Шпоры по ТКМ1 / Шпоры ТКМ часть 1

1. Структура металлургического производства и его продукция. Материалы для производства метал­лов и сплавов.

2. Обогащение руд. Сущность процесса и его разновидности.

Магнитное обогащение осуществляется на магнитных сепарато­рах. Существует несколько конструкций этих сепараторов, но прин­ципиальная схема у них одна и та же.

Сепаратор ленточного типа состоит из двух транспор­терных лент, одна из которых имеет внутри электромагнит. Куски руды (рудный концентрат ), проходя через магнитное поле, намагничиваются и пристают к снимающей ленте, а куски пустой породы (немагнитная фракция) свободно падают с ленты.

В процессе агломерации мелкие частицы руды (рудная мелочь) превращаются в куски. Для этого мелочь смешивают с 6—12% мел­кого кокса и затем спекают.

В результате восстановления магнетита в присутствии кремне­зема при спекании образуется моносиликат закиси железа — файялит:

2Fe3O4 + 38Ю2 + 2СО = 3Fe2SiO4 + 2СО2. Температура плавления файялита 1209°, поэтому в зоне горения об­разуется жидкая фаза, смачивающая нерасплавленные зерна ши­хты. При охлаждении расплава кусочки шихты скрепляются друг с другом; образуя твердую пористую массу — агломерат. По химическому составу агломерат близок к исходной руде, но лучше восстанавливается благодаря высокой пористости, достигающей 50%,. В процессе спекания железной руды почти полностью удаляется сера (в виде сернистого газа), что еще больше повышает качество ру­ды.

Так же существуют другие способы: флотация и гравитация

3. Основы получения чугуна из железных руд. Исходные материалы и конечные про­дукты доменного производства. Виды доменных чугунов.

Железными рудами называются такие природные соединения, из которых при современном состоянии металлургии возможно и экономически выгодно получение железа. Руды, содержащие свыше 50% железа, называются богатыми, до 50% железа — бедными. В зависимости от вида окислов железа руды под­разделяются на красный, магнитный, бурый и шпатовый железняки.

Красный железняк (гематит) содержит железо (45—60%) в ви­де безводной окиси Fe2O3. Пустая порода состоит главным образом из кремнезема SiO2 и известняка СаСО3. Красные железняки явля­ются основными в нашей стране железными рудами по мощности месторождений и по количеству выплавляемого из них чугуна. Они отличаются хорошей восстановимостью железа и содержат мало вредных примесей (S и Р).

Магнитный железняк (магнетит) содержит железо (до 70%) в виде окисла Fe304 и обладает магнитными свойствами. Встречается как в чистом виде, так и с примесями серы (железный колчедан) или фосфора (апатиты). Пустая порода состоит преимущественно из SiO2.

Бурый железняк содержит в себе водную окись железа 2Fe2O3X. ХЗН2О; железа в нем около 20%. Пустая порода имеет разнообраз­ный состав, содержит серу и фосфор.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо (30—40%) в виде карбоната FeCO3. В состав пустой породы входят SiO2, А12О3, MgO.

Руда, идущая для плавки в доменных печах, должна удовлет­ворять следующим требованиям: 1) максимальное содержание же­леза; 2) минимальное содержание вредных примесей —5 и Р; 3) легкая восстановимость; 4) достаточная пористость; 5) надлежа­щий химический состав пустой породы; 6) обогатимость.

4. Технологический процесс получения чугунов в доменном производстве.

Доменный процесс заключается в восстановлении окислов же­леза, содержащихся в руде, и в ошлаковании пустой породы. Вос­становителем является окись углерода и твердый (сажистый) угле­род. Изменения, происходящие в потоке опускающихся твердых материалов и поднимающихся газов при их взаимодействии, рас­смотрим отдельно, с учетом температурных зон доменной печи

В газах, поднимающихся снизу вверх, наблюдаются следую­щие процессы.

1. Горение топлива: С + О2 = СО2.

2. Восстановительные реакции (при t> 1000°). Образовавшийся при сгорании кокса углекислый газ восстанавливается углеродом раскаленного кокса до окиси углерода: СО2 + С = 2СО.

3. Выделение сажистого углерода (вследствие понижения тем­пературы) при 400—550

В шихте, опускающейся сверху вниз, протекают следующие процессы.

1. Испарение влаги и гидратной воды (при / = 100—500°).

2. Разложение углекислых солей (при t = 300—900°).

3. Удаление летучих веществ (при t = 400 — 900°).

4. Восстановление окислов железа (при t = 500 — 1100°).

5. Науглероживание железа и образование чугуна (t> 1200o):

6. Восстановление окислов Мп, Si, P. Восстановление окислов Si, Mn, P позволяет получить чугун с определенным содержанием этих элементов.

7. Удаление серы.

Приведенные выше схемы химических процессов, происходя­щих в доменной печи, показывают, что доменный процесс по харак­теру протекающих реакций является восстановительным.

5. Способы получения стали, их достоинства и недостатки; перспективы развития в ближайшие годы.

Выплавка стали в кислых конверторах. Сущность способа (на­зываемого по фамилии изобретателя бессемеровским) заключается в том, что струя воздуха продувается через расплавленный чугун и окисляет входящие в него примеси С, Mh, Si и частично Fe, которые после окисления переходят в шлак в виде окислов либо удаляются в виде газов. Окисли­тельные реакции сопровождаются выделением значительного количества тепла, что приводит к повышению темпе­ратуры чугуна от 1300 до 1700—1750°.

Достоинства: 1) высокая производитель­ность; 2) незначи­тельные эксплуатационные расходы; 3) отсутствие необходи­мости в топливе, так как процессы протекают за счет теплоты выгорания примесей.

Недостатки: 1) невозможность пере­работки стального лома; 2) большая скорость процесса, которая ограничивает воз­можность управления им, что затрудняет получение стали опреде­ленного химического состава; 3) ограничение состава продуваемого чугуна; чугуны с промежуточным содержанием фосфора перерабатываться не могут; 4) отрицательное влияние газовых включений на физико-механи­ческие свойства стали.

Выплавка стали в электропечах.

В зависимости от футеровки различают кислые и основные электропечи. Собственно все виды передела чугуна на жидкую сталь являются процессами рафиниро­вания, заключающимися в том, что находящиеся в чугуне в качест­ве примесей эле­менты (углерод, кремний, марганец и др.) подвер­гаются окислению кислородом воздуха или соединениями, легко отдающими кислород. При этом получаются газообразные или жид­кие окислы, не растворяющиеся в металле или растворяю­щиеся в очень ограниченном количестве. Газообразные соединения уходят в атмосферу, а жидкие образуют шлаки, всплывающие благодаря меньшему удельному весу на поверх­ность металла и таким образом отделяющиеся от него.

6. Кислородно-конверторный способ получения стали. Особенности "и разновидности процесса; оборудование и требование к нему. Экономические аспекты производства стали кислородно-конвер­торным способом.

Выплавка стали в кислых конверторах. Сущность способа (на­зываемого по фамилии изобретателя бессемеровским) заключается в том, что струя воздуха продувается через расплавленный чугун и окисляет входящие в него примеси С, Mh, Si и частично Fe, которые после окисления переходят в шлак в виде окислов либо удаляются в виде газов. Окисли­тельные реакции сопровождаются выделением значительного количества тепла, что приводит к повышению темпе­ратуры чугуна от 1300 до 1700—1750°.

Процесс переработки чугуна в бессемеровском конверторе рас­падается на три периода.

1. Окисление кремния и марганца

В конверторе происходят реакции окисления Fe, Si и Мn кислородом вдуваемого воздуха, одновременно происходят реакции окисления примесей чугуна растворенной в нем закисью железа.

Продукты окисления кремния и марганца не растворяются в метал­ле и уходят в шлак. Поэтому первый период называют еще перио­дом шлакообразования.

2. Окисление углерода.

Усилившееся горение углерода характе­ризует начало второго периода. Сгорая, углерод образует окись углерода и углекис­лый газ. В этот период раз­виваются дальше реакции восста­новления железа из его окислов.

3. Окисление железа (период дыма).

Наличие дыма показывает, что входящие в состав чугуна примеси почти исчезли и что кислород соединяется с железом. С появлением бурого дыма процесс прекращают. Для окончательного раскисления в конвер­тор добавляется некоторое количество специального чугуна, содер­жащего значительное количество Мп и Si. Чем лучше раскислён металл, тем выше его механические ка­чества.

7. Получение стали в мартеновских печах. Особенности процесса, разновидности процесса по составу шихты и обмуровке печей. Преимуще­ство и недостатки мартеновского процесса.

Мартеновский способ позволя­ет использовать значительное количество стального и железного лома. В 1865 г. для этой цели впервые была применена регенератив­ная печь. Необходимость применения регенераторов объясняется тем, что холодное топливо при сгорании в холодном воздухе раз­вивает температуру до 1400°. При подогреве топлива и воздуха примерно до 1000° температура пламени повышается до 1800°, что достаточно для ведения процесса.

Разновидности мартеновского процесса. В зависимости от ма­териала, из которого изготавливается под печи, мартеновский про­цесс может быть основным или кислым. В основных печах под вы­кладывается из магнезитового кирпича и наваривается магнезитом или доломитом. В кислых печах под выкладывается из динасового кирпича и наваривается слоем кварцевого песка.

В зависимости от применяемой шихты различают рудный про­цесс и скрап-процесс.

В первом случае шихта состоит из жидкого чугуна, лома и ру­ды. Количество чугуна в шихте 70—90%. Чистая железная руда в количестве до 20% применяется для окисления примесей. Обычно рудный процесс ведется в основных печах и дает главную массу всей производимой стали. При скрап - процессе шихта состоит из значительного количе­ства скрапа (60 — 85%) и меньшего количества чугуна (15 — 40%). Последний загружается обычно в твердом виде. Вследствие зна­чительного окисления шихты в период плавления и небольшого количества примесей, которое нужно удалить из шихты, руда в печь подается в небольшом количестве. Скрап-процесс распространен на заводах, не имеющих доменных печей. Большое распространение получил скрап-рудный процесс, ко­торый ведется на шихте, состоящей из 40 — 60% скрапа и 40 — 60% чугуна в жидком виде. В шихту входит также железная руда.

8. Производство стали в электропечах. Особен­ности и разновидности процесса, достоин­ства и недостатки. Понятие легированной стали.

Получение стали в электропечах. В зависимости от футеровки различают кислые и основные электропечи. Собственно все виды передела чугуна на жидкую сталь являются процессами рафиниро­вания, заключающимися в том, что находящиеся в чугуне в качест­ве примесей элементы (углерод, кремний, марганец и др.) подвер­гаются окислению кислородом воздуха или соединениями, легко отдающими кислород. При этом получаются газообразные или жид­кие окислы, не растворяющиеся в металле или растворяющиеся в очень ограниченном количестве. Газообразные соединения уходят в атмосферу, а жидкие образуют шлаки, всплывающие благодаря меньшему удельному весу на поверхность металла и таким образом отделяющиеся от него.

При кислом процессе нельзя удалить серу и фосфор (требуют­ся чистые исходные материалы). В основных электропечах эти эле­менты удаляются легко, поэтому основные печи применяются для получения высококачественных сортов стали. Кислые же печи при­меняются главным образом для получения стальных фасонных от­ливок.

Плавка в основной электропечи начинается с расплавления за­груженного скрапа и чугуна. По ходу выгорания примесей различа­ют несколько вариантов плавки: 1) с полным окислением; 2) с ча­стичным окислением;3) без окисления.

1. Плавка с полным окислением применяется, когда в шихте со­держится значительное количество фосфора и других примесей. В этих условиях примеси не успевают выгореть за время расплав­ления и для ускорения процесса окисления в ванну добавляют же­лезную или марганцевую руду.

Процесс получения стали распадается на несколько периодов.

Окислительного период (кип): происходит удале­ние из металла фосфора и значительной части газов (поглощаемых металлом во время расплавления).

9. Электрошлаковый переплав как способ получения стали высокой чистоты. Особенно­сти и разновидности процесса. Экономические аспекты производства стали.

Электрошлаковый переплав осуществляется в электропечах сопротивления (рис. 30). В обычных печах сопротивления нагрева­тельным элементом (стержнем, спиралью) является материал, об­ладающий высоким электросопротивлением, в результате чего эле­мент разогревается при прохождении через него тока. Таким эле­ментом сопротивления в печах для электрошлакового переплава (ЭШП) является ванна расплавленного шлака. Опущенный в нее расходуемый электрод, отлитый из стали, подвергаемой рафиниро­ванию, плавится, капли металла проходят через шлак, дегазируют­ся, очищаются от примесей и застывают в нижней части, образуя слиток. Флюс для ЭШП имеет различный состав, например; CaF₂—65%; А1₂О₃—30%; СаО—5%. Способ ЭШП применяется для получения стали с особо высокими характеристиками.

Предварительная подготовка даже наиболее богатых железом руд повышает производительность доменных печей и снижает рас­ход сырья и топлива.

К операциям подготовки руд относятся: дробление, грохочение, промывка, магнитное обогащение, агломерация, окомкование, об­жиг, усреднение.

Чугуны разделяются на передельные, литейные и специальные.

1. Передельные чугуны вы­пускаются трех видов:

• Для сталеплавильного (марки П1 и П2) и литейного (ПЛ1 и ПЛ2) производств;

• Фосфорис­тый (ПФ1, ПФ2 и ПФЗ);

• Высококачественный (ПВК1, ПВК2 и ПВКЗ).

2. Для производства фасонных чугунных отливок выпус­каются литейные чушковые чугуны: обычные (мар­кировка Л) и рафинированные магнием (ЛР).

3. Специальные чугуны, или ферросплавы, приме­няются для раскисления и легирования сталей. К ним относятся сплавы железа с кремнием и марганцем: зер­кальные чугуны, ферросилиции и ферромарганцы.

Побочными продуктами доменной плавки являются шлак и колошниковый газ.

Из доменного шлака изготовляют шлаковые блоки, цемент, кирпичи, шлаковату, шлакоситаллы и др., для чего его подвергают мокрой грануляции (быстрому ох­лаждению в воде).

Колошниковый газ в больших объемах используется в качестве газообразного топлива для нагрева воздухона­гревателей доменных печей, водяных и паровых котлов, для отопления мартеновских и нагревательных печей.

Выплавка чугуна в доменных печах является самым распространенным и производительным процессом по сравнению с другими процессами получения чугуна. До­менный процесс широко механизирован и автоматизиро­ван.

1.

Применение кислорода в конверторном производстве. Бессеме­ровская сталь обладает повышенной прочностью, но пониженной пластичностью. Применение в конверторном производстве техниче­ски чистого кислорода обеспечивает хорошее качество стали и дает возможность использовать для переработки чугуны, содержащие меньше кремния и марганца, чем обычно. А также позволяет добиться малого содержания вредных при­месей, низкой газонасыщенности, высокой пластичности, большой ударной вязкости.

Производство стали в основном конверторе. При бессемеров­ском процессе фосфор не удаляется из чугуна. Для удаления фос­фора необходимо наличие в конверторе основного шлака (добавка извести). Однако основной шлак недопустим при бессемеровании, так как кислая футеровка вступает в химическую реакцию с из­вестью (СаО) и разрушается. Для удаления фосфора делают в кон­верторе основную футеровку и присаживают в начале продувки известняк. Переработка чугуна в конверторах с основной футеров­кой называется томасовским процессом. В томасовском процессе различают 3 периода:

1. Выгорание кремния и марганца

2. Выгорание углерода

3. Интенсивное окисление фосфора

Технико-экономическая характеристика кислого конвертора. Емкость конвертора 10, 20, 30 т и выше (на кислородном дутье - до 350 т). Расход воздуха 3,25—4,25 м³/т∙мин. Стойкость днища (оно приставное, сменное) - до 30 плавок, так как оно подверга­ется не только воздействию чугуна, но и сильных струй воздуха. Выход годного металла 85—89%, при утилизации скрапа - до 91 %.

Шлаки содержат 45—64% SiO₂, 20—45% МnО, 6—18% FeO (остальное А1₂О₃, MgO, CaO). Они идут обычно для переплавки в шихте доменных печей. Количество плавок, в сутки для конвертора средней емкости — до 40.

Достоинства: возможность выплавлять сталь точ­ного хими­ческого состава, с особыми физическими и химическими свойствами. Возможность получения высоких температур допускает при­менение сильно известковых шлаков, которые способствуют почти полному удалению из металла серы и фосфора. Возможность получать стали свободной от вредной закиси железа. Возможность получения высо­кокачественных сталей, содержащих такие тугоплавкие элементы, как вольф­рам, ванадий, молибден, расплавление которых в других печах затруднительно.

Мартеновский процесс.

4.

9.

восстановительный период: период, во время которого, кроме раскисления металла, производят десульфурацию и доводят химический состав стали до заданного.

Плавка с полным окислением производится только для получе­ния стали с малым содержанием углерода.

2. Плавка с ча­стичным окислением: чаще применяется для получения фасонного литья. Единственным источником кислорода при та­кой плавке служат ржавчина или окалина железного лома и про­никающий в печь воздух. Применяется этот способ, когда содержа­ние фосфора в шихте лишь незначительно выше допустимого в го­товом металле, так что для окисления фосфора достаточно тех окислов железа, которые имеются в ванне после расплавления. При частичном окислении выгорает лишь кремний, а фосфор, марганец и углерод в большей или меньшей степени остаются в металле.

Плавка без окисления производится при восстановительном режиме на чистом по сере и фосфору и незаржавленном ломе. Это по существу переплавка чистого скрапа, и ведется она главным об­разом при наличии в скрапе хрома, вольфрама и других ценных при­месей для получения соответствующих сталей. Руды при этом в ванну не подают и шлака не спускают.

Достоинства: возможность выплавлять сталь точ­ного хими­ческого состава, с особыми физическими и химическими свойствами. Возможность получения высоких температур допускает при­менение сильно известковых шлаков, которые способствуют почти полному удалению из металла серы и фосфора. Возможность получать стали свободной от вредной закиси железа. Возможность получения высо­кокачественных сталей, содержащих такие тугоплавкие элементы, как вольф­рам, ванадий, молибден, расплавление которых в других печах затруднительно.

Недостатки:

Достоинства: Возможность переработки металлического лома и получения стали высокого качества, содержащую значительно меньше азота, чем бессемеровская сталь. Возможность регулировать состав стали с большой точностью.

Недостатки: