Програма підготовки до виконання роботи

1. Вивчити теоретичний матеріал за даним посібником та приведеними нижче літературними джерелами.

2. Вивчити будову і принцип дії домни. Зарисувати схему її внутрішнього профілю і вказати основні зони. Пояснити, чому саме така геометрична конфігурація характерна для внутрішнього профілю доменної печі.

Список літературних джерел

1. Атаманюк В.В. Технологія конструкційних матеріалів: Навчальний посібник для вищих навчальних закладів. – Київ: Кондор, 2006. – С. 16 – 37.

2. Технология металлов и материаловедение / Под ред. Л.Ф. Усовой. – М.: Металлургия, 1987.  С. 16 – 30.

3.Технологія конструкційних матеріалів / За ред. М.А. Сологуба. – К.: Вища школа, 1993.  С.  3 – 11.

Завдання й методичні вказівки

1. Вивчити і описати натурні зразки залізних руд, палива, доменного чавуну і феросплавів.

2. Пояснити: а) чим визначається можливість використання тієї чи іншої залізної руди для доменного плавлення; б) які вимоги висуваються до вогнетривких матеріалів; в) чому найбільш досконалим видом палива для виробництва чавуну є деревне вугілля, але все ж таки в практиці металургійного виробництва використовують кокс; г) суть фізико-хімічних процесів, що відбуваються при коксуванні вугілля; д) яку роль у доменному процесі відіграють флюси.

3. Розглянути підготовку шихтових матеріалів до плавлення в доменній печі. Записати в зошит: а) з якою метою проводять подрібнення, класифікацію, збагачення, усереднення хімічного складу і сортування за розмірами шматків залізної руди; б) який спосіб збагачення залізної руди використовується найбільш широко, його суть; в) що таке агломерація і для чого її використовують; г) для чого до складу агломерату вводять флюс.

4. Вивчити доменний процес. Описати процеси, що протікають у кожній зоні доменної печі. Звернути при цьому особливу увагу на те, в яких її зонах і при яких температурах відбуваються процеси відновлення заліза із окислів та його навуглецювання. Записати хімічні реакції цих процесів.

5. Описати склад і властивості продуктів доменного виробництва.

Контрольні запитання

1. Що називається чавуном? У чому суть процесу виробництва чавуну?

2. Охарактеризувати вихідні матеріали для виробництва чавуну, їх склад, призначення, а також підготовку до плавлення в доменній печі.

3. Пояснити будову та принцип дії доменної печі.

4. Охарактеризувати як відбувається задування доменної печі.

4. Охарактеризувати фізико-хімічні процеси, що відбуваються в домні.

5. Охарактеризувати продукти доменного виробництва.

Лабораторна робота № 2 теоретичні основи виробництва сталі

Мета: Вивчити теоретичні основи технології виробництва сталі

Теоретичні відомості

Основними матеріалами для виробництва сталі є переробний чавун і металобрухт (скрап). Концентрація вуглецю і домішок у сталі значно менша, ніж в чавуні.

Тому суть будь-якої металургійної переробки чавуну в сталь  зменшення вмісту вуглецю і домішок шляхом їх вибіркового окислення і переведення в шлак і гази в процесі плавлення.

Домішки відрізняються своїми фізико-хімічними властивостями, тому для усунення кожної з них в плавильному агрегаті створюють певні умови відповідно до основних законів фізичної хімії.

Згідно із законом взаємодіючих мас швидкість хімічних реакцій пропорційна концентрації реагуючих речовин. Оскільки в найбільшій кількості в чавуні міститься залізо, то воно окислюється в першу чергу при взаємодії чавуну з киснем у сталеплавильній печі

Fe + 1/2 O₂ = FeO + Q (1)

Оксид заліза, що утворився при високих температурах, розчиняється в залізі і віддає свій кисень більш активним елементам-домішкам у чавуні, окислюючи їх:

2FeO +Sі=SіO₂+2Fe + Q, (2)

5FeO+2Р=Р₂O₅+5Fe + Q (3)

FeO+Mn=MnO+Fe + Q (4)

FeO+C=CO+Fe - Q (5)

Чим більше оксиду заліза міститься в рідкому металі, тим активніше окислюються домішки. Для інтенсифікації окислення домішок у сталеплавильну піч додають залізну руду, окалину, оскільки в них знаходиться багато оксидів заліза. Отже, основна кількість домішок при переробці чавуну в сталь окислюється за рахунок кисню оксиду заліза.

Швидкість окислення домішок залежить не тільки від їх концентрації, але і від температури металу, що відповідає принципу Ле-Шательє (хімічні реакції, що протікають з виділенням теплоти, відбуваються інтенсивніше при більш низьких температурах або при деякому зниженні температури, а реакції, що протікають із поглинанням теплоти, відбуваються активніше при високих температурах або при деякому підвищенні температури). Тому на початкових стадіях технологічного процесу, коли температура металу не висока, інтенсивніше протікають процеси окислення Sі, Р, Mn, які відбуваються з виділенням теплоти, а вуглець інтенсивно окислюється тільки при підвищенні температури металу (в середині і кінці плавлення).

Після розплавлення шихти в сталеплавильній печі утворюються два різнорідних середовища: рідкий метал і рідкий шлак, які розділяються тому, що мають різну густину. Відповідно до закону розподілу (закон Нернста), якщо яка-небудь речовина розчиняється у двох суміжних, але нерозчинних рідинах, то розподіл речовини між цими рідинами відбувається до встановлення певного співвідношення (константи розподілу), постійного для даної температури. У зв’язку з цим більшість компонентів (Mn, Sі, Р, S) і їх сполуки, розчинні в рідкому металі і шлакові, будуть розподілятися між металом і шлаком у певному співвідношенні, характерному для даної температури.

Змінюючи склад шлаку, можна змінювати співвідношення між кількістю домішок у металі і шлакові так, що небажані домішки будуть переходити з металу в шлак. Забираючи шлак з поверхні металу і створюючи умови для утворення нового шляхом подачі флюсу необхідного складу, можна видаляти шкідливі домішки (S, Р та ін.) із металу. Ось чому регулювання складу шлаку за допомогою флюсів є одним з головних шляхів управління металургійними процесами.

Процеси виплавки сталі, згідно наведеним вище законам, здійснюються в декілька етапів.

Перший етап  розплавлення шихти і нагрів ванни рідкого металу. На цьому етапі температура металу невисока; інтенсивно проходить окислення заліза, утворення оксиду заліза і окислення домішок Sі, Р, Mn за реакціями (1)  (4). Найбільш важливе завдання цього етапу: видалення фосфору  однієї із найбільш шкідливих домішок у сталі. Для цього необхідно проводити плавлення в основній печі, в якій можна використовувати основний шлак, що містить СаО. Фосфорний ангідрид, який виділяється за реакцією (3), утворює з оксидом заліза нестійку сполуку (FeO)₃•Р₂O₅. Оксид кальцію СаО  більш активна основа, ніж оксид заліза і при невисоких температурах зв’язує ангідрид Р₂О₅ та переводить його в шлак:

2Р + 5(FeO) + 4(CaO)  (4CaO•Р₂O₅) + 5[Fe] (6)

Реакція утворення фосфорного ангідриду протікає з виділенням теплоти, ось чому згідно принципу Ле-Шательє для усунення фосфору із металу достатні невисокі температури ванни металу і шлаку. Аналіз реакцій (3) - (6) показує, що для усунення фосфору із металу також необхідний достатній вміст у шлаці FeO. Для збільшення кількості FeO в шлаці в сталеплавильну піч в цей період плавлення добавляють окалину, залізну руду, наводячи залізистий шлак. В міру переходу фосфору з металу в шлак кількість фосфору в ньому зростає. Відповідно до закону розподілу зменшення фосфору в металі при цьому сповільнюється, і для більш повного його видалення з металу з поверхні забирають шлак і наводять новий із свіжими добавками СаО.

Другий етап  “кипіння” металевої ванни – розпочинається при нагріві до більш високої, ніж на першому етапі, температури. При підвищенні температури металу у відповідності з принципом Ле-Шательє більш інтенсивно протікає реакція окислення вуглецю (5), яка відбувається з поглинанням тепла. В розплаві міститься більше вуглецю, ніж інших домішок і відповідно до закону взаємодіючих мас для його окислення в метал вводять значну кількість руди, окалини або вдувають кисень. Оксид заліза реагує з вуглецем за реакцією (5), а бульбашки оксиду вуглецю СО виділяються з рідкого металу, викликаючи “кипіння” ванни. При “кипінні” зменшується концентрація вуглецю в розплаві до необхідної, вирівнюється температура в об’ємі ванни, частково видаляються неметалеві домішки, які прилипають до бульбашок СО, що піднімаються, а також інші гази, проникаючі в бульбашки СО. Все це сприяє підвищенню якості металу. У зв’язку з цим етап “кипіння” ванни є основним у процесі виробництва сталі.

У цей же період створюються умови для усунення сірки з металу. Сірка в сталі перебуває у вигляді сульфіду [FeS], який розчиняється також в основному шлаці (FeS). Чим вища температура, тим більша кількість FeS розчиняється в шлаці, тобто більше сірки переходить з металу в шлак. Сульфід заліза, розчинений у шлаці, взаємодіє з оксидом кальцію, який також розчинений у ньому:

(FeS) + (CaO) = (CaS) + (FeO) (7)

Ця ж реакція відбувається на межі метал-шлак між сульфідом заліза [FeS] в сталі і (CaO) в шлаці:

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO) (8)

Утворена сполука не розчинна в залізі, у зв’язку з чим сірка переходить у шлак.

Як видно з реакцій (7) і (8), чим більше в шлаці (СаО) і менше (FeО), тим повніше усувається із сталі сірка. Отже, при плавленні в основних печах можна зменшити концентрацію вуглецю і сірки в сталі, виплавляючи сталь із шихти будь-якого хімічного складу.

У сталеплавильних печах з кислою футеровкою немає умов для зменшення кількості фосфору і сірки в сталі, оскільки використовувати основний шлак із значною кількістю (СаО) не можна із-за руйнування футеровки, а вміст (FeO) в шлаці недостатній, і отже, в кислих печах можна виплавити сталь тільки із шихтових матеріалів з малою кількістю сірки і фосфору.

Третій етап (завершальний)  розкислення сталі  полягає у відновленні оксиду заліза, розчиненого в рідкому металі. При плавленні підвищена концентрація кисню в металі, необхідна для окислення домішок, але в готовій сталі кисень  шкідлива домішка, оскільки погіршує механічні властивості сталі, особливо при високих температурах. Сталь розкислюють двома способами: осаджувальним і дифузійним.

Осаджувальне розкислення здійснюють введенням у розплавлену сталь розчинних розкислювачів (феромарганцю, феросиліцію та ін.), які в даних умовах мають більшу здатність до реакції з киснем, ніж залізо. У результаті розкислення відновлюється залізо і утворюються оксиди MnO, SіO₂, Al₂O₃ та інші, які мають меншу густину, ніж сталь, і переходять в шлак. Однак частина їх може залишитися в сталі, що погіршує її властивості.

Дифузійне розкислення здійснюється розкисленням шлаку. Феромарганець, феросиліцій та інші розкислювачі в подрібненому вигляді завантажують на поверхню шлаку. Вони повільно проникають крізь шар шлаку і відновлюють оксид заліза, зменшуючи його кількість у шлаці. Відповідно до закону розподілу оксид заліза, що розчинений у сталі, почне переходити в шлак. Оксиди, утворювані при такому способі розкислення, залишаються в шлаці, а відновлене залізо переходить в сталь, що зменшує концентрацію в ній неметалевих вкраплень і підвищує її якість.

У багатьох випадках необхідно виплавляти сталі із спеціальними властивостями. Необхідні властивості в сталях отримують за рахунок введення в них різних хімічних елементів (Mo, V, Cr, Nі, Nb та ін), які називаються легуючими елементами, а такі сталі  легованими. Легування сталі здійснюється введенням феросплавів або чистих металів в необхідній кількості в розплав. Легуючі елементи, спорідненість яких до кисню менша, ніж у заліза (Nі, Co, Mo, Cu), при плавленні і розплавленні практично не окислюються і тому їх вводять у піч в будь-який час плавлення (звичайно разом з іншою шихтою). Легуючі елементи, у яких спорідненість до кисню більша, ніж у заліза (Sі, Mn, Al, Cr, V, Tі і ін.), вводять у метал після або одночасно з розкисленням, в кінці плавки, а іноді безпосередньо в ківш.

Чавун переробляють у сталь в різних за принципом дії металургійних агрегатах: мартенівських печах, кисневих конвертерах та електропечах.