ТКМ + / Зачет / TKM_OTVETY / Металлургия

Металлургия

Классификация материалов, применяемых в машиностроении и приборостроении.

Классификация материалов по агрегатному состоянию: твердые (металлические, неметаллические, композиционные), жидкие (масла, клеи, эмульсии и т.д.), газообразные (аргон, кислород, ацетилен, углекислый газ, азот и т.д.).

Природные источники материалов (руды черных и цветных металлов, нефть, природный газ, пески, алмазы, глины, канифоль, слюда и т.д.).

Сущность основных процессов производства металлов: пирометаллургии, гидрометаллургии, химикометаллургии, электрометаллургии.

Пирометаллургия — совокупность металлургических процессов, протекающих при высоких температурах. Это отрасль металлургии, связанная с получением и очищением металлов и металлических сплавов при высоких температурах, в отличие от гидрометаллургии, к которой относятся низкотемпературные процессы. Пирометаллургическими процессами являются процессы агломерации металлургического сырья, плавки шихтовых материалов, изготовления сплавов, рафинирования металлов. В частности, это — обжиг, доменная плавка, мартеновская плавка, плавка в конвертерах, дуговых и индукционных печах. Пирометаллургия — основа производства чугуна, стали, свинца, меди, цинка и др.

Гидрометаллурги́я — выделение металлов из руд, концентратов и отходов производства с помощью водных растворов определённых веществ (химических реагентов). В настоящее время этот способ используется для получения урана, алюминия, золота, цинка и др.

Химикометаллургический процесс основан на получении металлов при последовательных химических и металлургических взаимодействиях.

Электрометаллургия — Методы получения металлов, основанные на электролизе, т. е. выделении металлов из растворов или расплавов их соединений при пропускании через них постоянного электрического тока. Этот метод применяют главным образом для получения очень активных металлов – щелочных, щелочноземельных и алюминия, а также производства легированных сталей.

Основные этапы подготовки руд: дробление, сортировка, обогащение.

Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной для плавки величины. Дробление руды осуществляется на щековых или конусных дробилках , а также в шаровых мельницах и других агрегатах.

Размельченную руду сортируют по крупности грохочением, подобным просеиванию , на различных по конструкции классификаторах и гидроциклонах.

Обогащение руды — совокупность методов разделения металлов и минералов друг от друга по разнице в их физических и/или химических свойств. Полученные продукты классифицируются на два и более классов отличных по качеству, более богатый продукт называют концентратом, самый бедный — хвостами, продукты со средним содержанием называют промежуточными, они обычно возвращаются на переработку.

Исходные материалы металлургического производства: руда, топливо, флюсы, раскислители.

Для осуществления металлургических процессов необходимы руда, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.

Руда – горная порода, из которой технически возможно и экономически целесообразно в данных конкретных условиях извлекать металлы и их соединения. Руды могут быть простыми, т е содержащими один металл, или полиметаллическими, содержащими несколько металлов. Помимо соединений, содержащих металл, в руде имеется еще и пустая порода, которая не содержит извлекаемых металлов или их соединений. Руды с большим содержанием пустой породы называют бедными.

Флюсы – это материалы, загружаемые в плавильную печь, для взаимодействия с пустой породой и золой с образованием легкоплавкого соединения - шлака, который, как правило, должен иметь значительно меньшую плотность, меньшую температуру плавления, чем у извлекаемого металла (или его соединения) и высокую жидкотекучесть. По химическому составу флюсы делятся на основные и кислые. К основным флюсам относятся известняк СаСОз и доломит СаСОз + МgСОз. К кислым относятся породы, содержащие кремнезем. Выбор флюса зависит от состава пустой породы.

Огнеупорные материалы предназначены для облицовки (футеровки) рабочего пространства металлургических устройств в местах, подвергающихся действию высоких температур. Огнеупорные материалы делят на кислые, основные и нейтральные.

Производство чугуна.

Чугунами называются сплавы железа с углеродом (более 2,14% С), в которых обычно содержатся примеси кремния (до 4,3 %), марганца (до 2%), серы (до 0,07%) и фосфора (до 1,2%).

Исходными материалами для производства чугуна являются железные руды, в том числе в виде агломерата и окатышей, кокс и флюсы.

Подготовка железных руд к плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и флюса, уменьшения стоимости чугуна и улучшения его качества. Цель этой подготовки: увеличение содержания железа в руде; уменьшение в ней вредных примесей (серы и фосфора); повышение ее однородности по крупности кусков и химическому составу. Метод подготовки руды к плавке выбирается в зависимости от состава руды и ее качества. Подготовка руды к плавке начинается с ее дробления и сортировки по крупности для получения кусков оптимальной для плавки величины. Измельченная и рассортированная руда подвергается обогащению для повышения концентрации железа за счет удаления возможно большего количества пустой породы. Обогащение руды основано на различии физических и химических свойств минералов, входящих в ее состав. К основным способам обогащения относятся промывка, гравитация, магнитная сепарация, окускование.Чугун выплавляют в печах шахтного типа - доменных печах, в которые загружают шихту, состоящую из железных и марганцевых руд, агломерата, окатышей, флюсов и кокса

Основным продуктом доменной плавки является чугун. В зависимости от химического состава и назначения доменные чугуны делятся на литейные, передельные и специальные (ферросплавы). Литейные чугуны являются исходным материалом для получения чугунных отливок. Эти чугуны поступают в литейные цеха в виде чушек – небольших слитков, которые переплавляют и получают фасонные отливки. Передельные чугуны идут на производство стали.

Прямое восстановление железа.

Под прямым восстановлением железа понимают способы получения губчатого железа, металлизованного сырья, литого железа или стали непосредственно из железнорудных материалов. Существующие способы прямого восстановления железа в зависимости от физического состояния получаемого продукта можно разделить на три группы.

 Получение губчатого железа и металлизованных окатышей, осуществляемое при относительно низких температурах (менее 1100 С). При этом используются богатые, не содержащие вредных примесей руды или концентраты. Способы получили наибольшее распространение вследствие их высокой производительности.

 Получение крицы (слипшаяся масса губчатого железа), с одновременным с восстановлением оксидов железа, и расплавлением пустой породы с образованием шлака. При этом используются бедные руды и низкосортное твердое топливо. Способы не получили широкого распространения вследствие их низкой производительности.

 Получение жидкой стали, осуществляемое при температуре выше точки плавления железа. При этом используются богатые пылевидные руды и концентраты. Способы применяются в полупромышленных установках и в опытных производствах.

В качестве восстановителей при получении губчатого железа используют газы и газовые смеси: СО; водород; смесь СО+Н2; твердый углерод. При использовании твердого углерода необходимы более высокие температуры, так как скорость процесса восстановления лимитируется скоростью реакции СО2+С=2СО.

Низкие температуры процесса получения губчатого железа обуславливают невысокие скорости восстановления. Для интенсификации процесса восстановления используют различные принципы подвода тепла, тонкое измельчение шихтовых материалов и др.

Производство стали

Стали – железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5% углерода, при большем его содержании значительно увеличиваютсятвердость и хрупкость сталей и они не находят широкого применения (теоретически до 2,14%). Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап).

Процесс производства стали.

1. Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. Температура металла сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора.Наиболее важная задача этапа – удаление фосфора. Для удаления фосфора необходимы невысокие температура ванны металла и шлака, достаточное содержание в шлаке FeO.

2. Второй этап – кипение металлической ванны. Начинается по мере прогрева до более высоких температур. окисления углерода.Для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород. При реакции оксида железа с углеродом, пузырьки оксида углерода CO выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение ванны». При«кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого этот этап — основной в процессе выплавки стали.Также создаются условия для удаления серы. 

3. Третий этап – раскисление стали. Заключается в восстановлении оксида железа, растворённого в жидком металле. При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород – вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.

Кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный процессы производства сталей

.Кислородно–конвертерный процесс 

Сущность кислородно–конвертерного процесса заключается в том, что налитый в плавильный агрегат (конвертор) расплавленный чугун продувают струей кислорода воздуха. Углерод, кремний и другие примеси окисляются и тем самым чугун переделывается в сталь. Этот процесс осуществляется в конверторе. Его грушевидный корпус (кожух) сварен из листовой стали, внутри он футерован основным огнеупорным материалом .Исходными материалами для производства стали в кислородных конверторах являются жидкий чугун с содержанием углерода 3,5…4,5% и стальной лом (до 25% по весу от металлической части шихты), а также известь, необходимая для наведения основного шлака, и железная рудаМАРТЕНОВСКИЙ ПРОЦЕСС, метод производства СТАЛИ в ПЕЧИ, разогреваемой верхним пламенем. Пламяисходит от газовых или нефтяных горелок, а для повышения температуры в печь может вдуваться кислород.Передельный чугун, стальной лом и известняк расплавляют вместе. Различные примеси образуют ШЛАК,который убирается с поверхности расплавленного металла. Большая часть углерода, присутствующего вжелезе, образует окись углерода, газ, который легко удаляется. Затем в полученный металл добавляютразличные присадки и получают нужный вид стали. Использование мартеновского процесса в производствеидет на убыль, т.к. сейчас доступны более быстрые и дешевые процессы, главным образом, КИСЛОРОДНОЕДУТЬЕ.

Производство стали в электрических печах имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами выплавки стали. В электропечах можно быстро нагревать, плавить и точно регулировать температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу или вакуум. В этих печах можно выплавлять стали и сплавы любого состава, более полно раскислять металл. Поэтому электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных и специальных сталей ответственного назначения. Для плавки стали используются электроплавильные печи двух типов – дуговые и индукционные.

Особенности производства цветных металлов: меди, алюминия, титана, магния.

1.Исходным материалом для производства меди служат руды, содержание меди в которых обычно составляет 1…6%. Переработка медных руд может осуществляться пирометаллургическим или гидрометаллургическим способами. Переработка медных руд является многоступенчатым процессом и складывается из следующих этапов: обогащение, обжиг, плавка на штейн, получение черновой меди, рафинирование меди.

2.Основным способом производства алюминия в настоящее время является электролитический. Электролиз- это совокупность процессов электрохимического окисления-восстановления , происходящих на погруженных в электролит электродах при прохождении электрического тока.

Производство алюминия включает получение безводного, свободного от примесей оксда алюминия (глинозема);получение криолита из плавикового шпата; электролиз глинозема в расплавленном криолите.

Основное сырье для производства алюминия- алюминиевые руды: бокситы,нефелины,алуниты,каолины.

3.Титан довольно широко распространен в земной коре. В природе он встречается в составе более семидесяти минералов, из которых наибольшее промышленное значение получили ильменит-FeO* TiO2 и рутил - TiO2.Известно несколько способов получения титана из его руд, но во всех случаях, как и для большинства металлов, металлургической обработке всегда предшествует обогащение руды и получение концентрата. Основным методом переработки титановых руд является магнийтермический способ, сущность которого заключается в получении четыреххлористого титана и восстановлении из него металлического титана с помощью магния.

Сырьем для получения титана являются титаномагнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат.

4.Для производства магния наибольшее распространение получил электролитический способ. Производство магния включает получение чистых безводных солей магния (хлористого магния) , электролиз этих солей в расплавленном состоянии и рафинировании металлического магния.

Основным сырьем для получения магния являются карналлит, магнезит, доломит, бишофит. Наибольшее количество магния получают из карналлита.