Продукти доменного виробництва

РОБОЧА ПРОГРАМА,

методичні вказівки та індивідуальні завдання

до вивчення дисципліни “Основи металургії

для студентів напряму 6.050503 – машинобудування

Затверджено

на засіданні Вченої ради

академії

Протокол № 1 від 28.01.2013

Дніпропетровськ НМетАУ 2013

УДК 669.053

Робоча програма, методичні вказівки та індивідуальні завдання до вивчення дисципліни "Основи металургії" для студентів напряму 6.050503 – машинобудування / Укл.: Л.В. Камкіна, А.А. Надточій, Р.В. Анкудінов,
Ю.Д. Стогній. – Дніпропетровськ: НМетАУ, 2013. – 27 с.

Наведені робоча програма, короткий огляд основних металургійних переділів, виробничих агрегатів, допоміжного обладнання, технологічних особливостей виробництва чавуну та сталі, теми й питання навчальної програми дисципліни. Представлені варіанти індивідуального завдання, методичні вказівки до його виконання.

Призначена для студентів напряму 6.050503 – машинобудування.

Укладачі: Л.В. Камкіна, д-р техн. наук, проф.

А.А. Надточій, канд. техн. наук, доц.

Р.В. Анкудінов, канд. техн. наук, доц.

Ю.Д. Стогній, канд. техн. наук, доц.

Відповідальна за випуск Л.В. Камкіна, д-р техн. наук, проф.

Рецензент Є. І. Суліменко, канд. техн. наук, доц. (НМетАУ)

Підписано до друку 31.01.2012. Формат 60х84 1/16. Папір друк. Друк плоский.

Облік.-вид. арк.. Умов. друк. арк.. Тираж 100 пр. Замовлення №

Національна металургійна академія України

49600, м. Дніпропетровськ-5, пр. Гагаріна, 4

_______________________________

Редакційно-видавничий відділ НМетАУ

ВСТУП

Дисципліна "Основи металургії" має мету дати студентам різних спеціальностей необхідні знання по виробництву чорних металів і сплавів, частка яких складає 90 % всього металургійного виробництва.

На сьогодні найбільше використання має двоступенчатий спосіб отримання сталі, який включає виплавку чавуну в доменних печах і різних видів сталеплавильних переділів. Сучасний рівень металургійного виробництва заснований не тільки на знанні технології і устаткування металургійних виробництв, але і процесів, що супроводжують виплавку чавуну та сталі. В методичних вказівках наведений короткий огляд основних металургійних переділів, виробничих агрегатів, допоміжного устаткування, технологічних особливостей виробництва чавуну та сталі.

Вивчення дисципліни для студентів напряму 6.050503 – машинобудування включає лекції за розділами дисципліни, самостійну роботу над підручниками, виконання індивідуального завдання. Виконані індивідуальні завдання повинні бути представлені для перевірки. Після вивчення дисципліни «Металургія чавуну та сталі» студент, який навчається за напрямом 6.050402 - ливарне виробництво, здає залік.

РОЗПОДІЛ НАВЧАЛЬНИХ ГОДИН ДИСЦИПЛІНИ «ОСНОВИ МЕТАЛУРГІЇ» за напрямом 6.050503 - машинобудування

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1. Воскобойников В.Г. Общая металлургия / В.Г. Воскобойников, В.А.Кудрин, А.М. Якушев; под. ред. В.Г. Воскобойникова. – [3-е изд.]. – М.: Металлургия, 1979. – 487 с.

2. Линчевский Б.В. Металлургия черных металлов: Учеб. для техникумов /Б.В. Линчевский, А.Л. Соболевский, А.А. Кальменев. - [2-е изд.]. – М.: Металлургия, 1986. – 360 с.

3. Ефименко Г.Г. Металлургия чугуна /Г.Г. Ефименко, А.А. Гиммельфарб, В.Е. Левченко. - [2-е изд.]. – К.: Вища школа, 1974. – 488 с.

4. Металлургия чугуна /Вегман Е.Ф., Жеребин Б.Н., Похвиснев А.Н. и др. - М.: Металлургия, 1989. – 512 с.

5. Кудрин В.А. Металлургия стали: Учеб. для вузов /В.А. Кудрин. - [2-е изд.]. – М.: Металлургия, 1989. – 560 с.

6. Бигеев А.М. Металлургия стали /А.М. Бигеев. – М.: Металлургия, 1977. – 440 с.

7. Технология производства стали в современных конвертерных цехах / С.В. Колпаков, Р.В. Старов, В.В. Смоктий [и др.]; под. ред. С.В. Колпакова. – М.: Машиностроение, 1991. – 464 с.

8. Соколов Г.А. Внепечное рафинирование стали /Г.А. Соколов. – М.: Металлургия, 1977. – 208 с.

1 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВИРОБНИЦТВО ЧАВУНУ

Область технології металів, що займається вивченням способів виробництва металів і сплавів, називається металургією. Відповідно до загальної класифікації металів її можна розділити на металургію чорних металів і металургію кольорових металів.

Найбільше використовуються в промисловості чорні метали, до яких в першу чергу відносять сплави заліза з вуглецем - сталі та чавуни, які мають цінні фізико-механічні властивості.

Для виплавки чавуну використовують шихту - суміш матеріалів, що підлягає переробці в доменних печах. Шихта для виробництва чавуну складається з підготовленої руди, палива і флюсів, взятих в певних співвідношеннях.

Руда представлена різними оксидами заліза. Паливо забезпечує необхідну температуру для плавлення компонентів шихти, вуглець палива бере участь в процесах відновлення і входить до складу залізовуглецевих сплавів. Флюси знижують температуру плавлення пустої породи - з'єднань, що не містять елементів, необхідних для отримання чавуну.

1.1 Вихідні матеріали, що використовуються при виробництві чавуну

Руда - гірська порода, в якій залізо знаходиться у вигляді хімічних сполук з киснем, сіркою і іншими елементами. В руді знаходяться інші з'єднання, що не містять заліза, такі як кремнезем (SiO₂), глинозем (А1₂О₃) і ін. Вони практично повністю переходять в шлак.

В рудах присутні такі залізомістячі мінерали: магнітний залізняк, червоний залізняк, бурий залізняк, шпатовий залізняк.

Магнітний залізняк складається, головним чином, з мінералу магнетиту (Fe₃O₄). Ця руда містить 60-70% заліза і невелику кількість шкідливих домішок (сірки і фосфору), вона важка, майже чорного кольору, має високу щільність і володіє магнітними властивостями.

Червоний залізняк містить, в основному, мінерал гематит - безводний оксид заліза (Fе₂O₃). Руда червоного кольору з різними відтінками, рихла і пориста, внаслідок чого залізо легше відновлюється.

Бурий залізняк є водним оксидом заліза і зустрічається у вигляді лимоніту (2Fe₂О₃^.3Н₂О) і гетиту (Fе₂O₃^.Н₂О). Руда бурого кольору з відтінками.

Шпатовий залізняк - це вуглекислі з'єднання заліза - сидерити (FеСО₃), найбідніша руда. Вона сірого, жовтуватого або бурого кольору.

Виплавка чавуну відбувається при високій температурі. Джерелом тепла є паливо, яке бере участь в хімічних реакціях, що протікають при виробництві чавуну.

Паливо для виробництва чавуну повинно мати високу теплотворну здатність, міцність, пористість, невелику зольність і мінімальний вміст сірки. Цим вимогам відповідає кокс. Він добре горить, розвиває високу температуру і зберігає достатню міцність. Кокс є основним видом палива при виплавці чавуну.

Одержують кокс шляхом сухої перегонки кам'яного вугілля, що коксується, в коксівних печах. Процес коксування полягає в нагріванні вугілля без доступу повітря до температури 1000-1100 °С.

Для нормального ходу доменного процесу необхідно, щоб домішки плавилися при певній температурі після відновлення з руди заліза. Температури плавлення домішок і золи палива, що є в шихті, значно вище необхідних.

Для зниження температури плавлення пустої породи і золи в доменну піч вводять флюси, які сплавляються з порожньою породою руди і золою, утворюючи шлак. Флюсом при отриманні чавуну є вапняк.

1.2 Підготовка руди до плавки

Залежно від характеристики руди, що добувається, застосовують наступні стадії підготовки: 1) дроблення; 2) сортування за крупністю; 3) збагачення; 4) обпал; 5) усереднювання; 6) окускування.

Машини, що застосовують для дроблення - дробарки, можуть зменшувати розмір кусків до 5-6 мм. Отримання менших фракцій називають подрібненням. Його здійснюють в млинах різних конструкцій.

Дроблення і подрібнення майже завжди супроводжується грохоченням і класифікацією - процесами, мета яких - розділення кусків і частинок руди за крупністю. Відмінність грохочення від класифікації полягає в тому, що при грохоченні проводять сортування кусків на ситах, а класифікацією розділяють дрібні кусочки і частинки (менше 1-3 мм) у водному або в повітряному середовищі.

Збагачення - розділення руди на концентрат з високим вмістом рудного мінералу і хвости з низьким його вмістом. Існують такі способи збагачення корисної копалини: 1) промивка; 2) гравітаційне збагачення; 3) магнітна сепарація; 4) флотація.

Промивка ефективна для матеріалів з м'якою, особливо глинистою порожньою породою і щільними мінералами металу. Гравітаційне збагачення засновано на відділенні корисних мінералів від порожньої породи за відмінністю їх питомої щільності. Магнітна сепарація заснована на різній магнітній сприйнятливості залізомістячих мінералів і частинок порожньої породи. Флотація заснована на різній змочуваності поверхні зерен рудних мінералів і пустої породи.

Окислювальне випалення (нагрів руди до високих температур 900-1000°С в атмосфері повітря) проводять для видалення СО₂ карбонатів і сірки (у вигляді SО₂). Мета відновлювального випалення (нагрів руди у відновлювальній атмосфері) полягає в перетворенні слабомагнітного оксиду Fе₂О₃ в сильномагнітний Fe₃O₄ за реакцією Fе₂О₃+СО(Н₂)=Fе₃О₄+СО₂(Н₂О).

Усереднювання є перемішуванням великої маси рудного матеріалу для отримання постійного вмісту заліза.

Одержані після збагачення руд тонкоподрібнені концентрати (<0,1 мм) не можна використовувати в доменній печі, оскільки вони не забезпечують високої газопроникненості шихти. Перетворення дрібних частинок рудних концентратів і деяких інших матеріалів в крупніші куски складає основну мету процесів окускування. Агломерація - це термічний спосіб окускування дрібних матеріалів для поліпшення їх металургійних властивостей, здійснюваний шляхом спалювання дрібного палива в шарі матеріалу за рахунок безперервного проходження повітря. Способом окускування тонкоподрібнених концентратів (<0,1 мм) є отримання обкотишів (кульок діаметром 15-20 мм). Технологія виробництва залізорудних обкотишів складається із двох стадій: 1) отримання сирих обкотишів з концентрату; 2) зміцнюючого випалення.

1.3 Вогнетривкі матеріали

Металургійні процеси відбуваються при високих температурах. Тому металургійні агрегати футерують вогнетривкими матеріалами. Вони повинні бути механічно міцними, не розм'якшуватися і не розтріскуватися при високих температурах, не вступати в хімічні реакції з пічними газами, розплавленими шлаком та металом.

Вогнетриви - це матеріали, температура оплавлення яких не нижче 1500°С. Захисне внутрішнє облицьовування печей називається футеровкою.

Всі вогнетривкі матеріали розподіляються на кислі, основні і нейтральні. До кислих матеріалів відноситься динас, основу якого складає кремнезем (90-96%). Його вогнетривкість 1670-1730 °С.

До основних вогнетривких матеріалів відносять магнезит, доломіт і хромомагнезит. Магнезит (MgO) - тугоплавкий матеріал (температура плавлення 2000-2200 °С), володіє хімічною стійкістю. Доломіт - містить в основному СаО і MgO. Його вогнетривкість 1800-1900 °С. Хромомагнезит містить оксид хрому (Сг₂О₃) і оксид магнію (MgO). Вогнетривкість хромомагнезиту 2000°С, він витримує коливання температури і не розтріскується при різких термозмінах.

Нейтральними вогнетривкими матеріалами є шамот і хромовий залізняк. Шамот відносно дешевий вогнетривкий матеріал, що містить 35-42% А1₂О₃, 45-64% SiO₂ і трохи Fe₂O₃. Шамот має достатню вогнетривкість (температура плавлення 1600-1700 °С), трохи розтріскується при високих температурах. Хромовий залізняк є нейтральним вогнетривким матеріалом (вогнетривкість його 1850-1950 °С), міцний і не чутливий до змін температури.

Поди доменних печей футерують вуглецевими блоками, що складаються з суміші антрациту, коксу або графіту з маслопеком і високогліноземістими вогнетривкими матеріалами.

1.4 Конструкція доменної печі

Виплавка чавуну здійснюється в доменній печі, що представляє шахтну піч безперервної дії. Зверху в піч завантажується шихта, яка по ходу плавки опускається вниз. Назустріч шихті знизу підіймаються гази. Доменні печі мають висоту в середньому 30 м.

Верхня частина називається колошником. Через колошник в піч завантажується шихта і з печі відводяться колошникові гази. Для завантаження шихти використовується колошниковий пристрій. Нижче після колошника розташовується шахта. Щоб шихта, що нагрівається, опускалася в процесі плавки, шахта в нижній частині має більший діаметр. Найширша частина печі - розпар - має циліндричну форму. Нижній усічений конус - заплечики - звужується донизу, для утримання шихти, що знаходиться в шахті і розпарі. В нижній частині доменної печі - горні - йде горіння коксу і накопичуються рідкий чавун і шлак. Нижня частина горна - під. У верхній частині горна рівномірно по колу розташовані 12-20 отворів - фурм, через які повітрядмуховними машинами під тиском подається в піч підігріте до температури 900-1100 °С повітря, що забезпечує горіння палива.

Частина горна, розташована нижче фурм, називається металоприймачем. В ньому накопичуються чавун і шлак. В горні, нижче фурм, розташована шлакова льотка - отвір для випуску шлаку, а в нижній частині - чавунна льотка для випуску чавуну.

Основними технологічними характеристиками доменної печі є її корисна висота і корисний об'єм. Корисною висотою називається відстань від осі чавунної льотки до рівня опускання великого конуса засипного апарату. Корисний об'єм - об'єм, заповнений шихтою і продуктами плавки. Доменні печі мають корисний об'єм до 5000 м³.

1.5 Допоміжні пристрої доменної печі

До допоміжних пристроїв доменної печі відносяться газоочисники, повітронагрівачі, підйомні і завантажувальні пристрої.

Доменні, або колошникові гази, що виділяються під час плавки чавуну, містять значну кількість оксиду вуглецю і водню. Їх можна використовувати як паливо. Проте доменні гази забруднені пилом і перед використанням їх потрібно очистити. Для цього колошникові гази по трубах спрямовують в газоочисники.

Спочатку проводиться грубе очищення в пилоуловлювачах, де під дією відцентрової сили тверді частинки, що знаходяться в газі, відкидаються до стінок циліндра і падають, а після первинного очищення газ йде далі. Напівтонке очищення газу проводиться в скруберах, де назустріч газу подається вода, що змочує і захоплює тверді частинки. Тонке очищення здійснюється в електрофільтрах або трубах Вентурі.

Для горіння палива в доменну піч безперервно подається повітря. З метою зменшення витрат палива і підвищення продуктивності доменної печі повітря перед подачею в піч нагрівається до температури 900-1100 °С. Підігрів проводиться у повітронагрівачах - кауперах - за рахунок спалювання в них колошникового газу.

Каупер має циліндричну форму (висота 25-40 м, діаметр 6-8 м) з куполоподібним верхом. Всередині він викладений вогнетривкою шамотною цеглою і розділений на дві частини: камеру горіння і насадку з вогнетривкої цегли. Спочатку каупер працює на нагрів. В нього подається газ, змішаний з повітрям. Продукти горіння, проходячи через вертикальні канали насадки, нагрівають кладку до заданої температури і йдуть в димар.

Після нагріву насадки (1-2 години) повітронагрівач перемикають на дуття: припиняють подачу палива і турбоповітродувкою нагнітають холодне повітря, що нагрівається до високої температури і по трубопроводу поступає в доменну піч. Тривалість режиму дуття приблизно 1 година.

Звичайно, кожна доменна піч має 3-4 повітронагрівача.

Доменний процес

У основі виробництва чавуну лежить процес відновлення заліза з його оксидів (в руді залізо може бути у вигляді Fe₂O₃, Fe₃O₄). Відновники - оксиди вуглецю, вуглець коксу і водень, що утворюються в ході доменного процесу. В результаті фізико-хімічних процесів залізняк втрачає кисень. Відновлене залізо має здатність поглинати вуглець. В результаті утворюється сплав заліза з вуглецем (чавун).

Чавун, що утворюється в доменній печі, накопичується в горні. Він випускається періодично 6-8 разів на добу через чавунну льотку. Для цього в льотці спеціальними бурильними машинами пробивається отвір, і рідкий чавун по жолобу прямує в чавуновозні ковші. Після випуску чавуну чавунна льотка закладається вогнетривкою масою.

Шлак накопичується в горні на поверхні чавуну і видаляється через шлакову льотку в шлаковозні ковши і далі на переробку або у відвал. На сучасних крупних доменних печах шлак випускають через чавунну льотку після випуску чавуну.

1.7 Фізико-хімічні процеси в доменній печі

У доменній печі в ході плавки є два потоки: зверху вниз переміщуються шихтові матеріали; знизу підіймаються гарячі відновлювальні гази.

Знизу в піч через фурми поступає нагріте повітря. Кисень повітря взаємодіє з вуглецем коксу за реакцією С + О₂ = СО₂ + Q.

Реакція йде з виділенням великої кількості тепла, і на рівні фурм температура досягає 1700-2000°С. СО₂, реагуючи з розжареним коксом, перетворюється в СО за реакцією СО₂ + С = 2СО. Велика частина цього оксиду вуглецю йде на відновлення оксидів заліза, кремнію, марганцю і інших хімічних елементів.

Опускаючись нижче, шихта потрапляє в зони високих температур, де йдуть процеси відновлення заліза оксидом вуглецю (непряме відновлення) за реакціями:

3Fe₂O₃ + СО = 2Fe₃O₄ + СО₂;

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CО₂;

FeO + CO = Fe + CO₂.

Відновлення заліза з руди може відбуватися також за рахунок вуглецю коксу (пряме відновлення) при температурі 950-1000 °С FеО + С_кок = Fе + СО.

Відновлене залізо, що контактує з оксидом вуглецю, при температурі 820-850 °С навуглецьовується 3Fe + 2СО = Fe₃C + СО₂.

У нижній частині шахти кількість вуглецю в залізі досягає 1%. Утворюється карбід заліза Fe₃C, що розчиняється в залізі, утворює чавун, знижуючи температуру плавлення заліза.

Подальше насичення заліза вуглецем відбувається, коли метал вже знаходиться в розплавленому стані і проходить через шар гарячого коксу. Залізо звичайно розчиняє біля 4 % вуглецю.

1.8 Процеси відновлення інших елементів і шлакоутворення в доменній печі

Разом з оксидами заліза в шихті присутні оксиди марганцю, кремнію, фосфору і з'єднання сірки. В ході доменного процесу ці сполуки вступають в хімічну взаємодію з вуглецем. Ці реакції йдуть з поглинанням теплоти, а тому відновлення цих домішок відбувається при температурі 1000-1200°С. Відновлені марганець, кремній і фосфор переходять в чавун.

Таким чином, виплавлений в доменній печі чавун, окрім заліза і вуглецю, містить кремній, марганець, сірку і фосфор.

При нормальному перебігу плавки в районі розпару починається утворюватися шлак з порожньої породи руди, золи і сірки коксу.

Вапняк, що додається в шихту як флюс, при високій температурі розкладається на оксид кальцію (СаО) і вуглекислий газ (СО₂). Оксид кальцію реагує з порожньою породою (оксидами кремнію, алюмінію і т. п.) і іншими домішками і утворює шлак. Частково віддаляються в шлак сірка (у вигляді з'єднання CaS), оксиди заліза і марганцю.

Регулюючи склад шлаку, можна корегувати склад чавуну.

Кількість шлаку, що утворюється в доменній печі, складає приблизно 40-50% від об'єму чавуну, що виплавляється.

Продукти доменного виробництва

Продуктами доменного виробництва є чавун, шлак і доменний (колошниковий) газ.

Основним продуктом доменної плавки є чавун - сплав заліза з вуглецем і іншими хімічними елементами. Він використовується для переробки в сталь (до 90%) і отримання ливарних виробів. Побічним продуктом є шлак наступного складу, % масс: 30-35 SiO₂, 40-45 СаО, 10-15 А1₂О₃, 1-1,5 FeO, 2-5 CaS. Його питома вага 2-3 т/м³, в гранульованому вигляді - 0,6-1,0 т/м³. Побічним продуктом є і доменний газ, що містить, % масс.: 8-10 СО₂, 25-35 СО, 1-3 Н₂, 55-60 N₂. Температура газів, що виходять з доменної печі, 150-300°С, їх теплотворна здатність 3300-4200 кДж/м³. Таким чином, колошниковий газ висококалорійне паливо і, після очищення, використовується як паливо у повітронагрівачах, металургійних печах, коксівних батареях.

2 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВИРОБНИЦТВО СТАЛІ

Для одержання сталі необхідно видалити з чавуну вуглець. Це досягається шляхом його окислення. Одночасно з вуглецем вилучаються інші домішки, що містяться в чавуні – кремній, марганець, фосфор та інше.

Сталь виплавляється з чавуну в конвертерах, мартенівських і електричних печах. Таким чином, за способом виробництва розрізняють сталь мартенівську, конвертерну і електросталь. Конвертерний спосіб отримання сталі, у свою чергу, підрозділяється на бесемерівський, томасівський і киснево-конвертерний способи виробництва сталі.

Характерною особливістю вказаних способів є отримання сталі в рідкому вигляді. Таку сталь називають литою.

2.1 Бесемерівський і томасівський способи виробництва сталі

Бесемерівську сталь одержують в конвертері. Конвертер є судиною грушовидної форми, викладеною всередині кислим вогнетривким матеріалом. Дно конвертера має ряд дрібних отворів, через які з повітряної коробки подається повітря під тиском 1,5-2,5 атм.

Кисень повітря із залізом утворює оксид заліза, який розчиняється в рідкому металі і окисляє інші складові чавуну: кремній, марганець і вуглець. При цьому виділяється теплота, якої достатньо не тільки для підтримки чавуну в рідкому стані під час плавки, але і нагріву металу.

Для переробки фосформістячих чавунів футеровка конвертера викладається з основного вогнетривкого матеріалу. Такий спосіб виробництва сталі має назву томасівського, при якому в конвертер разом з рідким чавуном додають обпалене вапно в кількості 12-18% від маси чавуну. Спочатку окислюються кремній і марганець, потім - вуглець і в останню чергу - фосфор. В кінці процесу додають дзеркальний чавун або феромарганець для розкислювання і навуглецьовування.