Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина

9. ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА Отрасль промышленности, занимающаяся производством металлов и сплавов из руд и другого сырья, и наука о способах получения и очистки металлов называются металлургией. Схематически производство металлов из руд можно разбить на два этапа: 1) отделение минерала, содержащего металл, от пустой породы; 2) разложение рудных минералов с целью извлечения металла. Второй этап предполагает обязательное химическое воздействие на минералы. Различают несколько основных способов такого воздействия. – Пирометаллургический способ основан на том, что тепло, необходимое для протекания химических реакций, обеспечивается сжиганием топлива. Наиболее широко применяется в производстве чугуна и стали. – Гидрометаллургический способ основан на получении металлов из водных растворов. Различают выщелачивание и осаждение. Выщелачивание – избирательное растворение металлсодержащего компонента обрабатываемого материала. Этот способ применяют при производстве меди и цинка. Осаждение из растворов основано на переводе металлов в воднонерастворимые соединения. – Электрометаллургический способ состоит в получении металлов и сплавов в электропечах и электролизе металлов из растворов и расплавов солей. – Химико-металлургический способ представляет собой соединение химических и металлургических процессов. – Порошковая металлургия – метод, состоящий из последовательно совершаемых операций: получение порошков, их прессование и спекание. Этим способом получают твёрдые сплавы, материалы высокой твёрдости, САП, САС и др. 9.1 СЫРЬЁ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Для производства металлов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы. Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения. Например, в настоящее время целесообразно извлекать металлы из руд, если содержание их в руде составляет: Fe - не менее 30%; Cu – 0,4%; Мо – 0,005%. Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединение, и пустой породы, т.е. различных примесей, в основном, кремнозёма SiO2, глинозёма Al2O3. Руды называют по одному или нескольким металлам, которые входят в их состав. Например, железные, медные, медно-никелевые и т.д. В зависимости от содержания добываемого металла руды бывают богатыми и бедными. Бедные руды обогащают, т.е. удаляют из руды часть пустой породы. В результате получают концентрат с повышенным содержанием добываемого металла. Флюсы – это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования с пустой породой и золой топлива легкоплавких соединений, называемых шлаком. Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается в печи над металлом и может быть удалён в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiO2, P2O5), и основным, если в его составе больше основных оксидов (СаО, МgО и др.). Топливом являются кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ. Качество топлива характеризуется его теплотворностью – количеством теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы массы топлива. Кроме того, качество топлива зависит от его зольности, содержания вредных примесей и др. Кокс – пористый продукт спекания коксующихся углей, получаемый при удалении из них летучих веществ. Мазут – тяжёлая жидкость, получаемая после перегонки из нефти бензина, керосина и других жидких фракций. Природный газ – высококалорийное дешёвое топливо, почти не содержит серы и сажистых частиц углерода. Доменный газ – побочный продукт доменного производства, применяют в смеси с другими газами. Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. Они должны сохранять прочность при нагреве, быть химически стойкими при воздействии расплавленного металла, шлака, раскалённых печных газов. Огнеупорность материала определяется температурой его размягчения. По химическим свойствам огнеупорные материалы делятся на кислые, основные и нейтральные. К кислым огнеупорным материалам относятся динасовый кирпич, кварцевый порошок и песок – материалы, содержащие 92…97% SiO2. Динас огнеупорен до 1700°С. К основным огнеупорным материалам относятся магнезит, доломит, хромомагнезит. Магнезит содержит 80-85% MgO, огнеупорность до 2000°С. Доломит содержит до 40% MgO и до 58% СаО, огнеупорность 1800-1950°С. Хромомагнезит содержит 65-70% MgO и 20% Cr2O3, огнеупорность не ниже 2000°С. Нейтральные огнеупорные материалы – шамот, хромистые огнеупоры, углеродистые огнеупоры. Шамот – самый дешёвый получают из огнеупорных глин. Он содержит 30-40% Al2O3, 50-60% SiO2, 1,5-3,0% Fe2O3, огнеупорность до 1750°С. Хромистые огнеупоры содержат не менее 25% Cr2O3, огнеупорность 1800-2000°С. Углеродистые кирпичи и блоки содержат до 92% С в виде графита, огнеупорность более 2000°С 9.2. ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА 9.2.1. Исходные материалы и их подготовка к плавке Сырьём для выплавки чугуна служат железные руды (основное сырьё), флюсы, топливо. Виды железных руд: Магнитный железняк – содержит 50-60% Fe в виде магнитного оксида Fe3O4 (магнетит). Красный железняк – содержит 50-70% Fe в виде безводного оксида Fe2O3 (гематит). Бурый железняк – содержит 25-50% Fe в виде гидроксидов 2Fe2O3 · 3H2O (лимонит) и Fe2O3 · H2O (гётит). Шпатовый железняк – бедная руда, содержит 30-40% Fe в виде карбоната FeCO3 (сидерит). В доменном производстве используются также марганцевые руды как добавка для введения в чугун марганца и как исходный материал для получения ферромарганца. Эти руды содержат 20-55% Mn в виде различных оксидов и карбонатов (MnO2, Mn2O3, Mn3O4, MnCO3). В качестве флюсов в доменном процессе производства чугуна применяют известняк (СаСО3) или доломитизированный известняк (СаСО3 + MgCO3). Основным видом топлива является кокс, позволяющий получать необходимую температуру и создавать условия для восстановления железа из руды; в целях экономии, часть кокса заменяют природным газом, мазутом. Подготовка руд к плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Цель этой подготовки состоит в увеличении содержания железа в шихте и уменьшении в ней вредных примесей (серы и фосфора); в повышении её однородности по кусковатости и химическому составу. Дробление и сортировка руд по крупности служит для получения кусков оптимальной для плавки величины. Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в её состав. Методы обогащения: а) гравитация, основанная на отделении руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита, на котором лежит руда: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы опускаются; б) магнитная сепарация, основанная на различии магнитных свойств железосодержащих минералов и частиц пустой породы (разделяют магнитом). Рудная мелочь и тонкоизмельчённые концентраты препятствуют движению газов, чем затрудняют плавку. Для устранения этого проводят окускование мелкой породы. Существуют два способа: 1. Агломерация. Концентрат руды, рудная мелочь и пыль спекают в пористые куски при 1300-1500°С. В процессе спекания удаляются сера (на 85-95%) и мышьяк. 2. Окатывание. Смесь тонкоизмельчённых концентратов, флюса, топлива увлажняется и обрабатывается во вращающихся барабанах и тарельчатых грануляторах. Получаются шарики-окатыши диаметром 20-30 мм. Окатыши сушат при 200-400°С и обжигают при 1200-1400°С для придания им прочности. 9.2.2. Основы доменного процесса ___1 ____2 ____3 4 7 ______5 8 9 6 Чугун получают в домнах. Домна – это вертикальная печь шахтного типа. Высота – 35 м. Рабочее пространство печи состоит из колошника (1), шахты (2), распара (3), заплечиков (4), горна (5). Дно печи называется лещадью (6). В нижней части заплечиков равномерно по окружности размещаются фурмы (7) от 16 до 32, через которые под давлением подаётся в печь подогретый в воздухонагревателях (кауперах) до 1100-1300°С воздух. В горне имеются лётки для выпуска шлака (8) и чугуна (9). Стенки доменной печи футеруются шамотом; горн и лещадь – углеродистыми блоками. Снаружи печь имеет сварной стальной кожух. Доменные печи работают по принципу противотока: поток шихты, которая представляет собой смесь руды, флюсов и топлива, через колошник постепенно перемещается сверху вниз, а поток горячих газов от фурм поднимается снизу вверх, и при  570°С начинается ступенчатое восстановление оксидов железа: Fe2O3  Fe3O4  FeO  Fe Восстановителями являются СО, Н2 воздуха и твёрдый углерод кокса. Восстановление газами называется косвенным, а углеродом – прямым. Реакции косвенного восстановления – экзотермические, а прямого – эндотермическая, проходящая в нижней части домны, где температура более высокая. Вблизи фурм углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорает. В результате горения выделяется теплота, и образуется газовый поток, содержащий СО, СО2, N2, Н2, СН4 и др. При этом в печи несколько выше уровня фурм развивается температура более 2000°С. Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до 300-400°С у колошника. Образующийся оксид СО восстанавливает железо: 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 FeO + CO = Fe + CO2 Одновременно в шахте печи происходит восстановление железа водородом по той же схеме: 3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O Fe3O4 + H2 = 3Fe + H2O FeO + H2 = Fe + H2O Прямое восстановление осуществляется при более высокой температуре 950-1400°С в зоне распара печи: 2FeO + C = 2Fe + CO2 Одновременно с восстановлением железа происходит науглероживание его: 3Fe + C = Fe3C 3Fe + 2CO = Fe3C + CO2 Образовавшийся Fe3C хорошо растворяется в твёрдом Feγ, науглероживая его и тем самым понижая температуру плавления. Конечный состав чугуна устанавливается в горне. В верхней части распара печи начинается шлакообразование. Полное выплавливание пустой породы и образование шлака заканчивается вверху заплечиков. Доменный шлак состоит, в основном, из СаО, SiO2, Al2O3. 9.2.3. Совершенствование доменного производства Важнейшие технико-экономические показатели работы доменных печей: коэффициент использования полезного объёма печи (КИПО) и удельный расход кокса. КИПО (м3/т) – это отношение полезного объёма печи V (м3) к её среднесуточной производительности выплавленного чугуна Р (т): КИПО = V/Р. Для большинства доменных печей КИПО = 0,5 – 0,7 Удельный расход кокса (К) – отношение расхода кокса за сутки (А) к количеству чугуна, выплавленного за то же время: К = А/Р К = 0,5 – 0,7 , чем ниже этот показатель, тем лучше работает печь. Снижение обоих показателей даёт большой экономический эффект. Повысить экономичность производства чугуна можно улучшением подготовки шихтовых материалов, интенсификацией процесса плавки (например, кислородное дутьё), механизацией и автоматизацией многих процессов (регулирования температуры, дозировки подачи шихты и воздуха) и др. 9.3. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ 9.3.1. Физико-химические процессы получения стали Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путём их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки. Примеси отличаются по своим физико-химическим свойствам, поэтому для удаления каждой из них в плавильном агрегате создают определённые условия, используя основные законы физической химии. В соответствие с законом действующих масс (норвежских учёных Като Гульдберга и Петера Вааге) скорость химической реакции пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Поскольку в чугуне больше всего железа, то оно и окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи. 2Fe + O2 = 2FeO + Q (1) Одновременно с железом окисляются примеси Si, P, Mn, C и другие. Образующийся оксид железа (II) при высоких температурах растворяется в железе и окисляет примеси: 2FeO + Si = SiO2 + 2Fe + Q (2) 5FeO + 2P = P2O5 + 5Fe + Q (3) FeO + Mn = MnO + Fe + Q (4) FeO + C = CO + Fe – Q (5). Чем больше FeO содержится в жидком металле, чем активнее окисляются примеси. Для ускорения окисления примесей в сталеплавильную печь добавляют железную руду, содержащую оксиды железа. Т.о., основное количество примесей окисляется за счёт кислорода FeO. Скорость окисления примесей зависит не только от их концентрации, но и от температуры металла и подчиняется принципу Ле Шателье, в соответствие с которым химические реакции, идущие с выделением тепла (экзотермические), протекают интенсивнее при низких температурах, а реакции, идущие с поглощением тепла (эндотермические), активизируются при высоких температурах. Поэтому в начале плавки, когда температура металла невысока, интенсивнее идут процессы окисления Si, P, Mn (2 – 4), протекающие с выделением тепла, а углерод интенсивно окисляется только при высокой температуре. После расплавления шихты в сталеплавильной печи образуются две несмешивающиеся среды: жидкие металл и шлак, которые разделяются из-за различной плотности. В соответствие с законом распределения Нернста, если какое-либо вещество растворяется в двух соприкасающихся, но несмешивающихся жидкостях, то распределение вещества между этими жидкостями происходит до установления определённого соотношения (константа распределения Нернста), постоянного для данной температуры. Поэтому большинство компонентов (Mn, Si, P, S) и их соединения, растворимые в жидком металле и шлаке, будут распределяться между металлом и шлаком в определённом соотношении, характерном для данной температуры. Нерастворимые соединения в зависимости от плотности будут переходить либо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака, можно менять соотношение между количеством примесей в металле и шлаке так, что нежелательные примеси будут удаляться из металла в шлак. Используя изложенные законы, процесс выплавки стали, осуществляют в несколько этапов.

Похожие:

	Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина 2008 г И история русского литературного языка [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины/ Сост. Е. В. Белогородцева, Бийский пед гос...		Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина Д история зарубежной литературы Х1Х века. Реализм.: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: М. А. Ковалева; Бийский пед...
	Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина Д пп. Ф. 12 История русской литературы. Древнерусская литература.: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: М. А. Ковалева;...		Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина П психология развития и возрастная психология [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Т. А. Гусева; Бийский пед...
	Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Гиревой спорт [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: А. В. Золов; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина. Бийск:...		Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: В. А. Бурчаков; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина. –...
	Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: В. А. Бурчаков; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина. –...		Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: В. А. Бурчаков; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина. –...
	Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Л. Б. Повитухина; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина....		Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Е. В. Форопонова; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина....
	Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Г. В. Гулина; Бийский пед гос ун-т им. В. М. Шукшина. – Бийск:...		Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д нормативно-правовое обеспечение образования [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: В. С. Кузнецова; Бийский...
	Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина П психология [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Н. Е. Варшавская, Н. А. Кочергина, И. С. Пищева; Бийский пед...		Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина П клиника интеллектуальных нарушений [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Н. А. Першина; Бийский пед гос ун-т...
	Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д дисциплина Лыжная подготовка [Текст]: Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: В. С. Баклыкова; Бийский пед гос ун-т им....		Учебно-методический комплекс дисциплины б ийск бпгу имени В. М. Шукшина Д история музыкального образования [Текст] : Учебно-методический комплекс дисциплины / Сост.: Е. А. Торопчина; Бийский пед гос ун-т...