ЛЕКЦИЯ 2 3 ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ЛЕКЦИЯ 2, 3 ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЯ. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Жизненный цикл изделия (ЖЦИ) - это совокупность процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенной продукции до момента удовлетворения этих потребностей и утилизации продукта Этапы жизненного цикла • Маркетинговые исследования рынка • Заявка на разработку (техническое задание) • Проектирование • Подготовка производства • Производство • Реализация • Эксплуатация • Утилизация

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Современное металлургическое производство представляет собой комплекс различных производств, базирующихся на месторождениях руд и коксующихся углей, энергетических комплексах. Оно включает: 1. шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей; 2. горнообогатительные комбинаты, где обогащают руды, подготавливая их к плавке; 3. коксохимические заводы (подготовка углей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов); 4. энергетические цехи для получения сжатого воздуха (для дутья доменных печей), кислорода, очистки металлургических газов; 5. доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов или цехи для производства железорудных окатышей; 6. заводы для производства ферросплавов; 7. сталеплавильные цехи для производства стали; 8. прокатные цехи для переработки стальных слитков в прокат.

Все металлы делятся на две основные группы: черные u цветные. К черным металлам относятся железо и его сплавы (чугун, сталь, ферросплавы), хром, марганец. Группа цветных металлов объединяет все остальные металлы, которая в свою очередь подразделяется на несколько подгрупп: 1. легкие металлы (алюминий, магний и др. ); 2. тяжелые (медь, никель, свинец, цинк и др. ); 3. малые цветные металлы (кобальт, молибден, вольфрам, и др. ); 4. благородные (золото, серебро, платина и др. ); 5. редкие (лантан, церий, неодим и др. ); 6. радиоактивные (уран, плутоний и др. ).

Металлургический комплекс России включает в себя более 3 тысяч предприятий и организаций, в том числе 200 компаний по заготовке сырья, полуфабрикатов и производству черных металлов (2010 г. ). По итогам года Китай произвел 567, 8 млн. тонн стали, Япония — 87, 5 млн. тонн, РФ — 60 млн. тонн, потеснив на четвертую позицию США (58, 1 млн. тонн). Доля отрасли в ВВП страны, по оценкам центра “Укрпромвнешэкспертиза”, составляет около 5%, в промышленном производстве — 17, 3%, в общей структуре экспорта — 14, 2%. Кроме того, “чермет” сам является крупным потребителем: в 2009 году российские металлурги потребили 32% электроэнергии, 25% природного газа, 10% нефти и нефтепродуктов. Россия является мировым лидером по себестоимости выплавки стали : этот показатель составляет 200 -210 долларов за тонну, в то время как в Китае — 330 долларов, в Турции — 370 долларов. Прогноз на 2011 год предусматривет производство проката на уровне 55 млн. тонн, на 2015 год — 72 млн. тонн, а в 2020 году российские металлурги должны выйти на 80 млн. тонн

Материалы для производства черных и цветных металлов Для производства чугуна, стали и сплавов цветных металлов применяют исходные материалы - руду, топливо, флюсы, а также огнеупорные материалы.

Руда. В природе большинство металлов находятся в виде различных химических соединений (окислов, силикатов, карбонатов, сернистых соединений), входящих в состав сложных минералов образующих горные породы. Для получения металлов добывают те горные породы, которые содержат в значительном количестве какой-либо металл и извлечение его экономически целесообразно. Такие породы принято называть рудами. Кроме соединений, содержащих добываемый металл, в руде присутствуют другие соединения, составляющие так называемую пустую породу. В процессе обработки руды и плавки из этих соединений частично извлекаются элементы, которые становятся примесями в добываемом металле. Большая же часть пустой породы отделяется или сплавляется с флюсами, образуя шлак. В зависимости от количества добываемого металла руды называют богатыми или бедными. Бедную руду подвергают специальной обработке (обогащению) для удаления из нее части пустой породы и получения продукта (концентрата) с увеличенным содержанием нужного металла. Руды обычно называются по одному или нескольким металлам, содержащимся в них. Например, железные, марганцевые, медные, хромоникелевые, железо-ванадиевые и др.

Флюсы. Флюсом называется материал, загружаемый в плавильную печь для образования шлака - легкоплавкого соединения с пустой породой руды и золой топлива. Шлак имеет меньший удельный вес, чем выплавляемый металл, располагается над металлом и может быть при необходимости удален. Также шлак служит для защиты металла от печных газов и воздуха. Топливо. Основными видами топлива, применяемого в металлургических печах, являются: кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ. Топливо служит не только как горючее для нагрева и расплавления материалов, но и как реагент в химических реакциях металлургических процессов. Огнеупорные материалы. Применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. Они должны выдержать нагрузки при высоких температурах (не ниже 1580°С) и противостоять резким изменениям температуры, химическому воздействию шлака и печных газов.

Чугун Доля черных металлов составляет около 95% от общего объема производства металлов. Черные металлы широко применяют в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве, в быту. В земной коре содержаться большие запасы рудного сырья в виде оксидов железа. Железо является одним из наиболее распространенных элементов в земной коре (четвертое место после кислорода, кремния, алюминия). Оксиды железа встречаются в природе в виде больших месторождений. Затраты на добычу руды оказываются невысокими. Черные металлы удовлетворяют большинству требований, предъявляемых к конструкционным материалам в машиностроительной, строительной и других отраслях промышленности. Чугуном называется железоуглеродистый сплав, содержащий более 2, 14 % углерода. Кроме того, в чугуне имеются постоянные примеси: кремний, марганец, фосфор и сера. Чугун получают из железорудных материалов, которые подвергают плавке в доменных печах. Основными материалами, необходимыми производстве чугуна, являются руда, топливо и флюс.

Подготовка руд к плавке -Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной для плавки величины. Куски руды дробят и сортируют на дробилках и классификаторах. Обогащение бедных руд для получения концентратов с содержанием до 6365% железа. Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в ее состав: плотностей составляющих, магнитных, физико-химических свойств минералов и осуществляется а) Промывка водой дает возможность отделить от руды часть пустой породы, состоящей из рыхлой песчаной массы и глины. б) Гравитационный способ обогащения (отсадка) - отделении руды от более легкой пустой породы, путем пропускания струи воды через дно вибрирующего сита, на котором лежит руда. в) Электромагнитное обогащение - тонко измельченную руду подвергают действию магнита, который притягивает к себе частицы руды, содержащие окислы железа, отделяя их от пустой породы. -Окускование производят для переработки концентратов после обогащения в кусковые материалы необходимых размеров агломерацией(спеканием мелкой шихты на специальной агломерационной машине) и окатыванием (тонко измельченные концентраты в увлажненном состоянии окатываться во вращающихся барабанах в шарики диаметром 15 -40 мм (окатыши).

Получение чугуна Сущность процесса получение чугуна заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды оксидом углерода, водородом и твёрдым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива. Производство чугуна осуществляется в доменных печах. Загруженные в печь шихтовые материалы в результате процесса превращается в чугун, шлак и доменный газ.

Доменная печь имеет стальной кожух, в верхней части которого находится засыпной аппарат для загрузки шихты. При работе печи шихта проплавляясь, опускаются. В нижней части находятся устройства, через которые в печь поступает нагретый до 1000… 1200 о. С воздух для горения топлива. Полезная высота печи 35 м, а полезный объем 2000… 5000 м 3. Доменный процесс непрерывный. Кокс поступает в горн нагретым до 1400… 1500 о. С. В зонах горения углерод кокса взаимодействует с кислородом дутья. С +О 2 = СО 2 +О

Диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода неустойчив и превращается в оксид углерода СО 2 +С = 2 СО – О. Смесь газов оксида углерода, азота и небольшого количества водорода, нагретая до 1800… 2000 о. С, поднимается вверх и передает тепло материалам. При этом газы охлаждаются до 200… 450 о. С. В процессе нагревания опускающихся материалов происходит удаление из них влаги и летучих веществ кокса и разложение карбонатов. При этом оксиды железа постепенно переходят в железо Fe 2 O 3 →Fe 3 O 4→ Fe. O→ Fe. Свежевосстановленное железо науглероживается еще в твердом состоянии, температура плавления его понижается. При температуре 1000… 1100 о. С восстановление железа заканчивается и начинают восстанавливаться более трудновосстановимые кремний, марганец и фосфор. Науглероженное железо(4%С) и некоторое количество кремния, марганца и фосфора стекают в виде капель чугуна в горн. В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. Шлак скапливается на поверхности жидкого чугуна, так как имеет меньшую плотность. Чугун выпускается из печи каждые 3… 4 часа, а шлак – каждые 1… 1, 5 часа. Чугун поступает в кислородно-конверторные или мартеновские цеха или разливается в изложницы разливочной машиной, где затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

Производство стали Сталь- железоуглеродистый сплав, содержащий 2, 14% С ( практически до 1, 5 %, при большем содержании значительно увеличивается твердость и хрупкость сталей и они не находят широкого применения), а также постоянные примеси - кремний, марганец, фосфор и серу. Легированные марки сталей, кроме постоянных примесей, могут содержать: хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, медь и др. Основные исходные материалы для получения стали: передельный чугун и стальной лом (скрап). Выплавку стали производят в плавильных печах: конвертерах, мартеновских, электрических и других. Стоимость повторного использования в значительной мере зависит от качества металлолома. Металлолом, содержащий олово или медь, нежелателен в производстве стали, поскольку эти трудноудаляемые металлы ухудшают механические свойства стали. Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне. Поэтому сущность любого металлургического передела чугуна в сталь - снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Чугун и скрап помещают в печь и одновременно нагревают и подвергают окислению. В результате окислительного процесса в металле уменьшается содержание углерода и примесей. Углерод, соединяясь с кислородом превращается в газ - окись углерода СО, который удаляется в атмосферу печи. Кремний, марганец, фосфор, железо и сера образуют окислы и другие соединения, не растворимые или малорастворимые в металле (Si 02, Мn. О и др. ). Они при благоприятных условиях плавки всплывают на поверхность расплавленного металла и вместе с флюсом образуют шлак. Образующийся при окислении железа оксид железа Fe. O частично растворяется в металле и этим ухудшает его свойства. Поэтому обязательным процессом, который завершает процесс получения стали, является ее раскисление (уменьшение содержания в ней кислорода) Сталь выпускает из печи в разливочные ковши, а затем разливают, получая слитки. Легирование стали осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в расплав. Ni , Cо, Mo, Cu вводят в любое время плавки, Si, Mn, Al, Cr, V, Ti, у которых сродство к кислороду большее, чем у железа вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда в ковш. Кислородно-конвертерный способ производства стали самый производительный. В конвертерах металл сверху продувается технически чистым кислородом. Получаемая при этом сталь по качеству не уступает мартеновской стали и превосходит ее по способности к глубокой вытяжке и штампуемости. Температура в печи в области подачи кислорода 2400 о. С.

Производство стали в мартеновских печах Схема мартеновской печи Современная мартеновская печь - вытянутая в горизонтальном направлении камера из огнеупорного кирпича. Рабочее плавильное пространство ограничено снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. В передней стенке имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней – отверстие 9 для выпуска готовой стали. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов.

Горячий газ подают в печь по центральному каналу, воздух – по двум боковым. через головки печи 2, которые служат для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. В качестве топлива используют природный газ, мазут. Для подогрева воздуха и газа при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора 1. Регенератор – камера, в которой размещена насадка – огнеупорный кирпич, выложенный в клетку, предназначен для нагрева воздуха и газов. Отходящие от печи газы имеют температуру 1500… 1600 0 C. Попадая в регенератор, газы нагревают насадку до температуры 1250 0 C. Через один из регенераторов подают воздух, который проходя через насадку, нагревается до 1200 0 C и поступает в головку печи, где смешивается с топливом, на выходе из головки образуется факел 7, направленный на шихту 6. Отходящие газы проходят через противоположную головку (левую), очистные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа частиц шлака и пыли и направляются во второй регенератор. Охлаждённые газы покидают печь через дымовую трубу 8. После охлаждения насадки правого регенератора переключают клапаны, и поток газов в печи изменяет направление. Температура факела пламени достигает 1800 0 C. Факел нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке. Продолжительность плавки составляет 3… 6 часов, для крупных печей – до 12 часов. Готовую плавку выпускают через отверстие, расположенное в задней стенке на нижнем уровне пода. Отверстие плотно забивают мало спекающимися огнеупорными материалами, которые при выпуске плавки выбивают. Печи работают непрерывно, до остановки на капитальный ремонт – 400… 600 плавок.

Кислородно-конверторный

Производство стали в электропечах Плавильные электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами: а) легко регулировать тепловой процесс, изменяя параметры тока; б) можно получать высокую температуру металла, в) возможность создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений. Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сплавов и сталей. Различают дуговые и индукционные электропечи.

Дуговая печь питается трёхфазным переменным током. Имеет три цилиндрических электрода 9 из графитизированной массы, закреплённых в электрододержателях 8, к которым подводится электрический ток по кабелям 7. Между электродом и металлической шихтой 3 возникает электрическая дуга. Схема дуговой печи Корпус печи имеет форму цилиндра. Снаружи он заключён в прочный стальной кожух 4, внутри футерован основным или кислым кирпичом 1. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной 12 и сводом 6. Съёмный свод 6 имеет отверстия для электродов. В стенке корпуса имеется рабочее окно 10 (для слива шлака, загрузки ферросплавов, взятия проб), закрытое при плавке заслонкой. Готовую сталь выпускают через сливное отверстие со сливным желобом 2. Печь опирается на секторы и имеет привод 11 для наклона в сторону рабочего окна для скачивания шлака или желоба для слива стали. Печь загружают при снятом своде. Вместимость печей составляет 0, 5… 400 тонн.

Дуговые плавильные печи

Индукционные тигельные плавильные печи Выплавляют наиболее качественные коррозионностойкие, жаропрочные и другие стали и сплавы, к которым предъявляются повышенные требования. Вместимость от десятков килограммов до 30 тонн. Индукционные печи могут оснащаться системами для создания вакуума или контролируемых атмосфер. Так как в индукционных печах тепло возникает в металле, шлак в них нагревается только через металл. Печь состоит из водоохлаждаемого индуктора 3, внутри которого находится тигель 4 с металлической шихтой, через индуктор от генератора высокой частоты проходит однофазный переменный ток повышенной частоты (500… 2000 Гц). При пропускании тока через индуктор в металле 1 индуцируются мощные вихревые токи, что обеспечивает нагрев и плавление металла.