yandex rtb 1
ГоловнаЗворотній зв'язок
yande share
Главная->Різні конспекти лекцій->Содержание->1. КОНСТРУКЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ

Металургія

1. КОНСТРУКЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ

1.1. Металургія

1.1.1. Загальні відомості про металургію

Металургією називають науку про промислові способи отримання металів і сплавів.

Металургією називають також промисловість, яка займається виробництвом металів і сплавів з руд та іншої сировини, яка містить метали.

1.1.2. Способи виробництва металів і сплавів

Метали та сплави отримують різними способами. Найчастіше використовують пірометалургійний.

1.      Пірометалургійний спосіб.

2.      Електрометалургійний спосіб.

3.      Плазмовий спосіб.

4.      Хіміко-металургійний спосіб.

5.      Гідрометалургійний спосіб.

6.      Порошкова металургія.

7.      Космічна металургія.

1.2. Виробництво чавуну

Для виробництва чавуну необхідно мати сировину (руда, флюси), паливо, обладнання (для підготовлення сировини, варіння та розливання чавуну), вогнетриви, воду та електричну енергію.

Сировина для виробництва чавуну. Основною сировиною для виробництва заліза та сплавів на його основі (чавунів, сталей) є залізні руди.

Залізною рудою називають корисні копалини, які містять залізо у вигляді оксидів або солей, з'єднаних породою.

1.  Магнітний залізняк.

2.  Червоний залізняк.

3.  Бурий залізняк.

4.  Шпатовий  залізняк.

5.  Залізисті кварцити.

 

Для виробництва чавуну крім залізних руд використовують відходи: чавунний брухт, брак, отриманий у процесі виготовлення виробів литтям, тощо.

Флюси. Для вилучення з шихти залишків породи, попелу, жужелиці та частково сірки використовують спеціальні речовини, які називають флюсами. Вибір флюсів залежить від складу породи. Порода залізних руд в основному складається з кислих оксидів, таких як SiО2, тому в процесі отримання чавуну роль флюсів виконує вапняк або доломіт.

Паливо. У процесі виробництва чавуну використовують деревне вугілля, кокс, природний і доменний гази, а останнім часом практикують використання подрібненого вугілля.

До палива, як і до руди, ставлять певні вимоги: велика міцність, відсутність крихкості, оскільки дрібні кусочки палива перешкоджають руху пічних газів і сповільнюють процес відновлення заліза зі сполук.

Певну кількість руди, палива та флюсу називають шихтою.

Технологічна система виробництва чавуну. Чавун варять у печах-домнах, які є складовою частиною одного з елементів технологічної системи виробництва чавуну. Технологічна система, схему якої зображено на рис. 1, складається з шести елементів.

В агрегаті кожного елемента відбуваються певні фізико-механічні або фізико-хімічні процеси, внаслідок яких сировина перетворюється на чавун.

 

                                                                                                                       Флюси

           

                                                                                                                      

                                                                                   4                                   Доменний

                                                                                                                              газ

Руда             1                  2                 3                                          6              Шлак

                                                                                                                        Чавун

 

                                                                                   5

 

                                                                                

                                                                              Паливо

 

Рисунок 1 - Спрощена схема технологічної системи виробництва чавуну

 

Для підвищення продуктивності доменних печей, зменшення витрати палива та поліпшення якості чавуну, руду спеціально готують до перероблення: подрібнюють вальцями або у млинах (елемент 1); сортирують отримані куски руди за розмірами на решеті і ситах (елемент 2); збагачують промиванням водою, гравітацією, магнетацією, флотацією у спеціальних машинах-сепараторах (елемент 3); грудкують на грануляторах (елемент 4); виготовляють офлюсований агломерат на агломератних машинах (елемент 5). Підготовлену руду (куски розміром 20 – 40 мм), паливо і флюси, взяті у певній кількості, пошарово завантажують у доменну піч, де внаслідок фізико-хімічного процесів сировина перетворюється на чавун (елемент 6).

Замість руди і вапняку можна використовувати офлюсований агломерат, який виготовляють спіканням порошкової зволоженої маси, що складається з руди, коксу та вапняку.

Використання офлюсованого агломерату зменшує витрати коксу та вапняку, разом з тим збільшує техніко-економічні показники роботи доменної печі.

Будова та принцип роботи доменної печі. Доменна піч (домна) – це піч стовбурного типу. Висота печі значно перевищує діаметр поперечного перерізу. Зовні піч окута сталлю, усередині викладена вогнетривкою цеглою. Сучасні доменні печі за висотою поділяють на такі частини: колошник; стовбур; розпар; заплечки; горно; черінь.

Домна працює за принципом зустрічних потоків: шихта рухається згори вниз, а гарячі потоки газу, який утворюється внаслідок згорання палива, - назустріч, тобто знизу вгору.

Зволожене збагачення киснем (до 30%) і нагрівання повітря, необхідне для горіння палива, вдувають у піч через фурми, розміщені у верхній частині горна печі. Залежно від розміру печі їх може бути до 60. Повітря нагрівають у повітронагрівачах. Біля кожної печі є по три-чотири повітронагрівача. Впровадження високотемпературного (1200 - 1300°С) дуття поліпшило техніко-економічні показники печей: збільшилась продуктивність, зменшилась витрата палива.

Домна працює безперервно протягом п'яти-десяти років, потім її ставлять на капітальний ремонт. Шихту у піч завантажують певними порціями (колошами) через засипний апарат, який розміщено у верхній частині печі – колошнику. Періодично льотками, які розташовані у горні, випускають чавун і шлак. Доменний газ із печі виходить безперервно газовивідними трубами, розташованими у верхній частині печі.

Фізико-хімічні процеси чавуноваріння. Під час варіння чавуну в домні відбуваються такі процеси: горіння палива; відновлення заліза та інших хімічних елементів, які містяться в шихті, з їх сполук; навуглецьовування заліза.

1.     Горіння палива. Завантажена в піч шихта опускається до рівня фурм і паливо згорає в потоці гарячого повітря, яке подають під тиском.

Температура підвищується до 1600 - 1800°С. Оксид вуглецю (СО2), піднімається, проходить через розжарений кокс, взаємодіє з вуглецем і відновлюється до СО.

Природний газ складається в основному з метану (СН4), який згоряє.

Це не є кінцевою реакцією, оскільки СО2 відновлюється вуглецем до СО. Водяна пара також взаємодіє з вуглецем розжареного коксу.

Відновлення заліза. Залізо із сполук, в яких воно міститься в руді, відновлюється за допомогою оксиду вуглецю (СО), водню 2) і розжареного коксу (С). Оксиди заліза відновлюються послідовно від вищих оксидів до нижчих і далі до чистого металу.

Відновлення починається за температури 400-500°С, а закінчується - за температури 1300-1400°С (у розпарі печі). За цих температур залізо перебуває в твердому стані й має вигляд твердої пористої маси (ТПЛ. заліза = 1539°С), яку називають «губчатим» залізом. До температури 950°С має місце непряме відновлення заліза, яке відбувається за участю СО і Н2. За вищих температур у розпарі печі відбувається пряме відновлення оксидів заліза за допомогою розжареного коксу (вуглецю).

2.     Навуглецьовування заліза. У стовбурі печі за температур понад 400-500°С поряд із відновленням заліза відбувається його навуглецьовування. Процес навуглецьовування можна зобразити у вигляді реакцій, які проходять між залізом і навуглецьовульним середовищем, яким є СО і С.

Отриманий цементит (Fе3С) добре розчиняється у залізі й утворює з ним сплав. Із збільшенням вмісту вуглецю температура залізовуглецевих сплавів знижується і якщо вміст вуглецю дорівнює 4,3%, становить 1147°С. У горні температура перевищує 1800°С. Утворений сплав стікає в горно.

3.     Відновлення домішок. У шихті разом з основними елементами – залізом і вуглецем - завжди містяться домішки, а також сполуки інших, не завжди бажаних елементів, таких як сірка, фосфор, марганець, кремній тощо. Постійними корисними домішками, які поліпшують властивості чавуну, є марганець і кремній, а шкідливими, що надають чавуну, а потім і сталі, крихкості, - сірка та фосфор. Відновлення. мангану та кремнію відбувається за температури відповідно 1100 і 1450°С.

Відновлені домішки Мn і Sі, розчиняються в залізі, входять до складу сплаву та поліпшують його властивості.

Сірка потрапляє в шихту разом із рудою, коксом або флюсами. Частина сірки окислюється у верхній частині печі та виноситься з печі разом із доменним газом, а частина - переходить у шлак.

Решта сірки переходить у розплав, оскільки FеS добре розчиняється у ньому.

Для виведення сірки необхідна висока температура і надлишок флюсів - СаО, а це спричиняє збільшення витрат палива та зменшення продуктивності печі. Тому дуже часто сірку з розплавленого чавуну виводять поза піччю (в окремих агрегатах).

Фосфор потрапляє до шихти так само, як і сірка, тобто з рудою, коксом і флюсами. Він знаходиться, головним чином, у вигляді мінералів ЗСаО·Р2О5 і ЗFеО·Р2О2О. Фосфор відновлюється за допомогою оксиду вуглецю (СО), водню 2), а також твердого вуглецю (С) за температури 900-1100°С. Практично весь відновлений фосфор переходить у розплав.

Отриманий у доменній печі сплав, називають чавуном. Він складається з заліза, вуглецю та домішок: марганцю, кремнію, фосфору, сірки тощо.

4. Утворення шлаку. У процесі складання шихти велику увагу приділяють кількості флюсів, оскільки склад шлаку впливає на хід фізико-хімічних процесів, які відбуваються в шихті, а також на вміст домішок у чавуні.

Оптимальним вважається шлак такого складу: 40-50% СаО, 38-40% SіОг, і 7-10% АІ2О3. Чим більша кількість СаО у шлакові, тим краще чавун очиститься від сірки.

Утворений шлак стікає в горно печі та спливає на поверхню чавуну, оскільки він легший. Чавун із печі випускають у ковші-чавуновози, які перевозять його у сталеварні чи ливарні цехи, або розливають у виливниці. Шлак випускають у шлаковози.

Продукція доменної печі. У процесі перероблення залізної руди в доменній печі отримують чавун, шлак, доменний газ, доменний пил. Чавун - основна продукція, а шлак, доменний газ - побічна. У металургійній промисловості варять переробний, ливарний і спеціальний чавуни.

 

2