ТКМ / Tema_1_i_2
.doc
Тема1. Поняття про металургійне виробництво
Загальні відомості. Матеріали для виробництва металів. Способи добування металів із руд.
–1–
Технологія сукупність методів виготовлення, обробки, зміни форми і властивостей матеріалів, заготовок, напівфабрикатів.
Технологія конструкційних матеріалів – це комплексна дисципліна, що містить основні відомості про методи одержання конструкційних матеріалів, а також про методи їх обробки.
Металами називають речовини, які мають кристалічну будову, металевий блиск, пластичність, високу електро- й теплопровід Поділяють на дві групи – чорні й кольорові. Чорні групи: технічне залізо – до 0,02% С, сталі – 0,2...2,14% С, чавуни – більше 2,14% С.
Двостадійна схема виробництва сталі – виплавка чавуну в доменній печі та переробка його на сталь.
–2–
Використовують руди, флюси, паливо, вогнетривкі матеріали.
У залізних рудах залізо знаходиться у вигляді оксидів Fе2O3, Fе3O4, FеО
Флюс– це матеріал, що утворює при виплавці шлак (легкоплавку сполуку з породою руди, золою палива). Кварцовий пісок SіО2, вапняк СаСО3.
Паливо–це речовини, у процесі згорання яких виділяється значна кількість теплоти. Основним елементом є вуглець.
Паливо джерелом тепла та бере участь і в хімічних реакціях. Найпоширенішим є тверде паливо – кокс.
Вогнетривкі матеріали застосовують для внутрішнього облицювання (футерівки) печей. За хімічним складом вогнетривкі матеріали поділяють на кислі, основні і нейтральні.
До кислих належать динасова цегла, кварцовий порошок та матеріали з високим вмістом кремнезему SіO2; до основних – доломітові, магнезитові з великим вмістом основних оксидів: МgO, СаО; до нейтральних - з оксидів Аl2O3, Сr2O3, МgO (шамот, хромомагнезит).
–3–
Пірометалургійний – теплота забезпечується згорянням палива.
Електрометалургійний спосіб в дугових, індукційних електричних печах або електролізом із розплавів і водяних розчинів хімічних сполук (наприклад, добування алюмінію із Аl2О3).
Гідрометалургійний – вилучення металів із руд розчинниками.
Хіміко-металургійний спосіб об’єднує хімічні та пірометалургійні процеси
Тема 2. Виробництво чавуну
Загальні відомості. Підготовка матеріалів до плавлення. Будова і робота доменної печі. Задування печі. Доменний процес. Продукти доменного виробництва. Техніко-економічні показники виробництва чавуну.
–1–
Матеріалами для виробництва чавуну є залізні руди, флюси і паливо.
Магнітний залізняк (магнетит) – мінерал чорного кольору, має магнітні властивості, заліза у вигляді оксиду Fе3O4.
Червоний залізняк (гепатит) – мінерал чорного кольору. Залізо міститься у вигляді безводного оксиду Fе3O4.
Бурий залізняк, містить 35...50% заліза у вигляді водного оксиду
Шпатовий залізняк (болотна руда) 30...40% заліза у вигляді карбонату FеСО3.
Речовини, які додаються в доменну піч з метою зниження температури плавлення породи і усунення попелу, сірки і фосфору, називають флюсами. Сплавляючись з пустою породою, флюси утворюють шлаки.
У процесі виробництва чавуну паливом є деревне вугілля, кокс, природний і доменний газ.
Щоб звільнити сполуки заліза від кисню, необхідно подіяти на оксиди відновником, в якого здатність до хімічної реакції з киснем більша, ніж у заліза. Відновником заліза є вуглець. Отже паливо відновлює залізо з його сполук, а також навуглецьовує відновлене залізо, і утворюється чавун.
Кокс одержують шляхом сухої перегонки дрібних зерен вугілля розміром до 3 мм при температурі 900... 1000°С без доступу повітря протягом 15...17 год. твердий залишок спікається у пористі грудки - кокс.
Деревне вугілля – продукт нагрівання деревини до 400...600°С без доступу повітря. для виробництва високоякісного чавуну.
Природний газ не містить шкідливих домішок і після згоряння не залишає твердих решток, що має місце під час згоряння твердого палива: деревного вугілля, коксу.
Доменний газ – це побічна продукція процесу виробництва чавуну. використовують для нагрівання різних видів печей.
–2–
Оптимальні куски розміром 30.. .80 мм в поперечнику. Підготовка руди: подрібнення, класифікація, збагачення (усунення породи), спікання (агломерації) дріб’язку.
Куски руди подрібнюють і класифікують на дробарках і класифікаторах.
Відокремлення дріб’язку (грохочення) на грохотах –наборах металевих сит, або на обертових барабанах з отворами певних розмірів. Класифікація – розділення дрібні куски і частинки (менші 1...3 мм) у водному або газовому середовищі.
Способи збагачення залізних руд: промивання, гравітаційний, магнітне збагачення.
Агломерацією (від лат. “agglomero” – приєдную) називають спікання дрібних порошкових речовин у грудки оптимального розміру. здійснюється на агломераційних фабриках.
Грудкуванням називають виготовлення грудок з подрібненої руди, пилу, невеликої кількості глини або вапняку та води з висушуванням та випалюванням.
Подають в обертовий пристрій, гранулятор. У процесі обертання гранулятора шихта пересипається з одного місця на інше, злипається, утворюючи грудки діаметром 20...30 мм. висушують при температурі 200...400°С і випалюють в печах при температурі 1200...1400°С для надання міцності.
–3–
Суть процесу отримання чавуну в доменних печах у відновленні оксидів заліза, оксидом вуглецю, воднем і твердим вуглецем та навуглецюванні відновленого заліза.
Доменна піч – це агрегат шахтного типу (рис.). Замкнута в сталевий кожух, а всередині футерована (викладена) вогнетривкою цеглою. за добу виплавляється 2000 т чавуну.
Рис. 1.. Доменна піч та повітронагрівачі (схематичний переріз)
Працює безперервно 4...8 р. Внутрішні контури робочого простору називаються профілем, ділиться на частини: колошник, шахта, розпар, заплечики, горн.
Колошник, призначений для прийому шихтових матеріалів і відведення газів. Шахта має форму зрізаного конуса, що розширюється донизу для розміщується основна частина шихти, поступового опускання шихти у нижню частину печі та рівномірного розподіл газів у поперечному перерізі.
широка частина печі, що має форму циліндра, називається розпаром, а нижня частина печі горн. Простір між розпаром і горном, у вигляді зрізаного конуса, оберненого більшою основою доверху – заплечики. Заплечики втримують шихту доменної печі, не дають їй опуститися в горн.
Завантажувальний пристрій: приймальна воронки 9, малий конус 10, розподільний пристрій 11 і великий конус 12. Шихта подається в колошник із бункера 1 вагонетками 2 скіповим підйомником 8. Попадає на малий конус (для рівномірного завантаження шихти у великий конус) повертається навколо осі на 60°. Малий і великий конуси опускаються не одночасно, щоб не допустити викидання доменних газів із печі. Гази, що утворюються в печі, виводяться газовивідними трубами і після очищення використовуються в доменному процесі для підігрівання повітря. У процесі опускання великого конуса шихта попадає в піч.
У верхній частині горна через фурми під тиском 0,25 МПа вдувається нагріте у повітронагрівачах до 1000...1200°С. повітря.
Чавун і шлак безперервно течуть вниз і періодично випускаються через чавунну 3 і шлакову 18 льотки. Гази, що утворюються при згорянні палива піднімаються вверх назустріч шихті, що опускаються, нагрівають їх, відновлюють і плавлять. Отже, піч працює за принципом протипотоку.
–4–
Задування – це запуск нової або відремонтованої печі. Спочатку через фурмені отвори завантажують горн: на дно кокс, далі до рівня фурм дрова. Через колошник завантажують кокс, кокс з вапняком, кокс з вапняком і невеликою кількістю руди. Кількість коксу в шихті в 2,5...4 рази більша, ніж при нормальній роботі печі. Запалюють дрова і кокс при гарячому дутті (не нижче 600°С).
Перший чавун через 24 год., перший шлак – 16...20 год. Задута піч досягає проектної продуктивності на 10...15 добу.
–5–
Процеси, що відбуваються русі шихти від колошника до горна:
а) сушіння;
б) розклад плавильних матеріалів;
в) відновлення заліза з оксидів;
г) навуглецювання відновленого заліза і утворення чавуну;
д) утворення шлаків;
є) горіння вуглецю біля фурм.
Гаряче повітря, з коксом викликає горіння за реакцією:
С + О2 → СО2.
Взаємодія вуглекислого газу з розжареним коксом утворює оксиду вуглецю СО:
СО2 + С → 2СО.
Продукти згоряння палива, піднімаючись вгору назустріч шихті, що опускається, нагрівають її.
У верхній частині печі при температурі 100...350°С просушування. Розклад плавильних матеріалів (виділення хімічно зв’язаної води, летких речовин з палива, розклад вуглекислих солей).
Відновлення заліза з оксидів при температурах від 600°С і вище.
Fе2O3 →Fе3O4 → FеО → Fе.
Усунення кисню за допомогою СО називається непрямим відновленням при температурі вище 570°С за реакціями:
3Fе2О3 + СО → 2Fе3О4 + СО2 + 37,137 кДж
Fе3О4 + СО → ЗFеО + СО2 +17,166 кДж
FеО + СО → Fе + СО2 + 13,607 кДж
Усунення кисню твердим вуглецем називається прямим відновленням:
FеО + С →Fе + СО - 152,190 кДж
Реакції прямого відновлення заліза при температурах 950... 1000°С.
У верхній частині – реакції непрямого відновлення, а в нижній частині печі – реакція прямого відновлення. Марганець і кремній теж відновлюється. Відновлення кремнію вуглецем при 1050°С:
SiO2 + 2С → Sі + 2СО - 635,096 кДж
Навуглецювання заліза– це насичення вуглецем відновленого заліза за реакцією:
2СО→С02 + С
С + 3Fе→ Fе3С
3Fе + 2СО → Fе3С + С02
При понад 820...850°С в нижній частині шахти і розпарі концентрація вуглецю в залізі досягає 1,0% й утворюється сплав заліза з вуглецем із температурою плавлення нижчу, ніж у заліза, сформовані краплі рідкого чавуну стікають донизу печі через шар коксу, ще більше насичуючись вуглецем, досягаючи 3.. .4%.
Шлакоутворення і вплив на хід доменного плавлення. Кількість утворюваних шлаків становить 50...60% від чавуну. Первинний шлак, просочується до горна, збагачуючись окислами породи і змінюючи склад та властивості, стає більш тугоплавким.
Легкоплавкі шлаки швидко проходять зону максимальної температури, не встигають нагрітися і охолоджують горн. Більш тугоплавкі шлаки сприяють збереженню в горні високої температури.
Рідкий чавун та шлак, що нагромаджуються в горні, періодично випускають через чавунну льотку (закриту вогнетривкою масою). Отвір пробивають чи просвердлюють.
Рідкий чавун 6 разів на добу по жолобу, зливають у ковші по 80... 100 т.
Шлак виливається через шлакову льотку, що закривається залізною конічною пробкою.
– 6–
Отримують чавун, шлак, доменний газ, доменний пил. За хімічним складом, будовою і призначенням чавуни поділяються на переробні, ливарні і спеціальні.
Переробний чавун – призначений для виробництва сталі. Вуглець перебуває у вигляді сполуки Fе3С – цементиту, що на зламі білий відтінок, тому цей чавун ще називають білими.
Ливарний чавун призначений для одержання фасонного литва. Вуглець перебуває у вигляді пластинчастого графіту, на зламі має сірий відтінок називають сірими.
Спеціальні чавуни, або феросплави, – це сплави заліза із значним вмістом кремнію, марганцю: феросиліцій (9... 13% Sі), феромарганець (70...75% Мп), дзеркальний чавун (10...25% Мп) і призначені для розкислення та легування сталі.
Переробні – 75...80%, ливарні –15...20%, феросплави -1...2%.
При згоряння 1 т коксу утворюється 5000 м3 газу: СО (24...32%), СН4 (до 0,5%>) та Н2 (1...2%).
–7–
Показниками роботи: продуктивність, питома витрата палива, собівартість.
Продуктивність кількість чавуну (у тоннах), виплавленого за добу.
Для порівняння печей різного об’єму коефіцієнт використання корисного об’єму доменної печі.
КВКО– це відношення корисного об’єму печі V в м3 до середньодобової продуктивності Р в т:
КВКО = V / Р, м3/т.
Чим меншим показник, тим краще піч працює. КВКО = 0.5...0.7.
Питома витрата палива – відношення витрати А коксу за добу в кг до добового виробництва чавуну Р в т:
К = А/Р, кг/т.
470...490 кг
Собівартість чавуну враховує вартість сировини, палива, води, амортизацію основних фондів і заробітну плату металургів. Основну частку собівартості становлять сировина: руда, флюси і паливо (92%).