Министерство образования Российской Федерации
Уральский государственный технический университет – УПИ
УТВЕРЖДАЮ:
Проректор по учебной работе
_____________ В.И. Лобанов
« ___ » ____________ 2001 г.
Программа
Государственного экзамена по специальности 11.01-
Металлургия черных металлов
Екатеринбург 2001
УДК 669.162
Программа Государственного экзамена по специальности составлена на основании учебного плана и квалификационной характеристики инженера-металлурга по специальности 11.01 – Металлургия черных металлов.
Программа Государственного экзамена утверждена на заседании кафедры металлургии железа и сплавов 21 декабря 2000г., протокол № 30.
Заведующий кафедрой С.П. Бурмасов
Одобрена методической комиссией металлургического факультета 27/12/2000, протокол № 3.
Председатель комиссии М.А. Гервасьев
Составители С.П. Бурмасов
Н.С. Шумаков
В.Т. Луценко
ВВЕДЕНИЕ
Настоящая программа составлена на основе рекомендаций методической комиссии металлургического факультета Уральского государственного технического университета - УПИ, охватывает материалы по основным разделам всех специальных и прикладных дисциплин учебного плана и включает типовые вопросы – задачи, отвечающие требованиям квалификационной характеристики инженера-металлурга по специальности 11.01 – Металлургия черных металлов.
В ходе экзамена выпускники должны показать:
знания по принципиальным аспектам специальных и прикладных дисциплин, теоретическим основам процессов подготовки железорудных материалов, доменной плавки и процессов бескоксовой металлургии, сталеплавильного, электрометаллоплавильного и ферросплавного производств, экономике отрасли и предприятия, основам организации, планирования и управления производством, математическому моделированию и автоматизированному управлению технологическими процессами, конструктивным особенностям технологического оборудования, основам проектирования соответствующих цехов, вопросам охраны труда и окружающей среды;
умение обосновать выбор технологической схемы предварительной подготовки (дробление, измельчение, обогащение, окускование и др.) железных руд или полученных из них концентратов;
умение выбирать рациональные и экономически обоснованные параметры технологических режимов процессов окускования железорудных материалов и доменной плавки производства стали и ферросплавов в конкретных производственных условиях;
умение обосновывать выбор исходных данных для расчета состава шихт для получения окатышей, агломерата, чугуна, стали и ферросплавов заданного состава, а также других технологических расчетов, выполнять эти расчеты (в том числе с использованием ЭВМ) и анализировать полученные результаты;
умение управлять технологическими процессами окускования железорудных материалов и ходом доменной плавки, сталеплавильными и электрометаллургическими процессами, устранять возникающие нарушения их нормального протекания.
Раздел 1. Подготовка шихтовых материалов к доменной плавке.
Характеристика железных руд.
Железорудные минералы и типы разделяются по минералогическим признакам. Минералы пустой породы. Полезные и вредные примеси, их влияние на качество металла и работу доменной печи. Требования к качеству железных руд. Принципы металлургической и экономической оценки рудного сырья. Факторы определяющие рентабельность промышленной переработки руды данного месторождения. Требования, предъявленные к железорудному сырью со стороны доменной плавки.
Марганцевые руды.
Основные рудные минералы и типы марганцевых руд. Требования черной металлургии к марганцевым рудам: химический состав, отношение содержания марганца к содержанию железа, гранулометрический состав.
Флюсы доменной плавки.
Роль флюсов в доменной плавке. Типы флюсов: основные, кислые, глиноземистые. Требования к химическому составу флюсов. Определение флюсующей способности известняка. Характеристика флюсующих материалов: известняки, доломитизированные известняки, ракушечник, мел, кварциты и бедные кремнистые руды – для плавки руд с основной пустой породой.
Заменители руд и флюсов.
Возможность замены руд и флюсов отходами различных производств. Характеристика отходов передельных металлургических и других производств: чугунный скрап, мартеновские, конвертерные, сварочные и другие шлаки, окалины, пиритные огарки, колошниковая пыль, шламы газоочисток и др.
Дробление и измельчение.
Цель и характеристика процессов. Способы дробления и измельчения. Устройство и принцип работы дробилок для крупного, среднего и мелкого дробления. Мельницы для измельчения материалов. Устройство и принцип работы барабанных мельниц: шаровых, стержневых, самоизмельчения, рудогалечных.
Грохочение и классификация.
Цель и способы разделения сыпучих материалов по крупности. Процессы грохочения и классификации. Устройства и принцип работы грохотов и типы. Теоретические основы классификации. Устройство классификаторов и их типы.
Обогащение руд.
Физические основы и показатели процесса обогащения. Методы обогащения рудного сырья: промывка, гравитационные способы, магнитная сепарация, флотация. Устройство аппаратов для обогащения руд. Обезвоживание концентратов мокрого обогащения.
Усреднение шихтовых материалов.
Цель и показатели усреднения. Методы усреднения химического состава и физических свойств руд при добыче, на складах, в бункерах. Оборудование и организация усреднения шихтовых материалов в доменных цехах.
Топливо доменной плавки.
Требования, предъявляемые к доменному топливу. Функции, выполняемые топливом в доменном процессе. Процесс производства кокса, устройство коксовых печей (батарей), технология коксохимического производства. Качество доменного кокса: технический анализ, физические и механические свойства. «Заменители» кокса в доменной плавке: природный газ, коксовый газ, мазут, пылеугольное топливо, их состав и характеристика.
Окускование мелких руд и концентратов.
Общее представление об агломерационном процессе, его схема. Характеристика компонентов агломерационной шихты, подготовка ее к спеканию, смешивание и окомкование, загрузка на спекательные тележки. Зажигание шихты и ход процесса спекания, его показатели. Изменение температуры и других характеристик процесса во времени и по высоте спекаемого слоя.
Физико-химические процессы при агломерации железных руд. Разложение гидратов и карбонатов. Диссоциация оксидов. Окислительно-восстановительные реакции оксидов железа. Поведение серы, фосфора, мышьяка при агломерации. Процессы формирования физической структуры агломерата. Химический и минералогический состав агломерата. Обработка агломерационного спека, сходящего с агломашины.
Схема производства окатышей: подготовка материалов, состав шихты, получение сырых окатышей, обжиг окатышей – сушка, подогрев, обжиг, охлаждение. Схема газовых потоков обжиговой машины и тепловые зоны обжига. Физико-химические процессы при обжиге окатышей: реакции окисления магнетита и сульфидов, разложение карбонатов, реакции оксидов железа и оксидов пустой породы. Формирование физической структуры обоженных окатышей. Особенности удаления серы при обжиге окатышей.
Требования к качеству окускованного сырья: прочность в холодном состоянии, прочность при восстановлении, причина потери прочности при восстановительно-тепловой обработке, восстановимость, температура начала и конца размягчения, интервал размягчения.
Углубленные вопросы специализации «Окускование металлургического сырья»
Окомкование агломерационной шихты; факторы, влияющие на окомкование: гранулометрический состав, режим увлажнения, интенсифицирующие добавки, режим работы окомкователей. Основные закономерности испарения влаги из агломерационной шихты: изменение параметров газа и шихты по высоте зоны сушки; количественные характеристики: удельный расход газа, скорость перемещения зоны сушки, толщи на зоны сушки, зависимость между температурами газа на входе и на выходе их зоны сушки.
Процессы удаления серы при агломерации железорудных материалов: по каким химическим реакциям удаляется сульфидная и сульфатная сера; основные технологические факторы, способствующие удалению сульфидной и сульфатной серы. Особенности поведения серы при производстве офлюсованных агломератов и окатышей.
Переувлажнение агломерационной шихты: механизм, отрицательное воздействие переувлажнения на агломерационный процесс; скорость перемещения зоны конденсации, количество конденсирующейся влаги; мероприятия по предупреждению переувлажнения при агломерации и уменьшению отрицательного воздействия при обжиге окатышей.
Окислительно-восстановительные процессы при агломерации железорудных материалов: причины возникновения зон восстановления и окисления; взаимное расположение этих зон в высокотемпературном слое; изменение содержания FeO по высоте этого слоя; различия в протекании окислительно-восстановительных процессов при агломерации гематитовых и магнетитовых железорудных материалов.
Основное уравнение газодинамики пористого слоя, преимущества этого уравнения по сравнению с одночленным. Особенности горения твердого топлива в процессе агломерации. Основная реакция горения углерода шихты при агломерации. Состав конечного агломерационного газа.
Влияние основности шихты и содержания в ней углерода топлива на минералогический состав железорудных агломератов.
Особенности теплообмена в агломерируемом слое: распределение температур в слое; две ступени теплообмена; факторы влияющие на удельный расход воздуха на агломерацию и на скорость перемещения тепловой волны (вертикальную скорость спекания).
Сушка железорудных окатышей: особенности образования зон сушки и переувлажнения на обжиговой машине по сравнению с этими процессами при агломерации; разрушение окатышей при сушке: виды разрушения и причины, вызывающие разрушение; мероприятия по предупреждению разрушения окатышей.
Радел 2. Производство чугуна и прямое получение железа.
2.1. Восстановительные процессы в доменной печи.
Восстановление оксидов железа. Прямое и косвенное восстановление. Влияние соотношения степеней прямого и косвенного восстановления на расход кокса в доменной плавке. Восстановление оксидов железа водородом. Технологические мероприятия по увеличению степени развития косвенного восстановления железа. Восстановление в доменной печи марганца, кремния, фосфора и других элементов. Факторы, способствующие или затрудняющие восстановление этих элементов.
2.2. Десульфурация чугуна.
Источники поступлений серы в доменную печь, ее поведение в различных зонах печи. Распределение серы между чугуном, шлаком и газом. Основная реакция перехода серы из чугуна в шлак. Факторы, способствующие протеканию этой реакции. Внедоменная десульфурация чугуна.
2.3. Испарение влаги шихты, разложение гидратов, гидратной влаги и карбонатов.
Разложение гидратов и гидратной влаги. Степень разложения гидратной влаги. Влияние разложения гидроксидов и гидратной влаги на доменный процесс. Поведение карбонатов в доменной печи. Изменение упругости кальцита, парциального давления СО2 и общего давления печной атмосферы по высоте печи. Эффективность использования в доменной плавке офлюсованных агломерата и окатышей.
2.4. Образование чугуна и шлака.
Общая схема формирования чугуна и шлака. Размягчение железорудных материалов при нагревании. Процесс науглероживания восстановительного железа. Первичный и конечный шлак. Влияние химического состава шлака на его температуру плавления и вязкость. Роль шлакового режима на ход доменной плавки и состав чугуна.
2.5. Горение топлива в доменной печи.
Значение и особенности процесса горения топлива в доменной печи. Изменение состава газа по оси фурмы. Зона горения, ее структура. Реакции горения углерода и природного газа в горне печи. Теоретическая температура горения, ее зависимость от температуры дутья, концентрации кислорода в дутье, влажности дутья. Изменение температуры газа по оси фурмы. Фокус горения.
2.6. Изменение качества и состава газа по высоте доменной печи.
Влияние различных химических процессов на изменение количества и состава газа на различных горизонтах печи. Количество и состав колошникового газа. Влияние обогащения дутья кислородом и вдувания природного газа на состав и количество колошникового газа.
2.7. Теплообмен в доменной печи.
Понятие о теплоемкостях потоков газа и материала в доменной печи, изменение их по высоте рабочего пространства печи. Изменение температуры газов и материалов по высоте печи. Определяющая роль нижней ступени теплообмена в установлении удельного расхода кокса в доменной плавке.
Тепловой баланс доменной плавки. Влияние отдельных статей баланса на удельный расход кокса, направления снижения удельного расхода кокса.
2.8. Движение шихты и газа в доменной печи.
Силы, действующие на столб доменной шихты. Условия ровного схода шихты. Особенности движения шихты в печи. Особенности движения газа в доменной печи. Мероприятия по повышению производительности доменной печи – по увеличению интенсивности горения кокса и снижению удельного расхода кокса. Способы рационального распределения материалов и газа по сечению доменной печи.
2.9. Показатели работы доменных печей.
Суточная производительность, суточный и удельный расход кокса, КИПО, интенсивность работы печи (ее выражение). Взаимосвязь этих показателей.
2.10. Устройство и оборудование доменных печей и цехов.
Доменная печь. Профиль рабочего пространства. Фундамент. Огнеупорная футеровка. Охлаждение печи. Устройство леток и фурменных приборов. Засыпный и распределительный аппараты. Устройства для загрузки шихтовых материалов в печь: бункерная эстакада, оборудование для сортировки компонентов шихты их взвешивания и подачи на колошник.
Устройство и работа воздухонагревателей « на газу» и «на дутье». Подача дутья в доменную печь. Устройства для уборки чугуна и шлака, очистки доменного газа. Планировка литейного двора. План доменного цеха.
2.11. Прямое получение железа.
Социально-экономические предпосылки развития бескоксовой металлургии: проблема кокса, проблема скрапа и качества металла, проблема малой металлургии, проблема капитальных затрат и их окупаемости. Развитие и современный уровень методов бескоксовой металлургии в мире и в нашей стране.
Классификация и характеристика способов прямого получения железа: по видам железорудного сырья для металлизации, по видам топлива восстановителя, по типам аппаратов для осуществления металлизации, по назначению продуктов металлизации. Применение методов бескоксовой металлургии для переработки комплексных руд. Эффективность применения металлизованных железорудных материалов в доменной плавке. Методы получения жидкого металла из руд.
Металлизация окатышей на конвейерных обжиговых машинах в процессе их производства. Металлизация в трубчатых вращающихся печах и комбинированных установках. Металлизация в шахтных печах. Технологическая схема производства металлизованных окатышей по способу «Мидрекс» на Оскольском электрометалургическом комбинате. Металлизация в аппаратах кипящего слоя.
Углубленные вопросы специализации «Металлургия чугуна»
Восстановление оксидов железа в доменной печи. Условия равновесия реакций восстановления оксидов железа монооксидом углерода и водородом. Восстановление оксидов железа в твердых и жидких фазах. Двухстадийная адсорбционно-каталитическая теория восстановления оксидов железа. Параметры, характеризующие восстановительную способность газа и развитие низкотемпературного и высокотемпературного восстановления оксидов железа; методы из расчета.
Восстановление окисидов марганца в доменной печи. Баланс марганца в доменной печи. Зависимость коэффициента распределения марганца между продуктами плавки от различных факторов. Особенности выплавки чугуна с высоким содержанием марганца.
Восстановление оксидов кремния в доменной печи. Механизм восстановления оксидов кремния в печи твердым углеродом из жидких фаз. Образование силицидов железа. Условия, необходимые для перевода кремния в чугун. Особенности выплавки низкокремнистых чугунов, литейных чугунов и доменного ферросилиция.
Восстановление фосфора в доменной печи. Причины полного перехода фосфора в чугун при доменной плавке. Особенности выплавки феррофосфора в доменной печи.
Восстановление хрома, никеля и меди в доменной печи. Восстановление оксидов ванадия; температурный и шлаковый режим плавки для более полного перевода ванадия в чугун.
Восстановление титана в доменной печи; образование карбидов, нитридов и карбонитридов титана в печи и влияние этих процессов на шлаковый режим плави и унос металла со шлаком.
Поведение серы в доменной печи. Баланс серы в доменной печи. Коэффициент распределения серы между шлаком и чугуном и зависимость этого показателя от различных факторов. Равновесный и фактический коэффициенты распределения серы между шлаком и чугуном. Методика расчета коэффициента распределения серы между продуктами плавки. Сульфидная емкость доменных шлаков. Условия, необходимые для получения чугунов с низким содержанием серы. Методы внедоменной десульфурации чугуна.
Образование чугуна в доменной печи. Процессы науглероживания восстановленного железа. Динамика перехода восстановленных элементов в чугун по мере движения расплава в горн печи. Явление вторичного окисления элементов чугуна в фурменном очаге. Конечное содержание углерода в чугуне и его зависимость от параметров плавки.
Шлакообразование в доменной печи. Определение вязко - пластичных характеристик железорудного сырья. Образование газо-шлаковых систем в зоне шлакообразования. Расчет важнейших свойств конечных доменных шлаков.
Горение топлива в доменной печи. Кислородная, углекислотная и циркуляционныя зоныфурменного очага. Расчетное определение протяженности этих зон в зависимости от параметров дутья и воздушных фурм. Состав конечного горнового газа и методы его расчета. Механические процессы, происходящие в фурменном очаге. Расчет количества фурменного газа. Расчет количества фурменного газа. Теоретическая температура горения кокса и методы ее расчета.
Изменение количества и состава газа по высоте печи во взаимосвязи с протеканием основных процессов. Состав колошникового газа и его изменение в зависимости от параметров дутья и состава шихты. Балансовые методы определения выхода колошникового газа.
Движение шихты и газов в доменной печи. Доменная шихта как «сыпучее тело». Основные характеристики сыпучих материалов. Процессы, вызывающие движение шихты в доменной печи. Расчет сил, управляющих сходом шихтовых материалов в печи. Зависимость сопротивления слоя шихты движущемуся газу от параметров слоя, газа и характера взаимодействия этих потоков. Мероприятия, направленные на повышение производительности доменной печи.
Теплообменные процессы в доменной печи. Истинная и кажущаяся теплоемкости шихтовых материалов. Изменение теплоемкостей и температуры шихты и газа по высоте доменной печи. Верхняя, нижняя и резервная тепловые зоны в доменной печи и их изменение в зависимости от параметров комбинированного дутья.
Материальные и тепловые балансы доменной плавки. Основные приходные и расходные статьи этих балансов. Методы составления тепловых балансов доменной плавки. Основные мероприятия по сохранению удельного расхода кокса при доменной плавке.
Методы интенсификации доменной плавки. Состояние и перспективы развития доменного производства в России и за рубежом.