Конспект лекций "Технология обработки конструкционных материалов"
 Скачать 1.32 Mb.
|
|
Конспект лекций "Технология обработки конструкционных материалов" ЛЕКЦИЯ 1 Основы металлургического производства. Производство чугуна Основы металлургического производства Современное металлургическое производство и его продукция Современное металлургическое производство представляет собой комплекс различных производств, базирующихся на месторождениях руд и коксующихся углей, энергетических комплексах. Оно включает: шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей; горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды, подготавливая их к плавке; коксохимические заводы (подготовка углей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов); энергетические цехи для получения сжатого воздуха (для дутья доменных печей), кислорода, очистки металлургических газов; доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов или цехи для производства железорудных металлизованных окатышей; заводы для производства ферросплавов; сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные); прокатные цехи (слиток в сортовой прокат). Основная продукция чёрной металлургии: чугуны: передельный, используемый для передела на сталь, и литейный, для производства фасонных отливок; железорудные металлизованные окатыши для выплавки стали; ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и т.д.) для легированных сталей; стальные слитки для производства проката, стальные слитки для изготовления крупных кованных валов, дисков (кузнечные слитки). Основная продукция цветной металлургии: слитки цветных металлов для производства проката; слитки для изготовления отливок на машиностроительных заводах; лигатуры - сплавы цветных металлов с легирующими элементами для производства сложных легированных сплавов; слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения и электротехники. Материалы для производства металлов и сплавов Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо, огнеупорные материалы. Промышленная руда - горная порода, из которой целесообразно извлекать металлы и их соединения (содержание металла в руде должно быть не менее 30…60% для железа, 3. .5% для меди, 0,005…0,02% для молибдена). Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, и пустой породы. Называют руду по одному или нескольким металлам, входящим в их состав, например: железные, медно-никелевые. В зависимости от содержания добываемого элемента различают руды богатые и бедные. Бедные руды обогащают - удаляют часть пустой породы. Флюсы - материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентратом и золой топлива. Такое соединение называется шлаком. Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды ( ), и основным, если в его составе больше основных оксидов ( ) Вводят в виде агломерата и окатышей. Топливо - в металлургических печах используется кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ. Кокс получают сухой перегонкой при температуре 1000 0С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80…88% углерода, 8…12% золы, 2…5% влаги. Куски кокса должны иметь размеры 25…60 мм. Это прочное неспекающееся топливо, служит не только горючим для нагрева, но и химическим реагентом для восстановления железа из руды. Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. Они способны выдержать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температуры, химическому воздействию шлака и печных газов. По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяют на группы: кислые (кварцевый песок, динасовый кирпич), основные (магнезитовый кирпич, магнезитохромитовый кирпич), нейтральные (шамотный кирпич). Взаимодействие основных огнеупорных материалов и кислых шлаков, и наоборот, может привести к разрушению печи. Углеродистый кирпич и блоки содержат до 92% углерода в виде графита, обладают повышенной огнеупорностью. Применяются для кладки лещади доменных печей, электролизных ванн для получения алюминия, тиглей для плавки и разливки медных сплавов. Производство чугуна. Чугун - сплав железа и углерода с сопутствующими элементами (содержание углерода более 2,14%). Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы. К железным рудам относятся: магнитный железняк ( ) с содержанием железа 55…60%, месторождения - Соколовское, Курская магнитная аномалия (КМА); красный железняк ( ) с содержанием железа 55…60%, месторождения - Кривой Рог, КМА; бурый железняк (гидраты оксидов железа 2Fe2O3 * 3H2O и Fe2O3 * H2O) c содержанием железа 37…55% - Керчь. Марганцевые руды применяются для выплавки сплава железа с марганцем - ферромарганца (10…82% ), а также передельных чугунов, содержащих до 1% марганца. Mарганец в рудах содержится в виде окислов и карбонатов: и др. Хромовые руды применяются для производства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов - хромомагнезитов. Топливом для доменной плавки служит кокс, возможна частичная замена газом, мазутом. Флюсом является известняк или доломитизированный известняк, содержащий и , так как в шлак должны входить основные оксиды ( ), которые необходимы для удаления серы из металла. Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Метод подготовки зависит от качества руды. Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной величины, осуществляются с помощью дробилок и классификаторов. Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в ее состав: а) промывка - отделение плотных составляющих от пустой рыхлой породы; б) гравитация (отсадка) - отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы опускаются; в) магнитная сепарация - измельчённую руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы и отделяющего их от пустой породы. Окусковывание производят для переработки концентратов в кусковые материалы необходимых размеров. Применяют два способа окусковывания: агломерацию и окатывание. При агломерации 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…1500 0С. При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера, мышьяк), разлагаются карбонаты, и получается кусковой пористый офлюсованный агломерат, При окатывании шихту из измельчённых концентратов, флюса, топлива увлажняют и при обработке во вращающихся барабанах она приобретает форму шариков-окатышей диаметром до 30 мм. Их высушивают и обжигают при температуре 1200…1350 0С. Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса- известняка в доменную печь при плавке. Выплавка чугуна. Чугун выплавляют в печах шахтного типа - доменных печах. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива. При выплавке чугуна решаются задачи: Восстановление железа из окислов руды, науглероживание его и удаление в виде жидкого чугуна определённого химического состава. Оплавление пустой породы руды, образование шлака, растворение в нём золы кокса и удаление его из печи. Устройство и работа доменной печи. Доменная печь (рис.1.1) имеет стальной кожух, выложенный огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15.  Рис.1.1 Устройство доменной печи В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту. Шихту подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 - в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу. При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство подают новые порции шихты, чтобы весь полезный объем был заполнен. Полезный объем печи - объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании. Полезная высота доменной печи (Н) достигает 35 м, а полезный объем - 2000…5000 м3. В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух поступает из воздухонагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка из огнеупорного кирпича, в которой имеются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный доменный газ, который, сгорая, образует горячие газы. Проходя через насадку, газы нагревают ее и удаляются через дымовую трубу. Через насадку пропускается воздух, он нагревается до температуры 1000…1200 0С и поступает к фурменному устройству, а оттуда через фурмы 2 - в рабочее пространство печи. После охлаждения насадок нагреватели переключаются. Горение топлива. Вблизи фурм природный газ и углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорают: В результате горения выделяется большое количество теплоты, в печи выше уровня фурм развивается температура выше 2000 0С. Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным коксом по реакциям: Образуется смесь восстановительных газов, в которой окись углерода является главным восстановителем железа из его оксидов. Для увеличения производительности подаваемый в доменную печь воздух увлажняется, что приводит к увеличению содержания восстановителя. Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до 300…400 0С у колошника. Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре около 570 0С начинается восстановление оксидов железа. Восстановление железа в доменной печи. Закономерности восстановления железа выявлены академиком Байковым А.А. Восстановление железа происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте и повышения температуры от высшего оксида к низшему, в несколько стадий: Температура определяет характер протекания химических реакций. Восстановителями окcидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород. Восстановление твердым углеродом (коксом) называется прямым восстановлением, протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры, по реакции: Восстановление газами ( и ) называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям: За счет и восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40…60% металлического железа. При температуре 1000…1100 0C восстановленное из руды твердое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод. При насыщении углеродом температура плавления понижается и на уровне распара и заплечиков железо расплавляется (при температуре около 1300 0С). Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4%), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1200 0C восстанавливаются из руды, и серой, содержащейся в коксе. В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. Шлаки содержат . Шлак образуется постепенно, его состав меняется по мере стекания в горн, где он скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Состав шлака зависит от состава применяемых шихтовых материалов и выплавляемого чугуна. Чугун выпускают из печи каждые 3…4 часа через чугунную летку 16, а шлак - каждые 1…1,5 часа через шлаковую летку 17 (летка - отверстие в кладке, расположенное выше лещади). Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши. Чугун поступает в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи, или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде чушек - слитков массой 45 кг. Продукты доменной плавки. Основным продуктом доменной плавки является чугун. Передельный чугун предназначается для дальнейшего передела в сталь. На его долю приходится 90% общего производства чугуна. Обычно такой чугун содержит 3,8…4,4% углерода, 0,3…1,2% кремния, 0,2…1% марганца, 0,15…0, 20% фосфора, 0,03…0,07% серы. Литейный чугун применяется после переплава на машиностроительных заводах для получения фасонных отливок. Кроме чугуна в доменных печах выплавляют Ферросплавы - сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Их применяют для раскисления и легирования стали. Побочными продуктами доменной плавки являются шлак и доменный газ. Из шлака изготовляют шлаковату, цемент, удобрения (стараются получить гранулированный шлак, для этого его выливают на струю воды). Доменный газ после очистки используется как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в печь. Важнейшие технико-экономические показатели работы доменных печей 1. Коэффициент использования полезного объёма доменной печи (КИПО) - это отношение полезного объема печи V (м3) к ее среднесуточной производительности Р (т) выплавленного чугуна. (м3/т) Чем ниже КИПО, тем выше производительность печи. Для большинства доменных печей КИПО = 0,5…0,7 (для передовых - 0,45) 2. Удельный расход кокса, К - это отношение расхода кокса за сутки А (т) к количеству чугуна, выплавленного за это же время Р (т). Удельный расход кокса в доменных печах составляет 0,5…0,7 (для передовых - 0,36…0,4) K - важный показатель, так как стоимость кокса составляет более 50% стоимости чугуна. ЛЕКЦИЯ 2. Процессы прямого получения железа из руд. Производство стали. Процессы прямого получения железа из руд Под процессами прямого получения железа понимают такие химические, электрохимические или химико-термические процессы, которые дают возможность получать непосредственно из руды, минуя доменную печь, металлическое железо в виде губки, крицы или жидкого металла. Такие процессы ведутся, не расходуя металлургический кокс, флюсы, электроэнергию (на подготовку сжатого воздуха), а также позволяют получить очень чистый металл. Методы прямого получения железа известны давно. Опробовано более 70 различных способов, но лишь немногие осуществлены и притом в небольшом промышленном масштабе. В последние годы интерес к этой проблеме вырос, что связано, помимо замены кокса другим топливом, с развитием способов глубокого обогащения руд, обеспечивающих не только высокого содержания железа в концентратах (70…72%), но и почти полное освобождение его от серы и фосфора. Получение губчатого железа в шахтных печах. Схема процесса представлена на рис.2.1  Рис.2.1 Схема установки для прямого восстановления железа из руд и получения металлизованных окатышей При получении губчатого железа добытую руду обогащают и получают окатыши. Окатыши из бункера 1 по грохоту 2 поступают в короб 10 шихтозавалочной машины и оттуда в шахтную печь 9, работающую по принципу противотока. Просыпь от окатышей попадает в бункер 3 с брикетировочным прессом и в виде окатышей вновь поступает на грохот 2. Для восстановления железа из окатышей в печь по трубопроводу 8 подают смесь природного и доменного газов, подвергнутую в установке 7 конверсии, в результате которой смесь разлагается на водород и оксид углерода . В восстановительной зоне печи В создается температура 1000…1100 0C, при которой и восстанавливают железную руду в окатышах до твёрдого губчатого железа. Содержание железа в окатышах достигает 90…95%. Для охлаждения железных окатышей по трубопроводу 6 в зону охлаждения 0 печи подают воздух. Охлаждённые окатыши 5 выдаются на конвейер 4 и поступают на выплавку стали в электропечах. Восстановление железа в кипящем слое. Мелкозернистую руду или концентрат помещают на решётку, через которую подают водород или другой восстановительный газ под давлением 1,5 МПа. Под давлением водорода частицы руды находятся во взвешенном состоянии, совершая непрерывное движение и образуя "кипящий", "псевдосжиженый" слой. В кипящем слое обеспечивается хороший контакт газа-восстановителя с частицами оксидов железа. На одну тонну восстановленного порошка расход водорода составляет 600…650 м3. Получение губчатого железа в капсулах-тиглях. Используют карбидокремниевые капсулы диаметром 500 мм и высотой 1500 мм. Шихта загружается концентрическими слоями. Внутренняя часть капсулы заполнена восстановителем - измельченным твердым топливом и известняком (10…15%) для удаления серы. Второй слой - восстанавливаемая измельченная руда или концентрат, окалина, затем еще один концентрический слой - восстановителя и известняка. Установленные на вагонетки капсулы медленно перемещаются в туннельной печи длиной до 140 м, где происходит нагрев, выдержка при 1200 0C и охлаждение в течение 100 часов. Восстановленное железо получают в виде толстостенных труб, их чистят, дробят и измельчают, получая железный порошок с содержанием железа до 99%, углерода - 0,1…0,2%. Производство стали. Сущность процесса Стали - железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5% углерода, при большем его содержании значительно увеличиваются твёрдость и хрупкость сталей и они не находят широкого применения. Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне. Поэтому сущность любого металлургического передела чугуна в сталь - снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки. Железо окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильных печах: . Одновременно с железом окисляются кремний, фосфор, марганец и углерод. Образующийся оксид железа при высоких температурах отдаёт свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их. Процессы выплавки стали осуществляют в три этапа. Первый этап - расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. Температура металла сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора. Наиболее важная задача этапа - удаление фосфора. Для этого желательно проведение плавки в основной печи, где шлак содержит . Фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение . Оксид кальция - более сильное основание, чем оксид железа, поэтому при невысоких температурах связывает и переводит его в шлак: . Для удаления фосфора необходимы невысокие температура ванны металла и шлака, достаточное содержание в шлаке . Для повышения содержания в шлаке и ускорения окисления примесей в печь добавляют железную руду и окалину, наводя железистый шлак. По мере удаления фосфора из металла в шлак, содержание фосфора в шлаке увеличивается. Поэтому необходимо убрать этот шлак с зеркала металла и заменить его новым со свежими добавками . Второй этап - кипение металлической ванны - начинается по мере прогрева до более высоких температур. При повышении температуры более интенсивно протекает реакция окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты: . Для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород. При реакции оксида железа с углеродом, пузырьки оксида углерода выделяются из жидкого металла, вызывая "кипение ванны". При "кипении" уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам , а также газы, проникающие в пузырьки . Все это способствует повышению качества металла. Следовательно, этот этап - основной в процессе выплавки стали. Также создаются условия для удаления серы. Сера в стали находится в виде сульфида ( ), который растворяется также в основном шлаке. Чем выше температура, тем большее количество сульфида железа растворяется в шлаке и взаимодействует с оксидом кальция : Образующееся соединение растворяется в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак. Третий этап - раскисление стали заключается в восстановлении оксида железа, растворённого в жидком металле. При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород - вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах. Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным. Осаждающее раскисление осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо. В результате раскисления восстанавливается железо и образуются оксиды: , которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак. Диффузионное раскисление осуществляется раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и алюминий в измельчённом виде загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. Следовательно, оксид железа, растворённый в стали переходит в шлак. Образующиеся при этом процессе оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, при этом в стали снижается содержание неметаллических включений и повышается ее качество. В зависимости от степени раскисления выплавляют стали: а) спокойные, б) кипящие, в) полуспокойные. Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше. Кипящая сталь раскислена в печи неполностью. Ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода: , Образующийся оксид углерода выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода, газы выделяются в виде пузырьков, вызывая её кипение. Кипящая сталь не содержит неметаллических включений, поэтому обладает хорошей пластичностью. Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично - в изложнице, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали. Легирование стали осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду меньше, чем у железа ( ), при плавке и разливке не окисляются, поэтому их вводят в любое время плавки. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа ( ), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда в ковш. Способы выплавки стали Чугун переделывается в сталь в различных по принципу действия металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конвертерах, электрических печах. Производство стали в мартеновских печах Мартеновский процесс (1864-1865, Франция). В период до семидесятых годов являлся основным способом производства стали. Способ характеризуется сравнительно небольшой производительностью, возможностью использования вторичного металла - стального скрапа. Вместимость печи составляет 200…900 т. Способ позволяет получать качественную сталь. Мартеновская печь (рис.2.2) по устройству и принципу работы является пламенной отражательной регенеративной печью. В плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов. Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича. Рабочее плавильное пространство ограничено снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. В передней стенке имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней - отверстие 9 для выпуска готовой стали. |