Технология материалов. Лекции

     В зависимости  от рудного вещества железные  руды бывают богатыми, которых  используют непосредственно, и  бедными, которых подвергают обогащению.

     В доменном  производстве применяют разные  железные руды.

     Красный  железняк (гематит) содержит железо в виде безводной окиси железа. Она имеет разную окраску( от темно-красной до темно-серой). Руда содержит много железа(45-65 %) и мало вредных примесей. Восстановим ость железа из руды хорошая.

     Бурый  железняк содержит железо в  виде водных окислов. В нем содержится 25- 50% железа. Окраска меняется от желтой до буро-желтой. Пустая порода железняка глинистая иногда кремнисто-глиноземистая.

     Магнитный  железняк содержит 40-70% железа в виде закиси-окиси железа.

руда обладает хорошо выраженными магнитными свойствами, имеет темно-серый или черный с различными оттенками цвет. Пустая порода руды кремнеземистая с примесями других окислов. Железо из магнитного железняка восстанавливается труднее, чем из других руд. 

     Шпатовый  железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли. В этом железняке содержится 30-37 % железа. Сидерит имеет желтовато-белый и грязно-серый цвет. Он легко окисляется и переходит в бурый железняк. Из всех железных руд он обладает наиболее высокой восстановимостью.

     Марганцевые руды содержат 25-45% марганца в виде различных окислов марганца. Их добавляют в шихту для повышения в чугуне количества марганца.

Производство чугуна в доменной печи.

   Выплавка  чугуна производится в огромных  доменных печах, выложенных из  огнеупорных кирпичей достигающих 30 м высоты при внутреннем диаметре около 12 м.

     Разрез  доменной печи схематически изображен  на рисунке. 

Верхняя ее половина носит название шахты и заканчивается  наверху отверстием – калашником, которая закрывается подвижной колонкой – кколашниковым затвором. Самая широкая часть печи называется распаром, а нижняя часть – горном. Через специальные отверстия в горне(фурмы) в печать вдувается горячий воздух или кислород.

     Доменную  печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом и коксом. Агломерат – это определенным образом подготовленная руда, спеченная с флюсом. Горение и необходимая для выплавки чугуна температура поддерживаются вдуванием в горн подогретого воздуха или кислорода. Последний поступает в кольцевую трубу, расположенную вокруг нижней части печи, а из нее по изогнутым трубкам через фурмы в горн. В горне кокс сгорает, образуя СО2, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои наколенного кокса, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся оксид углерода и восстонавливает большую часть руды, переходя снова в СО2.

     Процесс  восстановления руды происходит  главным образом в верхней  части шахты. Его можно выразить  суммарным уравнением:

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

     Пустую  породу в руде образуют, главным образом диоксид кремния SiO2.

Это – тугоплавкое  вещество. Для превращения тугоплавких  примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляются флюс . Обычно в качестве флюса используют CaCo3. При взаимодействии его с SiO2 образуется CaSiO2, легко отделяющийся в виде шлака.

     При  восстановлении руды железо получается  в твердом состоянии. Постепенно  оно опускается в более горячую  часть печи – распар - и растворяет  в себе углерод; образуется  чугун. Последний плавится и  стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки выпускают по мере накопления через особые отверстия, забитые в остальное время глиной.

     Выходящие  из отверстия печи газы содержат  до 25% СО. Их сжигают в особых аппаратах-кауперах, предназначенных для предварительного нагревания вдуваемого в печь воздуха. Доменная печь работает непрерывно. По мере того как верхние слои руды и кокса опускаются, в печь добавляют новые их порции. Смесь руды и кокса доставляется подъемниками на верхнюю площадку печи и загружается в чугунную воронку, закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает в печь. Работа печи продолжается в течение нескольких лет, пока печь не потребует капитального ремонта.

     Процесс  выплавки может быть ускорен  путем применения в доменных  печах кислорода. При вдувании  в доменную печь обогащенного  кислородом воздуха предварительный  подогрев его становится излишним, а значит, отпадает необходимость  в громоздких и сложных кауперах и весь процесс упрощается. Вместе с тем производительность печи повышается и уменьшается расход топлива. Такая доменная печь дает в 1,5 раза больше железа и требует кокса на ¼ меньше чем обычная.     

Основные  физико-химические процессы в современных доменных печах

Доменная печь представляет собой шахтную печь круглого сечения  объемом 2 тыс. м3 и более (рис. 1). Стальной кожух выложен изнутри огнеупорным  материалом 3. Колошник цилиндрической формы служит для загрузки печи шихтой, доменный (колошниковый) газ удаляется через газоотводы 2. Горячий газ, нагревая шихту, охлаждается и в районе колошника имеет температуру всего 300-400°С. Агломерат, известняк и кокс подаются на колошник через засыпной аппарат 1. Шахта печи представляет собой расширяющийся книзу конус, что обеспечивает свободное перемещение шихты сверху вниз по мере ее расплавления. В распаре шихта плавится, и объем ее уменьшается, в заплечиках образуется губчатое железо. Заплечики, имеющие форму усеченного конуса, сужаются книзу. Это необходимо для удержания твердой шихты в распаре и шахте. Губчатое железо каплями стекает в горн, в процессе перемещения оно насыщается углеродом.

Цилиндрический горн состоит из двух зон: верхней (фурменной) и нижней (металлоприемник). В верхней  зоне установлены фурмы 4, через которые подается горячий воздух (дутье) и топливо (жидкое, пыле – или газообразное), температура здесь достигает 2000°С. В нижней зоне собираются жидкий чугун и расплавленный шлак, которые выпускают через чугунную 6 и шлаковую 5 летки в ковши.

Доменный процесс  относят к восстановительному противоточному процессу. Совершается взаимодействие опускающихся сверху вниз шихтовых материалов с поднимающимся снизу вверх  потоком нагретых восстановительных  газов.

При сжигании топлива  в доменной печи первым процессом является сгорание углерода раскаленного кокса в небольших объемах вблизи фурм, при этом образуется диоксид углерода СО2. Вследствие воздействия высокой температуры возникает конечный продукт горения кокса – оксид углерода

2С + О2 = 2СО + Q. 

Второй процесс  характеризуется восстановлением  железа, марганца, кремния, фосфора, серы и других элементов. Восстановителями являются СО, Н2 (образующийся в результате воздействия углерода на влагу дутья  в виде водяного пара) и твердый  углерод С. Восстановление оксидов железа газами называется косвенным, а твердым углеродом – прямым. Главные реакции восстановления:                                 ЗFеO3 + СО = 2Fe3O4 + СО2 + Q;

Fe3O4 + СО = ЗFеO + СО2 —  Q;

FeO + CO = Fe + CO2 + Q

Восстановленное в  доменной печи железо активно поглощает углерод (науглероживается) и другие элементы, что приводит к образованию чугуна:         3Fe + 2CO = Fe3C + CO2 + Q.

Насыщенное углеродом  железо имеет пониженную (до 1150-1200°С) в сравнении с чистым железом (1539°С) температуру плавления, что повышает экономическую эффективность процесса.

Жидкий чугун стекает  вниз и собирается в горне. Пустая порода, известняк и кокс при опускании  вниз попадают в зону более высоких  температур и на уровне распара расплавляются и образуют жидкий шлак.

В получаемом чугуне кроме железа содержатся полезные (Мn и Si) и вредные (S и Р) примеси. В  доменном процессе удалению серы из металла  придается большое значение.

Продукты доменного  производства и области их применения. Главной продукцией доменного производства являются чугуны. Чугуны разделяются на передельные, литейные и специальные. Передельные чугуны выпускаются трех видов: для сталеплавильного (марки П1 и П2) и литейного (ПЛ1 и ПЛ2) производств; фосфористый (ПФ1, ПФ2 и ПФЗ); высоко-качественный (ПВК1, ПВК2 и ПВКЗ). Доля углерода в этих чугунах составляет в среднем 4 % .

Для производства фасонных чугунных отливок выпускаются литейные чушковые чугуны: обычные (маркировка Л) и рафинированные.

Специальные чугуны, или ферросплавы, применяются для  раскисления и легирования сталей. К ним относятся сплавы железа с кремнием и марганцем: зеркальные чугуны, ферросилиции и ферромарганцы.

Побочными продуктами доменной плавки являются шлак и колошниковый газ. Из доменного шлака изготовляют  шлаковые блоки, цемент, кирпичи, шлаковату, шлакоситаллы и др., для чего его подвергают мокрой грануляции (быстрому охлаждению в воде).

Колошниковый газ  в больших объемах используется в качестве газообразного топлива  для нагрева воздухонагревателей  доменных печей, водяных и паровых котлов, для отопления мартеновских и нагревательных печей.

Выплавка чугуна в доменных печах является самым  распространенным и производительным процессом по сравнению с другими  процессами получения чугуна. Доменный процесс широко механизирован и  автоматизирован. 

6. Производство стали.

В стали по сравнению  с чугуном содержится меньше углерода, кремния, серы и фосфора. Для получения  стали из чугуна необходимо снизить  концентрацию веществ путем окислительной плавки.

В современной металлургической промышленности сталь выплавляют в основном в трех агрегатах: конвекторах, мартеновских и электрических печах.   

Производство  стали в конверторах.

Конвертор представляет собой сосуд грушевидной формы. Верхнюю часть называют козырьком  или шлемом. Она имеет горловину, через которую жидкий чугун и  сливают сталь и шлак. Средняя  часть имеет цилиндрическую форму. В нижней части есть приставное днище, которое по мере износа заменяют новым. К днищу присоединена воздушная коробка, в которую поступает сжатый воздух.

Емкость современных  конвекторов равна 60 – 100 т. и более, а давление воздушного дутья 0,3-1,35 Мн/м. Количество воздуха необходимого для переработки 1 т чугуна, составляет 350 кубометров.

Перед заливкой чугуна конвектор поворачивают до горизонтального  положения, при котором отверстия  фурм оказываются выше уровня залитого чугуна. Затем его медленно возвращают в вертикальное положение и одновременно подают дутье, не позволяющее металлу проникать через отверстия фурм в воздушную коробку. В процессе продувки воздухом жидкого чугуна выгорают кремний, марганец, углерод и частично железо.

При достижении необходимой  концентрации углерода конвектор возвращают в горизонтальное положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл раскисляют и выливают в ковш.

Бессемеровский процесс. В конвертор заливают жидкий чугун  с достаточно высоким содержанием  кремния (до 2,25% и выше), марганца       (0,6-0,9%), и минимальным количеством серы и фосфора.

По характеру происходящей реакции бессемеровский процесс  можно разбить на три периода. Первый период начинается после пуска  дутья в конвертор и продолжается 3-6 мин. Из горловины конвертора вместе с газами вылетают мелкие капли жидкого чугуна с образованием искр. В этот период окисляются кремний, марганец и частично железа по реакциям:

Si + O2 = SiO2,

2Mn + O2 = 2MnO,

2Fe + O2 = 2FeO. 

Образующаяся закись железа частично растворяется в жидком металле, способствуя дальнейшему окислению кремния и марганца. Эти реакции протекают с выделением большого количества тепла, что вызывает разогрев металла. Шлак получается кислым (40-50% SiO2).

Второй период начинается после почти полного выгорания  кремния и марганца. Жидкий металл достаточно хорошо разогрет, что создаются благоприятные условия для окисления углерода по реакции C + FeO = Fe + CO, которая протекает с поглощением тепла. Горение углерода продолжается 8-10 мин и сопровождается некоторым понижением температуры жидкого металла. Образующаяся окись углерода сгорает на воздухе. Над горловиной конвектора появляется яркое пламя. 

По мере снижения содержания углерода в металле пламя  над горловиной уменьшается и  начинается третий период. Он отличается от предыдущих периодов появлением над горловиной конвертора бурого дыма. Это показывает, что из чугуна почти полностью выгорели кремний, марганец и углерод и началось очень сильное окисление железа. Третий период продолжается не более 2 – 3 мин, после чего конвектор переворачивают в горизонтальное положение и в ванну вводят раскислители (ферромарганец, ферросилиций или алюминий) для понижения содержания кислорода в металле. В металле происходят реакции

FeO + Mn = MnO + Fe,

         2FeO + Si = SiO2 + Fe,

               3FeO + 2Al = Al2O3 + 3Fe.

Готовую сталь выливают из конвектора в ковш, а затем  направляют на разливку.

Чтобы получить сталь  с заранее заданным количеством  углерода (например, 0,4 – 0,7% С), продувку металла прекращают в тот момент, когда из него углерод еще не выгорел, или можно допустить полное выгорание углерода, а затем добавить определенное количество чугуна или содержащих углерод определенное количество ферросплавов.