Основы металлургического производства

Основы металлургического производства

1. Материалы, применяемые для производства металлов и сплавов.

Для производства металлов и сплавов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.

Промышленной рудой называется горная порода, из которой при данном развитии техники целесообразно извлекать металлы и их соединения.

Флюсы – материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой или концентратом и золой топлива (шлака).

Топливом в плавильных печах является кокс, природный газ, доменный газ.

Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного покрытия металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. Покрытие должно быть образованно из оксидов одного типа с флюсом (основным, кислотным или нейтральным). В противном случае произойдет разрушение покрытия.

2. Назначение флюса. Пример.

Флюсы в производстве металлов применяют для отделения от расплавленного металла пустой породы или концентрата или золы топлива.

Образованный шлак имеет меньшую плотность, нежели металл, благодаря чему он поднимается на поверхность и подвергается удалению.

Так при изготовлении чугуна применяется CaCO3 или доломитизированный известняк, содержащий CaCO3 и MgCO3, так как в шлаке нужно должно содержаться некоторое количество основных оксидов (CaO, MgO).

3. Назначение кокса. Получение.

В доменном производстве кокс играет роль топлива. Кокс получается на коксохимических предприятиях путем сухой безвоздушной перегонки каменного угля коксующихся сортов при 10000С. Кокс содержит 80-88% углерода, 8-12 % золы, 2-5% влаги, 0.5 – 1.8 % серы, 0,02 – 0,2 % фосфора и до 1-2% летучих компонентов. Кокс должен иметь размеры 25-60 мм и должен быть достаточно прочным, чтобы не разрушался под действием шихтовых материалов.

4. Назначение огнеупоров. Допустимые сочетания огнеупоров с флюсами. Пример.

Огнеупоры применяются для защиты поверхностей металлургических печей и ковшей, контактирующих с расплавленным металлом, от высоких температур, нагрузок, и химических воздействий металла и шлака. Огнеупоры бывают основными, кислыми и нейтральными. Допускается сочетание только однотипных флюсов и огнеупоров (т.е. кислые с кислыми, основные с основными), в противном случае произойдет разрушение огнеупорного покрытия.

Так, например, применимо сочетание кислого флюса, содержащего кислотный оксид SiO2, и кислого огнеупора, например кварцевого песка, содержащего 95% SiO2.

5. Определение чугуна.

Чугун – сплав железа с углеродом с концентрацией углерода более 2.14%.

Передельный чугун [C] =4 – 4.25%

Литейный чугун [C] =2.75-3.25%.

6. Исходные материалы, применяемые для получения чугуна.

При выплавке чугуна применяются железные руды, топливо, флюсы.

Железная руда содержит железо в различных соединениях:

· В виде оксидов

· Гидроксидов

· Карбонатов и т.д., а также пустую породу, состоящую в основном из оксидов Si, Mg, Al, Ca и др.

К железным рудам относится магнитный железняк Fe3O4 (55-60% Fe), красный железняк Fe2O3 (55-60% Fe) , бурый железняк (содержит гидраты оксидов железа 2Fe2O3*3H2O), шпатовые железняки (содержащие FeCO3 30-40%).

При изготовлении чугуна применяется CaCO3 или доломитизированный известняк, содержащий CaCO3 и MgCO3, так как в шлаке нужно должно содержаться некоторое количество основных оксидов (CaO, MgO).

7. Процесс агломерации.

Процесс агломерации заключается в следующем:

Шихту, состоящую из железной руды (40-50%), известняка (15-20%), возврата мелкого агломерата (20-30%), коксовой мелочи (4-6%), влаги (6-9%), спекают на агломерационных машинах при температуре 1300-15000С. При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера и мышьяк), разлагаются карбонаты, и получается кусковой пористый офлюсованный материал – агломерат.

8. Сущность основного принципа работы доменной печи. Схема доменной печи с указанием температур.

Сущность основного принципа работы доменной печи заключается в противотоке. Нерасплавленная шихта спускается вниз доменной печи, проходя через ряд химических реакций. Расплавленный металл поднимается вверх и тем самым поддерживает условия для протекания реакций на всей высоте доменной печи. Тем самым упрощается сам процесс, так как отпадает необходимость в искусственном создании условий, необходимых для протекания каждой реакции, каждый химический процесс находит свой горизонт.

9. Реакция горения углерода кокса.

C + O2 ® CO2 + Q1

CO2 + C ® 2CO - Q2

10. Уравнение восстановления железа в доменной печи.

3Fe2O3 + CO2 ® 3Fe3O4 + CO2 + Q3

Fe3O4 + CO ®3FeO + CO2 – Q4

FeO + CO ® Fe + CO2 + Q5

11. Продукты доменной печи.

· Чугун – основной продукт доменной печи

Литейный чугун – применяется на машиностроительных предприятиях для производства фасонных отливок.

Передельный чугун предназначен для переплавки в сталь в конвертерах или мартеновских печах.

· Доменные ферросплавы – сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Применяются для раскаления и легирования сталей.

· Побочные продукты – шлак и доменный газ. Из шлака изготавливают цемент, шлаковату. Доменный газ применяют как топливо для подогрева воздуха, подаваемого в доменную печь.

12. Определение стали.

Сталь – сплав Fe с C ([С] < 2.5%)

Высококачественная сталь ([С] < 0,6~0,7%).

13. Сущность металлургического процесса передела чугуна в сталь.

Сущность процесса переплавки чугуна в сталь заключается в снижении концентрации углерода и удаления вредных примесей, путем избирательного их окисления и перехода в шлак или газ.

14. Граница раздела шлак – сталь.

Граница обеспечивается тем, что расплавленный металл и шлак имеют разную плотность и нерастворимы друг в друге.

15. Основные этапы переплава чугуна в сталь.

Первый этап: Расплавление шихты и нагрев металла. Окисление железа. Удаление фосфора. Для более полного удаления фосфора в расплавленный металл добавляют шлак, содержащий CaO. Из-за нехватки FeO добавляют в металл руду или окалину (в виде шлака).

Второй этап: кипение металлической ванны, восстановление Fe из FeO с выделением углекислого газа. Вместе с всплывающими пузырьками поднимаются прилипшие к ним примеси (флотация). Удаление серы из металла в шлак. Чем выше температура, тем активнее удаляется сера.

Третий этап: раскисление стали (восстановление Fe из FeO).

16. Химическая реакция окисления железа при переплавке чугуна в сталь.

2Fe + O2 ® 2FeO + 527.36 кДж/моль;

17. Протекание основных химических реакций и физико-химических явлений на этапе расплава шихты и нагрева расплавленного металла.

2FeO + Si ® SiO2 + Fe + 330 кДж/моль;

5FeO + 2P ® P2O5 + 5Fe + 226 кДж/моль

FeO + Mn = MnO + Fe + 123 кДж/моль.

Ангидрид фосфора – нестойкое соединение. Его вытесняют из расплавленного металла с помощью CaO:

2P + 5FeO + 4CaO 4CaO*P2O5 + 5Fe

18. При кипении металла происходят следующие реакции:

FeO + C = CO + Fe – 153.93 кДж/моль

FeS + CaO = CaS + FeO (в шлаке)

FeS + CaO = CaS + FeO (на границе раздела металл – шлак).

19. Сущность раскисления стали, два основных способа раскисления.

Сущность раскисления заключается в восстановлении оксида железа, растворенного в жидком металле. Раскисление можно проводить двумя способами:

a) Осаждающим. Осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия). В результате раскисления восстанавливается железо, и образуются оксиды марганца, алюминия и кремния, обладающие меньшей плотностью, нежели сталь, удаляющиеся в шлак. Однако часть их может остаться в стали, что понижает её свойства.

b) Диффузионным. Осуществляется раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций, ферроалюминий мелкоизмельченными загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. В соответствии с законом распределения оксид железа, растворенный в стали, начнет переходить в шлак. Оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, что уменьшает содержание в ней неметаллических примесей и тем самым повышая её свойства.