Техпроцессы в машиностроении_лек

конуса, обеспечивающих равномерное распределение шихтовых материалов по сечению печи.

Рис. 1.2. Схема доменной печи:

1 – колошник; 2 – засыпной аппарат; 3 – газоотводные тру-

бы; 4 – шахта; 5 – распар; 6 –

заплечики; 7 – шлаковая летка;

8 – горн; 9 – лещадь; 10 – чу-

гунная летка; 11 – фурмы.

Газоотводные трубы 3,

служат для выхода доменного газа. В процессе работы печи шихтовые материалы подаются в шахту 4 - верхнюю кониче-

скую часть печи, которая обес-

печивает опускание шихтовых материалов и распределение

газов по поперечному сечению печи. Газоотводные трубы 3, служат для вы-

хода доменного газа. В процессе работы печи шихтовые материалы посте-

пенно пордаются в шахту 4 - верхнюю коническую часть печи, которая обес-

печивает опускание шихтовых материалов и распределение газов по попе-

речному сечению печи.

Цилиндрический пояс 5 - распар, самая широкая часть доменной печи,

ниже которой находится конический пояс 6 – заплечики. Распар сглаживает угол между шахтой и заплечиками и препятствует зависанию шихтовых ма-

териалов. Сужение заплечиков книзу связано с уменьшением объема мате-

174

нике печи температура газов равна 300 …550 °С., а вблизи фурм она достига-

ет 2000°С.

Важнейшим процессом, происходящим в доменной печи, является вос-

становление оксидов железа. Восстановление начинается уже в верхней час-

ти шахты при температуре около 500 .. 570°С и происходит путем последова-

тельного отщепления кислорода от высшего оксида к низшему по схеме

Fe2 O3 > Fe3O4 > Fe O > Fe.

Основными восстановителями являются оксид углерода и углерод, вы-

деляющийся из СО. Проникая в поры руды, окись углерода разлагается и вы-

деляет углерод в виде сажи, которая является активным восстановителем.

Водород, содержащийся во вдуваемом воздухе, является также активным восстановителем, но его роль в целом невелика. Восстановление железа оки-

сью углерода называется косвенным восстановлением, а восстановление твердым углеродом – прямым. При температурах до 900°С происходит пре-

имущественно косвенное восстановление железа, а при более высоких тем-

пературах – прямое. Обе реакции идут в печи одновременно, причем твер-

дым углеродом восстанавливается до 50% железа из его закиси.

Восстановленное железо опускается в горн, взаимодействует с раска-

ленным коксом, образуя с углеродом химическое соединение Fe3C – карбид железа

Одновременно с восстановлением железа в доменной печи происходит восстановление и других компонентов шихты: марганца, кремния и фосфора,

которые также переходят в чугун.

Марганец и кремний являются полезными примесями. Они обычно со-

держатся в железной руде. Восстановление марганца, содержащегося в рудах обычно в виде оксида МпО2, протекает аналогично восстановлению железа и может быть представлено схемой МпО2 > Мп2О3 > Мп3О4 > МпО > Мп. При

176

температурах до 700 °С происходит косвенное восстановление, а при более высоких – прямое.

Кремний содержится в руде в виде соединения SiO2. Он восстанавлива-

ется твердым углеродом и растворяется в железе.

Оксиды хрома, никеля, титана и др. примесей, встречающиеся в рудах некоторых месторождений, в доменной печи восстанавливаются частично или полностью, при этом получаются природнолегированные чугуны.

Фосфор и сера относятся к вредным примесям. Восстановление окси-

дов фосфора, содержащихся в большинстве руд в виде фосфорнокальциевых соединений, происходит вследствие наличия в доменной печи благоприят-

ных условий для протекания этого процесса. Фосфор восстанавливается твердым углеродом и практически полностью переходит в чугун. Наличие в доменной печи основного шлака позволяет частично удалить фосфор в шлак.

Сера попадает в доменную печь в основном с коксом и частично с же-

лезной рудой, где она находится в виде сульфидов. Какое-то количество серы удаляется с газами в виде Н2S и SO2. Однако значительная часть ее остается в печи в виде сульфидов и распределяется между жидким шлаком и чугуном.

Наименее желательное соединение серы – сульфид железа FeS, который хо-

рошо растворяется в чугуне. При наличии в доменной печи извести происхо-

дит частичное удаление серы в шлак в виде соединения СаS.

Образование шлака активно происходит после окончания процессов восстановления оксидов железа в доменной печи. Шлак состоит из пустой породы, золы кокса и флюса, специально добавляемого в печь для повыше-

ния жидкотекучести шлака. Шлак формируется постепенно, изменяя свой со-

став по мере стекания в горн, где он накапливается на поверхности жидкого чугуна и откуда удаляется через шлаковую летку. Состав шлака зависит от состава пустой породы руды и загружаемых флюсов.

177

Таким образом, в результате восстановления оксидов железа и приме-

сей в доменной печи образуется сплав, по меньшей мере, шести элементов -

железа, углерода, марганца, кремния, фосфора и серы.

Продукты доменного производства

Основным продуктом доменной плавки является чугун. В зависимости от химического состава и назначения доменные чугуны делятся на литейные,

передельные, природнолегированные и специальные (ферросплавы).

Литейные чугуны используются для получения чугунных отливок. Эти чугуны поступают в литейные цеха в виде чушек – небольших слитков, кото-

рые переплавляют и получают фасонные отливки.

Передельные чугуны идут на производство стали. На долю передель-

ных чугунов приходится 80 … 85 % всего выплавляемого в доменных печах чугуна.

Природнолегированные чугуны выплавляют из руд, имеющих в своем составе ценные примеси (хром, никель, ванадий, титан и др.). Такие чугуны используются для получения отливок со специальными свойствами.

Специальные чугуны (ферросплавы) выплавляются с высоким содер-

жанием кремния или марганца (ферросилиций, ферромарганец).

Побочные продукты доменной плавки – доменный шлак, применяемый для производства строительных материалов (шлаковаты, шлакобетона), и

доменный (колошниковый) газ, который после очистки используется как то-

пливо.

Основными технико-экономическими показателями работы доменной печи являются коэффициент использования полезного объема (КИПО) и

удельный расход кокса. Для определения КИПО полезный объем печи (м3)

нужно разделить на суточную выплавку (т).Чем выше производительность доменной печи, тем меньше КИПО. Для большинства доменных печей КИ-

ПО = 0,5 … 0,7.

178

Удельный расход кокса К – отношение расхода (А) кокса за сутки к ко-

личеству (Р) чугуна, выплавленного за то же время: К= А/ Р. Удельный рас-

ход кокса в доменных печах составляет 0,5 … 0,7. Чем ниже этот показатель,

тем лучше работает печь.

1.3. Прямое восстановление железа

При производстве чугуна в доменных печах самым дефицитным ших-

товым материалом является кокс, для получения которого необходимы кок-

сующиеся угли, имеющие ограниченные запасы. Решением проблемы полу-

чения железа без применения кокса являются внедоменные процессы – пря-

мое восстановление железа.

Прямое восстановление железа – это такие химические, электрохими-

ческие или химико–термические процессы, с помощью которых возможно получать непосредственно из руды, минуя доменный процесс, металлическое железо в виде губки, крицы или жидкого металла.

Преимуществом этих методов является высокая чистота металла, по-

скольку исключается загрязнение его серой из золы кокса и примесями, на-

ходящимися непосредственно в руде.

В качестве исходного железорудного сырья используют агломерат,

окатыши, а в качестве восстановителя – твердое топливо или газ, содержа-

щий водород и оксид углерода СО.

Основным продуктом прямого восстановления является твердый желе-

зорудный материал, в котором большая часть железа находится в виде мел-

ких крупинок. При большой степени металлизации продукт прямого восста-

новления называется губчатым железом, при более низкой – металлизован-

ным сырьем, основным назначением которого является переплав в дуговых сталеплавильных печах.

Существующие способы прямого восстановления железа в зависимости от физического состояния получаемого продукта можно разделить на три

179

группы: производство губчатого железа газообразными восстановителями в толстом слое, производство губчатого железа газообразными восстановите-

лями в тонком слое, восстановление твердым углеродом.

Производство губчатого железа газообразными восстановителями в тол-

стом слое

Процесс Мидрекс осуществляют в шахтных печах небольшой высоты или в ретортах с использованием конвертированного природного газа, со-

стоящего в основном из водорода и окиси углерода. Конверсия природного газа заключается в превращении углеводоров путем их разложения на водо-

род и углерод с последующим дожиганием углерода до СО. Газ подается в шахтную печь снизу, а сверху производится загрузка железорудного мате-

риала (предварительно обогащенной, обожженной и измельченной руды, аг-

ломерата или окатышей), где при температуре 700 … 900 °С происходит вос-

становление железа. Для восстановления и плавления примесей этой темпе-

ратуры недостаточно. Полученное губчатое железо содержит до 90% метал-

лического железа и после магнитной сепарации используется в порошковой металлургии. Этот процесс разработан фирмой «Мидлен Росс» (США) и

осуществлен в России на Оскольском электрометаллургическом комбинате.

Одним из вариантов восстановления железа в толстом слое является и восстановление руды в ретортах в неподвижном слое, при котором не проис-

ходит образования мелочи, выноса пыли, локального спекания шихты, раз-

рушения слоя.

Восстановление газообразообразными восстановителями в тонком слое

Процесс осуществляют на движущейся колосниковой решетке. Кон-

вертированный газ проходит сверху вниз через слой шихты высотой 200 …300 мм. На конвейерной ленте имеются три зоны: подогрева, восстановле-

ния и охлаждения. Основным преимуществом этого процесса является воз-

можность использования неупрочненных окатышей.

180

Металлизация рудно-угольных окатышей

Окатыши, изготовленные из смеси железного концентрата и 15 … 20 %

угля, подвергают обжигу при температуре 1200 …1250 °С. Полученные ме-

таллизованные окатыши используются для выплавки чугуна или полупро-

дукта.

Недостаток этого процесса – загрязнение губчатого железа пустой по-

родой, серой и фосфором твердого топлива.

Металлизация рудных окатышей с подачей в шихту дробленого твердого топлива

Шихту составляют из обожженных окатышей, доломита или известня-

ка и твердого мелкого топлива. Процесс осуществляют последовательно на обжиговых решетках, в трубчатых печах и во вращающихся трубчатых холо-

дильниках.

Восстановление твердым углеродом

При использовании этого способа твердое топливо и окалину или очень богатый концентрат загружают слоями в тигли, и затем эти тигли на дли-

тельное время помещают в печи для восстановления окислов железа.

Способ был предложен в Швеции и осуществлен впервые в промыш-

ленных масштабах в г. Хеганес, а затем на других заводах. Аналогичный способ применяется и в России.

Восстановление в кипящем слое

Процесс основан на контакте тонкоизмельченного рудного концентрата с восстановительным газом. Для создания кипящего слоя под решетку, на ко-

торой находится зернистый материал, подают газ с определенной скоростью,

которая зависит от размера и плотности частиц. Для предотвращения слипа-

ния частичек восстановленного железа процесс ведут при низкой температу-

ре (около 500 °С).

181

1.4. Производство стали

Физико-химические основы производства стали

Сталь является основным сплавом, применяющимся во всех отраслях современной техники для изготовления ответственных конструкций, машин и их деталей, так как в отличие от чугуна имеет высокие прочностные и пла-

стические свойства, хорошо обрабатывается давлением, сваривается.

По химическому составу сталь отличается от чугуна содержанием уг-

лерода и постоянных примесей. Поэтому сущность процесса переработки чу-

гуна в сталь сводится к окислению примесей чугуна путем перевода их в шлак или газы в процессе плавки. Особенно важно при этом удалить вредные примеси серы и фосфора, придающие стали хрупкость.

Углерод чугуна, соединяясь с кислородом, удаляется из металла в виде газа СО, другие же примеси в виде оксидов переходят в шлак. Примеси отли-

чаются по своим физико-химическим свойствам, поэтому для удаления каж-

дой из них в плавильном агрегате создают определенные условия, используя основные законы физической химии.

В соответствии с законом действующих масс скорость химических ре-

акций пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Поскольку в наибольшем количестве в чугуне содержится железо, то оно и окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи.

Одновременно с железом окисляются кремний, марганец, фосфор и

другие примеси, при этом в их окислении участвует как кислород, так и за-

кись железа FeO, которая при высоких температурах отдает свой кислород более активным элементам:

182

Согласно принципу Ле Шателье химические реакции, выделяющие те-

пло, протекают интенсивнее при более низких температурах, а реакции, про-

текающие с поглощением тепла, при более высоких температурах. Поэтому на первом этапе плавки, когда температура металла невысокая интенсивно окисляются кремний, марганец, фосфор. В этот период необходимо удалить фосфор, который является вредной примесью, так как придает стали хладно-

ломкость. Для удаления фосфора необходимо иметь невысокую температуру,

значительное содержание оксида железа и основной шлак, содержащий СаО,

поэтому плавку ведут в печи с основной футеровкой. Фосфорный ангидрит

(реакция 7) в присутствии окиси железа и извести образует нерастворимое соединение 4СаОР2О5 , переходящее в шлак.

Фосфористый шлак удаляют с поверхности металла и наводят новый,

добавляя свежие порции СаСО3.

По мере прогрева ванны металла до более высоких температур проис-

ходит второй этап плавки - «кипение» металла.

В этот период интенсивно окисляется углерод с образованием газа СО,

пузырьки которого, выделяясь из металла, вызывают интенсивное переме-

шивание жидкого металла, что создает впечатление кипения ванны.

Этот период является основным в процессе выплавки стали, так как при «кипении» уменьшается содержание углерода, выравнивается темпера-

тура по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения и растворенные в металле газы, т.е. происходит рафинирование металла.

В этот период создаются условия для удаления серы, которая растворя-

ется как в жидком металле, так и в шлаке. Удаление серы происходит в печи с основной футеровкой по реакции

FeS + СаО = СаS + FeО (10).

183