Тема 1.1 Производство чугуна

Введение.

Материаловедение — наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами металлических сплавов и неметаллических материалов, а также рассматривающая закономерности их изменения под влиянием механических, физико-химических и других видов воздействий.

Свойства материалов определяются не только химическим составом, но и их структурой. Изменять структуру можно различными путями: легированием, гранулированием, деформированием, термической, химико- термической и термомеханической обработками и др. На структуру и свойства материалов помимо этого оказы­вают влияние высокое давление, вакуум, ультразвук, скорость охлаждения, ядерное облучение, обработка лазером и т.д.

Материаловедение базируется на научных основах физики, химии и новейших достижениях в области технологии получения полуфабрикатов и изделий.

Основы современного материаловедения были заложены выдающимися русскими учеными в области металлургии П.П Ломоносовым (1799—1855), впервые установившим связь между строением стали и ее свойствами, и Д.К.Черновым (1839—1921), который в 1868 г. открыл структурные превращения в сталях при их нагреве и охлаждении. Д.К. Чернов по праву считается основоположником металлографии — науки о строении металлов и сплавов. Его научные открытия легли в основу процессов ковки, прокатки и термической обработки стали. Дальнейшее развитие металловедение получило в работах видных отечественных ученых: Н.И. Беляева, Н.С. Курнакова, А.А. Байкова, С.С. Штейнберга, А.А. Бочвара, Г.В. Курдюма ва и др.

Наука о металлах развивается динамично, используя электронные микроскопы, микрорентгеноспектральный анализ и другую современную аппаратуру. Все это позволяет более глубоко и полно изучить строение металлов и сплавов, находить новые пути повышения их механических и физико-технических свойств. Создаются сверхтвердые сплавы, многослойные композиции с широким спектром свойств, металлические, алмазные и керамико-металлические материалы. В то же время в строительстве и прокладке газопроводов все большее применение получают полимерные материалы, обладающие совокупностью необходимых свойств и высокой долговечностью.

Знание основ материаловедения необходимо каждому специалисту, работающему в области создания, эксплуатации оборудования и систем газоснабжения. Только изучив свойства материалов, можно обоснованно выбрать их для использования, правильно разработать технологический процесс обработки.

Долгое время в технической практике люди использовали готовые природные материалы, совершенствовали их, создавали новые технологии производства и обработки. Вся история существования человечества связана с освоением материалов: каменный век сменился медно-каменным, а затем бронзовым и железным веками.

Изготовив первые орудия труда из камня и кости, человек стал обрабатывать древесину, шкуры, освоил обжиг глины. Следующим этапом освоения материалов стало плавление и литье меди,-затем открытие оловянной бронзы и освоение железа. Совершенствовалась технология переплавки металлических руд, прокаливанием и ковкой полуфабрикатов стали получать кузнечное железо.

Новую эпоху в развитии материалов открыло использование энергии падающей воды для привода машин. Появилась возможность нагревать металл до температур, превышающих температуру плавления железа, пере­рабатывать расплав в ковкое железо, очищать металлы от примесей. Эти достижения в области производства ма­териалов определяли уровень технического развития на протяжении многих веков.

Возрастание спроса на машины привело к возникновению машиностроения как отрасли промышленности. В то время мануфактурным производством была освоена лишь немногочисленная группа материалов, что ог­раничивало возможности развития машин.

Превращение ручных мануфактур в фабричную систему использования машин привело к изменению уровня техники и технологии материалов. Расплавленный чугун был впервые превращен в сталь.

Рост промышленности требовал больших объемов материалов. В связи с этим возникла необходимость научных обобщений и рекомендаций. Начиная с XIX века материаловедение стало прикладной наукой.

Научные исследования и открытия в области химии и металловедения способствовали развитию металлур­гического производства, созданию новых сплавов и методов их обработки. После открытия бензола началось развитие новой отрасли промышленности, вырабатывавшей красители, медикаменты и множество синтетических машиностроительных материалов. На основе теории химического строения вещества разработаны и получены полимеры. Новый материал бакелит стал первым продуктом промышленности пластических масс.

В XX веке разрабатываются и бурно развиваются новые технологические процессы: кислородно-конвертер­ный, электрометаллургия стали и ферросплавов; электросварка; термомеханическая обработка металлов и многие другие.

Благодаря фундаментальным исследованиям в области металловедения быстро растет число сплавов, обла­дающих специфическими свойствами: противокоррозионными, жаростойкими и жаропрочными, особыми магнитными, «памятью» механической формы и т.д.; создаются новые типы материалов: сверхпроводники, полупроводники и др.

Развиваются исследования в области синтеза и переработки полимеров, направленные на улучшение их механических свойств, повышение стойкости к воздействию сред и высоких температур. Одним из направлений материаловедения стало получение композиционных материалов путем сочетания разнородных компонентов. Развитие технологий обработки и модификации материалов позволило применить традиционные материалы в жестких условиях эксплуатации современной техники.

 

 

Раздел 1. Металлургия черных и цветных металлов. Тема 1.1. производство чугуна и стали.

Тема 1.1 Производство чугуна.

ВЫПЛАВКА ЧУГУНА

Получение чугуна из железных руд осуществ­ляется в доменных печах. Доменные печи являются круп­нейшими современными шахтными печами. Большинство действующих печей имеют полезный объем 1300—* 2300 м³ — объем, занятый загруженными в них мате­риалами и продуктами плавки, и высоту примерно 30 м и предназначены для выплавки в сутки до 2000 т чугуна. В мире работает пока немного печей объемом более 2600 м³. В 1974 г. в нашей стране вступила в строй первая домен­ная печь объемом 5000 м³. Эта печь существенно отли­чается от печей, построенных ранее. На основе опыта ее работы в Череповце в 1986 г. вошла в строй действу­ющих еще более мощная доменная печь объемом 5600 м³. В нее внесены серьезные конструктивные изменения, об­легчающие труд доменщиков и повышающие производи­тельность печи.

Сущность доменной плавки сводится к раздельной загрузке в верхнюю часть печи, называемой колошником, агломерата, кокса и флюсов, располагающихся в шахте печи слоями. При нагреве шихты за счет горения кокса, обеспечиваемого вдуваемым в горн горячим воздухом, в печи идут сложные физико-химические процессы, и шихта постепенно опускается навстречу поднимающимся горячим газам. В результате взаимодействия компонентов шихты и газов в нижней части печи, называемой горном, образуются два несмешивающихся жидких слоя — чугун и шлак.

На рис. 3.5 показана схема современной доменной печи объемом 2700 м³. Два наклонных подъемника с опро­кидывающимися скипами вместимостью до 17 м³ достав­ляют агломерат, кокс и другие добавки на высоту 50 м к засыпному устройству доменной печи, состоящему из двух поочередно опускающихся конусов.

В верхней части горна расположены фурменные от­верстия (16—20 шт), через которые в печь под давлением 300 кПа подается обогащенный кислородом воздух при температуре 900—1200 °С.

Жидкий чугун выпускают каждые 3—2 ч (а в крупных печах ежечасно) поочередно через две или три летки, которые для этого вскрывают с помощью электробура. Выливающийся из печи чугун выносит с собой и шлак, находящийся над ним в печи. Чугун направляется по желобам литейного двора в чугуновозные ковши, распо­ложенные на железнодорожных платформах. Шлак, вы­ливающийся с чугуном, предварительно отделяют от чугуна в желобах с помощью перекрывающих затворов и направляют в шлаковозы. Кроме того, часть шлака иногда выпускают из доменной печи до выпуска чугуна через шлаковую летку. После выпуска чугуна летку забивают пробкой из огнеупорной глины с помощью электромагнит­ной пушки.Печь монтируют в прочном сварном стальном кожухе, интенсивно охлаждаемом водой. Внутри печь выклады­вают высококачественным шамотным кирпичом, а отдель­ные части печи изготовляют из прессованных углероди­стых блоков. Толщина боковых стенок печи в отдельных местах превышает 1,5 м, а лещади — 4 м. Печь полезным объемом 2700 м³ имеет высоту 80 м и массу с механизмом 200 000 т. Печь работает непрерывно в течение 4—8 лет.

Физико-химические процессы, протекающие в домен­ной печи, очень сложны и многообразны. Советские уче­ные, академики А. А. Байков, М. А. Павлов и другие обстоятельно занимались их изучением и создали капи­тальные труды по этим вопросам.

Условно процесс, протекающий в доменной печи, можно разделить на следующие этапы: горение углерода топ­лива; разложение компонентов шихты; восстановление оксидов; науглероживание железа; шлакообразование. Эти этапы процесса проходят в печи одновременно, пере­плетаясь друг с другом, но с разной интенсивностью, на разных уровнях печи.

 

Рис. 3.5. Схема доменной печи объемом 2700 м8 и ее примерный с)'точ- ныи баланс: 1 — воздухопровод дутья; 2 — шлаковая летка; 3 — шлаковоз; 4 — лещадь; S шё чугуновоз; 6 — летка для чугуна; 7 — фурменный прибор; 8 — газоходы; 9 — засыпное устройство

 

Горение углерода топлива происходит глав­ным образом возле фурм, где основная масса кокса, нагреваясь, встречается с нагретым до температуры 900—• 1200 °С кислородом воздуха, поступающим через фурмы. Образовавшаяся при этом углекислота вместе с азотом воздуха, поднимаясь, встречается с раскаленным коксом и взаимодействует с ним по реакции С0₂ -f С 2СО.

Эта реакция обратима, причем ее равновесие сдви­гается вправо при повышении температуры и влево — при понижении.

Иногда в фурмы вводят еще природный газ или пар, который, реагируя с раскаленным коксом, окисляет его при высоких температурах:

н₂0_пар + с_тп = со + н₂.

Разложение компонентов шихты про­текает различно — в зависимости от ее состава. При работе на шихте, содержащей флюсы и часть сырой руды, важнейшими процессами в верхней части печи являются разрушение гидратов оксида железа, оксида алюминия и разложение известняка флюса по реакции:

СаС0₃ = СаО + С0₂.

Если в печь подается уже отфлюсованный агломерат, эти процессы протекают при агломерации и в доменной печи почти не идут.

Б0

Восстановление оксидов может проис­ходить окисью углерода, углеродом и водородом. Главная цель доменного процесса — восстановление железа из его оксидов. Согласно теории акад. А. А. Байкова вос­становление оксидов железа идет ступенчато по следу­ющей схеме:

Fe₂0₃ -> Fe₃0₄ -> FeO Fe.

Главную роль в восстановлении оксидов играет угар­ный газ:

3Fe₂0₃ + СО = 2Fe₃0₄ + С0₂ + Q.

Эта реакция практически необратима, протекает легко при очень низкой концентрации СО в газовой фазе. Для развития процесса восстановления необходимы темпера­тура не ниже 570 °С и значительный избыток СО в газах:

Fe₃G₄ + СО =га= 3FeO + С0₂ + Q.

Затем происходит образование твердой железной губк i по реакции:

3FeO_TB + СО Fe_TB + С0₂ + Q.

Развитие реакции вправо требует еще более высокой температуры и высокой концентрации СО в газовой фазе. Но, как показывают исследования, в печи для этого есть необходимые условия, так как выше температуры 950 °С в газовой фазе присутствует только СО (С0₂ не образуется).

Наряду с СО в процессе восстановления железа из оксидов значительную роль играет и твердый углерод. Это взаимодействие происходит за счет непосредственных контактов оксидов руды с восстановителем во время пере­мещения руды в печи, а также в горячей зоне печи за счет соприкосновения кусков кокса с жидкими шлаками, содержащими закись железа. Начало и скорость этих реакций в доменной печи зависят от физического состояния руды, состава газов, их давления и ряда других факторов.

Аналогично протекает и восстановление оксидов же­леза водородом. Водород заметно ускоряет восстановление оксидов, хотя роль его в доменном процессе не является первостепенной.

Восстановление оксидов марганца происходит также ступенчато, главным образом за счет СО:

Мп0₂ Mn₂O_s Mn₃0₄ -> МпО;

восстановление закиси марганца происходит почти ис­ключительно за счет твердого углерода, видимо, при его соприкосновении с расплавленным шлаком по схеме

MnO + С_тв = Mn + СО — Q,

Рис. 3.6. Высокотемпературный воз­духонагреватель:   1 — поднасадочная решетка из жаро­прочного чугуна; 2 — насадка; 3 — под- купольное устройство; 4 — патрубок горячего дутья; 5 — штуцер горелки; 6 — газовые клапаны; 7 — патрубок колодного дутья; 8 — огнеупорный вы­сокоглиноземистый кирпич; 9 — сталь­ной кожух

так как количество марганца в шлаке доменной печи бы­вает значительно больше, чем в металле. Эта реакция тре­бует и в 2 раза больше теплоты, чем восстановление же­леза, а поэтому повышенного расхода топлива.

Восстановление кремния в доменной печи происходит преимущественно твердым углеродом с образованием си­лицида железа условно по следующей схеме:

Si0₂ + 2С + Fe = FeSi + 2СО + Q,

но требует еще более высокой температуры и тугоплавких шлаков. Образовавшиеся силициды железа растворяются в чугуне.

Фосфор вносится в доменную печь с рудой в виде ми­нералов ЗСаО • Р₂0₅ и 3FeO • Р₂0₅ • 8Н₂0.

При высокой температуре эти соединения восстанав­ливаются, фосфор взаимодействует с железом, а образую­щийся фосфид переходит в чугун:

Р + 3Fe = Fe₃P.

Сера находится в руде и коксе в виде пирита и других устойчивых сульфидов. Часть серы окисляется и удаля­ется с газами в виде S0₂, а часть — растворяется в чугуне и шлаке.

Науглероживание железа происходит за счет взаимо­действия твердого губчатого железа с печными газами, содержащими значительное количество СО:

                 3Fe + 2СО = Fe₃C + С0₂.

Образование сплава железа с углеродом, имеющего температуру плавления ниже, чем чистое железо, при­водит к формированию капель жидкого чугуна, которые, стекая в нижнюю часть печи через слой раскаленного кокса, еще более насыщаются углеродом.

Шлакообразование активно развивается при прохождении шихты в области распара после окон­чания процессов восстановления оксидов железа в домен­ной печи. Шлак состоит из оксидов пустой породы и золы кокса, а также флюса, специально добавленного в печь, чтобы обеспечить достаточную жидкотекучесть шлака при температуре 1400—1450 °С. При слишком легкоплав­ком шлаке не успевает восстановиться значительная часть оксидов железа, которая выносится с этим шлаком из зоны восстановления. При слишком тугоплавком шлаке на стенках печи образуются большие настыли, и доменный процесс осложняется. Основные составляющие доменного шлака — кремнезем (30—45 %), оксид кальция (40— 50 %), глинозем (10—25 %). Состав шлака зависит от пустой породы руды, а также от того, получают ли в до­менной печи передельный чугун, литейный чугун или ферросплавы (см. ниже).

Шлаки, получаемые в доменной печи, в последние годы широко используют в промышленности. На боль­шинстве заводов их гранулируют, выливая расплавленный шлак прямо из шлаковозных ковшей в большие бассейны. Полученные таким образом шлаковые гранулы перераба­тывают на цемент и другие строительные материалы (шла­ковую вату для теплоизоляции, шлаковые блоки и др.).

В верхней части печи из шихты отделяются газообраз­ные продукты реакций и азот воздуха. Газы, выделяющи­еся из доменной печи, называют обычно колошниковыми. С ними вместе из печей выносится огромное количество пыли (50 кг на 1 т чугуна). Газ состоит из 26—32 % FeO, 9—12 % Fe0₂ и 54—58 % N₂. Теплота сгорания такого газа 4000 Дж на 1 м³, поэтому его широко используют после очистки от пыли как топливо для подогрева воз­духа, идущего в доменные печи, а также в других печах металлургического завода.

Важнейший продукт доменной плавки — чугун — сплав железа с углеродом, кремнием и марганцем, обычно содержащий примеси серы и фосфора. Количество этих компонентов в чугуне лимитируется ГОСТами.

В доменных печах главным образом выплавляют пере­дельный чугун, предназначенный для переработки в сталь. Эти чугуны обычно содержат 3,5—4,5 % С, 0,5—1,2 % Si, 0,2—1,2 % Мп, до 0,2 % Р и сотые доли процента серы.

В значительных количествах в доменных печах вы­плавляют и литейные коксовые чугуны, маркируемые ЛК, отличающиеся повышенным содержанием фосфора (0,1—1,2 %) и обязательно значительным количеством кремния (0,8—3,75 %).

В отдельных доменных печах иногда выплавляют фер­росплавы. К доменным ферросплавам относят ферроси­лиций с 9 до 18 % Si, ферромарганец с 70—75 % Мп и зеркальный чугун с 10—«25 % Мп и около 2 % Si.

Одним из главных по­казателей работы домен­ных печей принято счи­тать коэффициент исполь­зования полезного объема доменной печи (КИНО), равный отношению полез­ного объема W (м³) к суточному выпуску чу­гуна Q_T; К = W/Q и до­стигающий 0,35. Так как производительность печи Q стоит в формуле в зна­менателе, то чем меньше коэффициент использова­ния полезного объема до­менной печи, тем лучше она работает.

Для производства чу­гуна кроме доменных пе­чей необходимо и другое технологическое оборудо­вание. Наибольшее значе­ние имеют воздухонагре­ватели. Для успешной ра­боты современной домен­ной печи объемом 2700 м³ в нее требуется вдувать с помощью мощных воздуходувок ~8 млн. м³ воздуха и 500 000 м³ кислорода в сутки. Наг­рев этой массы кислородно-воздушной смеси до темпера­туры 900—1200 °С осуществляется попеременно в четы­рех цилиндрических башенных воздухонагревателях (рис. 3.6) высотой 40—50 м и диаметром 8—10 м. Внутри воздухонагреватель разделен на две части: полую камеру горения и насадочное пространство, за­полненное решетчатой огнеупорной кладкой разной формы со сквозными вертикальными каналами. Очищенный до­менный газ смешивают в горелке с воздухом и пламя на­правляют в вертикальную камеру горения. Горячие про­дукты горения, изменив направление под куполом, опу­скаются сквозь насадку, отдавая ей теплоту. Охлажденные газы выпускаются через нижнюю часть воздухонагрева­теля в дымовую трубу. После нагрева купола до темпера­туры 1200—1400 °С подачу колошникового газа в этот нагреватель прекращают и в воздухонагреватель снизу вверх пропускают воздушно-кислородную смесь, которая нагревается, проходя через горячую насадку. После ох­лаждения насадки первого воздухонагревателя нагрев дутья переносят в соседний, а первый снова переключают «на газ» (на нагрев).

Выпускаемый из доменной печи шлак по желобам по­ступает в литые стальные шлаковые ковши, а чугун — в чугуновозные ковши вместимостью 80—100 т, футеро­ванные шамотным кирпичом; их устанавливают на желез­нодорожных платформах. Передельный чугун перевозят в этих ковшах в сталеплавильный цех и заливают в мик­сер — цилиндрическое хранилище жидкого чугуна, вме­щающее иногда до 2000 т. Миксер выложен шамотным кирпичом; он может наклоняться, а в случае необходи­мости и обогреваться газовыми форсунками.

Литейный чугун отвозят к разливочной машине, где его разливают в изложницы, закрепленные на непрерывно движущемся наклонном конвейере. Чтобы ускорить ох­лаждение чугуна, изложницы после затвердевания в них чугуна орошают холодной водой, и затем при повороте конвейера пятидесятикилограммовые чушки выпадают из изложниц на железнодорожные платформы.