Московский государственный автомобильно-дорожный институт.
Основы металлургического производства.
Студент: Троицкий. А. П.

Группа: 1КМ1.
Москва 2001.
1.   
Материалы, применяемые для производства металлов и сплавов.

 Для производства металлов и сплавов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.

     Промышленной рудой называется горная порода, из которой при данном развитии   техники целесообразно извлекать металлы и их соединения.

     Флюсы – материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой или концентратом и золой топлива (шлака).

     Топливом в плавильных печах является кокс, природный газ, доменный газ.

     Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного покрытия металлургических печей  и ковшей для расплавленного металла. Покрытие должно быть образованно из оксидов одного типа с флюсом (основным, кислотным или нейтральным). В противном случае произойдет разрушение покрытия. 

2.     Назначение флюса. Пример.

Флюсы в производстве металлов применяют для отделения от расплавленного металла пустой породы или концентрата или золы топлива.

Образованный шлак имеет меньшую плотность, нежели металл, благодаря чему он поднимается на поверхность и подвергается удалению. 

Так при изготовлении чугуна применяется CaCO₃ или доломитизированный известняк, содержащий CaCO₃ и MgCO₃, так как в шлаке нужно должно содержаться некоторое количество основных оксидов (CaO, MgO).

3.     Назначение кокса. Получение.

В доменном производстве кокс играет роль топлива. Кокс получается на коксохимических предприятиях путем сухой безвоздушной  перегонки каменного угля коксующихся сортов при 1000⁰С. Кокс содержит 80-88% углерода, 8-12 % золы, 2-5% влаги, 0.5 – 1.8 % серы, 0,02 – 0,2 % фосфора и до 1-2% летучих компонентов. Кокс должен иметь размеры 25-60 мм и должен быть достаточно прочным, чтобы не разрушался под действием шихтовых материалов.

4.     Назначение огнеупоров. Допустимые сочетания огнеупоров с флюсами. Пример.

Огнеупоры применяются для защиты поверхностей металлургических печей и ковшей, контактирующих с расплавленным металлом, от высоких температур, нагрузок, и химических воздействий металла и шлака.       Огнеупоры бывают основными, кислыми и нейтральными. Допускается сочетание только однотипных флюсов и огнеупоров (т.е. кислые с кислыми, основные с основными), в противном случае произойдет разрушение огнеупорного  покрытия.

Так, например, применимо сочетание кислого флюса, содержащего кислотный оксид SiO₂, и кислого огнеупора, например кварцевого песка, содержащего 95%  SiO₂.
5.     Определение чугуна.

Чугун – сплав железа с углеродом с концентрацией углерода более 2.14%.

Передельный чугун [C] =4 – 4.25%

Литейный чугун [C] =2.75-3.25%.

6.     Исходные материалы, применяемые для получения чугуна.

При выплавке чугуна применяются железные руды, топливо, флюсы.

         Железная руда содержит железо в различных соединениях:

·        В виде оксидов

·        Гидроксидов

·        Карбонатов и т.д.,                                                                                           а также пустую породу, состоящую в основном из оксидов Si, Mg, Al, Ca и др.

К железным рудам относится магнитный железняк Fe₃O₄ (55-60% Fe), красный железняк Fe₂O₃ (55-60% Fe) , бурый железняк (содержит  гидраты оксидов железа 2Fe₂O₃*3H₂O), шпатовые железняки (содержащие FeCO₃ 30-40%).

При изготовлении чугуна применяется CaCO₃ или доломитизированный известняк, содержащий CaCO₃ и MgCO₃, так как в шлаке нужно должно содержаться некоторое количество основных оксидов (CaO, MgO).

Топливом при производстве чугуна является кокс, обеспечивающий необходимую температуру для восстановления железа из оксидов.

7.     Процесс агломерации.

Процесс агломерации заключается в следующем:

Шихту, состоящую из железной руды (40-50%), известняка (15-20%), возврата мелкого агломерата (20-30%), коксовой мелочи (4-6%), влаги (6-9%), спекают на агломерационных машинах при температуре 1300-1500⁰С. При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера и мышьяк), разлагаются карбонаты, и получается кусковой пористый офлюсованный материал – агломерат.

8.     Сущность основного принципа работы доменной печи. Схема доменной печи с указанием температур.

  Сущность основного принципа работы доменной печи заключается в противотоке. Нерасплавленная шихта спускается вниз доменной печи, проходя через ряд химических реакций. Расплавленный металл поднимается вверх и тем самым поддерживает условия для протекания реакций на всей высоте доменной печи. Тем самым упрощается сам процесс, так как отпадает необходимость в искусственном создании условий, необходимых для протекания каждой реакции, каждый химический процесс находит свой горизонт.



9.     Реакция горения углерода кокса.

                                      C +  O₂ ® CO₂ + Q₁

                                      CO₂  +  C ® 2CO - Q₂



10.                     
 Уравнение восстановления железа в доменной печи.

3Fe₂O₃ + CO₂ ® 3Fe₃O₄ + CO₂ + Q₃

Fe₃O₄ + CO ®3FeO + CO₂ – Q₄

FeO + CO ® Fe + CO₂ + Q₅

11. Продукты доменной печи.

·        Чугун – основной продукт доменной печи

Литейный чугун – применяется на машиностроительных предприятиях для производства фасонных отливок.

Передельный чугун предназначен для переплавки в сталь в конвертерах или мартеновских печах.

·        Доменные ферросплавы – сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами.  Применяются для раскаления и легирования сталей.

·        Побочные продукты – шлак и доменный газ. Из шлака изготавливают цемент, шлаковату. Доменный газ применяют как топливо для подогрева воздуха, подаваемого в доменную печь.

12.       Определение стали.

Сталь – сплав Fe с C ([С] < 2.5%)

Высококачественная сталь  ([С] < 0,6~0,7%).

13.       Сущность металлургического процесса передела чугуна в сталь.

Сущность процесса переплавки чугуна в сталь заключается в снижении концентрации углерода и удаления вредных примесей, путем избирательного их окисления и перехода в  шлак или газ.

14.       Граница раздела шлак – сталь.

Граница обеспечивается тем, что расплавленный металл и шлак имеют разную плотность и нерастворимы друг в друге.

15.       Основные этапы переплава чугуна в сталь.

Первый этап: Расплавление шихты и нагрев металла. Окисление железа. Удаление фосфора.  Для  более полного удаления фосфора в расплавленный металл добавляют шлак, содержащий CaO. Из-за нехватки FeO добавляют в металл руду или окалину (в виде шлака).

Второй этап: кипение металлической ванны, восстановление  Fe из FeO с выделением углекислого газа. Вместе с всплывающими пузырьками поднимаются прилипшие к ним примеси (флотация). Удаление серы из металла в шлак. Чем выше температура, тем активнее удаляется сера.

Третий этап: раскисление стали (восстановление Fe из FeO).

16.    
Химическая реакция окисления железа при переплавке чугуна в сталь.

2Fe + O₂ ® 2FeO + 527.36 кДж/моль;

17.          
Протекание основных химических реакций  и физико-химических явлений на этапе расплава шихты и нагрева расплавленного металла.

 2FeO + Si ® SiO₂ + Fe + 330 кДж/моль;

5FeO + 2P ® P₂O₅ + 5Fe + 226 кДж/моль

FeO + Mn = MnO + Fe + 123 кДж/моль.

Ангидрид фосфора – нестойкое соединение. Его вытесняют из расплавленного металла с помощью CaO:

2P + 5FeO + 4CaO 4CaO*P₂O₅ + 5Fe

18.             При кипении металла происходят следующие реакции:

FeO + C = CO + Fe – 153.93 кДж/моль

FeS + CaO = CaS + FeO (в шлаке)

FeS + CaO = CaS + FeO (на границе раздела металл – шлак).

19.          
Сущность раскисления стали, два основных способа раскисления.

Сущность раскисления заключается в восстановлении оксида железа, растворенного в жидком металле. Раскисление можно проводить двумя способами:

a)     Осаждающим. Осуществляется  введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия). В результате раскисления восстанавливается железо, и образуются оксиды марганца, алюминия и кремния, обладающие меньшей плотностью, нежели сталь, удаляющиеся в шлак. Однако часть их может остаться в стали, что понижает её свойства.

b)    Диффузионным. Осуществляется раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций, ферроалюминий мелкоизмельченными загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. В соответствии с законом распределения оксид железа, растворенный в стали, начнет переходить в шлак. Оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в  сталь, что уменьшает содержание в ней неметаллических примесей и тем самым повышая её свойства.

20.          
Стали, получаемые в процессе раскисления.

Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи или ковше.

Кипящая сталь получается при неполном раскислении. Её раскисление продолжается при остывании слитка. CO выделяется из стали, способствуя удалению из неё водорода и азота, в виде пузырьков, вызывая её «кипение».

FeO + C = Fe + CO.

Полуспокойная сталь. Сталь, раскисление которой протекает в печи и в процессе остывания слитка.

21.                     
Легирование стали.

Легирование стали проводят для придания ей необходимых свойств. Если легирование проводят элементами, у которых сродство с кислородом меньше чем у железа (Ni, Co, Mo, Cu) , то их можно вводить в любой момент плавки. Обычно легирующие элементы  вводят вместе с шихтой. Если легирование проводят элементами, у которых сродство кислороду больше чем у железа(Si, Mn,  Al, Cr, V, Ti и др.), то их вводят в металл после или одновременно с раскислителями, в конце плавки, а иногда непосредственно в ковш.

22. Особенности структуры слитков спокойной, кипящей и полуспокойной стали.

 Спокойная сталь застывает без выделения газов. В верхней части образуется усадочная раковина, а в средней части - осевая рыхлость.

Слитки кипящей стали усадка рассредоточена по полостям газовых пузырей. При прокатке газовые пузыри завариваются. Углерод, сера и фосфор потоками выносятся на поверхность, отчего качества её ухудшаются. Поэтому при прокатке срезают только верхнюю часть.

Слитки полуспокойной стали имеют в верхней части структуру кипящей стали, а в нижней – спокойной. Ликвация в верхней части слитков близка к ликвации спокойной стали, но слитки полуспокойной стали не имеют усадочной раковины.

23. Основные способы разливки стали.

В изложницы  сверху – металл наливается  непосредственно из ковша (применяют для обычных углеродистых сталей).

При сифонной разливке сталью заполняют сразу несколько изложниц (применяется при разливке высококачественных и легированных сталей).

При непрерывной разливке сталь непрерывно подается через промежуточное разливочное устройство в водоохлаждаемую изложницу без дна -                                                                                          кристаллизатор, из нижней части   которого извлекают затвердевающий слиток.

24. Способы повышения качества стали.

Обработка металла синтетическим шлаком. Синтетический шлак содержащий 55% CaO, 40% Al₂O₃ и немного SiO₂, MgO и минимум FeO, выплавляют в электрической печи и заливают на дно ковша. Затем в ковш заливают сталь. При перемешивании стали и шлака поверхность их взаимодействия резко возрастает и реакции между ними протекают гораздо быстрее. Благодаря этому улучшается пластичность и прочность стали.

Электрошлаковый переплав. Переплаву подвергают выплавленный в печи и прокатанный на круглые прутки металл. Капли расплавленного металла проходят через основной шлак, нагретый электрическим током.

Ток подводится через расплавляемые электроды (прутки). Прохождение капель расплавляемого электрода через шлак способствует их активному взаимодействию. Под слоем шлака образуется ванна расплавленного металла, которая превращается в слиток под действием кристаллизатора. Металлическая ванна пополняется расплавленными каплями электрода. Постепенная и направленная кристаллизация способствует удалению из стали газов и неметаллических включений, слиток получается плотным, однородным, с хорошим качеством поверхности. В результате ЭШП содержание  кислорода в металле уменьшается в 1,5 – 2 раза, снижается концентрация серы, в 2 – 3 раза уменьшается содержание неметаллических включений, они становятся меньше и равномерно распределяются по всему объему. ЭШП позволяет получать высококачественные и жаропрочные стали.

Вакуумно – дуговой переплав. Применяется в целях удаления из металла газов и неметаллических включений. Процесс происходит в вакуумных дуговых печах  с расходуемыми электродами. При подаче напряжения между расходуемым электродом – катодом и заготовкой – анодом возникает дуга. Сильное охлаждение слитка и разогрев дугой ванны расплавленного металла способствуют направленной кристаллизации слитка. В результате этого неметаллические примеси концентрируются в верхней части слитка, а усадочная раковина мала.  Слитки, полученные ВДП отличаются высокими механическими свойствами и равномерностью химического состава.