Московскийгосударственный автомобильно-дорожный институт.
Основы металлургического производства.
Студент: Троицкий. А. П.
Группа: 1КМ1.
Москва 2001.
1. Материалы, применяемые дляпроизводства металлов и сплавов.
Для производства металлов и сплавов используютруду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.
Промышленной рудой называетсягорная порода, из которой при данном развитии техники целесообразно извлекать металлы и их соединения.
Флюсы– материалы, загружаемые в плавильную печьдля образования легкоплавкого соединения с пустой породой или концентратом изолой топлива (шлака).
Топливом в плавильных печахявляется кокс, природный газ, доменный газ.
Огнеупорные материалыприменяют для изготовлениявнутреннего облицовочного покрытия металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. Покрытиедолжно быть образованно из оксидов одного типа с флюсом (основным, кислотнымили нейтральным). В противном случае произойдет разрушение покрытия.
2. Назначение флюса. Пример.
Флюсы в производстве металлов применяют дляотделения от расплавленного металла пустой породы или концентрата или золытоплива.
Образованныйшлак имеет меньшую плотность, нежели металл, благодаря чему он поднимается наповерхность и подвергается удалению.
Такпри изготовлении чугуна применяется CaCO3илидоломитизированныйизвестняк, содержащий CaCO3и MgCO3, так как в шлаке нужнодолжно содержаться некоторое количество основных оксидов (CaO, MgO).
3. Назначение кокса. Получение.
Вдоменном производстве кокс играет роль топлива. Кокс получается накоксохимических предприятиях путем сухой безвоздушной перегонки каменного угля коксующихся сортовпри 10000С. Кокс содержит 80-88%углерода, 8-12 % золы, 2-5% влаги, 0.5 – 1.8 % серы, 0,02 – 0,2 % фосфора и до1-2% летучих компонентов. Кокс должен иметь размеры 25-60 мм и должен бытьдостаточно прочным, чтобы не разрушался под действием шихтовых материалов.
4. Назначение огнеупоров. Допустимыесочетания огнеупоров сфлюсами. Пример.
Огнеупоры применяются длязащиты поверхностей металлургических печей и ковшей, контактирующих срасплавленным металлом, от высоких температур, нагрузок, и химическихвоздействий металла и шлака. Огнеупоры бывают основными, кислыми и нейтральными. Допускаетсясочетание только однотипных флюсов и огнеупоров (т.е. кислые с кислыми,основные с основными), в противном случае произойдет разрушениеогнеупорного покрытия.
Так, например, применимосочетание кислого флюса, содержащего кислотный оксид SiO2, и кислогоогнеупора, например кварцевого песка, содержащего95% SiO2.
5. Определение чугуна.
Чугун – сплав железа с углеродом с концентрацией углеродаболее 2.14%.
Передельный чугун [C] =4 – 4.25%
Литейный чугун [C] =2.75-3.25%.
6. Исходные материалы, применяемые для получения чугуна.
При выплавке чугуна применяются железные руды, топливо,флюсы.
Железнаяруда содержит железо в различных соединениях:
·
·
· а также пустую породу,состоящую в основном из оксидов Si,Mg, Al, Ca и др.
К железным рудам относится магнитный железняк Fe3O4(55-60% Fe), красныйжелезняк Fe2O3 (55-60% Fe), бурый железняк(содержит гидраты оксидов железа 2Fe2O3*3H2O), шпатовые железняки (содержащие FeCO3 30-40%).
Приизготовлении чугуна применяется CaCO3илидоломитизированныйизвестняк, содержащий CaCO3и MgCO3, так как в шлаке нужнодолжно содержаться некоторое количество основных оксидов (CaO, MgO). Топливом при производстве чугуна является кокс, обеспечивающийнеобходимую температуру для восстановления железа из оксидов.
7. Процесс агломерации.
Процесс агломерации заключается в следующем:
Шихту, состоящую из железной руды (40-50%),известняка (15-20%), возврата мелкого агломерата (20-30%), коксовой мелочи(4-6%), влаги (6-9%), спекают на агломерационных машинах при температуре 1300-15000С. При спекании из рудыудаляются вредные примеси (сера и мышьяк), разлагаются карбонаты, и получаетсякусковой пористый офлюсованный материал – агломерат.
8. Сущность основного принципаработы доменной печи. Схема доменной печи с указанием температур.
Сущностьосновного принципа работы доменной печи заключается в противотоке.Нерасплавленная шихта спускается вниз доменной печи, проходя через рядхимических реакций. Расплавленный металл поднимается вверх и тем самымподдерживает условия для протекания реакций на всей высоте доменной печи. Темсамым упрощается сам процесс, так как отпадает необходимость в искусственномсоздании условий, необходимых для протекания каждой реакции, каждый химическийпроцесс находит свой горизонт.
9. Реакция горения углерода кокса.
C + O2 ®CO2 + Q1
CO2 + C ®2CO — Q2
10. Уравнение восстановления железав доменной печи.
3Fe2O3+ CO2 ®3Fe3O4 + CO2 + Q3
Fe3O4+ CO ®3FeO + CO2 – Q4
FeO+ CO ®Fe + CO2 + Q5
11. Продукты доменной печи.
· Чугун – основной продукт доменной печи
Литейныйчугун – применяется на машиностроительных предприятиях для производствафасонных отливок.
Передельныйчугун предназначен для переплавки в сталь в конвертерах или мартеновскихпечах.
· Доменные ферросплавы – сплавы железа скремнием, марганцем и другими элементами. Применяются для раскаления и легирования сталей.
· Побочные продукты – шлак и доменный газ.Из шлака изготавливают цемент, шлаковату. Доменный газ применяют как топливодля подогрева воздуха, подаваемого в доменную печь.
12. Определение стали.
Сталь – сплав Fe с C ([С]
Высококачественнаясталь ([С] ~0,7%).
13. Сущность металлургического процесса передела чугуна в сталь.
Сущность процесса переплавки чугуна в сталь заключается вснижении концентрации углерода и удаления вредных примесей, путемизбирательного их окисления и перехода в шлак или газ.
14. Граница раздела шлак – сталь.
Границаобеспечивается тем, что расплавленный металл и шлак имеют разную плотность инерастворимы друг в друге.
15. Основные этапы переплава чугуна в сталь.
Первыйэтап: Расплавление шихты и нагрев металла. Окисление железа. Удаление фосфора. Для более полного удаления фосфора в расплавленный металл добавляют шлак,содержащий CaO. Из-занехватки FeO добавляютв металл руду или окалину (в виде шлака).
Второйэтап: кипение металлической ванны, восстановление Fe из FeOс выделением углекислого газа. Вместе с всплывающими пузырьками поднимаютсяприлипшие к ним примеси (флотация). Удаление серы из металла в шлак. Чем вышетемпература, тем активнее удаляется сера.
Третийэтап: раскисление стали (восстановление Fe из FeO).
16. Химическая реакция окисленияжелеза при переплавке чугуна в сталь.
2Fe+ O2®2FeO+ 527.36 кДж/моль;
17. Протекание основных химических реакций ифизико-химических явлений на этапе расплава шихты и нагрева расплавленногометалла.
2FeO+ Si®SiO2+ Fe+ 330 кДж/моль;
5FeO+ 2P®P2O5+ 5Fe+ 226 кДж/моль
FeO+ Mn= MnO+ Fe+ 123 кДж/моль.
Ангидрид фосфора – нестойкоесоединение. Его вытесняют из расплавленного металла с помощью CaO:
2P + 5FeO + 4CaO 4CaO*P2O5+ 5Fe
18.
FeO+ C = CO + Fe – 153.93кДж/моль
FeS + CaO = CaS + FeO (вшлаке)
FeS + CaO = CaS+ FeO (на границераздела металл – шлак).
19. Сущность раскисления стали, два основных способа раскисления.
Сущностьраскисления заключается в восстановлении оксида железа, растворенного в жидкомметалле. Раскисление можно проводить двумя способами:
a) введением в жидкую сталь растворимыхраскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия). В результате раскислениявосстанавливается железо, и образуются оксиды марганца, алюминия и кремния,обладающие меньшей плотностью, нежели сталь, удаляющиеся в шлак. Однако частьих может остаться в стали, что понижает её свойства.
b) сталь, что уменьшает содержание в ней неметаллических примесей и темсамым повышая её свойства.
20. Стали, получаемые в процессе раскисления.
Спокойнаясталь получается при полном раскислении в печи или ковше.
Кипящаясталь получается при неполном раскислении. Её раскисление продолжается приостывании слитка. COвыделяется из стали, способствуя удалению из неё водорода и азота, в видепузырьков, вызывая её «кипение».
FeO + C = Fe + CO.
Полуспокойнаясталь. Сталь, раскисление которой протекает в печи и в процессе остыванияслитка.
21. Легирование стали.
Легированиестали проводят для придания ей необходимых свойств. Если легирование проводятэлементами, у которых сродство с кислородом меньше чем у железа (Ni, Co, Mo, Cu), то их можно вводить влюбой момент плавки. Обычно легирующие элементы вводят вместе с шихтой. Если легирование проводят элементами, у которыхсродство кислороду больше чем у железа(Si, Mn, Al, Cr, V, Ti и др.), то их вводят в металл послеили одновременно с раскислителями, в конце плавки, а иногда непосредственно вковш.
22. Особенности структуры слитков спокойной, кипящей и полуспокойной стали.
Спокойная сталь застывает без выделениягазов. В верхней части образуется усадочная раковина, а в средней части — осевая рыхлость.
Слиткикипящей стали усадка рассредоточена по полостям газовых пузырей. Припрокатке газовые пузыри завариваются. Углерод, сера и фосфор потоками выносятсяна поверхность, отчего качества её ухудшаются. Поэтому при прокатке срезаюттолько верхнюю часть.
Слитки полуспокойнойстали имеют в верхней части структуру кипящей стали, а в нижней –спокойной. Ликвация в верхней части слитков близка к ликвации спокойной стали,но слитки полуспокойной стали не имеют усадочной раковины.
23. Основные способы разливки стали.
Визложницы сверху – металлналивается непосредственно из ковша(применяют для обычных углеродистых сталей).
Присифонной разливке сталью заполняют сразу несколько изложниц (применяется приразливке высококачественных и легированных сталей).
При непрерывнойразливке сталь непрерывно подается через промежуточное разливочное устройство вводоохлаждаемую изложницу без дна - кристаллизатор, из нижней части которого извлекают затвердевающий слиток.
24. Способы повышения качества стали.
Обработка металла синтетическим шлаком. Синтетическийшлак содержащий 55% CaO, 40% Al2O3и немного SiO2, MgO и минимум FeO, выплавляют в электрической печи и заливают на дно ковша.Затем в ковш заливают сталь. При перемешивании стали и шлака поверхность ихвзаимодействия резко возрастает и реакции между ними протекают гораздо быстрее.Благодаря этому улучшается пластичность и прочность стали.
Электрошлаковый переплав. Переплаву подвергают выплавленныйв печи и прокатанный на круглые прутки металл. Капли расплавленного металлапроходят через основной шлак, нагретый электрическим током.
Ток подводится через расплавляемые электроды (прутки).Прохождение капель расплавляемого электрода через шлак способствует ихактивному взаимодействию. Под слоем шлака образуется ванна расплавленногометалла, которая превращается в слиток под действием кристаллизатора.Металлическая ванна пополняется расплавленными каплями электрода. Постепенная инаправленная кристаллизация способствует удалению из стали газов инеметаллических включений, слиток получается плотным, однородным, с хорошимкачеством поверхности. В результате ЭШП содержание кислорода в металле уменьшается в 1,5 – 2раза, снижается концентрация серы, в 2 – 3 раза уменьшается содержаниенеметаллических включений, они становятся меньше и равномерно распределяются повсему объему. ЭШП позволяет получать высококачественные и жаропрочные стали.
Вакуумно – дуговой переплав. Применяется в целяхудаления из металла газов и неметаллических включений. Процесс происходит ввакуумных дуговых печах с расходуемымиэлектродами. При подаче напряжения между расходуемым электродом – катодом изаготовкой – анодом возникает дуга. Сильное охлаждение слитка и разогрев дугойванны расплавленного металла способствуют направленной кристаллизации слитка. Врезультате этого неметаллические примеси концентрируются в верхней частислитка, а усадочная раковина мала. Слитки, полученные ВДП отличаются высокими механическими свойствами иравномерностью химического состава.