Словарь терминов, используемых в дисциплине

Автоклав – аппарат для проведения различных процессов при нагреве и под давлением выше атмосферного.

Агломерат – кусковой материал, продукт агломерации, сырье для черной и цветной металлургии.

Агломерация – окускование мелких руд и концентратов путем их спекания для придания им формы и свойств, необходимых для плавки.

Бокситы – алюминиевые руды, состоящие из гидрооксидов алюминия, оксидов железа и кремния.

Глинозем – оксид алюминия, Al₂O₃, сырье для получения алюминия.

Кокс – твердый углеродистый остаток, получаемый при коксовании природных топлив (главным образом каменного угля); используется как топливо и в качестве восстановителя металлических руд.

Кристаллизация – переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры.

Лигатура – сплав, применяемый для введения легирующих элементов в жидкий металл.

Насадка – наполнитель камеры регенератора, служащий для аккумуляции теплоты во время нагрева и отдачи его нагревательному воздуху или газу.

Окускование – подготовка рудной мелочи и концентратов к плавке, заключающаяся в их укрупнении до заданных размеров.

Прибыль – отрезаемая верхняя часть слитка, в которой сосредоточена усадочная раковина.

Пульпа – смесь тонкоизмельченного полезного ископаемого с водой, образующаяся при измельчении руд перед обогащением.

Раковина усадочная – полость в слитке (обычно в верхней части, образующаяся вследствие усадки при затвердевании металла).

Раскисление – удаление из жидких металлов растворенного в них кислорода.

Руда – минеральное образование с таким содержанием металлов или полезных минералов, которая обеспечивает экономическую целесообразность их извлечения.

Руда железная – руда, содержащая железо в таких соединениях и в таком количестве, что его извлечение экономически выгодно.

Тигель – открытый сосуд из жаропрочных металлов или огнеупоров для плавления или нагрева различных материалов.

Флюс – материал, вводимый в шихту для образования шлака и регулирования его состава.

Фурма – устройство для подвода дутья в металлургические агрегаты.

Фурма воздушная – фурма для вдувания горячего дутья в доменную печь.

Футеровка – защитная внутренняя облицовка (обычно из огнеупорных материалов) тепловых агрегатов, печей и т.п.

Шихта – смесь сырьевых материалов, а в некоторых случаях и топлива, подлежащая переработке в металлургических печах.

Шпат плавиковый – минерал состава СаF₂, используется в металлургических процессах в качестве флюса.

Электролиз – совокупность процессов электрохимического окисления – восстановления, происходящих на погруженных в электролит электродах при прохождении электрического тока.

1. Основы металлургического производства

Металлургия – это область науки и техники о производстве металлов из руд, а также о процессах, связанных с изменением свойств металлов.

Современное металлургическое производство это высокомеханизированные комплексы, где производится подготовка исходных материалов, выплавка металлов и их переработка.

1. Производство чугуна

Чугун после стали является наиболее важным металлургическим конструкционным материалом. Мировая добыча чугуна составляет более 400 млн. т. Примерно 80-85% чугуна перерабатывается на сталь, остальная часть используется для получения литых чугунных деталей.

Доменный чугун – это железоуглеродистый сплав, содержащий от 2 до 4,5% углерода, до 4% Si, до 2%Mnи другие элементы. Чугун получают путем переплавки железорудных материалов в доменной печи.

1.1.1 Основными исходными материалами доменного производства являются железные и марганцовистые руды, флюсы, топливо, воздух и огнеупорные материалы.

К железным рудам относятся красный железняк (Fe₂O₃), магнитный железняк (Fe₃O₄), бурый железняк (Fe₂O₃·Н₂О) и др. В этих рудах содержится от 30 до 70%Fe.

К марганцовистым рудам относятся минералы пиролюзит (MnO₂) и манганит (Mn₂O₃) и др. Эти руды предназначены для получения ферросплавов. В доменном производстве используются также комплексные руды, предназначенные для получения природнолегированных чугунов. Они кромеFeиMnсодержатCr,Ni.

Флюсы служат для образования легкоплавкого шлака в процессе доменной плавки. В качестве флюсов используют известняк СаСО₃, доломитизированный известняк СаСО₃·МgСО₃и др.

Топливом является кокс и природный газ. Для обеспечения горения топлива подается воздух и кислород.

Огнеупорными материалами для футеровки печи служит шамот (60% SiO₂и 40%Al₂О₃) и углеродистые блоки.

1.1.2 Подготовка руды к плавке.Настоящее время 95 % железных руд предварительно подготавливают. В комплекс работ по подготовке руд входят: дробление, сортировка, обогащение и окускование.

Обогащение производится с целью отделения пустой породы магнитными и гравитационными способами. Обогащенная руда содержит до 60% Fe.

Окускование осуществляется путем агломерации (спекания) смеси кусочков руды, кокса и флюса при 1100^оС и окатывания ее в гранулы размерам более 10 мм. Цель окускования повысить эффективность доменной плавки за счет уменьшения потерь в виде пыли. В последние годы окускование производится также путем изготовления окатышей и брикетов.

1.1.3 Работа доменной печи.Доменные печи работают по принципу противотока. Шихтовые материалы (агломерат, кокс и др.) поступают с рудного двора и при помощи скипов или ленточного конвейера загружаются в печь сверху через засыпной аппарат (рис. 1.1). Навстречу опускающимся материалам движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива. В процессе доменной плавки чугун скапливается в горне и периодически 6-10 раз в сутки выпускается через летку в чугуновозные ковши и транспортируется к миксеру или разливочной машине. Шлак сливают в шлаковозы, затем подвергают грануляции. Доменный газ направляется на подогрев воздухонагревателей и на другие нужды. Доменные печи работают непрерывно в течение 5-10 лет.

1.1.4 Основные физико-химические процессы в доменной печи. Выплавка чугуна сопровождается процессами: горения топлива; разложением гидратов и известняка, восстановлением и науглероживанием железа, шлакообразованием.

Горение топлива происходит в области фурм. Кокс, взаимодействуя с кислородом воздушного дутья, сгорает по реакции:

С+О₂=СО₂+Q.

При этом выделяется много тепла, и температура поднимается до 1800-2000^оС.

Двуокись углерода СО₂ является не устойчивой и при взаимодействии с углеродом кокса разлагается на оксид углерода:

СО₂+С_кокса= 2СО-Q.

Подобные реакции происходят при использовании в качестве топлива природного газа:

СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О+Q

Н₂О+С=Н₂+СО-Q

Образовавшиеся СО и Н₂ являются основными восстановителями железа.

Восстановление железа происходит последовательно от высших оксидов к низшим по принципу А.А. Байкова:

Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe

Такое восстановление при помощи СО и Н₂называется косвенным и происходит по реакциям:

3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂+Q

Fe₃O₄+CO=2FeO+CO₂-Q

FeO+CO=Fe+CO₂+Q

Аналогичные реакции при взаимодействии с Н₂:

3Fe₂O₃+Н₂=2Fe₃O4+2НO₂ и т.д.

Кроме железа одновременно восстанавливается Мn и Si.

Эти реакции начинаются при 400-500^оС в верхней части шахты печи и заканчиваются при 900-950^оС в нижней части печи. В распаре печи при температуре более 950^оС происходит прямое восстановление твердым углеродом:

FeO+C=Fe+CO-Q.

При такой реакции восстанавливается 40-60% Fe.

Науглероживание железа. Восстановление железа заканчивается при 1300-1400^оС. При этой температуре железо находится в виде губчатой массы. В результате взаимодействия железа с окисью углерода образуется карбид железа (цементит):

3Fe+2CO=Fe₃С+CO₂+Q.

Цементит растворяется в железе и науглероживает его до 4,3%. При этом температура плавления нуглероженного железа понижается и оно расплавляется, стекает в горн, по пути растворяя в себе восстановленный Mn,Siи другие примеси. Образующийся сплав называется чугуном.

Шлакообразованиеначинается в распаде печи при 1100-1200^оС в результате сплавления СаО,SiO₂,Al₂O₃и пустой породы и флюсов.

1.1.5 Продукты доменного производства.Основным продуктом доменного производства является чугун, представляющий сплав железа с углеродом (2-4,5%) и другими элементами (марганцем, кремнием, фосфором, серой и др.) Исходя из химического состава и назначения, различают передельный, литейный и специальный сорта чугуна.

Около 85-90% всего выплавляемого чугуна приходится на передельный (белый) чугун. В этом чугуне углерод находится в виде химического соединения Fe₃C, поэтому он отличается повышенной твердостью, хрупкостью и используется, в основном, для производства стали.

Передельные чугуны в зависимости от химического состава (C,Si) делятся на марки М1, М2, М3, МФ1 и т.д. Каждая марка в зависимости от содержанияMn,P,Sделится соответственно на группы (I,II,III), на классы (А, Б, В) и на категории (I,II,III,IV).

Чугуны М1, М2, М3 применяются для выплавки стали мартеновским, кислородно-конверторным и электрическими способами.

Высококачественные чугуны марок ПВК1, ПВК2, ПВК3 используют для получения сталей высокого качества. В небольшом количестве производят передельный чугун марок Б1, Б2 с малым содержанием фосфора и серы.

Литейный (серый) чугун характеризуется повышенным содержанием кремния (до 4%), способствующего выделению углерода в виде графита. Литейный чугун обладает хорошими литейными свойствами и применяется для изготовления литых деталей. Разновидностью литейных чугунов являются природно-легированные чугуны, получаемые из железных руд, содержащих ванадий, хром, никель и др. Эти элементы при плавке переходят в состав чугуна и улучшают его свойства. Природно-легированный чугун является хорошим конструкционным материалом.

Специальные чугуны – это железоуглеродистые сплавы с высоким содержанием одного или двух имеющихся в них элементов. Например, ферросилиций, содержащий более 13% кремния, ферромарганец с содержанием до 75% марганца. Ферросплавы применяют для раскисления и легирования сталей.

В результате плавки, кроме чугуна, получают и некоторые побочные продукты: шлак, доменный газ и колошниковую пыль. Доменный шлак – это сплав пустой породы, флюсов и золы кокса. Он используется как строительный материал. Из него изготовляют шлакоблоки, шлаковату. Большая часть шлака используется как сырье для изготовления цемента. Доменный (колошниковый) газ после очистки его от пыли используется в основном непосредственно в доменном цехе для нагрева воздуха в воздухонагревателях и для работы воздуходувных машин. Избыточная его часть направляется в нагревательные печи и котельные установки. Колошниковая пыль улавливается и используется при производстве агломерата.

1.1.6 Технико-экономические показатели работы доменной печи.Основными показателями, характеризующими работу доменного цеха, являются:

1. производительность печи, которая определяется суточной выплавкой передельного чугуна;

2. расход кокса и других материалов на 1 т передельного чугуна (расход кокса в среднем составляет 0,55 т, а на некоторых заводах ниже 0,45 т);

3. коэффициент использования полезного объема печи или КИПО

где V_П– полезный объем доменной печи, м³; Т – суточная производительность печи, т.

Этот коэффициент дает возможность сравнивать работу доменных печей различного объема и оценивать интенсивность плавки. Величина КИПО колеблется (0,45-0,75), на некоторых заводах его довели до 0,365. Чем меньше значение К, тем больше выплавляется чугуна, а следовательно, более интенсивно ведется процесс плавки;

4) себестоимость чугуна, которая является обобщающим показателем доменного производства. Основные затраты в себестоимости чугуна приходятся на стоимость сырых материалов и топлива (90% и более), следовательно, основные пути снижения себестоимости чугуна – это снижение расхода сырых материалов и кокса.

Одним из направлений технологического процессав доменном производстве является непрерывное увеличение мощности доменных печей и усовершенствование конструкций. С увеличением полезного объема доменных печей снижаются удельные капиталовложения, сокращаются эксплуатационные расходы и увеличивается производительность труда. Доменная печь с полезным объемом 5000 м³по сравнению с печью объемом 3200м³позволяет повысить производительность труда на 30%, снизить удельные капитальные затраты на 12% и себестоимость чугуна почти на 2%. Эти преимущества обусловили расширение строительства доменных печей с большим полезным объемом.

Другим направлением технического процесса в доменном производстве является дальнейшее улучшение качества шихтовых материалов. В связи с этим получило дальнейшее развитие обогащение руд. В доменное производство поступает железорудное сырье с более высоким содержанием железа (65-67%). Поставлена задача – обеспечить рост производства подготовленного высококачественного металлургического сырья, в том числе железорудных окатышей в 2, 3 раза, повысить содержание железа в товарной руде.

Дальнейшее повышение производительностидействующих печей будет достигнуто за счет повышения давления газа на колошнике до 0,15-0,25МПа, обогащения дутья кислородом до 35%, применения природного газа, дутья повышенной, постоянной влажности, повышения температуры дутья и др.

Использование в доменном производстве природного газа позволило значительно снизить удельный расход используемого в качестве топлива дорогостоящего кокса и примерно на 2-3% уменьшить себестоимость чугуна. Сейчас с применением природного газа в России и СНГ работают 104 печи, которые выплавляют 86% всего чугуна. Эффективность использования природного газа значительно увеличивается при одновременном обогащении кислородом, что позволяет повысить производительность печи на 2,5% на каждый дополнительный процент кислорода в дутье. Применение дутья, обогащенного кислородом в дутье. Применение дутья, обогащенного кислородом до 30% совместно с природным газом, снижает себестоимость чугуна на 10%.

Система испарительного охлаждения доменных печей позволяет сократить расход воды в 60-300 раз, в 2 раза увеличивает стойкость футеровки, устраняет необходимость в устройствах охлаждения и очистки сбрасываемой воды.

Реконструируемые и вновь строящиеся доменные печи оснащаются современными системами автоматического контроля и регулирования, в состав которых входят контрольно-измерительные приборы и устройства с радиоизотопными бесконтактными датчиками. Внедрение автоматизированных систем управления доменным производством позволит увеличить производительность доменных печей на 8-11% и снизить удельный расход кокса на 12-14%.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие исходные материалы используются в доменном производстве?

2. Виды работ по подготовке руд к плавке.

3. В чем состоит принцип противотока при работе доменной печи?

4. Какие физико-химические процессы протекают при выплавке чугуна в доменной печи?

5. Основные продукты доменного производства.

6. Какими технико-экономическими показателями характеризуется доменная печь?

7. Основные направления развития и совершенствования доменного процесса.

2. Производство стали

Сталь– это сплав железа с углеродом. При этом содержание углерода колеблется от 0,01 до 2%. Кроме углерода, сталь содержит небольшое количество марганца, кремния, серы и фосфора, обладает высокой механической прочностью, сравнительно легко обрабатывается давлением, резанием, хорошо сваривается. Сталь является основным конструкционным материалом, применяемым в машиностроении.

В настоящее время на земном шаре выплавляется около 600 млн. т стали. В промышленно развитых странах производится 400-600 кг стали в год на душу населения.

Производство стали характеризуется видами процессов плавки (основной, кислый), способами производства стали, степенью раскисления расплава, способами разливки и рафинирования.

Основными способами производства являются: кислородно-конверторный, мартеновский и электросталеплавильный.

1.2.1 Исходные материалы сталеплавильного производства.Для выплавки стали используются следующие шихтовые материалы: чугун (жидкий или твердый); стальной и чугунный лом; железная руда; металлизированные окатыши; ферросплавы; флюсы.

Основу шихты составляет чугун и лом (более 90%). Металлошихта для выплавки стали состоит в среднем из 55% чугуна и 5% лома. Соотношение между указанными компонентами шихты зависит от типа технологического процесса, места расположения завода (его отдаленности от сырьевой базы), сроков амортизации оборудования и др. Чугун в качестве шихты используется в твердом, если на заводе отсутствует доменный цех, или в жидком виде. В последнем случае жидкий чугун из доменного цеха поступает в миксер – сосуд цилиндрической формы, футерованный огнеупорным кирпичом и заключенный в стальной кожух. В верхней части миксера имеется отверстие для заливки чугуна, а сбоку – специальный желоб для его выпуска в ковш и транспортировки к конверторам или мартеновским печам. В миксере не только хранится запас чугуна, на и выравнивается его химический состав. Сера частично вместе со шлаком периодически удаляется из миксера.

В металлошихте для выплавки стали насчитывается около 45% лома, который образуется на металлургических заводах в результате обрезки металла при прокатке, изготовления бракованных слитков; на машиностроительных предприятиях – в виде стружки и отходов при штамповке, а также амортизационного лома (отслужившие свой срок машины, рельсы и др.). Прежде чем использовать лом в сталеплавильных агрегатах, необходимо провести его предварительную обработку (прессование, обжиг и др.)

В сталеплавильном производстве в качестве флюсов используются известняк, известь, боксит, плавиковый шпат; окислителями служат железная руда, окалина, кислород, агломерат и др.

При этом применяется газообразное топливо – доменный, генераторный, коксовый, природный газ; жидкое – мазут, смола; твердое – каменноугольная пыль. Выбор исходных материалов, их подготовка к плавке оказывают большое влияние не только на качество выплавляемой стали, но и на себестоимость стали.

1.2.2 Характеристика кислого и основного металлургических процессов.При выплавке стали в зависимости от метода удаления избытка различных элементов (C,Mn,Si,S,Pи др.). Металлургические процессы делятся на кислые и основные.

Кислые процессы характеризуются тем, что при плавке образуется кислый шлак с большим содержанием SiO₂. При таком процессе не может быть удален избыток серы и фосфора, т.к. для этого требуется вводить известь СаО, которая будет интенсивно реагировать и разрушать кислую футеровку печей, состоящую, например, из динасового кирпича (95%SiO₂). Кислые процессы применяются частично в электропечах и мартеновских печах. Для плавки используются чистые по сере и фосфору чугуны марок Б1, Б2.

Основные процессы характеризуются тем, что в процессе плавки образуется основной шлак за счет введения флюса (известняка СаСО₃), который образовывает соединения фосфата кальция Р₂О₅·4СаО и сернистого кальция СаSи тем самым удаляет из расплава вредные примеси серы и фосфора.

Для данных процессов применяется основная футеровка, состоящая, например, из магнезитового (95% MgO) или доломитового кирпича (40%MgO+60% СаО) и др.

Для основных процессов используется чугун марок М1, М2, М3 с повышенным содержанием Sи Р. Основные процессы применяются в мартеновских печах, кислородных конверторах и электропечах.

1.2.3 Физико-химические процессы при плавке стали. Процессы плавки стали протекают в соответствии с рядом законов, а именно:

• по закону действующих масс, согласно которому скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ;

• по принципу Ле-Шателье, что химические реакции, выделяющие тепло, протекают интенсивнее при более низких температурах, а поглощающие тепло при более высоких;

• по закону распределения – если вещество растворяется в двух соприкасающихся, но не смешивающихся жидкостях, то распределение вещества в них постоянно для каждой температуры.

Главными физико-химическими процессами при плавке стали являются:

Окисление железа и примесей. Согласно закону действующих масс в первую очередь интенсивно окисляется железо, а затем примеси (Si,Mn,C):

2Fe+O₂=2FeO 2Mn+O₂=2MnO

Si+O₂=SiO₂ 2C+O₂=2CO

При этом уменьшается содержание С, а соединение SiO₂,MnO, могут растворяться в металле, а также образовывать шлак.

Восстановление закиси железаFeOпроисходит по реакциям согласно принципу Ле-Шателье:

2FeO+Si= SiO₂+Q,

FeO+Mn=Fe+MnO+Q,

5FeO+2P=5Fe+P₂O₅

FeO+C=Fe+CO-Q.

Однако в жидком металле остается значительное количество вредных примесей FeO,S, Р, которые подлежат удалению.

Удаление фосфора. Для этой цели необходимо плавку производить в основной печи. Образующаяся по реакции фосфорножелезная соль:

Р₂О₅+3FeO=(Fe₂O₃)∙Р₂О₅

является непрочной и при наличии основного оксида СаО (извести) разлагается и переходит в шлак:

(Fe₂O₃)Р₂О₅+4СаO=3FeO+(СаО)₄∙Р₂О₅.

Удаление серы. Сера в стали находится в виде сульфидовFeS,MnS. Хорошие условия для удаления серы создаются при плавке в основной печи, особенно при электродуговой плавке. Образующееся соединение СаSпереходит в шлак:

FeS+CaO=CaS+FeO.

В электродуговой печи, благодаря образованию карбидообразующего шлака СаС₂, достигается более глубокое удаление серы.

Аналогичные реакции протекают при наличии MnS.

Раскисление стали. Поскольку выплавка стали из чугуна является окислительным процессом, то в конце плавки в ней содержится значительное количество вредной примеси закиси железаFeO.

Поэтому завершающим процессом всегда является восстановление железа из его закиси, путем раскисления стали. Раскисляют сталь двумя способами: осаждением и диффузионным раскислением.

Раскисление способом осажденияпроводят путем введения в жидкую сталь более активных к кислороду элементов (Mn,Si,Al), чем железо. Эти элементы вводят в виде ферромарганца, ферросилиция, чистого алюминия, иногда графита. При этом происходят реакции:

FeO+Mn=Fe+MnO,

2FeO+Si=2Fe+SiO₂,

3FeO+2Al=3Fe+Al₂O₃,

FeO+C=Fe+CO.

В зависимости от степени раскисления различают кипящую, спокойную и полуспокойную сталь.

Кипящая сталь – наименее раскисленная. Ее получают при раскислении только одним ферромарганцем. В такой стали продолжается реакция FeO+C=Fe+COи металл «кипит» из-за выделения пузырей СО. Эти пузыри остаются в теле слитка, а при последующей прокатке или ковке устраняются. Кипящая сталь наиболее дешевая.

Спокойная сталь – наиболее раскисленная. Ее получают последовательным раскислением ферромарганцем, ферросилицием и алюминием. Кипение в такой стали отсутствует. Эта сталь наиболее качественная, но и более дорогая.

Полуспокойная сталь занимает промежуточное место между кипящей и спокойной. Ее получают при раскислении ферромарганцем и уменьшенным количеством ферросилиция или алюминия.

Диффузионное раскисление состоит в том, что на поверхности шлака расплава подают кремний в виде кварцевого песка. В результате в шлаке протекает реакция Si+ 2FeO=2Fe+SiO₂, при этом уменьшается содержаниеFeO. А согласно закону распределения количестваFeOв шлаке ижидком металле должно быть постоянным.

Для восстановления этого равновесия (постоянства) FeOиз металла переходит в шлак и тем самым металл очищается от закиси железа.

В целом наилучшие условия раскисления достигаются в электродуговой печи. Окончательным процессом при плавке стали является доводка до требуемого состава.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие шихтовые материалы используются для выплавки стали?

2. Чем характеризуется кислый и основной металлургические процессы выплавки стали?

3. Основные физико-химические процессы при плавке стали.

4. Виды раскисления стали и их сущность.

5. Как подразделяются стали в зависимости от степени раскисления?