Контрольная работа по «Технологии конструкционных материалов и материаловедение»

     Рисунок 2. Доменная печь:

     1 - лещадь; 2 - чугунная летка; 3 - заплечики; 4 - распар; 5 - шахта; 6 - колошник; 7 - засыпной аппарат; 8-— газовоздухопровод; 9-— фурма; 10 – шлаковая летка; 11 – горн. 

      В шахте 5 печи шихта нагревается  и в нижних зонах шахты, а также  в распаре 4 (самая широкая часть доменной печи) и заплечиках 3 происходит восстановление железа, которое каплями стекая в горн 11 через слой кокса и шлака, науглероживается, т.е. образуется чугун. В верхней части горна расположены фурмы 9 - устройства, через которые в доменную печь вдувается подогретый воздух, природный газ для обеспечения горения кокса в нижней части печи. Фурмы распределены равномерно по окружности горна. Для поддержания высокой температуры в доменной печи и уменьшения потерь теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, воздух перед вдуванием в доменную печь подогревают в специальных устройствах - воздухонагревателях до 1000... 1200°С.

     Накапливающиеся в горне чугун и шлак, имеющие температуру до 1500°С, периодически выпускают из печи. Для выпуска жидкого чугуна служит чугунная летка 2, а для выпуска шлака - шлаковая летка 10. Нижняя часть печи (лещадь 1) представляет собой мощную кладку толщиной до 5,5м. Лещадь и горн - это области нахождения расплавленного чугуна, поэтому их выкладывают из качественного (доменного) шамотного кирпича (повышенные плотность, прочность, огнеупорность) в сочетании с углеродистыми блоками (изготовляют из кокса и антрацита), огнеупорным бетоном и др.

     Доменная  печь работает по принципу противотока: сверху вниз опускается столб шихтовых материалов, загружаемых в печь, а снизу вверх навстречу поднимаются горновые газы - продукты сгорания кокса (СО, Н₂ и др.). Реакция горения углерода кокса экзотермическая: С + О = СО₂ + Q, т. е. протекает с выделением теплоты. Максимальная температура газов в фурменной зоне 2000°С. Образующийся диоксид углерода (СО₂) также взаимодействует с раскаленным коксом, в результате происходит его частичное восстановление углеродом по эндотермической реакции: СО₂ + С = СО - Q. По мере продвижения вверх горячие горновые газы (смесь СО₂, СО, Н₂ и других продуктов горения углерода кокса) отдают теплоту шихтовым материалам, участвуют в реакциях восстановления железа и других металлов, и когда достигают уровня колошника имеют температуру 300...400°С. При нормальном ходе плавки в составе колошниковых газов должно быть 20...24% СО₂.

     Основным  процессом в доменной печи является восстановление железа из оксидов железа. Восстановление начинается уже в верхней части шахты при температурах около 500... 570°С. Восстановление железа из оксидов железа, которые в металлошихте присутствуют в виде Fe₃О₄, Fe₂О₃, FeO и др., происходит путем последовательных реакций перехода от высшего оксида к низшему по схеме Fe₂0₃ → Fe₃0₄ → FeO →Fe. Основными восстановителями являются СО (монооксид углерода) и углерод С кокса. Восстановителем железа является также и водород Н₂, образующийся при разложении водяного пара и при сгорании вдуваемого природного газа, количество Н₂ может достигать 12 %. Восстановление железа газами называется косвенным восстановлением, а восстановление железа из оксидов железа углеродом С твердого кокса - это прямое восстановление. При температурах до 900°С происходит преимущественно косвенное восстановление железа, а при более высоких температурах - прямое. В условиях доменного процесса стремятся обеспечить восстановление железа из шихты газами для экономии дорогого кокса.

     Капли восстановленного железа на пути в  горн проходят через слой раскаленного кокса и науглероживаются: 3Fe + С = Fe₃C. Так как наряду с железом в шихтовых материалах могут содержаться и другие компоненты: марганец, кремний, фосфор, сера, хром, никель, титан и др., их восстановление влияет на ход процесса в доменной печи.

     Восстановленные марганец и кремний являются полезными примесями чугуна. Они обычно содержатся в железной руде, в случае недостаточного содержания марганца его вводят в шихту в виде оксида МпО₂ марганцевой руды.. Кремний, который содержится в руде в виде оксида SiО₂, восстанавливается при высоких температурах твердым углеродом и растворяется в железе. Восстановление хрома, никеля, титана и других примесных элементов чугуна, которые в виде оксидов содержатся в встречающихся природнолегированных рудах, в доменной печи происходит частично или полностью, при этом получаются природнолегированные чугуны. Фосфор и сера относятся к вредным примесям чугуна. Восстановление фосфора из оксидов фосфора, содержащихся в большинстве руд, происходит в доменной печи, независимо от действий технологов, вследствие благоприятных условий для протекания этого процесса. Фосфор восстанавливается твердым углеродом и переходит в чугун. Наличие в доменной печи основного шлака позволяет частично перевести в него фосфор. Сера содержится в коксе и в железорудной части шихты в виде сульфидов, которые разлагаются в условиях плавки и в виде H₂S и SО₂ удаляются с газами через колошник. Однако значительное количество серы в виде сульфидов остается в печи и распределяется между жидким шлаком и чугуном.

      Сульфид железа FeS является наименее желательным для чугуна соединением серы, он, как и атомарная сера, хорошо растворяется в чугуне. Благодаря введению в доменную шихту извести удается частично удалить серу в виде соединения CaS в шлак.

     В результате восстановления железа, марганца, кремния, фосфора и других элементов  из их оксидов в нижней части доменной печи образуется ванна жидкого расплава железа со всеми этими элементами, т.е. чугун содержит по меньшей мере шесть компонентов - железо, углерод, марганец, кремний, фосфор и серу.

     Шлакообразование  активно происходит на уровне прохождения шихты области распара, т.е. после завершения процессов восстановления оксидов железа. Шлак состоит из оксидов пустой породы, золы кокса и флюса, специально вводимого в печь для обеспечения достаточной жидкотекучести шлака. Частично в шлак переходит сера в виде сульфида CaS. Состав шлака зависит от состава пустой породы руды. Основные составляющие доменного шлака - кремнезем (30...45% SiО₂), оксид кальция (40...50% СаО), глинозем (10...25 % А1₂О₃). Окончательный состав шлака образуется постепенно по мере стекания в горн, где он накапливается на поверхности жидкого чугуна и откуда его удаляют через шлаковую летку.

     Основным  продуктом доменной плавки является чугун. В зависимости от получаемого химического состава доменные чугуны классифицируют по назначению как литейные, передельные, специальные (ферросплавы) и природнолегированные. Литейные чугуны предназначаются для получения чугунных отливок. Эти чугуны поступают в литейные цеха в виде чушек - небольших слитков, получаемых из жидкого чугуна, выпущенного из доменной печи. Поступающие на литейные заводы чушки чугуна переплавляют и получают фасонные отливки. Передельные чугуны используют для производства стали. На долю передельных чугунов приходится 80... 85% всего выплавляемого в доменных печах чугуна. Специальные чугуны (ферросплавы) выплавляются с высоким содержанием легирующих элементов, например, кремния или марганца при выплавке ферросилиция или ферромарганца. Природно-легированные чугуны выплавляются из природно-легированных руд, т.е. руд, имеющих в своем составе ценные примеси (хром, никель, ванадий, титан и др.). Такие чугуны используются для получения отливок со специальными свойствами. Побочными продуктами доменной плавки являются доменный шлак и доменный (колошниковый) газ. Доменный шлак применяется для производства строительных материалов (шлаковаты, шлакобетона). Колошниковый газ после очистки используется как топливо под названием доменный газ. 
 

Производство  стали 

     Для изготовления зубчатых колес коробки передач необходимо получить легированную сталь марки 20ХН2М.

     При производстве стали в качестве металлошихты используют передельный чугун (жидкий или твердый в виде чушек), металлолом (в технической литературе используют термин «скрап»), а также металлодобавки. Суть сталеплавильного процесса заключается в снижении содержания углерода и примесей металлошихты путем их избирательного окисления и перевода в шлак или в газовую фазу. Углерод, окисляясь, удаляется из металла в виде газообразных оксидов - СО или СО₂, другие же примеси также в виде оксидов переходят в шлак. Примеси различаются по своим физико-химическим свойствам, поэтому для удаления каждой из них в плавильном агрегате необходимо создание определенных термодинамических условий, основанных на законах физической химии.

     В соответствии с законом действующих  масс скорость химических реакций пропорциональна  концентрации реагирующих веществ. Поскольку в наибольшем количестве в чугуне содержится железо, оно и окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи:

     2Fe + О₂ = 2FeO + Q.     (1)

     Одновременно  с железом окисляются кремний, марганец, фосфор, сера и другие примеси. Образующийся монооксид железа FeO при высоких температурах жидкого расплава отдает свой кислород другим, более активным элементам, находящимся в чугуне, т.е. окисляет их:

     2FeO + Si = SiО₂ + 2Fe + Q₁    (2)

     5FeO + 2Р = Р₂О₅ + 5Fe + Q₂;     (З)

     FeO + Mn = MnO + Fe + Q₃;     (4)

     FeO + C = CO + Fe- Q₄.     (5)

     Для ускорения окисления примесей в  печь добавляют железную руду, окалину, так как чем больше оксидов железа содержится в жидком металле, тем активнее протекают процессы окисления. Скорость окисления примесей зависит как от их концентрации, так и от температуры металла, подчиняясь принципу Ле Шателье, в соответствии с которым химические реакции, выделяющие теплоту, протекают интенсивнее при более низких температурах, а химические реакции, поглощающие теплоту, протекают активнее при высоких температурах. Поэтому в начале плавки, когда температура металла невысока, интенсивнее идут процессы окисления железа, кремния, марганца, фосфора, протекающие с выделением теплоты (см. реакции (1) - (4)), а углерод интенсивно окисляется только при высокой температуре металла (в середине и конце плавки) по реакции (5).

     В сталеплавильной печи в процессе плавления шихты образуются две  несмешивающиеся среды: жидкий металл и шлак, которые разделяются из-за разных плотностей. Примеси и их соединения, находящиеся в сталеплавильной печи и растворимые как в жидком металле, так и в шлаке, в соответствии с законом распределения Нернста распределяются между металлом и шлаком в определенном соотношении, характерном для данной температуры. Изменяя состав шлака путем введения в печь флюсов требуемого состава, можно нежелательные примеси металла удалять в шлак. Процесс окисления стали прекращают, когда содержание углерода станет равным заданному для конкретного состава стали. Так как наряду с примесями окислялось и железо, в конце процесса плавки необходимо удалить из жидкой стали оксиды железа, которые снижают механические свойства готовой стали, придавая ей красноломкость и делая непригодной для прокатки, ковки, штамповки. Поэтому в конце плавки проводят раскисление стали, вводя в расплав элементы, имеющие большее сродство к кислороду, чем у железа. Такими элементами являются кремний и марганец, вводимые в виде ферросплавов, и металлический алюминий. Восстанавливая железо, сами эти элементы окисляются, образуются их твердые оксиды, всплывающие в шлак:

     Si + 2FeO = SiО₂ + 2Fe; (6)

     Mn + FeO = MnO + Fe; (7)

     2A1 + 3FeO = A1₂О₃ + 3Fe. (8)

     Таким образом, процесс переработки чугуна в сталь сводится к окислению  углерода и других примесей и заканчивается  раскислением стали. Процесс протекает в три этапа. Первый этап - расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. В этот период происходит интенсивное окисление железа и окисление примесей - кремния, марганца и фосфора. Для удаления фосфора - одной из наиболее вредных примесей - в печи необходимо иметь невысокую температуру, значительное содержание оксида железа и основной шлак, содержащий СаО, поэтому плавку ведут в печи с основной футеровкой. Оксид фосфора Р₂0₅ (см. реакцию (3)) в присутствии оксида железа и извести образует нерастворимое соединение 4СаО • Р₂0₅, переходящее в шлак. Фосфористый шлак с поверхности расплавленного металла убирают («скачивают») и наводят новый шлак со свежими добавками СаО. Второй этап - «кипение» стали, или процесс интенсивного окисления углерода, которое начинается при повышении температуры металла, так как реакции (2) -(4) протекают с выделением теплоты. Бурное выделение пузырьков СО по реакции (5) способствует интенсивному перемешиванию жидкого металла - ванна «кипит». В этот период содержание углерода в металле уменьшается, температура металла выравнивается, частично удаляются неметаллические включения и газы, растворенные в жидком металле, что приводит к повышению качества стали. Это основной этап процесса плавки стали, когда создаются условия для удаления серы (высокая температура; невысокое содержание оксида железа и достаточное количество СаО). При высоких температурах сульфид железа взаимодействует с СаО с образованием CaS, которое не растворяется в стали и переходит в шлак: