Вступ

Технологія конструкційних матеріалів – наука про способи добування, будову, властивості та методи обробки металевих і неметалевих матеріалів.

Дисципліна разом з іншими загальнотехнічними дисциплінами (креслення, нарисна геометрія, технічна механіка, взаємозамінність, стандартизація та технічні вимірювання) дає необхідну загальноінженерну підготовку, забезпечує отримання знань, необхідних для роботи на виробництві; на базі цього предмету забезпечується засвоєння інших загальнотехнічних і спеціальних курсів.

Розділ і Виробництво чорних металів

Тема 1.1. Виробництво чавуну

1. Поняття чавуну.

2. Початкові матеріали для одержання чавуну.

3. Підготовка їх до плавки.

4. Конструкція і робота доменної печі.

5. Суть доменного процесу.

6. Продукти доменного виробництва.

7. Техніко-економічні показники роботи доменної печі.

Чавун – залізовуглецевий сплав, який містить більше 2,14% вуглецю.

Початкові матеріали:

1. Залізні руди.

2. Паливо.

3. Флюси.

Руда – природна мінеральна сировина, яка містить метали в кількості і вигляді, придатному для промислового використання. Руда складається з рудних мінералів (містять потрібний метал) і пустої породи.

До залізних руд належать:

1. Червоний залізняк (гематит) – залізо у вигляді Fe₂O₃ (45-65% заліза).

2. Бурий залізняк (лимонит) – залізо у вигляді Fe₂O₃^.Н₂О (25-50% заліза).

3. Магнітний залізняк (магнетит) – залізо у вигляді Fe₃O₄ (40-70% заліза).

Паливо – горюча речовина, при спалюванні якої виділяється велика кількість тепла.

Паливом для доменної плавки є кам’яновугільний кокс. Він забезпечує нагрів печі до необхідної температури та приймає участь у відновленні оксидів під час плавки.

Кам’яновугільний кокс одержують в результаті теплової обробки коксівного вугілля при температурі 1000 – 1100^оС без доступу повітря.

Флюси – речовини, які додають під час плавки для плавлення пустої породи руди і утворення шлаків (флюси + пуста порода + зола палива), для переводу з металу в шлак шкідливих домішок. Флюсом для доменної плавки є вапняк СаСО₃, іноді – доломіт CaMg(CO₃)₂

Початкові матеріали для плавки в певному ваговому співвідношенні називаються шихта.

Підготовка руд до доменної плавки (прискорює плавку і зменшує витрати коксу) включає:

• дроблення кусків руди;

• збагачення – попередня обробка руди для відокремлення частини пустої породи і збільшення вмісту рудних мінералів; для залізних руд застосовують промивання водою для відокремлення піщано-глиняної породи та магнітне збагачення – відокремлення магнітних мінералів від інших з допомогою магнітів;

• спікання (агломерація) – процес окускування дрібних рудних матеріалів при температурі 1200-1500^оС на спеціальних агломераційних стрічкових машинах із застосуванням палива – дрібного коксу; продукт спікання – агломерат.

Рисунок 1.1. Схема конструкції (а) і профіль (б) доменної печі:

1 - льотка для чавуну; 2 - фурма; 3 - розпар; 4 — шахта; 5 – стальний кожух;

6 - шамотна футерівка; 7 - конус великий; 8 — труба газовивідна; 9 - колошник;

10 - чаша; 11 - конус малий; 12 - заплечики; 13 - горн; 14 - льотка для шлаку.

Чавун із залізних руд одержують в доменних печах. Це шахтна (вертикальна) піч, що має стальний корпус, викладена всередині шамотною цеглою (вогнетривким матеріалом). Домна має такі основні зони (зверху донизу): колошник, шахта, розпар, заплечики, горн. Через колошник в піч завантажують шихту окремими порціями – колошами. До колошника шихту доставляють два похилі скіпові підйомники. Шахта має форму зрізаного конусу, що розширюється донизу. Заплечики від розпару звужуються до горна, утримуючи тверду шихту в розпарі і шахті. У верхній частині горна розташовані фурменні отвори – фурми (16-20 шт.), через які під тиском подається підігріте (900-1200^оС) збагачене киснем повітря, що забезпечує горіння палива (дуття).

При горінні коксу шихта нагрівається, плавиться і поступово опускається донизу. Назустріч шихті піднімаються гарячі гази. В результаті взаємодії компонентів шихти і газів на рівні розпару і заплечиків утворюється тверде губчасте залізо, яке потім насичується вуглецем, плавиться і стікає в горн. В горні накопичується рідкий чавун, а над ним – рідкий шлак (ρ_чав.=6,9 г/см³, ρ_шл.=2,5 г/см³).

Чавун і шлак періодично (кожні 2-3 години) випускають з печі через льотки (окремо чавун і шлак) t_чав.=1300-1450^оС, t_шл.= t_чав.+40-80^оС.

Чавун по жолобу потрапляє в ковші, з яких розливається у форми – виливниці, або зливається у міксер.

Піч працює безперервно 4-8 років. Корисна висота печі – до 40 м; корисний об’єм – до 5000 м³.

Суть доменної плавки – відновлення заліза із його оксидів, що містяться в руді.

Етапи доменного процесу:

1. Горіння вуглецю палива: С + О₂ → СО₂

СО₂ реагує з коксом: СО₂ + С → СО

2. Розкладання компонентів шихти.

3. Відновлення оксидів.

Головний відновник – газ СО:

Fe₂O₃ + CO → Fe₃O₄ + CO₂ + Q

Fe₃O₄ + CO → FeO + CO₂ + Q

FeO + CO → Fe_тв + CO₂ + Q

Відновлення відбувається також вуглецем:

FeO + C → Fe + CO

Відновлюються також оксиди марганцю, кремнію, фосфору.

4. Навуглецьовування заліза – відбувається в розпарі і заплечиках при взаємодії губчастого заліза з газом СО і потім рідкого чавуну з розпеченим коксом.

5. Шлакоутворення – шлак утворюється з пустої породи, золи коксу і флюсу, він плавиться в розпарі і заплечиках і стікає в горн.

Продукти доменного виробництва:

1. Чавун:

1.1. Переробний чавун – для переробки на сталь.

1.2. Ливарний чавун – для виробництва чавунних відливок.

1.3. Феросплави (мають підвищений вміст одного або кількох елементів – Si, Mn, Cr та ін.) – застосовують при виробництві сталі.

2. Доменний газ – відводиться через спеціальні труби, очищується і використовується як паливо для підігріву доменного дуття та в інших печах.

3. Доменний шлак – після випуску з печі його гранулюють і переробляють в різні будівельні матеріали.

Техніко-економічні показники роботи доменної печі:

1. Коефіцієнт використання корисного об’єму:

,

де W – корисний об’єм печі, м³;

Q – добовий випуск чавуну, т.

Чим менше КВКО, тим краще працює піч (до 0,35).

2. Витрати коксу на виробництво 1 т чавуну: ≈ 550 кг.

3. Продуктивність печі – кількість чавуну, виплавленого за добу, місяць, рік.