Термодинамика и кинетика

Лекция №1 20.10.11

Металлургические процессы представляют собой сложную совокупность физических явлений и ф/химических превращений при высоких температурах, а именно: движение газов, расплавов и твердокусковых материалов, теплообмен, фазовые переходы, химические реакции.

Данная дисциплина занимает промежуточное положение между классической ф.химией и спец. Дисциплинами, изучающими производство разливку и кристаллизацию металлов. Поскольку классическая ф.химия сформировалась при анализе процессов, протекающих при сравнительно невысоких температур, а данная дисциплина рассматривает высокотемпературный процесс (1000-3000 К), то последнюю не следует рассматривать только как прикладную ф.химию. В данной дисциплине имеются свои методы получения высоких температур, методы исследования строения и свойств расплавов, которым в классической ф.химии не уделялось соответствующего внимания. Поэтому ф.химия металлургических процессов и ее основные части (термодинамика и кинетика) являются самостоятельной дисциплиной, призванные в совокупности с теплофизикой и физическим металловедением формировать теоретический базис у инженера-металлурга.

Классификация современных способов производства черных металлов

Черная металлургия является одной из базовых отраслей промышленности, занимающихся производством и обработкой сплавов главным образом на основе железа, которые называют черными металлами. К ним относят: чугун, сталь и ферросплавы. Чугун – сплав железа с углеродом при содержании его более 2.14%, но, как правило, 3-5%. Содержит примеси в основном Si, Mn, P, S и реже содержит Cr, Ni, V, Cu, Ti эти элементы называются легирующими и такие чугуны называются природно-легированными. Содержание железа в чугуне находится в пределах 92-95%. Выплавляется главным образом в ДП и реже в электрических печах из шихты, состоящей в основном из агломерата и окатышей и небольшого количества, железных руд (2-3%).

80-90% чугуна используют для дальнейшего передела в сталь, а остальное количество в литейном производстве для получения чугунных отливок как в собственных чугунолитейных цехах, так и в основном на машиностроительных заводах. Особенность этого сплава в том, что он является хрупким, не поддающимся механической обработке. Вторая особенность – чугун – коррозионно-стойкий сплав. Причина этих свойств – высокое содержание углерода

Сталь – пластичный, низкоуглеродистый(по сравнении с чугуном) сплав железа. Содержание С в стали менее 1,7%, но как правило 0,05-0,5%. Большинство марок стали содержит не более 1% примесей. Так называемые спец. Стали имеют повышенное содержание различных легирующих элементов (Cr, Ni, V, Mn, Mo, Ti). Сталь – основной продукт ЧМ и идет для производства листового и сортового проката, паковок, штамповочных изделий и стального литья.

Ферросплавы – это сплавы железа со значительным количеством других элементов, которые указывают в названии, например ферромарганец (Mn=70-80%), ферросилиций (Si=43-95%), феррохром (Cr=60-65%), ферровольфрам (W=65-80%), Феррованадий (35-80%), ферротитан (Ti=27-40%). Ферросплавы используют в основном для легирования стали, т.е. для введения в сталь с целью улучшения ее качеств. Ферромарганец и ферросилиций используют чаще всего для раскисления, т.е. для уменьшения содержания в стали растворенного кислорода, являющегося вредной примесью для стали. Ферросплавы получают путем восстановительной плавки раньше железомарганцевых руд, в настоящее время – продуктов их окускования. Получают в основном в электрических печах и, реже, в доменных.

Основным исходным сырьем для производства чугуна и, следовательно, стали раньше являлась железная руда, а в настоящее время – продукты ее подготовки: обогащения, окускования (агломерация), окомкование (окатыши).

Железная руда – горная порода из которой при современном развитии науки и техники экономически выгодно извлекать железо. Понятие выгодности зависит не только от абсолютного содержания железа в рудах, но и от многих других факторов: близость транспортных артерий, способ добычи (открытая или шахтная разработка), обогатимость руд, наличие инфраструктуры, количество полезных и вредных примесей и многое другое.. Наиболее распространенные типы руд состоят из оксидов железа. Кроме этого руда содержит пустую породу, полезные и вредные примеси. Пустая порода представляет собой оксиды: кремния, алюминия, кальция, магния.. Вредные примеси: ухудшающие качество металла (S, P, As, Cr), ухудшающие состояние футеровки и металлоконструкций(Zn, Pb,щелочные металлы).

В настоящее время осталось незначительное количество руд, отвечающих по крупности и содержанию железа (богатству), требованиям по производству чугуна. Большинство руд – мелкие - их подвергают окускованию – агломерации и бедные, которые вначале обогащают, а затем окусковывают методом окомкования. На протяжении многих веков вплоть до конца 19 века непосредственно из руд получали не чугун, а пластичное, мягкое, тестообразное, низкоуглеродистое железо, которое называли крица (от др. славянского крич - кузнец), получали в сыродутных горнах, а чугун являлся случайным и нежелательным продуктом, поскольку был хрупким и разрушался при ковке. Литейного производства тогда не существовало. Выплавка чугуна в шахтных печах получила широкое распространение после изобретения способов передела чугуна в пластичное, ковкое железо и развитие чугунолитейного производства. Это железо получило название – сталь. Изготовление стали из чугуна оказалось несравненно более экономичным и более производительным, чем непосредственно получение из руд крицы. Поэтому в конце 1 века практически повсеместно в мире перешли на двухстадийную технологию получения стали. Первая стадия – выплавка чугуна из продуктов подготовки руд, вторая – непосредственно передел его в сталь (в жидком виде). Данная технология является в настоящее время доминирующей в мире.

Цель первой стадии, заключается в восстановлении оксидов железа, отделении пустой породы от чугуна и уменьшении содержания в нем вредных примесей. Первичная стадия – восстановительный процесс и осуществляется преимущественно в доменных печах и в небольших электрических печах.

Сущность второй стадии заключается в окислительном рафинировании чугуна и удалении из стали вредных примесей (O₂, H, N, P, S). Основным звеном является обезуглероживание, т.к. это и есть превращение чугуна в сталь. Восстановительные процессы характеризуются низким содержанием FeO в шлаке менее 0,3%, окислительные – высоким содержанием FeO (до 15-20% в период продувки до 35%). Каждый из этих процессов в зависимости от соотношения концентраций основных и кислотных оксидов подразделяют на основные и кислые. Причем состав шлака должен соответствовать составу футеровки. В этих процессах происходит большое количество различных реакций (горение газообразного и твердого топлива, диссоциация карбонатов и оксидов и др., восстановление элементов из оксидов, их окисление и т.д.)

Доменная печь представляет собой шахтный противоточный агрегат непрерывного действия, высокопроизводительный и весьма экономичный. Доменный процесс отличается высоким извлечением из оксидов 99,9%. Степень восстановления других элементов: Mn – 50-70%; Si 5-20%; P – 100%. Такие оксиды как Al₂O₃ MgO CaO практически не восстанавливаются и вместе с недовосставновленной частью SiO₂ небольшими остатками оксида FeO образуют другую жидкую фазу – шлак. Отличительной особенностью доменного шлака является низкое содержание в нем оксидов железа (менее 0,3%) и низкое содержание металлических корольков.

Металлургические процессы делят на восстановительные (производство чугуна и ферросплавов) и окислительные (производство стали).