то часть остается. В литой стали включения присутствуют в виде кристаллов и глобулей.  После обработки давлением (прокатки, ковки, штамповки) они меняют форму и расположение и видны под микроскопом в виде нитей, строчек, цепочек, ориентированных преимущественно в направлении деформации. Включения в зависимости от химического состава принято делить на сульфиды (FeS, MnS и т.п.), оксиды (FeO, MnO, SiO₂, Al₂O₃ и т.п._.) и нитриды (TiN, ZrN и т.п.).Кроме того, иногда выделяют также фосфиды и карбиды.

      Очень часто включения представляют собой  довольно сложные соединения типа силикатов (nFeO ∙ mMnO ∙ pSiO₂), алюмосиликатов (nFeO ∙ mMnO ∙ pAl₂O₃), шпинелей (FeO ∙Al₂O₃), оксисульфидов и т.д.

      Эндогенные  неметаллические включения образуются в результате взаимодействия растворенных в металле компонентов или уменьшения их растворимости при застывании стали. Образующиеся включения легче металла (таблю 1), они стремятся всплыть. Скорость их всплывания зависит от размеров включений, вязкости металла, смачиваемости включений металлом и шлаком, движения (перемещения) металла и шлака. Размеры обычных включений колеблются в широких пределах (0,0001-1,0 мм). Чем меньше разры включений, тем выше относительная величина поверхности контакта (см²/см³) включение – металл, тем больше влияние сил смачивания на скорость удаления включения. Для крупных включений силами смачивания можно пренебречь и если металл не перемещается, то скорость всплывания v, м/с, включений (если принять также, что они имеют форму шара) может быть описана формулой Стокса:

     v=2/9gr² [(d_мет-d_вкл)/η],

где: g –ускорение свободного падении, 9,81 м/с²;

       r – радиус частицы, м;

       d_мет,d_вкл – плотность металла и включения, кг/м³;

       η – вязкость жидкой стали, Па*с.

На скорость укрепления и всплывания включений большое влияние оказывает процесс их коагуляции (слипания) и коалесценции (сливания с исчезновением поверхностей раздела), так как в соответствии с приведенной формулой скорость всплывания пропорциональна квадрату радиуса частицы. Из табл.1 видно, что температура плавления включений сложного состава может быть ниже температуры жидкой стали. Такие включения легко укрупняются.

Во многих случаях  образующиеся включения очень мелки, силы смачивания на границе включение  – металл заставляет их двигатся вместе с перемещающимся металлом («витание»); иногда включение, достигшее шлака, если оно им не смачивается, не покидает металла и не переходит в шлак («отталкивается» шлаком). Задача, таким образом, заключается в такой организации технологии плавки, при которой образовавшиеся включения плохо смачивались бы металлом (и быстро от металла отделялись), а шлаком хорошо (быстро «поглощались» шлаком). Наименее благоприятные условия для удаления включений из металла создается тогда, когда эти включения образуются в процессе кристаллизации стали: по мере снижения температуры повышается вызкость мералла, рост кристаллов застывающей стали припятствует подъему включений. В результате часть таких включений неизбежно остается в металле. Задача металлурга заключается в том, чтобы обеспечить такую форму и расположение включения в готовом изделии, которые бы не ухудшали качество металла. 

Таблица 1.

Температура плавления и плотность  некоторых неметаллических  включений

3.Разновидности мартеновского процесса. Особенности технологии мартеновской плавки. 

Разновидности мартеновского процесса.

В мартеновских печах можно переплавлять в сталь  чугун скрап любого состава и  в любой пропорции.

В зависимости  от состава шихты мартеновский процесс  делят на несколько разновидностей:

а) скрап-процесс - процесс, при котором основной составной частью шихты является стальной скрап. Скрап-процесс обычно применяют в цехах металлургических и машиностроительных заводов, в составе которых нет доменных печей и которые расположены в крупных промышленных центрах, где много металлолома. Кроме скрапа, в шихту загружают некоторое количество (25 - 45 %) чугуна.

б) скрап-рудный процесс - передел в мартеновских печах шихты, твердая составляющая которой - скрап и железная руда. Основная масса шихты (55 - 75 %) - жидкий чугун. Когда металлическая шихта на 100% состоит из жидкого чугуна (скрапа нет), а в печь в твердом виде заливают только железную руду, процесс называют рудным.

В зависимости  от состава шлака и материала  пода мартеновский процесс может  быть «основным» и «кислым». 

Особенности технологии мартеновской плавки

Технология плавки стали в мартеновских печах имеет  ряд особенностей.

1.Окислительный характер газовой фазы печи. Через рабочее пространство мартеновской печи  над ванной проходит огромное количество газа. Если учесть, например, что на 1т стали в 500-т печи расходуется ~ 4200 Мдж, то при отоплении печи смесь коксового и доменного газа с теплотой сгорания 8,4 МДж/м³  потребляется на плавку газа 500 ∙ 4200/8,4=250000м³. На 1м³ газа при α= 1,15÷1,20 расходуется ~ 2 м³ воздуха и образуется ~ 3 м³ продуктов сгорания. Следовательно, за плавку через рабочее пространство печи пройдет 250000∙3 = 750000 м³ продуктов сгорания. Продолжительность плавки в 500 –т печи составляет 7-10ч, из рабочего пространства печи вылетает за 1ч 75000-100000 м³ продуктов сгорания (расчет ведут на объем газа в холодном состоянии). Если учесть расширение газа  при нагреве (до 1700°С примерно в семь раз), то можно представить, с какой скоростью печные газы проносятся над ванной. Газы имеют в своем составе углеродсодержащие и водородосодержащие соединения (СО_, различные углеводороды, сажистые частички углерода, некоторое количество СО_2, а также и О_2, так как воздух для горения подают с избытком). При горении углерод – и водородсодержащие соединения образуют СО₂ и Н₂О. Следовательно, продукты сгорания любого топлива содержат кислород, окислительные газы СО₂ и Н₂О и некоторое количество азота N₂. Таким образом,  характер атмосферы мартеновской печи во все периоды плавки окислительный, и парциальное давление  кислорода в атмосфере почти всегда велико. За плавку ванна поглощает 1-3% кислорода от массы металла. Этот кислород расходуется в основном на окисление примесей, часть его расходуется на окисление железа.

      2. Тепло в ванне поступает сверху, поэтому температура шлака выше, чем металла, и по глубине ванны имеет место различие температур металла. Толщина шлака в мартеновских печах колеблется в пределах от 50 до 500мм, глубина ванны металла – от 500 до 1500мм (в зависимости от вместимости конструкции печи). Выравнивание температуры по глубине ванны способствуют пузыри СО₂ выделяющиеся в результате окисления углерода, и как следствие, кипение ванны. При отсутствии кипения мог бы происходить перегрев верхних слоев ванны и недостаточный нагрев нижних. Однако, несмотря на кипение ванны, некоторый перепад температур по глубине ванны сохраняется, особенно между шлаком и металлом. В начале кипения этот перепад составляет 70-100°С, а в конце 20-50°С. По длине печи температура металла также не одинакова. Под факелом температура металла несколько выше, чем у отводящей головки.

      3. Участие пода печи в протекающих  процессах. В отличии от плавки  в конвертерах, которая продолжается всего 15-30 минут, плавка в мартеновской печи продолжается всего несколько  часов, поэтому влияние взаимодействия металла с подиной оказывается очень ощутимым.

      4. Четвертая особенность технологии  мартеновской плавки заключается  в том, что жидкий металл  все время находится под слоем  шлака (шлак примерно вдвое легче металла). Практически все вводимые в печь добавки попадают на шлак или проходят в металл через шлак. Кислород из атмосферы печи  в металл переходит также через шлак. Если учесть, что тепло от факела к металлу также передается через шлак, то становится понятно огромная роль шлака в мартеновском процессе. По существу руководство ходом плавки заключается в том, что меняют состав, температуру и консистенцию шлака и таким образом добиваются получения металла нужного состава и качества. 

     4.Решение  задачи

     Рассчитать  диаметр критического выходного сечения сопла, длину диффузора. Давление и температура кислорода перед соплом 1,2 МПа и 293К. Состав кислорода (О₂) – 99,5%, (N₂) – 0,5%.

      Давление  кислорода на выходе сопла  0,9МПа. Удельная интенсивность продувки – 3,5 м³/(т*мин). Удельный объем конвертера -0,7 м³/т. Вместимость конвертера – 450т. Угол раскрытия диффузора - 9°. Коэффициент суммарных потерь – 0,95. 

1.Количество  сопел для фурмы находится  по формуле: 

П=

2. Плотность  технического кислорода