Міністерство освіти і науки україни
Київський національний університет технологій та дизайну
Конспект лекцій
для студентів з курсу „Технологія конструкційних матеріалів та матерiалознавство. Частина 1”
Всі цитати, цифрові, фактичний матеріал
і бібліографічні відомості перевірені.
Зауваження рецензентів враховані.
Позиція плану...
Вимогам, що пред’являються
до навчально-методичної літератури
відповідає. До друку і в світ дозволяю
на основі § 2, п.15 (Єдиних
правил...)
Упорядник:
доц. Анішин В.П.
Відомості, що заборонені для Проректор Ю.Ю Щербань
відкритої публікації нема. „ „ 2003р.
Затверджено На засіданні
кафедри ІМ Протокол №
від 2003 року
Зав. кафедри
О.М. Хомяк
І відділ
„ „ 2003 р.
Нач. Спецвідділу
А.П. Лазарєв
Київ 2003
Сутність металургійного виробництва План
Загальні відомості.
Матеріали для виробництва металів
Виробництво чавуна
Виплавка чавуна
а) доменний процес;
б) продукти доменного виробництва;
в) техніко-економічні показники роботи.
1. Метали, які застосовуються в техніці прийнято поділяти на чорні і кольорові. До чорних відноситься залізо і його сплави; до кольорових всі інші.
Спочатку залізо отримували безпосередньо із руди відновленням в горнах. Із збільшенням висоти горнів залізо насичувалось вуглецем, отримували сплав крихкий, але з хорошими литійними властивостями. Цей сплав був названий чавуном. З ХІІ століття чавун почали переробляти в сталь – сплав з меншим, ніж в чавуні, вмістом вуглецю, кременю, марганцю і деяких інших елементів, які мають високу пластичність і міцність. Така двох стадійна схема виробництва сталі – виплавка чавуна в доменній печі і переробка його в сталь – являється в даний час основною. Продукцією чорної металургії являються чавуни (передільний і литійний), феросплави (сплави заліза з підвищеним вмістом марганцю, кременя та інших елементів), і стальні злитки для виробництва сортового прокату і упаковок великих деталей машин.
2. Для виробництва металів використовують руди, флюси, паливо, вогнетривкі матеріали.
Рудою називають гірські породи, які місять метали в кількості, яка забезпечує їх економічну переробку. Так, наприклад, залізні руди містять 30-60% металу. Вміст кольорових металів в рудах в кращому разі складає 2-5%, а в багатьох – долі проценту (молібдену, наприклад, до 0,02 %).
Руда складається із мінералів, які містять метал у вигляді оксидів, сульфідів, карбонатів і пустої породи (в основному кремнезему SiO2, глинозему Al2O3), в складі якої знаходяться також домішки сірки, фосфору, миш’яку та інші.
Флюсом називають матеріали, які утворюють при плавці шлак - легкоплавку суміш з пустої породи, палива та іншими не металічними включеннями. Як правило шлак має меншу щільність, ніж виплавляємий метал, тому він розміщується над ними і може бути злитий в процесі плавки.
При плавленні чорних і деяких кольорових металів в якості флюсів використовують кварцовий пісок, який складається в основному із SiO2 , вапняку СаСО3 та інших зєднань кальцію і магнію.
Паливом в металургійних процесах служить кокс, природний, доменний або коксовий газ, мазут.
Кокс отримують шляхом сухої перегонки, кам’яного вугілля без доступу повітря при температурі 1000-11000С. При такій обробці вугілля видаляються і цінні побічні продукти: бензол, феноли, а також виловлюється коксовий газ.
Природний газ складається в основному із метану СН4.
Доменний газ являється побічним продуктом при виплавці чавуна в доменній печі, містить значну кількість горючих складових ( до 32% СО, до 4% Н2).
Мазут – важкий залишок перегонки нафти, має до 88% С, 10-12% Н2 і невелику кількість кисню і сірки.
Вогнетривкі матеріали застосовують для внутрішньої футерівки плавильних печей та іншого обладнання, яке знаходиться під дією високих температур і розплавлених металів і шлаків.
По хімічному складу вогнетривкі матеріали поділяються на кислі, основні і нейтральні.
3. Чавун виплавляють із залізних руд пірометалургійним способом в доменних печах, використовуючи для цього тверде паливо – кокс і флюси.
а) залізні руди містять залізо у вигляді оксидів, гідратів оксидів, карбонатів. Пустою породою в залізній руді, як правило, являється кварцит або піщаник, глинясті речовини.
До основних залізних руд відносяться:
магнітний залізняк містить 60% заліза у вигляді оксиду Fе2О3 (Криворізьке і Атасуйське родовище, КМА та інші).
бурий залізняк, містить до 55% заліза у вигляді гідратів оксидів пFеО3 (Байкальське, Криворізьке родовище).
б) паливо в процесі виплавки чавуна виконує роль те тільки палива, але і відновника заліза із руди. Цим вимогам відповідає тверде паливо – кокс.
в) флюсами при виплавці твердого чавуна в доменній печі служать вапняк СаСО3 або доломітизований вапняк, який складається з СаСО3 і МgСО3. Їх призначення – переведення пустої породи ( в основному SiО2 і Al2О3) в шлак, а також зв’язування і видалення руди, яка знаходиться в паливі і сірці.
4. Чавун виплавляють в доменних шахтних печах, які викладені з вогнетривкої цегли і заключені в кожух з листової сталі товщиною до 35 мм.
С
учасна
доменна піч висотою до 35 м з корисним
об’ємом до 5000 м разом з допоміжним
обладнанням представляє собою складну
інженерну споруду.
Мал.1. Схема роботи доменного цеху
а) шихтові матеріали, опускаючись на зустріч потоку розплавлених газів нагріваються, із них випаровується волога, виділяються летучі речовини. При досягненні температури 750-9000С в шихті відновлюється залізо:
3 Fе2О3 +СО = 2 Fе3О4 + СО2;
Fе3О4 +СО = 3 FеО + СО2;
FеО +СО = Fе + СО2.
Частина окису заліза опускається до распара і заплічників відновлюється вуглецем коксу.
У відновленні заліза приймають участь також сажистий вуглець і водень.
В результаті даних реакцій утворюється губчате залізо.
3Fе +2СО = Fе3С + СО2;
3Fе +С = Fе3С.
Вуглець понижує температуру плавлення залізовуглецевого сплаву, тому, опускаючись в нижню частину шахти, сплав починає плавитися, додатково насичується вуглецем та іншими елементами, які відновлюються із руди – марганцем, кременем, фосфором, сіркою.
Таким чином, в результаті відновлення заліза, марганцю, кременю, фосфору і сірки та їх розпаду в залізі в печі утворюється чавун.
Одночасно з чавуном в нижній печі збирається шлак – сплав пустої породи, флюсів, золи палива, а також частини невідновлених оксидів.
По мірі утворення і накопичення чавун і шлак випускають із печі: чавун через 3-4 години по льоткі 3 (мал.1), а шлак через 1-1,5 години по льоткі 18.
б) основним продуктом доменного виробництва являється чавун, побічним – шлак і колошниковий газ.
В залежності від хімічного складу і призначення отримуємі в доменній печі чавуни підрозділяють на наступні види:
Переробний чавун – основний вид чавуна, призначений для переробки в сталь. Звичайний його склад: 4-4,5 % С; 0,6 % Si; 0,25 % Мn; до 0,3 % Р і 0,07 % S;
Литійний чавун призначений для переплавлення і отримання фасонних відливок, відрізняється підвищеним вмістом кременю (2,75-3,25 %);
Феросплави – сплави заліза з підвищеним вмістом інших елементів, наприклад феросиліцію (9-13 % Si), феромарганець (70-75 % Мn) та інші призначені розкислення і легування сталі.
Шлак використовується для виробництва шлаковати, шлакоблоків, цементу.
в) покращення техніко-економічних показників роботи доменних печей досягається шляхом удосконалення їх конструкцій, кращої підготовки шихтових матеріалів, інтенсифікації процесу плавки збагаченням повітряного видування киснем. Збільшенню виплавки чавуна і зменшенню використання коксу сприяє підвищення ефективності збагачення руд, застосування офлюсованого агломерату і окатишів.