МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ Материалы для производства

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

Материалы для производства чугуна и стали Для производства чугуна, стали используют руду, флюсы, топливо ( кокс, природный газ). Промышленной рудой называют горную породу, из которой извлекают металлы или их соединения. Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения и пустой породы(т. е. различных примесей). Например, магнитный железняк( Fe 3 O 4 ) Флюсы - это материалы которые служат для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды. Са. СО 3 – известняк; Са. СО 3 х. Mg. СО 3 – доломитизированный известняк,

Кокс получают в коксовых печах сухой перегонкой каменного угля при температуре 1000 o. C (без доступа воздуха). Куски кокса имеют размеры 25… 60 мм Для экономии часть кокса заменяют природным газом или мазутом. Природный газ (CH 4 - метан, C 2 H 6 - этан) содержит 90… 98 % углеводов. Мазут содержит 84… 88% углерода, 10… 12% водорода. Каменный уголь Кокс Смесь руды, кокса и флюса(известняка) называется шихтой. Шихта являются исходным материалом для получения чугуна

Шихтовые материалы

Производство чугуна Подготовка шихты к плавке проводится с целью увеличения содержания железа в шихте и уменьшения в ней вредных примесей – серы и фосфора: а) дробление и сортировка руды; б) обогащение руды (промывка от глины и песчаной массы; обжиг) – железной руды (40… 50%), известника (15… 20%), возврата мелкого агломерата (20… 30%), кокса (20… 30%); в) агломерация (спекание шихты при 1300. . 1500 о. C) и окатывание (шарики ⌀ 10. . 30 мм).

Основные реакции в доменной печи При подаче горячего воздуха в рабочее пространство печи ( 1800… 19000 С) углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорает: С + О 2 = СО 2 + Q 1; С + СО 2 = 2 СО - Q 2; Q 1 » Q 2 В результате горения образуются СО и СО 2 и выделяется теплота. Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их. Шихта (агломерат) опускается на встречу потоку газов, и при температуре 5700 C начинается восстановление оксидов железа. Восстановление железа в доменной печи. Восстановление железа из руды в доменной печи происходит в несколько стадий, от высшего оксида к низшему: Fe 2 O 3 → Fe 3 O 4 → Fe. O → Fe 3 Fe 2 O 3 + СО → 2 Fe 3 O 4 + CO 2 + Q Fe 3 O 4 + CO → 3 Fe. O + CO 2 + Q Fe. O + CO → Fe + CO 2 + Q

Конструкция доменной печи. Доменная печь – это печь шахтного типа, работающая по принципу противотока (газы к верху, шихта вниз). Доменная печь 1 - газоотводящий патрубок 2 - засыпной аппарат 3 - футеровка (огнеупорная кладка) 4 - сварные стальные листы 5 - стальные трубки с водой (для охлаждения футеровки) 6 - стальные колонны 7 - нижняя летка (для выпуска чугуна) 8 - нижнее металлическое кольцо 9 - верхняя летка (для выпуска шлака) 10 - кольцевой коллектор с втулками (для подачи под давлением воздуха в горн печи)

Схема работы доменного цеха 1 - ж/д платформа (вагон-весы) 2 - расходуемый бункер 3 - вагонетка 4 - наклонный подъемник 5 - засыпной аппарат 6 - доменная печь 7 - ковш для чугуна 8 - шлаковая чаша 9 - воздухонагреватели 10 - дымовая труба 11 - блок очистителей (очистка доменного газа от пыли)

Продукты доменной плавки В результате процесса восстановления оксидов железа и части оксидов марганца и кремния, в доменной печи образуется чугун, Чугун – основной продукт доменной плавки. . Передельный чугун выплавляают для передела его в сталь. Литейный чугун используют на машиностроительных заводах при производстве фасонных отливок. Он содержит больший процент кремния (2, 75… 3, 25% Si). В результате сплавления оксидов Al 2 O 3, Ca. O, Mg. O, пустой породы руды, флюсов образуется шлак. Шлак. легкоплавкое соединение флюса с пустой породой руды Шлак стекает в горн и скапливается на поверхности жидкого чугуна благодаря меньшей плотности. Он защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (Si. O 2, P 2 O 5), и основным, если в его составе больше основных оксидов (Ca. O, Mg. O, Fe. O и др. ).

КИПО (коэффициент использования полезного объема печи) - это отношение полезного объема печи (V, м 3) к ее среднесуточной производительности Р(т) выплавленного чугуна. На практике значения КИПО лежит в пределах 0, 5… 0, 7.

Производство стали Сталью называется сплав железа с углеродом, с содержанием углерода менее 2, 14%. Низкоуглеродистые - до 0, 3% C. Среднеуглеродистые - 0, 3… 0, 5% C. Высокоуглеродистые - свыше 0, 5% C. Легированные- стали с добавлением Cr , V, Mo, Ni, W

Сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей (Si, Mn, P и S) путем их окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки. Материалы С Si Mn P S Передельный чугун 4… 4, 4 0, 75. . . 1, 25 До 1, 75 0, 15… 0, 3 До 0, 07 Сталь низкоуглеродистая 0, 15… 0, 22 0, 12… 0, 3 0, 4… 0, 65 До 0, 05

Химические процессы передела чугуна в сталь В соответствии с законом действующих масс скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Так как в чугуне наибольшее количество железа, то оно окисляется в первую очередь Fe + 1/2 O 2 = Fe. O + Q Образующийся оксид железа при высоких температурах растворяется в железе и отдает свой кислород более активным элементам – примесям в чугуне, окисляя их. 2 Fe. O + Si = Si. O 2 + 2 Fe + Q 5 Fe. O + 2 P = P 2 O 5+5 Fe + Q Fe. O + Mn = Mn. O + Fe + Q Fe. O + C = CO + Fe - Q

Удаление примесей После расплавления шихты в сталеплавильной печи образуется две несмешивающиеся среды: жидкий металл и шлак, содержащий Ca. O. Металл и шлак разделяются из-за различных плотностей. Убирая шлак с поверхности металла и наводя новый путем подачи флюса требуемого состава, можно удалять вредные примеси (серу, фосфор) из металла. Удаление серы: Fe. S + Ca. O = Fe. O + Ca. S Удаление фосфора: (Fe. O)3 P 2 O 5 + 4 Ca. O = (Ca. O)4 P 2 O 5 + 3 Fe. O Поэтому регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управления металлургическими процессами.

Производство стали в мартеновских печах Схема мартеновской печи 1 - регенератор 2 - головка печи (служит для смешивания топлива с воздухом) 3 - трубка с кислородом 4 - загрузочное окно 5 - передняя стенка 6 - шихта 7 - факел 8 - дымовая труба 9 - желоб для выпуска стали 10 - задняя стенка 11 - свод печи 12 - подина Примечание: Устаревший способ производства стали, всего 2% мирового объема

Производство стали в мартеновских печах(продолжение) В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса: Скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55… 75%), скрапа(стального лома) и железной руды, Скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 30… 45% чушкового передельного чугуна, . Наибольшее количество стали производится скрап-рудным процессом Схема технологического процесса 1. Загрузка(чугун, скрап, известняк, руда) 2. Плавление, окисление примесей 3 Кипение-продувка кислородом 4. Раскисление(Подача ферромарганца, феросилиция, алюминия)

Производство стали в кислородном конвертере Кислородно-конвертерный процесс – это выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму. Шихтовыми материалами кислородноконвертерного процесса являются: жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30%), известь (как флюс), железная руда, а также боксит (Al 2 O 3) и плавиковый шпат (Ca. F 2).

Кислородный конвертер – это сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованной основным кирпичом. Емкость конвертера 130… 150 тонн жидкого чугуна. В процессе работы конвертер может поворачиваться на цапфах вокруг горизонтальной оси на 3600 для завалки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Производство стали в электропечах Плавильные электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами, так как в них можно получать высокую температуру (до 25000 С) металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет выплавлять сталь любого состава, раскислять металл с образованием минимального количества не металлических включений – продуктов раскисления. Поэтому электропечи используют для выплавки конструкционных высоколегированных, инструментальных, специальных сталей и сплавов.

Схема дуговой плавильной печи на переменном токе 1 - поддон печи 2 - желоб для выпуска стали 3 - металлическая шихта 4 - корпус печи (стальной лист и огнеупорный материал) 5 - наклонные стенки печи 6 - свод печи 7 - кабель (от источника тока) 8 - электрододержатель 9 - графитовый электрод 10 - рабочее окно (для управления ходом плавки) 11 - механизм наклона печи 12 - подина печи

Электропечь на постоянном токе

Технология производства стали в дуговых печах В печь загружают шихту. Стальной лом (до 90%), чушковый предельный чугун (до 10%), кокс (2… 3%) известь (Ca. O). Затем электроды опускают и включают ток; шихта под действием электрического тока плавится, металл накапливается на подине печи. После нагрева металла и шлака до температуры 1500 o. C в печь загружают руду и известь и происходит окисление углерода. Когда содержание углерода будет меньше заданного на 0, 1%, кипение прекращают и удаляют из печи шлак. Раскисление производят с помощью подачи силикомарганца и силикокальция.

Метод прямого восстановления железа из руды В настоящее время с выплавкой чугуна в доменных печах все более широко используют процессы прямого восстановления железа из руд, с последующей его плавкой в электропечах для получения стали. Этот процесс состоит из двух этапов: – Получение из руды твердого губчатого железа; – Получение стали из губчатого железа в электропечах. Добытую в карьерах руду обогащают и получают окатыши. Для восстановления железа из окатышей в печь подают смесь природного и доменного газов. В печи барабанного или шахтного типа смесь разлагается на водород (H 2) и оксид углерода (СО). В восстановленной зоне печи создается температура газов 1000… 1100 0 С, при которой водород и оксид углерода восстанавливают железную руду в окатышах до твердого губчатого железа. Fe. O + H 2 = Fe + H 2 O Fe. O + СО = Fe + CO 2 В результате содержание железа в окатышах достигает 90… 95%. Далее окатыши поступают на выплавку стали в электропечах.

Разливка стали Изложницы – чугунные формы для изготовления слитков. . В сталеплавильных цехах получают слитки массой от 0, 1 до 250 т. Сталь разливают в изложницы сверху, снизу (сифоном) и на машинах непрерывного литья. В изложницу сверху сталь разливают непосредственно из ковша. 1 - сталеразливочный ковш 2 - жидкая сталь 3 - центральный литник 4 - огнеупорная трубка 5 - изложница 6 - поддон 7 - канал

Сифонная разливка стали

Непрерывная разливка стали состоит в том, что жидкую сталь из ковша 1 через промежуточное разливочное устройство 2 непрерывно подают в водоохлаждаемую изложницу без дна – кристаллизатор 3, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток 4. Скорость вытекания слитка из кристаллизатора зависит от сечения. Например, скорость вытягивания слитков с сечением 150 х 500 мм около 1 метра в минуту. Вследствие направленного затвердевания при непрерывной разливке слиток имеет плотное строение и мелкозернистую структуру, в них отсутствуют усадочные раковины. 1 - сталеразливочный ковш 2 - промежуточное устройство 3 - кристаллизатор (водоохлаждаемый) 4 - затвердевший металл 5 - тянущие валки 6 - форсунки для охлаждения слитка 7 - зона резания 8 - ацетиленокислородный резак

Спокойная сталь(а), кипящая сталь(б), полуспокойная сталь(в): 1 – усадочная раковина; А – корка; Б – столбчатые кристаллы (дендриты); В – неориентированные кристаллы; Г – усадочная рыхлость; Д – средняя зона с отдельными пузырьками; К – зона вторичных крупных пузырьков; П – зона сотовых пузырьков; С – зона промежуточных кристаллов.

Способы повышения качества стали Современное машиностроение предъявляет возрастающие требования к качеству металла: его прочности, пластичности, газосодержанию. Улучшить эти показатели можно уменьшением в металле вредных примесей, газов, неметаллических включений. Обработка металла синтетическим шлаком Сущность процесса заключается в ускорении взаимодействия между сталью и шлаком за счет интенсивного их перемешивания при заполнении сталью ковша. Процесс осуществляется так: Синтетический шлак, состоящий из 55% Ca. O, 40% Al 2 O 3, 5% Si. O 2, Mg. O, выплавляют в специальных электропечах и заливают в ковш на 1/3. В этот же ковш затем заливают сталь. В результате перемешивания стали и шлака поверхность их взаимодействия резко возрастает, и металлургические реакции между металлом и шлаком протекают в сотни раз быстрее. Обработанная таким образом сталь содержит меньше серы, кислорода и неметаллических включений.

Вакуумная дегазация стали Вакуумную дегазацию стали проводят для уменьшения содержания в металле газов и неметаллических включений. Процесс выполняют в специальных камерах. Ковш 3 с жидкой сталью 4 помещается в камеру 2, закрывающуюся герметической крышкой 1. Вакуумными насосами в камере создается разрежение до остаточного давления 0, 267… 0, 667 к. Па. Продолжительность вакуумирования 12… 15 мин. При понижении давления из жидкой стали выделяются водород и азот. Всплывающие пузырьки газов захватывают неметаллические включения в результате чего содержание их снижается в несколько раз. Всё это улучшает прочность и пластичность стали.

Электрошлаковый переплав 1 -переплавляемый электрод 2 -шлаковая ванна 3 -капли жидкого металла 4 -металлическая ванна 5 -шлаковая корочка 6 -стальной слиток 7 -водоохлаждаемая изложница (кристаллизатор) 8 -затравка 9 -поддон В результате ЭШП содержание кислорода в металле снижается в 1, 5… 2 раза, в 2… 3 раза уменьшается содержание неметаллических включений. массы до 110 т. Наиболее широко ЭШП используют при выплавке жаропрочных сталей для дисков и лопаток турбин и др.

Схема металлургического завода 1 -металлизированные окатыши; 2 -стальной лом (скрап); 3 -доменное производство; 4 -электросталеплавильное производство; 5 -кислородно-конверторное производство; 6 -мартеновское производство; 7 -разливка на машине непрерывного литья заготовок (МНЛЗ); 8 -разливка стали в изложницы; 9 -обжимной стан; 10 -листопрокатное производство; 11 -сортопрокатное производство 9 -11 ОМД производство