- •В.П. Падалка
- •2. Cамостоятельная работа №2 Изучение технологии выплавка чугуна из железных руд
- •3. Самостоятельная работа №3 Получение железа и различных сортов (марок) стали
- •Основные способы производства стали
- •Техническая характеристика кислородно-конвертерного процесса
- •4. Cамостоятельная работа №4 Технология разливки и строение стального слитка
- •Cамостоятельная работа №5
- •6. Общая металлургия феррославов.
- •Способы получения ферросплавов
- •Ферросплавная печь
- •Производство углеродистого феррохрома
- •Производство ферротитана.
- •Производство ферросилиция
- •Производство углеродистого ферромарганца
- •2 Коксик
- •Рекомендуемая литература
Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України
Запорізька державна інженерна академія
В.П. Падалка
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до практичних занять з дисципліни
“МЕТАЛУРГІЯ ЧОРНИХ МЕТАЛІВ”
для студентів ЗДІА спеціальності 6.090401 “Металургія чорних металів”
всіх форм навчання
Запоріжжя
2012
МЕТОДИЧКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ “МЕТАЛЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ”
1. Cамостоятельная работа №1
Введение в металлургию. Общие понятия о производстве черных металлов
Металлургией называется наука о способах производства металлов и сплавов на их основе, а также отрасль промышленности, производящая металлы и сплавы.
Цель работы - изучить теоретические основы металлургических процессов. Получить представление о способах производства чугуна и стали как основных материалов, применяемых в машиностроении.
Получить навыки по выбору приоритетных технологий, позволяющих повышать эффективность производства и улучшать качество получаемых сплавов.
Теоретические основы металлургических процессов
Основные вопросы темы Исходные материалы для металлургии (руда, флюсы, огнеупорные материалы, металлургическое топливо).
Принципиальная схема получения химического элемента из руды (дробление, окомкование, обогащение руды, шлакование, восстановление элемента из его оксида).
Флюсы и шлаки, их роль в металлургическом процессе; основность флюсов и шлаков, правила их подбора.
Огнеупорные материалы; примеры огнеупоров, их химические и физические свойства.
Металлургическое топливо; виды топлива, искусственное и естественное топливо. Пути повышения температуры горения топлива.
Принципиальная схема выделения искомого элемента из руды. Исходными материалами для металлургии являются: руда, флюс, огнеупорные материалы, металлургическое топливо.
Руда - это полезное ископаемое, содержащее искомый элемент в таком количестве и такого качества, которые допускают экономически выгодное извлечение его в промышленном масштабе. Состав руды - это рудное тело и пустая порода. Рудное тело - часть руды, содержащая искомый элемент Ме1, чаще соединенный с кислородом. Пустая порода - балласт, т.е. горная или другая порода, не содержащая искомого элемента. В основном пустая порода содержит следующие химические соединения: SiO2-кремнезем; А1203-глинозем; МgО-магнезия; СаО-известь. Как видно, в составе пустой породы преобладают оксиды.
Процесс получения искомого элемента из руды включает в себя два этапа: отделение пустой породы от рудного тела и выделение искомого элемента из его оксида.
Частичное отделение пустой породы от рудного тела вне металлургического агрегата с целью повышения содержания искомого элемента в руде называется обогащением. Этот процесс основан на различии физических свойств рудного тела и пустой породы. Так, при магнитном обогащении используется различие магнитных свойств рудного тела железной руды и пустой породы. Флотация, которой чаще подвергаются медные руды, основана на различной смачиваемости рудного тела и пустой породы. Способ сепарации основан на использовании различий по плотности частиц рудного тела и пустой породы.
В результате процесса обогащения получают концентрат, в котором содержание искомого элемента Ме значительно выше, чем в руде.
Эффективность работы металлургического агрегата зависит от размера кусков исходного материала. Крупные фрагменты руды подвергаются дроблению, сортировке, а мелкую руду окусковывают. Существует два метода окусковывания: агломерация и окатывание.
Агломерацией называется процесс спекания мелкозернистой руды или концентрата с твердым топливом, а иногда и с флюсом (офлюсованный агломерат). Еще больший эффект получается при окатывании, в результате чего получают окатыши-шарики диаметром до 35 мм, которые затем подвергаются обжигу.
Комплекс исходных материалов, загружаемых в металлургический агрегат, называется шихтой.
Окончательное отделение пустой породы от рудного тела происходит в самом металлургическом агрегате в результате процесса шлакования. Для этого в состав шихты вводят флюс. Флюс сплавляется с окислами пустой породы, золой, другими неметаллическими включениями; происходит образование легкоплавких соединений, которые не растворимы в металле, а растворимы в шлаке, идет процесс шлакообразования. Обычно окислы, составляющие пустую породу, имеют высокую температуру плавления (выше температуры плавления основного металла, а зачастую и выше температуры рабочего пространства печи.) При взаимодействии с флюсом температура плавления пустой породы снижается. Так, кварцевый песок SiO2 плавится при температуре 17100С, а известь СаО - при 20000С. Продукт их сплавления в соотношении 50% СаО на 50% SiO2 имеет температуру плавления 11700С (рис 5.1).
100 50 0%
SiO2
Рис.1.1.
Диаграмма состояния расплава Са0-SiO2
Рассмотрим процесс шлакования, который имеет место в домне при производстве чугуна. В качестве флюса применяют известняк СаСО3. Прогревшись в домне до температуры порядка 6000С, он начинает разлагаться, выделяя основной оксид СаО, который в свою очередь будет взаимодействовать с кислым оксидом SiO2, являющимся основной составляющей пустой породы железных руд. В результате образуется комплексное соединение, переходящее в шлак. Условно данную химическую реакцию можно записать следующим образом:
CaCO CaO + CO2 (5.1)
m(SiO2) + n(CaO) (SiO2)m (CaO)n (5.2)
Основной принцип шлакования заключается во взаимодействии кислых и основных оксидов с образованием комплексных соединений, не растворимых в металле, но растворимых в шлаке.
Шлак - продукт взаимодействия флюса с пустой породой, а также золой и другими примесями. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислые оксиды (SiO2, Р205), и основным, если в его составе преобладают основные оксиды (Са0, Мg0, Fе0, Мп0).
Во время плавки в металлургической печи образуются две не- смешивающиеся среды: расплавленный металл и шлак. Их взаимодействие описывается законом действующих масс. При стабильных внешних условиях (температура, давление, концентрация) устанавливается равновесие между металлом и шлаком. Если убрать (скачать) шлак с поверхности металла и навести новый путем подачи новой порции флюса, можно управлять процессом удаления вредных примесей. Таким приемом пользуются при выплавке стали, очищая её от серы и фосфора. Регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управления металлургическим процессом.
При переработке руды в результате процесса шлакования пустая порода полностью отделяется от рудного тела МеО. Следующий этап - это выделение элемента Ме из его оксида.
Химическая реакция
МеО Ме+О (5.3)
принципиально возможна при условиях создания глубокого вакуума. Глубина вакуума при этом зависит от сродства искомого элемента с кислородом. На практике используется химическая реакция замещения
МеО+Х Ме+ХО, (5.4)
где Х - условное обозначение химического элемента, обладающего большим сродством к кислороду, чем элемент Ме.
Алгоритм выделения элемента из руды представлен на рис.5.2.
Огнеупорами называют строительные материалы, применяемые в металлургии, которые выдерживают высокие температуры воздействия расплавленных металла и шлака и горячих газов без разрушения. Они используются для облицовки (футеровки) металлургических печей, разливочных ковшей, а также воздухонагревательных устройств и дымоходов.
Качество огнеупорных материалов определяется их соответствием определенным рабочим свойствам; главными из них являются: огнеупорность, химическая активность, строительная прочность, термическая устойчивость.
Огнеупорностью называется свойство материала противостоять воздействию на него высоких температур (900 - 20000С). Она зависит преимущественно от химического состава материала.
Химическая активность (или шлакоустойчивость) определяется способностью огнеупорного материала противостоять химическому воздействию расплавленного металла, шлака, горячего печного газа. Во избежание химического взаимодействия шлака и огнеупора последние подбираются по следующему принципу: кислый шлак - кислый огнеупор; основной шлак - основной огнеупор.
Рис.1.2.
Принципиальная схема получения элемента
из руды
Термическая устойчивость - способность материала противостоять резкому перепаду температур. Она зависит от теплопроводности материала и коэффициента линейного расширения. Примеры основных огнеупорных материалов приведены в табл.5.1.
Таблица
1.1
Огнеупорные материалы
Огнеупор
Химические
свойства
Температура,
0С
Главная
составная часть
Динас
Кислый
1700
SiO2-
93%
Магнезит
Основной
2000
МgО-
92%
Доломит
Основной
1800
СаОМgО
(50%, 35%)
Шамот
Нейтральный
1700
Аl2ОзSiO2
(40%, 60%)
Графит
Нейтральный
>2000
С
- 92%
Металлургическое
топливо
Таблица
1.2
Агрегатное
состояние
Естественное
топливо
Искусственное
топливо
Твердое
Каменный
уголь, горючие сланцы, бурый уголь,
дрова
Кокс,
каменноугольная пыль, древесный
уголь
Жидкое
Нефть
Мазут,
каменноугольная смола
Газообразное
Природный
газ
Коксовый
газ, генераторный газ
Эффективность работы металлургического агрегата во многом зависит от температуры горения топлива, которая может быть оценена по уравнению теплоты:
Q = СМТ, (5.5)
где Q - количество теплоты, Дж;
С - удельная теплоемкость продуктов сгорания, Дж/кгК;
Реальными путями повышения эффективности использования металлургического топлива являются следующие:
-использование высококалорийного топлива;
дробление твердого и распыление жидкого топлива;
предварительный подогрев газообразного топлива и воздуха;
обогащение воздушного дутья кислородом.
Все устройства для подогрева газообразного топлива и воздуха, подаваемых в металлургическую печь, работают по принципу теплообмена. Внутри них размещена насадка из огнеупорного кирпича, выложенного в клетку, нагрев которой происходит либо за счет тепла, получаемого от дожигания очищенных от пыли отходящих от печи газов, либо за счет теплообмена.
В мартеновских печах (рис.1.3) - это регенераторы, огнеупорная кладка которых нагревается отходящими из печи газами.
Принцип работы рекуператора представлен на рис.1.5.. И в том и в другом случае нагрев огнеупорной кладки идет за счет отходящих из печи газов. Для нагрева воздуха, подаваемого в доменную печь, служат кауперы, кладка которых нагревается за счет сжигания доменного газа (рис. 1.б).
Классификация нагревательных устройств и области их применения представлены на рис.1.3.
Рис.1.3.
Виды устройств для нагрева воздуха и
газообразного топлива, подаваемых
в металлургические печи
воздух
Рис.
1.3.
Схема пламенной регенеративной печи:
1 - регенератор для нагрева газа; 2 -
рабочее пространство печи; 3 - регенератор
для нагрева воздуха
Рис. 1.5. Схема воздухонагревателя (каупера) для доменной печи: 1 - огнеупорная кладка; 2 - газопровод для подачи дожигаемого доменного газа; 3 - нагреваемая кирпичная кладка; 4 - перекрываемый канал, соединенный с дымоходом