Основы металлургического производства

Федеральное  агентство  по образованию

ГОУ ВПО

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

Тема:  «Основы металлургического  производства»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                  Казань 2010

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

     Железо  имело промышленное применение  уже до нашей эры. В древние  времена его получали в пластичном  состоянии в горнах. Шлак отделяли, выдавливая его из губчатого железа, ударами молота.

     По мере  развития техники производства  железа постепенно повышалась  температура, при которой велся  процесс. Металл  и шлак стали  плавиться; стало возможным разделять  их гораздо полнее. Но одновременно в металле  повышалось содержание углерода  и других примесей, - металл становился хрупким и нековким. Так появился чугун.

     Позднее  научились перерабатывать чугун;  зародился двухступенчатый способ  производства  железа из руды. В принципе  он сохраняется до настоящего времени: современная схема получения стали состоит из доменного процесса, в ходе которого из руды получается чугун, и  сталеплавильного передела, приводящего к уменьшению в металле количества углерода и других примесей.

     Современный  высокий уровень металлургического производства основан на теоретических исследованиях и открытиях, сделанных в различных странах, и на богатом практическом опыте. Немалая доля в этом процессе принадлежит русским ученым. Например, российские ученые первыми широко применили природный газ для доменной плавки.

 

 

 

 

 

 

 

1 Производство чугуна.

            

Цель доменного  производства – получение чугуна из железных руд в результате их переработки в доменных печах.

Под действием высокой  температуры образуется сплав железа с различными элементами, который постепенно насыщается углеродом и превращается в чугун. Чугун – это сплав железа с углеродом, который содержит углерода не более 4,2 %. Чугун – это первичный продукт, получаемый из железной руды. Он  используется, как исходный материал при выплавке стали, а также для получения чугунных отливок.

Исходными продуктами для  доменной плавки являются:

- железная руда

- марганцевая руда

- флюсы

- топливо

- воздух

Железные руды представляют собой горные породы, которые состоят из химических соединений железа и пустой породы.

Марганцевые руды используют для введения марганца в состав чугуна.

Флюсы используют в доменном производстве для оплавления тугоплавкой пустой породы руд с образованием шлака (перевод пустой породы в шлак). В качестве флюсов применяют  основные материалы: известняк, доломит, кварц, песчаник.

Топливо.

Основными видами топлива  для доменной печи являются:

- каменноугольный кокс. Кокс получают нагревом измельченных  каменных углей без доступа  воздуха.

- природный газ

Подготовка железных руд является одним из эффективных  направлений в улучшении показателей  доменного производства и включает в себя следующие операции:

Дробление  – доменная печь работает нормально, если ее загружают кусками средних размеров.

Сортировка руды – куски руды сортируются по размерам.

Обогащение – это отделение пустой породы, так как в природе богатые руды встречаются редко.

Окускование мелкой железной руды и измельченных концентратов после обогащения – агломерация или получение окатышей.

Доменная печь – плавильный агрегат шахтного типа с вытянутым в высоту рабочим пространством. Она состоит из следующих частей:

– Колошника

- Шахты

- Распара

- Заплечников

- Горна

В колошнике находится засыпной аппарат с помощью которого загружается в определенной последовательности сырье. В шахте происходит процесс восстановления. В районе распара производится плавление пустой породы и флюсов с образованием шлака. В горне на лещади собирается чугун и шлак, которые периодически спускаются через специальные отверстия.

Доменный процесс – совокупность механических,  физических и физико-химических  процессов. Шихтовые материалы, загружаемые в доменную печь, в результате доменного процесса превращаются в чугун, шлак и доменный газ.

Основные процессы доменной печи:

1. Горение топлива, от которого зависят теплообменные, восстановительные и плавильные процессы;

2. Восстановление железа  из его окислов – последовательное  отщепление кислорода от окислов  руды;

3. Науглероживание железа  – процесс поглощения железом  углерода и других элементов (Mn, Si, S, P) с образованием сложного сплава – чугуна.

4. Образование шлака  – оплавление пустой породы.

Конечными продуктами доменной плавки являются:

- чугун – сырье для производства стали;

– шлак – используется для получения строительных материалов;

- доменный газ – используется в качестве топлива;

- колошниковая пыль – используется при производстве агломерата.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Производство  стали.

 

В стали по сравнению  с чугуном содержится меньше углерода, кремния, серы и фосфора. Для получения стали из чугуна необходимо снизить концентрацию веществ путем окислительной плавки.

В современной металлургической промышленности сталь выплавляют в  основном в трех агрегатах: конвекторах, мартеновских  и электрических  печах.     

 

 2.1 Производство стали в конверторах.

 

Конвертор представляет собой сосуд грушевидной формы. Верхнюю часть называют козырьком  или шлемом. Она имеет горловину, через которую жидкий чугун и  сливают сталь и шлак. Средняя  часть имеет цилиндрическую форму. В нижней части есть приставное днище,  которое по мере износа заменяют новым. К днищу присоединена воздушная коробка, в которую поступает сжатый воздух.

Емкость современных конвекторов  равна 60 – 100 т. и более, а давление воздушного дутья 0,3-1,35 Мн/м. Количество воздуха необходимого для переработки 1 т чугуна, составляет 350 кубометров.

Перед заливкой чугуна конвектор поворачивают до горизонтального положения, при  котором отверстия фурм оказываются  выше уровня залитого чугуна. Затем  его медленно возвращают в вертикальное положение и одновременно подают дутье, не позволяющее металлу проникать через отверстия фурм в воздушную коробку. В процессе продувки воздухом жидкого чугуна  выгорают кремний, марганец, углерод и частично железо.

При достижении необходимой концентрации углерода конвектор возвращают в горизонтальное положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл раскисляют и выливают в ковш.

Бессемеровский процесс. В конвертор  заливают жидкий чугун с достаточно высоким содержанием кремния (до 2,25% и выше), марганца       (0,6-0,9%), и минимальным количеством серы и фосфора.

По характеру происходящей реакции  бессемеровский процесс можно разбить  на три периода. Первый период начинается после пуска дутья в конвертор  и продолжается 3-6 мин. Из горловины  конвертора вместе с газами вылетают мелкие капли жидкого чугуна с образованием искр. В этот период окисляются кремний, марганец и частично железа по реакциям:

 

Si + O2 = SiO2,

2Mn + O2 = 2MnO,

2Fe + O2 = 2FeO.

 

Образующаяся закись железа частично растворяется в жидком металле, способствуя дальнейшему окислению кремния и марганца. Эти реакции протекают с выделением большого количества тепла, что вызывает разогрев металла. Шлак получается кислым (40-50% SiO2).

Второй период начинается после  почти полного выгорания кремния и марганца. Жидкий металл достаточно хорошо разогрет, что создаются благоприятные условия для окисления углерода по реакции C + FeO = Fe + CO, которая протекает с поглощением тепла. Горение углерода продолжается 8-10 мин и сопровождается некоторым понижением температуры жидкого металла. Образующаяся окись углерода сгорает на воздухе. Над горловиной конвектора появляется яркое пламя.  

По мере снижения содержания углерода в металле пламя над горловиной уменьшается и начинается третий период. Он отличается от предыдущих периодов появлением над горловиной конвертора бурого дыма. Это показывает, что из чугуна почти полностью выгорели кремний,  марганец и углерод и началось очень сильное окисление железа. Третий период продолжается не более 2 – 3 мин, после чего конвектор переворачивают в горизонтальное положение и в ванну вводят раскислители (ферромарганец, ферросилиций или алюминий) для понижения содержания кислорода в металле. В металле происходят реакции

FeO + Mn = MnO + Fe,

2FeO + Si = SiO2 + Fe,

3FeO + 2Al = Al2O3 + 3Fe.

  Готовую сталь  выливают из конвектора в ковш, а затем направляют на разливку.

Чтобы получить сталь  с заранее заданным количеством  углерода (например, 0,4 – 0,7% С), продувку металла прекращают в тот момент, когда из него углерод еще не выгорел, или можно допустить полное выгорание углерода, а затем добавить определенное количество чугуна или содержащих углерод определенное количество ферросплавов. 

Томасовский процесс. В  конвертор с основной футеровкой сначала загружают свежеобожженную известь, а затем заливают чугун, содержащий  1,6-2,0% Р, до 0,6%Si и до 0,8% S. В томасовском конвекторе образуется известковый шлак, необходимый для извлечения и связывания фосфора. Заполнение конвектора жидким чугуном, подъем конвертора, и пуск дутья происходят также как и в бессемеровском процессе.

В первый период продувки в конвекторе окисляется железо, кремний, марганец и формируется известковый  шлак. В этот период температура  металла несколько повышается.

Во второй период продувки выгорает углерод, что сопровождается некоторым понижением температуры металла. Когда содержание углерода в металле достигнет менее 0,1%, пламя уменьшится и исчезнет. Наступает третий период, вовремя которого интенсивно окисляется фосфор

2P + 5FeO + 4CaO = (CaO)4*P2O5 + 5Fe.

В результате окисления  фосфор переходит из металла в  шлак, поскольку тетрафосфат кальция  может раствориться только в нем. Томасовские шлаки содержат 16 – 24% Р2О5.

Данная реакция сопровождается выделением значительного количества тепла, за счет которого происходит более резкое повышение температуры металла.  

Перед раскислением металла  из конвертора необходимо удалить шлак, т.к. содержащиеся в раскислителях  углерод, кремний, марганец будут восстанавливать  фосфор из шлака, и переводить его  в металл. Томасовскую сталь применяют для изготовления кровельного железа, проволоки и сортового проката.

Кислородно-конверторный процесс.  Для интенсификации бессемеровского  и томасовского процессов в последние  годы начали применять обогащенное  кислородом дутье.

При бессемеровском процессе обогащения дутья кислородом позволяет сократить продолжительность продувки и увеличить производительность конвертора и долю стального скрапа, подаваемого в металлическую ванну в процессе плавки. Главным достоинством кислородного дутья является снижение содержания азота в стали с 0,012-0,025(при воздушном дутье) до 0,008-0,004%(при кислородном дутье). Введение в состав дутья смеси кислорода с водяным паром или углекислым газом позволяет повысить качество бессемеровской стали, до качества стали, выплавляемой в мартеновских и электрических печах.

Большой интерес представляет  использование чистого кислорода  для выплавки чугуна в глуходонных  конверторах сверху с помощью  водоохлаждаемых фурм.

Производство стали  кислородно-конверторным способом с каждым годом увеличивается.

 

 

2.2 Производство стали в мартеновских печах.

 

В мартеновских печах  сжигают мазут или предварительно подогретые газы с использованием горячего дутья.

Печь имеет рабочее (плавильное) пространство и две  пары регенераторов(воздушный и газовый) для подогрева воздуха и газа. Газы и воздух проходят через нагретую до 1200° С огнеупорную насадку соответствующих регенераторов и нагреваются до 1000-1200° С. Затем по вертикальным каналам направляются в головку печи, где смешиваются и сгорают, в результате чего температура под сводом достигает 1680-1750° С. Продукты горения направляются из рабочего пространства печи в левую пару регенераторов и нагревают их огнеупорную насадку, затем поступают в котлы-утилизаторы и дымовую трубу. Когда огнеупорная насадка правой пары регенераторов остынет, остынет так что не сможет нагревать проходящие через них газы и воздух до 1100° С, левая пара регенераторов нагревается примерно до 1200-1300° С. В этот момент переключают направление движения газов и воздуха. Это обеспечивает непрерывное поступление в печь подогретых газов и воздуха.