Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 31
Сырье:
железная руда.
Вспомогательные
материалы:
кокс (иногда
природный газ),
воздух, обогащенный
кислородом,
флюсы (известняк,
доломит).
Основной
химический
процесс:
содержащийся
в руде оксид
железа (III)
восстанавливается
оксидом углерода
(II):
Кокс
сгорает до
оксида углерода
(IV), при этом выделяется
теплота, необходимая
для расплавления
железа, шлаков,
а также проведения
самой реакции:
Оксид
углерода (IV)
восстанавливается
коксом до оксида
углерода (II):
Побочные
процессы:
одновременно
восстанавливаются
оксиды других
элементов,
содержащихся
в железной
руде:
Содержащаяся
в руде тугоплавкая
примесь (оксид
кремния) удаляется
в виде шлака
взаимодействием
с оксидом кальция:
Оксид
кальция образуется
при разложении
известняка
или доломита:
Особенности
технологического
процесса:
чугун получают
в специальных
печах — домнах.
В верхнюю часть
домны (колошник)
подают последовательно
сырье и вспомогательные
материалы, в
нижнюю (горн)
продувают
противотоком
воздух, предварительно
нагретый в
регенераторе
за счет сжигания
колошникового
газа. Производство
непрерывное
(однако засыпание
шихты и выпуск
чугуна производятся
периодически),
используются
теплота реакции
и принцип
противотока.
Основной
продукт:
чугун.
Состав:
сплав железа,
содержащий
более 2,5% С; 0,3—5% Si; до
1% Mn; 0,1% S и 0,2% Р, иногда
легирующие
металлы (Аl,
Сr,
Ni и др.).
Свойства:
самый дешевый
металлический
материал, обладает
хорошими
литейными и
антифрикционными
свойствами,
износостойкостью,
способностью
гасить вибрации.
Различают
передельный,
литейный и
легированный
чугун. Легированный
чугун отличается
жаростойкостью
и коррозионной
стойкостью.
Применение:
передельный
чугун — для
производства
стали; литейный
— для изготовления
поршней, цилиндров,
тормозных
барабанов,
шестерен, деталей
автомобилей
(задний мост,
картер, ступицы
и др.); легированный
— для изготовления
дверец мартеновских
печей, колосников,
деталей паровых
котлов, печной
арматуры,
футерованных
плит, газотурбинных
установок.
Побочные
продукты:
шлак, колошниковый
газ.
Утилизация
побочных продуктов:
шлак используют
при производстве
гравия, щебня,
цемента, шлаковой
ваты, колошниковый
газ — для обогрева
воздухонагревателей.
Сырье:
чугун, металлолом,
оксиды железа.
Вспомогательные
материалы:
воздух, обогащенный
кислородом,
добавки (например,
оксид кальция,
ферромарганец).
Основной
химический
процесс:
содержащиеся
в жидком чугуне
элементы (углерод,
кремний, марганец,
фосфор и сера)
окисляются
кислородом:
Образовавшийся
оксид железа
(II) тоже принимает
участие в окислении
примесей:
Оксиды
кремния и фосфора
с известью
образуют шлак:
Побочные
процессы:
для удаления
образующегося
оксида железа
(II) добавляют
ферромарганец
(так называемый
раскислитель):
Оксид
марганца (II)
переходит в
шлак:
Особенности
технологического
процесса:
1) кислородно-конверторный
способ.
Окисление
примесей проводят
в специальных
аппаратах—
конверторах
продуванием
воздуха через
расплавленный
чугун (нижнее
дутье) или кислорода
над расплавом
(верхнее дутье);
2) мартеновский
способ.
Примеси окисляют
в мартеновских
печах, пропуская
предварительно
нагретый в
регенераторах
воздух и топочные
газы над расплавленным
чугуном. Производство
периодическое.
Основной
продукт:
сталь.
Состав:
сплав железа,
содержащий
менее 2% С, 0,35%
Si, 0,6%
Mn, 0,06%
S, 0,07%
Р, легирующие
металлы (Со,
Cr, Ni, W, A1
и др.).
Свойства:
высокая прочность,
пластичность,
свариваемость,
жаростойкость,
износостойкость.
Применение:
конструкционные
материалы, в
строительстве,
производстве
труб для газо-
и нефтепроводов,
деталей машин
и механизмов
(оси, шестерни,
пружины, коленчатые
валы), аппаратов
и деталей в
химическом
машиностроении.
Побочные
продукты:
шлак, отходящий
газ.
Утилизация
побочных продуктов:
шлак, содержащий
фосфор, используют
в качестве
минеральных
удобрений.
Новейшим
направлением
в производстве
стали является
прямое восстановление
железной руды
водородом,
природным или
генераторным
газом, минуя
доменные процессы.
При этом получают
губчатое железо,
состав которого
в отличие от
доменного
чугуна очень
близок к стали.
Мартеновский
способ в настоящее
время также
устарел. Гораздо
более прогрессивными
являются конверторный
и электроплавильный.
Происходит
бурное развитие
технологии
непрерывной
разливки стали
благодаря ее
исключительно
высокой эффективности.
Основными
направлениями
экономического
и социального
развития до
2000 г. предусмотрено
увеличить
выплавку конверторной
стали и электростали
в 1,3—1,4 раза, разливку
стали непрерывным
способом не
менее чем в
2 раза и выпуск
металлических
порошков более
чем в 3 раза. Ковчегин
Игорь 9б
Получение
железа из железной
руды производится
в две стадии.
Оно начинается
с подготовки
руды-измельчения
и нагревания.
Руду измельчают
на куски диаметром
не более 10 см.
Затем измельченную
руду прокаливают
для удаления
воды и летучих
примесей.
На второй
стадии железную
руду восстанавливают
до железа с
помощью оксида
углерода в
доменной печи.
Восстановление
проводится
при температурах
порядка 700 °С:
Для
повышения
выхода железа
этот процесс
проводится
в условиях
избытка диоксида
углерода СО2.
Моноксид
углерода СО
образуется
в доменной печи
из кокса и воздуха.
Воздух сначала
нагревают
приблизительно
до 600 °С и нагнетают
в печь через
особую трубу-
фурму. Кокс
сгорает в горячем
сжатом воздухе,
образуя диоксид
углерода. Эта
реакция экзотермична
и вызывает
повышение
температуры
выше 1700°С:
Диоксид
углерода поднимается
вверх в печи
и реагирует
с новыми порциями
кокса, образуя
моноксид углерода.
Эта реакция
эндотермична:
Ж
Оксид
кальция соединяется
с примесями,
образуя шлак.
Шлак содержит
силикат кальция
и алюминат
кальция:
Железо
плавится при
1540 °С. Расплавленное
железо вместе
с расплавленным
шлаком стекают
в нижнюю часть
печи. Расплавленный
шлак плавает
на поверхности
расплавленного
железа. Периодически
из печи выпускают
на соответствующем
уровне каждый
из этих слоев.
Доменная
печь работает
круглосуточно,
в непрерывном
режиме. Сырьем
для доменного
процесса служат
железная руда,
кокс и известняк.
Их постоянно
загружают в
печь через
верхнюю часть.
Железо выпускают
из печи четыре
раза в сутки,
через равные
промежутки
времени. Оно
выливается
из печи огненным
потоком при
температуре
порядка 1500°С.
Доменные печи
бывают разной
величины и
производительности
(1000-3000 т в сутки). В
США существуют
некоторые печи
новой конструкции
с четырьмя
выпускными
отверстиями
и непрерывным
выпуском
расплавленного
железа. Такие
печи имеют
производительность
до 10000 т в сутки.
Железо,
выплавленное
в доменной
печи, разливают
в песочные
изложницы.
Такое железо
называется
чугун. Содержание
железа в чугуне
составляет
около 95%. Чугун
представляет
собой твердое,
но хрупкое
вещество с
температурой
плавления около
1200°С.
Литое
железо
получают, сплавляя
смесь чугуна,
металлолома
и стали с коксом.
Расплавленное
железо разливают
в формы и охлаждают.
Сварочное
железо
представляет
собой наиболее
чистую форму
технического
железа. Его
получают, нагревая
неочищенное
железо с гематитом
и известняком
в плавильной
печи. Это повышает
чистоту железа
приблизительно
до 99,5%. Его температура
плавления
повышается
до 1400 °С. Сварочное
железо имеет
большую прочность,
ковкость и
тягучесть.
Однако для
многих применений
его заменяют
низкоуглеродистой
сталью (см. ниже).
В основе
производства
чугуна лежит
процесс восстановления
железа из его
окислов окисью
углерода.
Известно,
что окись углерода
можно получить,
действуя кислородом
воздуха на
раскалённый
кокс. При этом
сначала образуется
двуокись углерода,
которая при
высокой температуре
восстанавливается
углеродом кокса
в окись углерода:
Восстановление
железа из окиси
железа происходит
постепенно.
Сначала окись
железа восстанавливается
до закиси-окиси
железа:
Далее
закись-окись
железа восстанавливается
в закись железа:
и, наконец,
из закиси железа
восстанавливается
железо:
Скорость
этих реакций
растёт с повышением
температуры,
с увеличением
в руде содержания
железа и с
уменьшением
размеров кусков
руды. Поэтому
процесс ведут
при высоких
температурах,
а руду предварительно
обогащают,
измельчают,
и куски сортируют
по крупности:
в кусках одинаковой
величины
восстановление
железа происходит
за одно и то же
время. Оптимальные
размеры кусков
руды и кокса
от 4 до 8—10 см.
Мелкую руду
предварительно
спекают (агломерируют)
путём нагревания
до высокой
температуры.
При этом из
руды удаляется
большая часть
серы.
Железо
восстанавливается
окисью углерода
практически
полностью.
Одновременно
частично
восстанавливаются
кремний и марганец.
Восстановленное
железо образует
сплав с углеродом
кокса. кремнием,
марганцем, и
соединениями,
серы и фосфора.
Этот сплав—жидкий
чугун. Температура
плавления
чугуна значительно
ниже температуры
плавления
чистого железа.
Пустая
порода и зола
топлива также
должны быть
расплавлены.
Для понижения
температуры
плавления в
состав «плавильных»
материалов
вводят, кроме
руды и кокса,
флюсы (плавни)
— большей частью
известняк СаСО3
и доломит
CaCO3МgСО3.
Продукты разложения
флюсов при
нагревании
образуют с
веществами,
входящими в
состав пустой
породы и золы
кокса, соединения
с более низкими
температурами
плавления,
преимущественно
силикаты и
алюмосиликаты
кальция и магния,
например,
2CaOAl2O3SiO2,
2CaOMg02Si02.
Химический
состав сырья,
поступающего
на переработку,
иногда колеблется
в широких пределах.
Чтобы вести
процесс при
постоянных
и наилучших
условиях, сырьё
«усредняют»
по химическому
составу, т. е.
смешивают руды
различного
химического
состава в
определённых
весовых отношениях
и получают
смеси постоянного
состава. Мелкие
руды спекают
вместе с флюсами,
получая «офлюсованный
агломерат».
Применение
офлюсованного
агломерата
даёт возможность
значительно
ускорить процесс.
Стали
подразделяются
на два типа.
Углеродистые
стали
содержат до
1,5% углерода.
Легированные
стали
содержат не
только небольшие
количества
углерода, но
также специально
вводимые примеси
(добавки) других
металлов. Ниже
подробно
рассматриваются
различные типы
сталей, их свойства
и применения.
Кислородно-конвертерный
процесс.
В последние
десятилетия
производство
стали революционизировалось
в результате
разработки
кислородно-конвертерного
процесса (известного
также под названием
процесса
Линца-Донавица).
Этот процесс
начал применяться
в 1953 г. на сталеплавильных
заводах в двух
австрийских
металлургических
центрах-Линце
и Донавице.
В
Кислородно-конвертерный
процесс используется
главным образом
для получения
углеродистых
сталей. Он
характеризуется
большой
производительностью.
За 40-45 мин в одном
конвертере
может быть
получено 300-350 т
стали.
В настоящее
время всю сталь
в Великобритании
и большую часть
стали во всем
мире получают
с помощью этого
процесса.
Электросталеплавильный
процесс. Электрические
печи используют
главным образом
для превращения
стального и
чугунного
металлолома
в высококачественные
легированные
стали, например
в нержавеющую
сталь. Электропечь
представляет
собой круглый
глубокий резервуар,
выложенный
огнеупорным
кирпичом. Через
открытую крышку
печь загружают
металлоломом,
затем крышку
закрывают и
через имеющиеся
в ней отверстия
опускают в печь
электроды, пока
они не придут
в соприкосновение
с металлоломом.
После этого
включают ток.
Между электродами
возникает дуга,
в которой развивается
температура
выше 3000 °С. При
такой температуре
металл плавится
и образуется
новая сталь.
Каждая загрузка
печи позволяет
получить 25-50 т
стали.
Сталь
получается
из чугуна при
удалении из
него большей
части углерода,
кремния, марганца,
фосфора и серы.
Для этого чугун
подвергают
окислительной
плавке. Продукты
окисления
выделяются
в газообразном
состоянии и
в виде шлака.
Так как
концентрация
железа в чугуне
значительно
выше, чем других
веществ, то
сначала интенсивно
окисляется
железо. Часть
железа переходит
в закись железа:
Реакция
идёт с выделением
тепла.
Закись
железа, перемешиваясь
с расплавом,
окисляет кремний
марганец и
углерод:
Si+2FeO=SiO2+2Fe
Mn+FeO=MnO+Fe
C+FeO=CO+Fe
Первые
две реакции
|