Чугун и его применение
Производство чугуна и стали.
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
Производство чугуна.
Железные руды. Главный исходный материал для производства чугуна в доменных печах – железные руды. К ним относят горные породы, содержащие железо в таком количестве, при котором выплавка становится экономически выгодной.
Железная руда состоит из рудного вещества и пустой породы. Рудным веществом чаще всего являются окислы, силикаты и карбонаты железа. А пустая порода обычно состоит из кварцита или песчаника с примесью глинистых веществ и реже – из доломита или известняка.
В зависимости от рудного вещества железные руды бывают богатыми, которых используют непосредственно, и бедными, которых подвергают обогащению.
В доменном производстве применяют разные железные руды.
Красный железняк (гематит) содержит железо в виде безводной окиси железа. Она имеет разную окраску( от темно-красной до темно-серой). Руда содержит много железа(45-65 %) и мало вредных примесей. Восстановим ость железа из руды хорошая.
Бурый железняк содержит железо в виде водных окислов. В нем содержится 25- 50% железа. Окраска меняется от желтой до буро-желтой. Пустая порода железняка глинистая иногда кремнисто-глиноземистая.
Магнитный железняк содержит 40-70% железа в виде закиси-окиси железа.
руда обладает хорошо выраженными магнитными свойствами, имеет темно-серый или черный с различными оттенками цвет. Пустая порода руды кремнеземистая с примесями других окислов. Железо из магнитного железняка восстанавливается труднее, чем из других руд.
Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли. В этом железняке содержится 30-37 % железа. Сидерит имеет желтовато-белый и грязно-серый цвет. Он легко окисляется и переходит в бурый железняк. Из всех железных руд он обладает наиболее высокой восстановимостью.
Марганцевые руды содержат 25-45% марганца в виде различных окислов марганца. Их добавляют в шихту для повышения в чугуне количества марганца.
Производство чугуна в доменной печи.
Выплавка чугуна производится в огромных доменных печах, выложенных из огнеупорных кирпичей достигающих 30 м высоты при внутреннем диаметре около 12 м.
Разрез доменной печи
Верхняя ее половина носит название шахты и заканчивается наверху отверстием – калашником, которая закрывается подвижной колонкой – колашниковым затвором. Самая широкая часть печи называется распаром, а нижняя часть – горном. Через специальные отверстия в горне(фурмы) в печать вдувается горячий воздух или кислород.
Доменную печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом и коксом. Агломерат – это определенным образом подготовленная руда, спеченная с флюсом. Горение и необходимая для выплавки чугуна температура поддерживаются вдуванием в горн подогретого воздуха или кислорода. Последний поступает в кольцевую трубу, расположенную вокруг нижней части печи, а из нее по изогнутым трубкам через фурмы в горн. В горне кокс сгорает, образуя СО2, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои наколенного кокса, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся оксид углерода и восстанавливает большую часть руды, переходя снова в СО2.
Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части шахты. Его можно выразить суммарным уравнением:
Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2
Пустую породу в руде образуют, главным образом диоксид кремния SiO2.
Это – тугоплавкое вещество. Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляются флюс . Обычно в качестве флюса используют CaCo3. При взаимодействии его с SiO2 образуется CaSiO2, легко отделяющийся в виде шлака.
При восстановлении руды железо получается в твердом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи – распар - и растворяет в себе углерод; образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки выпускают по мере накопления через особые отверстия, забитые в остальное время глиной.
Выходящие из отверстия печи газы содержат до 25% СО. Их сжигают в особых аппаратах-кауперах, предназначенных для предварительного нагревания вдуваемого в печь воздуха. Доменная печь работает непрерывно. По мере того как верхние слои руды и кокса опускаются, в печь добавляют новые их порции. Смесь руды и кокса доставляется подъемниками на верхнюю площадку печи и загружается в чугунную воронку, закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает в печь. Работа печи продолжается в течение нескольких лет, пока печь не потребует капитального ремонта.
Процесс выплавки может быть ускорен путем применения в доменных печах кислорода. При вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха предварительный подогрев его становится излишним, а значит, отпадает необходимость в громоздких и сложных кауперах и весь процесс упрощается. Вместе с тем производительность печи повышается и уменьшается расход топлива. Такая доменная печь дает в 1,5 раза больше железа и требует кокса на ¼ меньше чем обычная.
Рисунок №1.
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
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.
Рисунок № 2.
Рисунок №2.
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.
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.
Большинство мартеновских печей отапливают смесью доменного, коксовального и генераторного газов. Также применяют и природный газ. Мартеновская печь, работающая на мазуте, имеет генераторы только для нагрева воздуха.
Шихтовые материалы (скрапы, чугун, флюсы) загружают в печь наполненной машиной через завалочные окна. Разогрев шихты, рас плавление металла и шлака в печи происходит в плавильном пространстве при контакте материалов с факелом раскаленных газов. Готовый металл выпускают из печи через отверстия, расположенные в самой низкой части подины. На время плавки выпускное отверстие забивают огнеупорной глиной.
Процесс плавки в мартеновских печах может быть кислым или основным. При кислом процессе огнеупорная кладка печи выполнена из динасов ого кирпича. Верхние части подины наваривают кварцевым песком и ремонтируют после каждой плавки. В процессе плавке получают кислый шлак с большим содержанием кремнезема (42-58%).
При основном процессе плавки подину и стенки печи выкладывают из магнезитового кирпича, а свод – из динасов ого или хромомагнезитового кирпича. Верхние слои подины наваривают магнезитовым или доломитовым порошком и ремонтируют после каждой плавки. В процессе плавки получают кислый шлак с большим содержанием 54 – 56% СаО.
Мартеновская печь.
Мартеновская печь представляет собой регенеративную пламенную печь, высокая температура в которой (1750... 1800 °С) достигается за счет сгорания газа в плавильном пространстве. Газ и воздух подогреваются в регенераторах. Слева от плавильного пространства 7 находятся каналы для газа 3 и воздуха 4, соединенные с регенераторами 1 и 2. Такие же каналы для газа 9 и воздуха 8имеются справа от плавильного пространства 7; они соответственно соединены с регенераторами 10 и 11. Каждый из регенераторов имеет насадку из выложенного в клетку огнеупорного кирпича. Шихта загружается через окна 5.
Подаваемые
в печь газ и воздух проходят через предварительно
нагретые до температуры 1200... 1250 °С
регенераторы 10 и 11,
Основной мартеновский процесс.
Перед началом плавки определяют количество исходных материалов (чушковый чугун, стальной скрап, известняк, железная руда) и последовательность их загрузки в печь. При помощи заливочной машины мульда (специальная коробка) с шахтой вводится в плавильное пространство печи и переворачивается, в результате чего шихта высыпается на подину печи. Сначала загружают мелкий скрап, затем более крупный и на него кусковую известь (3 – 5 % массы металла). После прогрева загруженных материалов подают оставшийся стальной лом и предельный чугун двумя тремя порциями.
Этот порядок загрузки материалов позволяет их быстро прогреть и расплавить. Продолжительность загрузки шихты зависит от емкости печи, характера шихты, тепловой мощности печи и составляет 1,5 – 3 ч.
В период загрузки и плавления шихты происходит частичная окисление железа и фосфора почти полное окисление кремния и марганца и образования первичного шлака. Указанные элементы окисляются сначала за счет кислорода печных газов и руды, а затем за счет закиси железа растворенной в шлаке. Первичный шлак формируется при расплавлении и окислении металла и содержит 10 –15% FeO, 35 –45% CaO, 13 – 17% MnO. После образования шлака жидкий металл оказывается изолированным от прямого контакта с газами, и окисление примесей происходит под слоем шлака. Кислород в этих условиях переносится закисью железа, которая растворяется в металле и шлаке. Увеличение концентрации закиси железа в шлаке приводит к возрастанию ее концентрации в металле.
К моменту рас плавления всей шихты значительная часть фосфора переходит в шлак, так как последний содержит достаточное количество закиси железа и извести. Во избежание обратного перехода фосфора в металл перед началом кипения ванны 40 – 50% первичного шлака из печи.
После скачивания первичного шлака в печь загружают известь для образования нового и более основного шлака. Тепловая нагрузка печи увеличивается, для того чтобы тугоплавкая известь быстрее перешла в шлак, а температура металлической ванны повысилась. Через некоторое время 15 – 20 мин в печь загружают железную руду, которая увеличивает содержание окислов железа в шлаке, и вызывает в металле реакцию окисления углерода
[C] + (FeO) = Coгаз.
Образуется окись углерода выделяется из металла в виде пузырьков, создавая впечатление его кипения, что способствует перемешиванию металла, выделение металлических включений и растворенных газов, а также равномерному распределению температуры по глубине ванны. Для хорошего кипения ванны необходимо подводить тепло, так как данная реакция сопровождается поглощением тепла. Продолжительность периода кипения ванны зависит от емкости печи и марки стали, и находится 1,25 – 2,5 ч и более.
Обычно железную руду добавляют в печь в первую периода кипения, называемого полировкой металла. Скорость окисления углерода в этот период в современных мартеновских печах большой емкости равна 0,3 – 0,4% в час.
Производство стали в электрических дуговых
печах.
В электрических дуговых печах высококачественную углеродистую или легированную сталь. Обычно для выплавки стали, применяют шихту в твердом состоянии. Твердую шихту в дуговых печах с основной футеровкой используют при плавке стали с окислением шихты и при переплавке металла без окисления шихты.
Технология плавки с окислением шихты в основной дуговой печи подобна технологии плавки стали в основных мартеновских печах (скрап-процессам). После заправки падины в печь загружают шихту. Среднее содержание углерода в шихте на 0,5 –0,6% выше, чем в готовой стали. Углерод выгорает и обеспечивает хорошее кипение ванны. На подину печи загружают мелкий стальной лом, затем более крупный. Укладывать шихту в печи надо плотно. Особенно важно хорошо уложить куски шихты в месте нахождения электродов. Шихту в дуговые печи малой и средней емкости загружают мульдами или лотками через завалочное окно, а в печи большой емкости через свод, который отводят в сторону вместе с электродами. После загрузки шихты электроды опускают до легкого соприкосновения с шихтой. Подложив под нижние концы электродов кусочки кокса, включают ток, и начинают плавку стали.
При плавки стали в дуговых печах различают окислительный и восстановительный периоды.
После удаления углерода скачивают весь шлак. Если в металле в период окисления углерода содержится меньше, чем требуется по химическому анализу, то в печь вводят куски графитовых электродов или кокс.
Восстановительный период плавки в основных дуговых печах при выплавке сталей с низким содержанием углерода проводится под белым (известковым) слоем шлаком, а при выплавке высокоуглеродистых сталей – под карбидным шлаком.
Дуговая электрическая печь.
1 — электрод, 2 — стойка,
3 — электрошины, 4 — каретка,
5 — электрододержатели,
6 — холодильник, 7 — стальной трос,
8 — механизм передвижения электрода,
9 — стальной кожух печи, 10 — футеровка, 11 — выпускное отверстие, 12 — опора,
13 — сектор наклона печи,
14 — механизм наклона печи, 15 — свод,
16 — рабочая площадка,
17 — загрузочное окно,
18 — шпиндель механизма наклона печи,
19 — электродвигатель механизма наклона печи.
Новые методы производства
и обработки стали.
- Электроннолучевая плавка металлов.
- Электрошлаковый переплав.
- Вакуумирование стали.
- Рафирование стали в ковше жидкими синтетическими шлаками.
Электроннолучевая плавка металлов.
Для получения особо чистых металлов и сплавов используют электроннолучевую плавку. Плавка основана на использовании кинетической энергии свободных электронов, получивших ускорение в электрическом поле высокого напряжения. На металл направляется поток электронов, в результате чего он нагревается и плавится.
Электроннолучевая плавка имеет ряд преимуществ: электронные лучи позволяют получить высокую плотность энергии нагрева, регулировать скорость плавки в больших пределах, исключить загрязнение расплава материалом тигля и применять шихту в любом виде. Перегрев расплавленного металла в сочетании с малыми скоростями плавки и глубоким вакуумом создают эффективные условия для очистки металла от различных примесей.
Электрошлаковый переплав.
Очень перспективным способом получения высококачественного металла является электрошлаковый переплав. Капли металла, образующиеся при переплаве заготовки, проходят через слой жидкого металла и рафинируются. При обработке металла шлаком и направленной кристаллизации слитка снизу вверх содержание серы в заготовке снижается на 30 – 50%, а содержание неметаллических включений – в два-три раза.
Схема электрошлакового переплава с одним (а) и двумя (б) расходуемыми электродами:
1 — расходуемый электрод;
2 — шлаковая ванна;
3 — металлическая ванна;
4 — слиток.
Вакуумирование стали.
Для получения высококачественной стали, широко применяется вакуумная плавка. В слитке содержатся газы и некоторое количество неметаллических включений. Их можно значительно уменьшить, если воспользоваться вакуумированием стали при ее выплавке и разливке.
При этом способе жидкий
металл подвергается
выдержке в закрытой камере,
из которой удаляют воздух и
другие газы. Вакуумирование
стали производится в ковше
перед заливкой по изложницам.
Лучшие результаты получаются тогда,
когда сталь после вакуумирования в
ковше разливают по изложницам так
же в вакууме. Выплавка металла в
вакууме осуществляется в закрытых
индукционных печах.
Рафирование стали в ковше жидкими синтетическими шлаками.
Сущность этого метода состоит в том, что очистка стали от серы, кислорода и неметаллических включений производится при интенсивном перемешивании стали в ковше с предварительно слитым в него шлаком, приготовленном в специальной шлакоплавильной печи. Сталь после обработки жидкими шлаками обладает высокими механическими свойствами. За счет сокращения периода рафинирования в дуговых печах, производительность которых может быть увеличена на 10 – 15%. Мартеновская печь, обработанная синтетическими шлаками, по качеству близка к качеству стали, выплавляемой в электрических печах.
I– дуговая электропечь для выплавки синтетического шлака;
II – заливка синтетического шлака в сталеразливочный ковш;
III – выпуск стали
Конец.
- Чугунный тюбинг
- Чудеса Свердловской области
- Чудеса света
- Чудесные меридианы
- "Чудотворец" поэзии Батюшков
- Чудские древности
- Чужая речь и способы ее передачи
- Чувственное и рациональное познание
- Чувственное, рациональное, иррациональное в познании
- Чувственные формы освоения действительности человеком (ощущение, восприятие, представление)
- Чувствительность методов неразрушающего контроля: капиллярного и радиографического
- Чувствительность покупателей к уровню цен.
- Чувство любви
- Чувство одиночества у подростков
