Технология производства чугуна
Содержание
- Введение
- Теоретические основы технологии производства чугуна
- 1.1Технологический процесс
- 1.2Технологический цикл
- 1.3Технологическая операция
- 1.4Сырьевые ресурсы
- 1.5Продукты доменной плавки
2 Технико-экономические показатели производства чугуна
- Характеристика технологическог
о процесса производства чугуна
- Заключение
- Список литературы
Черная металлургия - ведущая отрасль народного хозяйства, от которой существенно зависит благополучие страны. С позиций сегодняшнего дня, когда новым технологиям уделяется первейшее внимание, посмотрим, какие изменения произошли в XX веке в металлургических технологиях. Установившаяся технология производства чугуна, стали и проката к началу XX века принципиально сохранилась до настоящего времени, хотя агрегатное оформление стало другим. Доменная печь за первые 50 лет XX века приобрела современный профиль, ее объем возрос от нескольких сотен кубических метров до 1-2 тысяч, а за следующие 50 лет до 5 и более тысяч куб. м. За это время доменная печь получила современную систему загрузки, подготовленное сырье, высокую температуру дутья с добавкой кислорода, природного газа и других заменителей кокса, повышенное давление. Основным сталеплавильным агрегатом была мартеновская печь, работали бессемеровские и томасовские конвертеры, появились электрические печи. В XX столетии мартеновские печи, бессемеровские и томасовские конвертеры были заменены кислородными конвертерами и дуговыми печами. В мире примерно две трети стали выплавляют в конвертерах, а одну треть в дуговых электропечах. В России и других странах СНГ еще сохранились мартеновские печи.
Целью данной работы является изучение технологии производства чугуна. В работе будут рассмотрены новые методики производства чугуна, обладающие большим экономическим, ресурсосберегающим, экологическим потенциалом. Считаю, что такая постановка вопроса наиболее актуальна.
Основополагающей литературой по данной проблеме являются книги Равич Б.М. «Брикетирование в цветной и черной металлургии», «Теория и практика работы современных промышленных печей», статьи Юзова О.В., Исаева В.А. «Анализ расхода основных ресурсов в черной металлургии России», Лисина В.С. «Тенденции реструктуризации черной металлургии» и другая литература по данной теме.
1.Теоретические основы технологии производства чугуна
Технологический процесс
Металлургический комплекс
является базовой основой
Металлургический комплекс
относится к наиболее крупным
промышленным комплексам в российской
экономике. В отраслевой структуре
промышленности в 2004 г. он занимал сектор
в 15,5%, в том числе черные металлы
- 8,2%, цветные 10,3%. Он охватывает технологические
системы получения металлов из руд,
технологические системы
В зависимости от сочетания
технологических процессов
Производства полного цикла, которые представлены, как правило, комбинатами, в которых одновременно действуют все названные стадии технологического процесса.
Производства неполного цикла - это предприятия, в которых осуществляются не все стадии технологического процесса. К неполному циклу относятся электротермия ферросплавов, электрометаллургия и др.
Металлургия относится к
числу базовых отраслей народного
хозяйства и отличается высокой
материалоемкостью и
На долю черных и цветных металлов приходится более 90% всего объема конструкционных материалов, применяемых в машиностроении России.
В общем объеме транспортных перевозок Российской Федерации на металлургические грузы приходится свыше 35% всего грузооборота. На нужды металлургии расходуется 14% топлива и 16% электроэнергии, т.е. 25% этих ресурсов, расходуемых в промышленности.
Металлургический комплекс
характеризуется концентрацией
и комбинированием
Исключительно велико комплексообразующее и районообразующее значение металлургического комплекса в территориальной структуре народного хозяйства России.
Современные крупные предприятия
металлургического комплекса по
характеру внутренних технологических
связей представляют собой металлургическо-
Кроме основного производства, в составе металлургических предприятий создаются производства на основе утилизации разного рода вторичных ресурсов сырья и материалов (сернокислотное производство, тяжелый органический синтез по производству бензола, аммиака и другой химической продукции, производство строительных материалов - цемент, блочные изделия, а также фосфорных и азотных удобрений и т.п.)
Наиболее распространенными спутниками металлургических предприятий являются: теплоэлектроэнергетика, металлоемкое машиностроение (металлическое и горное оборудование, тяжелое станкостроение), производство металлоконструкций, метизов.
На размещение металлургических комбинатов большое влияние оказывают:
1) особенности используемого сырья (руды),
2) применяемый для получения металла вид энергии,
3) география сырьевых и энергетических источников.
Металлургические предприятия выгоднее всего создавать в сырьевых и энергетических базах, а иногда и между ними. При размещении учитывают также обеспеченность водой и транспортными путями, необходимость охраны природы.
Резкое падение производства
в машиностроении и ВПК привело
к потере спроса на металлы на внутреннем
рынке, к сокращению их производства.
Начиная с 1993 г. металлургические предприятия
переориентировались на внешний
рынок, начался подъем производства,
и технологическая система
В 2002 г. в России было произведено 7% мирового выпуска стали, при этом 55% пошло на экспорт (10% мировой торговли). Доля России в мировом производстве основных видов цветных металлов (алюминий, никель, медь, цинк, свинец, олово) составляет около 8,5%. На экспорт отправляется около 80% их производства и 70% редких металлов. В экспорте черных металлов 60% занимают полуфабрикаты (слябы, чугун, лом, руда…), в экспорте цветных 80% приходится на первичные, т.е. не прошедшие обработку, металлы и лишь 10% - на прокат и металлоизделия. Следствием перестройки металлургии на выпуск первичных металлов стало резкое сокращение производства металлопродукции, т.е. металлоизделий и различного вида проката.
Таким образом, в результате спада производства в металлопотребляющих отраслях, нарушения и разрыва производственно-хозяйственных связей в стране, а также удорожания топлива, перевозок и электроэнергии произошла коренная перестройка металлургического комплекса на выпуск первичных металлов и поставку их на экспорт. Основными металлами, поставляемыми на экспорт, являются черные металлы (10% от общего экспорта), алюминий, медь, никель, металлы платиновой группы.
Черная металлургия.
Черная металлургия охватывает весь процесс от добычи и подготовки сырья, топлива, вспомогательных материалов до выпуска проката с изделиями дальнейшего передела.
Значение черной металлургии заключается в том, что она служит основой развития машиностроения (одна треть производимого металла идет в машиностроение), строительство (1/4 металла идет в строительство). Кроме того, продукция черной металлургии имеет экспортное значение.
В состав черной металлургии входят следующие основные подотрасли:
добыча и обогащение рудного сырья для черной металлургии (железных, марганцевых и хромитовых руд);
добыча и обогащение нерудного сырья для черной металлургии (флюсовых известняков, огнеупорных глин и т.п.);
производство черных металлов (чугуна, стали, проката, доменных ферросплавов, металлических порошков черных металлов);
производство стальных и чугунных труб;
коксохимическая промышленность (производство кокса, коксового газа и пр.);
вторичная обработка черных металлов (разделка лома и отходов черных металлов).
Собственно металлургическим циклом является производство чугуна, стали и проката. Предприятия, выпускающие чугун, сталь и прокат, относятся к металлургическим предприятиям полного цикла.
Предприятия без выплавки чугуна относят к так называемой передельной металлургии. "Малая металлургия" представляет собой выпуск стали и проката на машиностроительных заводах. Основным типом предприятий черной металлургии являются комбинаты.
В размещении черной металлургии полного цикла большую роль играет сырье и топливо, особенно велика роль сочетаний железных руд и коксующихся углей. Особенностью размещения отраслей является их территориальное несовпадение, так как запасы железной руды сосредоточенны, в основном, в европейской части, а топлива - преимущественно в восточных районах России. Комбинаты создают у сырьевых или топливных баз, а иногда между ними. При размещении учитывают также обеспечение водой, электроэнергией, природным газом.
В России созданы три металлургические базы: Уральская, Центральная и Сибирская.
Цветная металлургия.
Цветная металлургия включает добычу, обогащение руд цветных металлов и выплавку цветных металлов и их сплавов.
Россия обладает мощной цветной металлургией, отличительная черта которой - развитие на основе собственных ресурсов. По физическим свойствам и назначению цветные металлы условно можно разделить на тяжелые (медь, свинец, цинк, олово, никель) и легкие (алюминий, титан, магний). На основании этого деления различают металлургию легких металлов и металлургию тяжелых металлов.
На территории России сформировано
несколько основных баз цветной
металлургии. Различия их в специализации
объясняются несхожестью
Размещение предприятий цветной металлургии зависит от многих экономических и природных условий, особенно от сырьевого фактора. Заметную роль, помимо сырья, играет топливно-энергетический фактор.
Производство тяжелых цветных металлов в связи с небольшой потребностью в энергии приурочено к районам добычи сырья по запасам, добыче и обогащению медных руд, а также по выплавке меди ведущее место в России занимает Уральский экономический район, на территории которого выделяются Красноуральский, Кировоградский, Среднеуральский, Медногорский комбинаты.
Свинцово-цинковая промышленность
в целом тяготеет к районам
распространения
Для получения легких металлов требуется большое количество энергии. Поэтому сосредоточение предприятий, выплавляющих легкие металлы, у источников дешевой энергии - важнейший принцип их размещения.
Особенностью экспорта цветных металлов является их неполная обработка, о чем свидетельствует резкое снижение выпуска проката и структура экспорта - 80% приходится на первичные металлы и лишь 20% - на прокат и металлоизделия. Это связано с тем, что качество отечественного проката уступает требованиям международного рынка, а внутренние цены по мере обработки металла растут быстрее, чем при аналогичной обработке за рубежом, т.е. технологическая себестоимость в России выше зарубежной.
Технологический цикл
прокатный цех
сталь
сталеплавильный цех
чугун
Доменный цех
(в доменной
печи идет реакция
Агломерация руды | |
Коксование угля (Кокс – пористое, высокопрочное вещество с малым содержанием золы и серы.) |
Обогащение руды
|
Обогащение угля |
Добыча руды (железный колчедан, магнитный железняк, где полезным компонентом является оксид Fe) |
Последовательность
- Отчистка поверхности пламенем горелки или металлическим скребком (щеткой). Кромки надо разделать под углом 70°
- Подогрев детали. Мало- и среднегабаритные детали надо подогревать до температуры 300 - 400°С, а крупногабаритные до 500 - 600°С (до появления коричнево-красного цвета).
- Установка детали. Установить деталь в зоне действия вытяжной вентиляции с расположением дефекта в нижнем положении и горизонтальной плоскости (продолжительность перерыва между окончанием подогрева и началом сварки для небольших отливок несложной конфигурации не должна превышать 3 - 5 мин во избежание охлаждения детали ниже 400°С).
- Нагрев и обработка поверхности. Отрегулировать нормальное пламя удельной мощности 100 - 120 л/ч на 1 мм толщины металла и восстановительной ее частью (на расстоянии 2 - 3 мм от ядра), равномерно прогреть кромки дефекта до расплавления с одновременным нанесением флюса и равномерным распределением его по поверхности дефекта с помощью присадочного прутка.
- Заполнение места сварки присадочным металлом. Расплавить пруток наиболее горячей частью пламени (ближе к ядру) и заполнить дефект (трещину, ржавчину) расплавленным присадочным металлом, добавляя периодически флюс на кончике прутка. Вести сварку ванным способом (отдельными сварочными ваннами длиной 20 - 50 мм каждая) с поддержанием металла в жидком состоянии до полного заполнения дефекта присадочным металлом; при заварке краевых дефектов поддерживать ванну в полужидком состоянии (для исключения стекания металла) за счет периодического отведения пламени от места дефекта для охлаждения ванны и изменения угла наклона горелки к поверхности изделия с 80 до 10°. Удалять неметаллические включения из ванны в процессе сварки с помощью флюсования жидкого металла и интенсивного его перемешивания присадочным прутком.
- Окончание процесса сварки. Сначала надо медленно отвести горелку от поверхности ванны на 50 - 60 мм и наплавленный металл подогреть пламенем в течение 0,5 -1,5 мин, накрыть деталь листовым асбестом для замедленного охлаждения металла шва и обеспечения свойств сварного соединения, равноценных со свойствами основного металла.
- Последним следует этап термообработки. Детали нагреваются, мелкие до 300 - 400°С, крупные до 500 - 600°С с последующим медленным охлаждением.
Последовательность
- Подготовка места наплавки и прилегающей поверхности (очищаются от грязи, оксидов, других загрязнений). Очистка производится пламенем горелки и металлической щеткой.
Разделка будущего места наплавки (зубило, сверло, фреза, другие механические способы обработки поверхности). Схематично разделка дефекта под пайкосварку изображена на рис.6.
Рис.6. Схема процесса низкотемпературной пайка-сварки чугуна чугунным присадочным материалом при исправлении дефектов: а - с продольной разделкой; б - с дефектом типа раковин
- Установка и нагрев детали. Сама деталь должна быть установлена в зоне действия вытяжной вентиляции с расположением дефекта в нижн
ем положении и горизонтальной плоскости. Нагреть поверхности разделочно го дефекта и металл в зоне дефекта до 300 - 350°С. Нанести на поверхность дефекта флюс и нагреть его факелом пламени, а не ядром, во избежание выдувания. Горелку наклонить под углом 50 - 60°. На рис. представлена пайкосварка правым способом. Продолжить нагрев кромки дефекта до температуры 750 - 800°С при использовании прутков УНЧ-2 и флюса МАФ-1 или до 900 - 950°С при применении прутков НЧ-2 и флюса ФСЧ2. Одновременно нагреть конец прутка до оплавления и обмакнуть его во флюс. Равномерно распределить флюс на поверхности дефекта концом прутка. Расплавить конец прутка трением его о нагретую поверхность. - Заполнение места разделки расплавленным металлом. Для этого расплавить пруток наиболее горячей частью факела пламени (на 2 - 3 мм от ядра). Заполнить объем разделки каплями жидкого присадочного металла и ванным методом, перемещая горелку и пруток по винтовой восходящей линии или круговыми движениями, в зависимости от вида дефекта. Производить наплавку за один проход при толщине металла до 6 мм и в два прохода при толщине 8 - 12 мм. Периодически добавлять флюс в расплавленный металл и непрерывно перемешивать металл прутком, касаясь стенок дефекта.
Рис.7. Правый способ пайкосварки. 1 - движение горелки; 2 - движение прутка; 3 - движение горелки и прутка.
- Правильное охлаждение места напайки (заварки). Заваренный участок медленно охлаждается под пламенем горелки в течение 1,5 - 3 мин. После этого, обеспечивая замедленное охлажд
ение, медленно отвести горелку. Очистить шов от остатков флюса и промыть его водой
Среди известных в природе
и технике металлов и металлических
сплавов железоуглеродистые сплавы
являются самыми важными и распространенными.
Черная металлургия — основная база
народного хозяйства. Она определяет
развитие почти всех отраслей промышленности,
сельского хозяйства и транспорта, от
успешного выполнения плана развития
черной металлургии зависит выполнение
плана народного хозяйства в целом.
Черная металлургия — промышленность
получения железоуглеродистых сплавов.
К железоуглеродистым сплавам относятся
чугун и сталь. Сталь выплавляется из чугуна,
поэтому промышленность черной металлургии
начинается с производства чугуна.
Для производства чугуна нужны железная
руда, топливо и флюсы.
Железные руды. Железной рудой называется
горная порода, содержащая железо, причем
в таком количестве, что руду выгодно перерабатывать.
Железо в руде находится в виде окислов
или солей, соединенных с пустой породой.
Продукты доменной плавки
Конечными продуктами доменной плавки являются чугун, шлак, колошниковый газ и колошниковая пыль.
Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой. В чугуне также содержится незначительные количества водорода, азота и кислорода. В легированном чугуне могут быть хром, никель, ванадий, вольфрам и титан, количество которых зависит от состава проплавляемых руд.
В зависимости от назначения выплавляемые
в доменных печах чугуны разделяют на
три основных вида: передельный, идущий
на передел в сталь; литейный, предназначенный
для получения отливок из чугуна в машиностроении;
доменные ферросплавы, используемые для
раскисления стали в сталеплавильном
производстве.
Передельный чугун подразделяют на три
вида:
1. Передельный коксовый (марки
М1, М2, М3, Б1, Б2).
2. Передельный коксовый фосфористый (МФ1,
МФ2, МФ3).
3. Передельный коксовый высококачественный
(ПВК1, ПВК2, ПВК3).
Литейный чугун после выпуска из доменной печи разливают в чушки и в холодном виде направляют на машиностроительные заводы, где для отливки деталей машин его вторично подвергают расплавлению в специальных печах-вагранках.
Литейный коксовый чугун выплавляют семи марок: ЛК1 ЛК7. Каждую марку подразделяют на три группы по содержанию марганца, пять классов по содержанию фосфора и на пять категорий по содержанию серы.
2 Технико-экономические показатели производства чугуна
Основными показателями работы доменной печи являются ее производительность и расход кокса на 1т чугуна. Коэффициент использования полезного объема печи определяется как отношение полезного объема печи V (в м3) к ее среднесуточной производительности P в тоннах выплавляемого передельного чугуна:
к.и.п.о. = V / P.
Чем меньше к.и.п.о., чем выше производительность печи. В нашей стране для большинства печей к.и.п.о. равен 0.5-0.7, по отдельным печам 0.4-0.45.
Удельный расход кокса в отечественной металлургии в среднем около 550 кг на 1 т передельного чугуна, на передовых заводах ниже 450 кг. Это важный экономический показатель, так как стоимость кокса составляет 45-55% стоимости чугуна.
Основными направлениями в совершенствовании доменного производства являются строительство экономически более выгодных крупных печей объемом до 5000 м3, улучшение подготовки сырых материалов к плавке (обогащение, применение офлюсованного агломерата и окатышей), интенсификация доменного процесса путем обогащения дутья кислородом, применение природного газа и т.д. Все большее значение имеет совершенствование систем комплексной механизации и автоматического управления доменным процессом.
3 Характеристика технологического процесса производства чугуна
СЫРЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПОДГОТОВКА ИХ К ДОМЕННОЙ ПЛАВКЕ
Цель доменного производства состоит в получении чугуна из железных руд путем их переработки в доменных печах. Сырыми материалами доменной плавки являются топливо, железные и марганцевые руды и флюс.
Топливом для доменной плавки служит кокс, получаемый из каменного угля. Его роль состоит в обеспечении процесса теплом и восстановительной энергией. Кроме того кокс разрыхляет столб шихтовых материалов и облегчает прохождение газового потока в шихте доменной печи.
Железные руды вносят в доменную печь химически связанное с другими элементами железо. Восстанавливаясь и науглераживаясь в печи, железо переходит в чугун. С марганцевой рудой в доменную печь вносится марганец для получения чугуна требуемого состава.
Среди металлов железо занимает третье место по распространенности в земной коре (4,2 %) после кремния(26 %) и алюминия(7,4 %). Железо в недрах земли в чистом виде не встречается. Оно входит в состав горных пород в различных химических соединениях. В природе известно более 300 разновидностей горных пород, содержащих железо, но далеко не все они представляют собой железные руды. Железными рудами принято называть такие горные породы, из которых экономически выгодно извлекать железо методом плавки. Экономическая целесообразность извлечения железа из руд зависит от уровня развития техники и характеристики месторождений.
Среди известных видов руд наиболее распространены в природе руды осадочного происхождения. Из этих руд выплавляется более 90 % чугуна.
Железная руда состоит из минерала (орудняющего вещества), пустой породы и примесей. Главной частью руды является рудный минерал, в состав которого входит железо. Чаще всего железо в минерале химически связано с кислородом, реже с другими элементами и соединениями. Пустая порода состоит из кремнезема, глинозема, извести и магнезии, образующих сложные минералы. Примеси руд делятся на полезные и вредные. Полезными примесями считаются марганец, хром, никель, ванадий, вольфрам, молибден и др. Вредные примеси – сера, фосфор, мышьяк, цинк, свинец и в большинстве случаев медь – либо ухудшают качество металла, либо разрушающе действуют на огнеупорную футировку доменной печи.
В зависимости от типа рудного минерала железные руды делятся на четыре основные группы:
- Красный железняк или гематитовая руда. Минерал гематит – безводный оксид железа, в чистом виде содержит 70 % железа и 30 % кислорода. Это наиболее распространенная железная руда.
- Магнитный железняк или магнетитовая руда. Минерал – магнетит (72,4 % железа и 27,6 % кислорода).
- Бурый железняк представлен железосодержащими минералами водных оксидов железа, которые содержат от 59,8 % до 69 % железа.
- Шпатовый железняк – железная руда, основу которой составляет минерал сидерит, содержащий 48,3 % железа.
Кроме перечисленных четырех разновидностей железных руд, железо в значительном количестве (46,6 %) содержится в серном колчедане или пирите. Однако пирит в доменную плавку не дают, его используют в качестве сырья в сернокислотной промышленности, а отходы в виде окисленного железа применяют при производстве агломерата. Также находят промышленное применение бедные железные руды: магнетитовые и гематитовые кварциты, в которых содержится до 45 % кремнезема в виде свободного кварца. Кварциты обогащают, получая железнорудный концентрат, содержащий более 60 % железа.
Флюсами называются материалы, добавляемые к железной руде и загружаемые в доменную печь для понижения температуры плавления пустой породы, ошлакования золы кокса и получения жидкоподвижного шлака с высокой серопоглатительной способностью. В качестве флюса выбирают материал с химическими свойствами, противоположными химическим свойствам пустой породы. Так как пустая порода руд преимущественно кремнеземистая (кислая), то роль флюса выполняют основные оксиды CaO и частично MgO. Иногда в зависимости от состава пустой породы флюсы могут быть кислыми или глиноземистыми. Оксид кальция входит в состав минерала кальцита, называемого известняком. Кроме известняка, для руд с кислой пустой породой, в качестве флюса используют доломитизированный известняк, состоящий из смеси кальцита и доломита. Доломитизированный известняк применяют для улучшения подвижности шлака, доводя содержание оксида марганца в шлаке до 6-8 %.
Важнейшим требованием, предъявляемым к основным флюсам, является низкое содержание в них кремнезема и глинозема и вредных примесей серы и фосфора.
Необходимость подготовки руд к доменной плавке обуславливается стремлением улучшить технико-экономические показатели работы доменных печей и использовать для получения чугуна сравнительно бедные железные руды. Чем выше содержание железа в шихте и лучше ее газопроницаемость, тем выше производительность печи, ниже расход кокса и флюсов и лучше качество чугуна. Повышения содержания железа в доменной шихте достигают обогащением железных руд, а улучшения газопроницаемости шихты в доменной печи – окускованием мелких железных руд и концентратов. Расчетами и опытом установлено, что при повышении содержания железа в руде на 1 % производительность печи возрастает на 2,0 – 2,5 %, а расход кокса снижается на 1,4 – 2 %.1
Руда может быть в виде кусков до 1500 мм при открытой добыче и до 300 мм при подземной добыче. Дробление руд применяется как самостоятельная операция для получения кусков руды требуемого размера и как вспомогательная операция при обогащении руд для разрушения механических связей между железосодержащим минералом и пустой породой. В зависимости от крупности руды после дробления различают четыре стадии дробления: