|
|
ТКМ шпоры. 1. Исходные материалы для металлургии руда, флюсы, огнеупоры, топливо пути повышения температуры горения металлургического топлива. Дайте определения и примеры химических формул
1. Исходные материалы для металлургии: руда, флюсы, огнеупоры, топливо; пути повышения температуры горения металлургического топлива. Дайте определения и примеры химических формул. Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения. Например, в настоящее время извлекать металлы из руд, если содержание их в руде составляет: железа на менее 30-60 %, меди 3-5 %, молибдена 0,005-0,02%.Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, и пустой породы (т. е. различных примесей). Руды называют по одному или нескольким металлам, которые входят в их состав. Например, железные, медные, медно-никелевые и т. д.
В зависимости от содержания добываемого металла руды бывают богатые и бедные. Бедные руды (с малым содержанием добывае мого металла) обогащают, т. е. удаляют из руды часть пустой по роды.
Флюсы - это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентратом и золой топлива. Такое соединение называют шлаком.
Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается в печи над металлом и может быть удален в про цессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiO2, P2O5), и основным, если в его составе больше основных оксидов (CaO, MgO, FeO и др.).
Топливом в металлургических печах являются кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ.
Кокс получают на коксохимических заводах в коксовых печах сухой перегонкой при температуре 1000°С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80-88 % углерода, 8-12 % золы, 2-5 % влаги, 0,5-1,8 % серы, 0,02-0,2 % фосфора и до 1-2 % летучих продуктов. Для доменной плавки кокс должен содержать минимальное количество серы и золы.
Природный газ содержит 90-98 % углеводородов (СН4 и С2Н6) и 1 % азота. Мазут содержит 84-88 % углерода, 10-12 % водорода, небольшое количество серы и кислорода. Кроме того, ис пользуют доменный или колошниковый газ, побочный продукт доменного процесса.
Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ков шей для расплавленного металла. Огнеупорные материалы способны выдержать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температур, химическому воздействию и печных газов. Огнеупорность материала определяется температурой его размягчения.
Для повышения температуры нужно делать подготовку, т.е. использовать высококонцентрированный уголь, очищенный газ, одним словом все составляющие процесса должны быть наивысшего качества.
В соответствии с законом действую щих масс скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Поскольку в наиболь шем количестве в чугуне содержится же лезо, то оно окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи:
Fе + 1/2О2 = FеО + 263.68 кДж.
Одновременно с железом окисляются Si, Р, С, Мn и др.
Образующийся оксид железа при вы соких температурах отдает свой кислород более активным элементам - примесям в чугуне, окисляя их:
2FеО + Si = SiO2 + 2Fе + 330,5 кДж; (2)
5FеО + 2Р = Р2О5 + 5Fе + 225,94 кДж; (3)
FеО + Мn = МnО + Fе + 122,59 кДж; (4)
FеО + С = СО + Fе – 153,93 кДж. (5)
| 2. Сущность процессов шлакования; роль шлаков и флюсов в металлургии(на примере доменной плавки).
Флюсы - это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентратом и золой топлива. Такое соединение называют шлаком.
Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается в печи над металлом и может быть удален в про цессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiO2, P2O5), и основным, если в его составе больше основных оксидов (CaO, MgO, FeO и др.).
Побочные продукты доменной плавки — шлак и доменный газ. Из шлака изготовляют шлаковату, цемент, ситалы, а доменный газ после очистки используют как топливо для на грева воздуха, вдуваемого в доменную печь.
3. Окислительно-восстановительные реакции в металлургии (на примере производства чугуна и стали).
В соответствии с законом действую щих масс скорость химических реакций пропорциональна концентрации реаги рующих веществ. Поскольку в наиболь шем количестве в чугуне содержится же лезо, то оно окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи:
Fе + 1/2О2 = FеО + 263.68 кДж.
Одновременно с железом окисляются Si, Р, С, Мn и др.
Образующийся оксид железа при вы соких температурах отдает свой кислород более активным элементам - примесям в чугуне, окисляя их:
2FеО + Si = SiO2 + 2Fе + 330,5 кДж; (2)
5FеО + 2Р = Р2О5 + 5Fе + 225,94 кДж; (3)
FеО + Мn = МnО + Fе + 122,59 кДж; (4)
FеО + С = СО + Fе – 153,93 кДж. (5)
Восстановительные реакции:
Fe2O3 -> Fe3O4 -> FeO -> Fe
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + Q
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 + Q
FeO + CO = Fe + CO2 + Q
| 4. Сущность доменного процесса; исходные материалы для получения чугуна, продукты доменной плавки, оценка эффективности работы доменной печи. Схема и принцип работы доменной печи.
Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы.
Железные руды содержат железо в различных соединениях: в виде оксидов Fe3O4, Fe2O3; гидроксидов Fe2O3*H2O, карбонатов FeCO3 и др., а также пустую породу, состоящую в основном из SiO2, Al2O3, CaO, MgO и др. К железным рудам относятся магнитный железняк Fe3O4 (55-60 % Fe), красный железняк Fe2O3 (55-60 % Fe), бурый железняк, содержащий гидраты оксидов железа 2Fe2O3*3H2O и Fe2O3*H2O (37—55 % Fe); шпатовые железняки, содержащие FeCO3 (30-40 % Fe).
Марганцевые руды применяют для выплавки сплава железа с марганцем - ферромарганца (10—82 % Мn), а также передельных чугунов, содержащих до 1 % Мn. Марганец в рудах содержится в виде оксидов и карбонатов: МnО2, Мn2О3, Мn3O4, МnСО3, и др.
Хромовые руды используют для производства феррохрома, ме таллического хрома и огнеупорных материалов - хромомагнезитов. Хромовые руды содержат хромит (FeO*Cr2O3), магнохромит (Mg, Fe)*Cr2O4 ( до 40 % Сr2O3).
Комплексные руды используют для выплавки природно-легированных чугунов. Это железомарганцевые руды (до 20 % Мn), хромо-никелевые руды (37-47 % Fe, до 2 % Сг, до 1 % Ni), железованадиевые руды (до 0,17-0,35 % V).
Топливом для доменной плавки служит кокс, позвляющий получать необходимую температуру и создавать условия для восстановления железа из руды; в целях экономии часть кокса заменяют природным газом, мазутом, пылевидным топливом.
Флюсом при выплавке чугуна в доменных печах является известняк СаСО3 или доломитизированный известняк содержащий СаСО3 и MgCO3, так как в шлаки должно входить определенное количество основных оксидов (CaO, MgO). Это необходимо для удале ния серы из металла, в который она переходит из кокса и железной руды при плавке. Рекомендуется, чтобы в шлаке отношение (СаО+Mg0)/(SiO2+А12О3) примерно равно 1.
Продукты доменной плавки. Чугун – основной продукт доменной плавки. В доменных печах получают чугун различного химического состава в зависимости от его назначения.
Передельный чугун выплавляют для передела его в сталь в конвертерах или мартеновских печах. Он содержит 4-4,4 % С, до 0,6-0,8 % Si, до 0,25-1 % Мn, 0,15-0,3 % Р и 0,03-0,07 % S.
Литейный чугун используют на машиностроительных заводах при производстве фасонных отливок. Он содержит 2,75-3,25 % Si. Кроме чугуна в доменной печи выплавляют ферро сплавы доменные - сплавы железа с кремнием, марган цем и другими элементами. Их применяют для раскисления и леги рования стали. К ним относятся: ферросилиций (9-13 % Si и до 3 % Мn), ферромарганец (70-75 % Мn и до 2 % Si), зеркальный чугун (10-25 % Мn и до 2 % Si).
Побочные продукты доменной плавки — шлак и доменный газ. Из шлака изготовляют шлаковату, цемент, ситалы, а доменный газ после очистки используют как топливо для на грева воздуха, вдуваемого в доменную печь.
Важнейшие технико-экономические показатели работы доменных печей: коэф фициент использования полезного объема доменной печи (КИПО) и удельный расход кокса. КИПО (м3/т) — это отношение полезного объема печи V (м) к её среднесуточной производительности Р (т) выплавленного чугуна:
КИПО = V/P.
Чем выше производительность доменной печи, тем меньше КИПО. Для большинства доменных печей КИПО=0,5/0,7.
|
4пУдельный расход кокса К - отношение расхода А кокса за сутки к количеству Р (т) чугуна, выплавленного за то же время:
К = A/P.
Удельный расход кокса в доменных печах составляет 0,5-0,7; чем ниже этот показатель, тем лучше работает печь.
Устройство доменной печи и ее ра бота. Доменная печь (рис. 2.1) имеет стальной кожух, выложенный внутри ог неупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через ко торый в печь загружают шихту (офлюсо ванный агломерат и окатыши). Шихту взвешивают, подают в вагонетки 9 подъ емника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату 8 и, опрокидыва ясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 засыпного аппарата шихта попадаете чашу //, а при опускании большого конуса 13 - в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу. Для равно мерного распределения шихты в доменной печи малый конус и приемная воронка после очередной загрузки поворачиваются на угол, кратный 60°.
При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загру зочное устройство в печь подаются новые порции шихты в таком количестве, чтобы весь полезный объем печи был заполнен. Полезный объем печи - это объем, зани маемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппара та при его опускании. Современные домен ные печи имеют полезный объем 2000 ... 5000 м3. Полезная высота доменной печи достигает 35 м.
В верхней части горна находятся фур менные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необхо димый для горения топлива. Воздух на гревают для уменьшения потерь теплоты и снижения расхода кокса. Воздух поступа ет в доменную печь из воздухонагревате ля, внутри которого имеются камера сго рания и насадка. Насадка выложена из огнеупорных кирпичей, так что между ними образуются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный от пыли доменный газ, кото рый сгорает и образует горячие газы.
Газы, проходя через насадку, нагрева ют ее и удаляются через дымовую трубу. Затем подача газа к горелке прекращается, и через насадку пропускается воздух, по даваемый турбовоздуходувной машиной. Воздух, проходя через насадку, нагревает ся до температуры 1000 ... 1200 °С и по ступает к фурменному устройству 14, а оттуда через фурмы 2 - в рабочее про странство. Доменная печь имеет несколь ко воздухонагревателей: в то время как в одних насадках нагревается, в других на садка отдает теплоту холодному воздуху, нагревая его. После охлаждения насадки воздухом нагреватели переключаются.
| 5.Сталь. Сущность процесса получения стали методом прямого восстановления железа из руды. Приведите примеры восстановительных химических реакций при прямом восстановлении железа из руды.
Доменный процесс получения чугуна требует значительного расхода кокса, флюсов, электроэнергии для подготовки сжатого воздуха для дутья. Поэтому наряду с выплавкой чугуна в доменных печах все более широко используют более экономич ные процессы прямого восстановления железа из руд с последующей его плавкой в электропечах для получения стали. Один из таких процессов осуществлен на Оскольском электрометаллургическом комбинате им. Л. И. Брежнева. Добытую в карьерах руду обогащают и получают окатыши. Окатыши из бункера по грохоту поступают в ко роб шихтозавалочной машины и оттуда в шахтную печь, работающую по прин ципу противотока. Просыпь от окатышей из грохота попадает в бункер с брикетировочным прессом и в виде окатышей вновь поступает на грохот, подающий их в загрузочное устройство. Для восстано вления железа из окатышей в печь по трубопроводу подают смесь природного и доменного газов, подвергнутую в установке конверсии, в результате кото рой смесь разлагается на водород и окись углерода. В восстановительной зоне печи создается температура 1000—1100°С, при которой водород и окись угле рода восстанавливают железную руду в окатышах до твердого губчатого железа. В результате содержание железа в окатышах достигает 90-95%. Для охлажде ния железных окатышей по трубопроводу в зону охлаждения печи подают воздух. Охлажденные окатыши выдаются на конвейер и поступают плавку стали в электропечах.
Восстановление железа из руды в доменной печи происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте печи и повышения тем пературы в несколько стадий, от высшего оксида к низшему:
Fe2O3 -> Fe3O4 -> FeO -> Fe.
6п Мартены в основном остаются работать в нашей стране и по сей день, хотя они уже морально устарели, и очень сильно загрязняют окружающую среду. В кислородных конвертерах выплавляют конструкционные стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные.
В кислородных конвертерах трудно выплавлять стали, содержа щие легкоокисляющиеся легирующие элементы, поэтому в них вы плавляют низколегированные (до 2-3 % легирующих элементов) стали. Легирующие элементы вводят в ковш, расплавив их в электро печи, или твердые ферросплавы вводят в ковш перед выпуском в пего стали. Плавка в конвертерах вместимостью 130-300 т заканчива ется через 25-50 мин. Кислородно-конвертерный процесс более производительный, чем плавка стали в мартеновских печах. Самым лучшим вариантом является электропечь, т.к. электричество является дешевым видом энергии, и экологическим, электропечи имеют преимущества по сравне нию с другими плавильными агрегатами, так как в них можно полу чать высокую температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет выплавлять сталь любого состава, раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений — продуктов раскисления. Поэтому электропечи используют для выплавки кон струкционных, высоколегированных, инструментальных, специаль ных сталей и сплавов.
| 6.Сущность процесса передела чугуна на сталь. Сравнительная характеристика основных способов производства стали: в конвертерах, в мартенах, электропечах.
Сталь является основным видом ме талла, применяемым для создания совре менной техники. Это объясняется тем, что сталь обладает высокими прочностью и износостойкостью, хорошо сохраняет при данную форму в изделиях, сравнительно легко поддается различным видам обработ ки. Кроме того, основной компонент стали -железо - является широко распространен ным элементом в земной коре.
Сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является сниже ние содержания углерода и примесей пу тем их избирательного окисления и пере вода в шлак и газы в процессе плавки.
Основными материалами для произ водства стали являются передельный чу гун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне (табл. 2.1).
В процессе плавки стали происходит взаимодействие между металлической, шлаковой и газовой фазами и футеровкой плавильного агрегата, различными по аг регатному состоянию и химическому со ставу. В результате этого взаимодействия осуществляется переход химических эле ментов из одной фазы в другую. Обмен ные процессы сопровождаются химиче скими превращениями, главным образом на границе металлической фазы со шлаком. Металлическая фаза состоит из расплава химических элементов, шлаковая - из расплава оксидов и их соединений. Поэтому переход элемента из одной фазы в другую возможен только при протекании химиче-
ской реакции образования или восстанов ления оксида. Так как примеси по своим физико-химическим свойствам различны, то для их удаления в плавильном агрегате создают определенные условия, используя основные законы физической химии.
Чем больше оксида железа содержится в жидком металле, тем активнее окисля ются примеси. Для ускорения окисления примесей в сталеплавильную ванну до бавляют железную руду, окалину, содер жащие много оксидов железа. Таким обра зом, основное количество примесей окис ляется за счет кислорода оксида железа.
Скорость окисления примесей зависит не только от их концентрации, но и от температуры металла и подчиняется принципу Ле Шателье, в соответствии с которым химические реакции, выделяю щие теплоту, протекают интенсивнее при более низких температурах или при неко тором понижении температуры, а реакции, поглощающие теплоту, протекают актив нее при высоких температурах или при некотором повышении температуры. По этому в начале плавки, когда температура металла невысока, интенсивнее идут про цессы окисления кремния, фосфора, мар ганца, протекающие с выделением тепло ты, а углерод интенсивно окисляется только при высокой температуре металла (в середине и конце плавки).
После расплавления шихты в стале плавильной печи образуются две несме-шивающиеся среды: жидкий металл и шлак. Шлак представляет собой сплав оксидов с незначительным содержанием сульфидов. Образование шлака связано с окислением элементов металлической фа зы во время плавки и образованием раз личных оксидов с меньшей плотностью, чем металл, собирающихся на его поверх ности. В соответствии с законом распре деления (закон Нернста), если какое-либо вещество растворяется в двух соприка сающихся, но несмешивающихся жидко стях, то распределение вещества между этими жидкостями происходит до уста новления определенного соотношения (константы распределения), постоянного для данной температуры. Поэтому боль шинство компонентов (Мп, 81, Р, 8) и их соединения, растворимые в жидком ме талле и шлаке, будут распределяться меж ду металлом и шлаком в определенном соотношении, характерном для данной температуры.
Нерастворимые соединения в зависи мости от плотности будут переходить ли бо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака, можно менять соотношение между количеством примесей в металле и шлаке так, что нежелательные примеси будут удаляться из металла в шлак. Убирая шлак
с поверхности металла и наводя новый путем подачи флюса требуемого состава, можно удалять вредные примеси (серу, фосфор) из металла. Поэтому регулирова ние состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управ ления металлургическими процессами.
| |
|
|
Скачать 4.3 Mb.