Сущность доменного процесса для получения чугуна. Классификация чугунов схема и принцип работы доменной печи.
Чугун — это сплав железа с углеродом, количество которого составляет от 2 до 3,6 %. Кроме того, в чугуне имеются примеси кремния, марганца, фосфора и серы. Легированный чугун — это чугун, в состав которого входят специальные добавки, такие как хром, никель и молибден. Легированный чугун отличается высокой коррозионной стойкостью и жаропрочностью, а также имеет хорошие механические свойства. Для процессов плавки применяются несколько видов топлива: газообразное, твердое и жидкое. Топлива могут быть естественными и искусственными.
К газообразному естественному топливу относится природный, добываемый из земных недр газ, к газообразному искусственному — генераторный газ, ацетилен, светильный газ и др. К твердому естественному топливу относятся каменный уголь, бурый уголь, торф и древесина, а к твердому искусственному — кокс, брикеты и древесный уголь. К жидкому естественному топливу относится нефть, а к жидкому искусственному — продукты перегонки нефти: соляровое масло, керосин, бензин и др. Доменная печь — это шахтная печь для выплавки чугуна из железной руды, в которой исходные материалы для плавки перемешаны и постепенно опускаются навстречу поднимающимся горячим газам.
Входящие в шихту исходные материалы — руда, топливо и флюсы — загружаются сверху через загрузочное устройство в колошник доменной печи, а нагретый воздух через фурмы подается в нижнюю цилиндрическую часть печи — горн. Получающийся в результате восстановления руды в доменной печи чугун и шлак скапливаются в металлопри- емнике нижней части горна, образуя вследствие разницы удельных весов два слоя (чугун — нижний, шлак — верхний), которые периодически выпускаются через специальные отверстия — чугунную и шлаковую лётки. Внутри печь выложена огнеупорным кирпичом. Загрузка доменной печи производится сверху, слив чугуна и шлака — через нижнюю часть доменной печи. Доменная печь загружается железной рудой, топливом (коксом) и флюсом (известняком).
Обогащение руды можно производить механическим и магнитным способами. Доменный процесс — это процесс получения чугуна из руды в доменных печах. В результате многочисленных физических изменений и химических реакций, происходящих под воздействием высоких температур в доменной печи, из руды получается чугун. Этот процесс протекает при температуре в нижней части доменной печи (в горне) 1700 °С и в верхней части (в колошнике) — 550 °С.
Основным продуктом доменного производства является чугун, побочными — доменный шлак, доменный газ и колошниковая пыль. В доменной печи получают белый (передельный) и серый (литейный) чугуны. Содержание углерода в чугуне 2—3,6 %. Белый чугун — твердый и хрупкий материал. Поэтому его механическая обработка затруднена. Это передельный чугун, используемый для получения стали и ковкого чугуна. В небольших количествах белый чугун используется для литья дорожных катков, где большое значение имеет твердость и отсутствует ударная нагрузка. Так как белый чугун содержит карбид железа, то на изломе он имеет белую окраску.
Серый чугун (литейный) из-за малой усадки при литье и хорошей текучести применяется для литья. Серый чугун характеризуется большой прочностью на сжатие, однако плохо сопротивляется ударам. Его нельзя подвергать растяжению, скручиванию и гибке. В отличие от белого чугуна, серый чугун мягкий и хорошо обрабатывается. В зависимости от условий и режима плавки получают белый или серый чугуны. К химическим элементам, которые входят в состав чугуна и оказывают влияние на его свойства, относятся: сера — ухудшает текучесть и вызывает плохое заполнение форм, тормозит выделение графита, повышая из-за этого твердость чугуна.
Схема доменной печи:
1 – загрузочная воронка; 2 – загрузочный конвейер; 3 – шахта; 4 – шлаковая лётка; 5 – фурма; 6 – шлаковоз; 7 – чугунная лётка; 8 – чугуновоз; 9 – отходящий газ; 10 – газоочистка; 11 – воздухонагреватели
Сталь. Сравнительная характеристика основных способов производства стали: в конвертерах, мартенах, электропечах.
Сталь - сплав железа с углеродом (и другими элементами), содержание углерода в котором не превышает 2,14 %. Углерод придаёт прочность сплавам железа. Сталь — важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта и т. д.
В настоящее время существует несколько приоритетных способов производства стали. К ним относятся кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный способы производства (или плавления) стали. В основе всех этих способов лежит окислительный процесс, направленный на снижение в чугуне некоторых веществ. Давайте остановимся на каждом способе более подробно и рассмотрим их отличия.
Кислородно-конвертерный способ
Первое использование кислородно-конвертерного способа приходится на пятидесятые годы двадцатого столетия. В процессе производства стали, чугун продувают в конвертере чистым кислородом. При этом, процесс происходит без затраты топлива. Для того, чтобы переработать 1 тонну чугуна в сталь требуется около 350 кубометров воздуха. Стоит отметить, что кислородно-конвертерный способ получения стали является наиболее актуальным на сегодняшний день. При этом, процесс не ограничивается на одном способе вдувания кислорода. Различают кислородно-конвертерный процесс с комбинированной, верхней и нижней поддувкой. Конвертерный способ производства стали с комбинированной поддувкой является наиболее универсальным.
Для осуществления этого метода необходим конвертер. Подача кислорода осуществляется через водоохлаждаемую фурму под давлением. В данном случае, процесс окисления является наиболее значимым. Окисление чугуна происходит под воздействием дутья. В результате окисления выделяется тепло, что способствует снижению примесей и повышению температуры металла. далее происходит так называемое раскисление металла.
Мартеновский способ
В процессе производства стали мартеновским способом, участвует специальная отражательная печь. Для того чтобы нагреть сталь до нужной температуры (2000 градусов), в печь вводят дополнительное тепло с помощью регенераторов. Это тепло получают за счет сжигания топлива в струе нагретого воздуха. Обязательное условие – топливо должно полностью сгорать в рабочем пространстве. Особенностью мартеновского способа производства стали является то, что количество кислорода, подаваемого в печь, превышает необходимый уровень. Это позволяет создать воздействие на металл окислительной атмосферы. Сырье (чугун, железный и стальной лом) погружается в печь, где подвергается плавлению в течение 4 – 6 часов. В процессе плавления есть возможность проверять качество металла, путем взятия пробы. В мартеновской печи возможно получать специальные сорта стали. Для этого в сырье вводят необходимые примеси.
Электросталеплавильный способ
В результате электросталеплавильного способа, получают сталь высокого качества. Процесс этот происходит в специальных электрических печах. Основной принцип электросталеплавильного способа производства стали – использование электроэнергии для нагрева металла. Механизм производства следующий: в результате горения нагревательного элемента, выделяется тепло, за счет преобразования электроэнергии в тепловую энергию. Важно отметить, что процесс выплавки связан с выработкой шлаков. Качество получаемой стали во многом зависит от количества и состава шлаков. Основной причиной образования шлаков, в процессе производства стали, является окисление шихты из оксидов.
Благодаря шлакам, происходит связь оксидов, которые образуются в процессе окисления чугуна, а так же удаление ненужных примесей. Кроме этого, шлаки являются передатчиками тепла и кислорода. Присутствие шлаков в процессе производства стали оказывает благотворное влияние на качество стали. Определенное соотношение количества шлаков выводит из стали ненужные вредоносные вещества, например, фосфор. Кроме вышеперечисленных способов производства стали, известны и такие способы, как производство стали в вакуумных индукционных печах, плазменно-дуговая сварка.