Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов - файл n1.doc


Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов
скачать (175 kb.)

Доступные файлы (1):

n1.doc1074kb.16.05.2007 12:23скачать

Загрузка...

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8
Реклама MarketGid:
Загрузка...




Оглавление






Аннотация

7




Предисловие

8




Введение

9

Раздел 1.

Классификация материалов

12

Раздел 2.

Производство черных металлов

17




2.1. Производство чугуна

17




2.1.1. Исходные материалы для доменной плавки

17




2.1.2. Доменная плавка и ее продукты

20




2.2. Производство стали

24




2.2.1. Производство стали в кислородных конверторах


25




2.2.2. Производство стали в мартеновских печах

28




2.2.3. Производство стали в электрических печах

31

Раздел 3.

Производство цветных металлов

35




3.1. Производство меди

35




3.2. Производство алюминия

40

Раздел 4.

Основные свойства металлов и методы их определения


44




4.1. Механические свойства

44




4.2. Технологические и эксплуатационные свойства

49

Раздел 5.

Основы металловедения

53




5.1. Кристаллическое строение металлов и сплавов

53




5.2. Основы теории сплавов

59




5.3. Диаграммы состояния сплавов

62

Раздел 6.

Сплавы железа с углеродом. Легированные стали

66




6.1. Диаграмма состояния железо-углерод

66




6.2. Углеродистые стали

70




6.3. Чугуны

76




6.4. Легированные конструкционные стали

79

Раздел 7.

Цветные металлы и сплавы

83




7.1. Медь и ее сплавы

83




7.2. Алюминий и сплавы на его основе

88




7.3. Магний и его сплавы

91




7.4. Титан и его сплавы

94

Раздел 8.

Термическая обработка железоуглеродистых сплавов


97




8.1. Общие сведения о термической обработке

97




8.2. Закалка стали

98




8.3. Отпуск и старение стали

104




8.4. Отжиг стали

105




8.5. Поверхностная закалка

108

Раздел 9.

Химико-термическая обработка сталей

111




9.1. Общие сведения о химико-термической обработке

111




9.2. Цементация стали

113




9.3. Азотирование стали

115




9.4. Цианирование и нитроцементация

117




9.5. Диффузионная металлизация

119

Раздел 10.

Инструментальные материалы

122




10.1. Свойства инструментальных материалов

122




10.2. Инструментальные стали

124




10.3.Инструментальные твердые сплавы

131




10.4. Минералокерамические инструментальные

материалы


134




10.5. Синтетические сверхтвердые инструментальные

материалы


134

Раздел 11.

Антифрикционные материалы

137

Раздел 12.

Коррозия металлов и методы борьбы с ней

145




12.1. Общие сведения о коррозии металлов

145




12.2. Способы защиты металлов от коррозии

149

Раздел 13

Неметаллические конструкционные материалы

154




13.1. Полимеры и конструкционные материалы на их

основе


154




13.2. Основные способы переработки полимеров в

изделия


164




13.3. Каучук и резина

167




13.4. Лакокрасочные материалы

170




13.5. Клеевые материалы и соединения

177

Раздел 14.

Технология литейного производства

181




14.1. Общие сведения о литейном производстве

181




14.2. Литье в песчано-глинистые формы

183




14.3. Специальные способы литья

187

Раздел 15.

Обработка металлов давлением

197




15.1. Значение и сущность обработки давлением

197




15.2. Технология прокатки металлов

203




15.3. Технология ковки

205




15.4. Технология штамповки

207




15.5. Волочение металлов

211

Раздел 16.

Сварка и пайка металлов

214




16.1. Место и значение сварочного производства в

промышленности


214




16.2. Классификация способов сварки

216




16.3. Электрическая дуговая сварка

218




16.4. Электрическая контактная сварка

225




16.5. Газовая сварка и резка металлов

227




16.6. Пайка металлов

231

Раздел 17.

Производство изделий методом порошковой металлургии


235




17.1. Получение металлических порошков

235




17.2. Формование изделий из металлических

порошков


236




17.3. Спекание металлокерамических изделий

241




17.4. Эффективность технологии порошковой

металлургии


243

Раздел 18.

Электрофизические и электрохимические методы обработки


248




18.1. Электроэрозионные методы обработки

249




18.2. Ультразвуковая обработка

254




18.3. Электронно-лучевая обработка

256




18.4. Лазерная обработка

258




18.5. Плазменная обработка

264




18.6. Электрохимическая обработка

265




Литература

270


Аннотация

В книге описаны процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов. Рассмотрены основные механические и технологические свойства материалов. Изложены основы металловедения, термической и химико-термической обработки металлов. Рассмотрены основные виды и марки сталей, чугунов, некоторых цветных металлов и сплавов, а также инструментальных и антифрикционных материалов. Описаны способы обработки металлов литьем, давлением, сваркой и пайкой. Приводятся сведения о полимерных и лакокрасочных материалах, клеях и клеевых соединениях. В пособии рассмотрены также производство изделий методом порошковой металлургии, коррозия металлов и методы борьбы с ней.

В учебном пособии нашли отражение последние достижения в соответствующих областях науки и техники. Особенно подробно изложены современные электрофизические и электрохимические методы размерной обработки различных конструкционных материалов. Приводятся некоторые технико-экономические показатели процессов обработки.

Книга предназначена для учащихся средних специальных учебных заведений. Может быть полезна студентам экономических и немеханических специальностей ВУЗов (табл.3, ил. 94, библ.10).

Предисловие

Учебное пособие написано в соответствии с учебной программой курса «Материаловедение и технология конструкционных материалов» для учащихся средних специальных заведений, обучающихся по специальности «Трудовое обучение (технический труд)».

Цель создания настоящего пособия – дать учащимся наиболее систематизированные сведения по основным видам современных конструкционных материалов и по наиболее рациональным областям применения этих материалов в технике.

Курс материаловедения предполагает знание учащимися основ физики, химии и технической механики. Совместно с другими общетехническими и общенаучными дисциплинами изучение этого курса способствует более глубокой общепрофессиональной и общенаучной подготовке и более глубокому усвоению профилирующих дисциплин, формирующих специальные знания учащихся. Пособие написано таким образом, что им можно пользоваться в значительной степени самостоятельно, без обращения к указанным выше курсам.

При изучении нового материала учащиеся иногда ограничиваются лишь заучиванием информации из учебников и не всегда осознают, достаточен ли уровень приобретенных знаний для практического использования. Поэтому в конце каждого раздела приводятся вопросы для самопроверки, которые, по мнению автора, являются главными при изучении материала и должны быть усвоены на уровне понимания и применения.

Разделы книги отражают современный уровень развития в соответствующих областях науки и техники, излагаются доступным языком, достаточно проиллюстрированы, доступны для самостоятельного изучения и имеют практическую направленность.

Введение

Материаловедением называют прикладную науку о связи состава, строения и свойств материалов. Решение важнейших технических проблем, связанных с повышением надежности и работоспособности машин и механизмов во многом зависит от развития материаловедения.

Материаловедение и технология конструкционных материалов являются одной из важнейших областей знаний, необходимых современным специалистам. Именно новые материалы и новые технологические процессы их обработки во все исторические времена были призваны облегчить труд человека и обуславливали непрерывное развитие научно-технического прогресса. Поэтому специалисты различных отраслей промышленности, занятые созданием новых более совершенных видов технических устройств, должны обладать глубокими знаниями в области современных машиностроительных материалов и технологий их обработки.

Материаловедение условно разделяют на теоретическое и прикладное. Первое рассматривает общие закономерности строения материалов и процессов, происходящих в них при внешних воздействиях. Оно базируется на современных достижениях физики, химии, механики и других естественных наук, от развития которых зависит использование материалов в технике и эффективность технологических процессов переработки их в изделия.

Задачей прикладного материаловедения является изыскание оптимальной структуры и технологии переработки материалов при изготовлении различных конструкций, отдельных деталей машин и других технических изделий.

Большое значение имеет совершенствование металлообрабатывающей технологии, достигаемое за счет применения новых более эффективных инструментальных материалов, расширения использования новых методов объемного деформирования металлов, новых методов сварки, поверхностного упрочнения, порошковой металлургии, лазерной и других прогрессивных технологий.

Достижения материаловедения, применяемые новые конструкционные материалы во многом определяют работоспособность машин, их надежность и долговечность.

Рациональный выбор материалов и технологии их переработки в изделия в значительной мере предопределяет возможность эксплуатации машин и механизмов в течение заданного периода времени. Материаловедение позволяет составлять научно-обоснованный прогноз изменения свойств материалов при различных условиях эксплуатации.

Актуальной проблемой является защита материалов от химического взаимодействия с окружающей средой, агрессивность которой существенно возросла вследствие усиления производственно-хозяйственной деятельности человека. Значительных размеров достигают затраты на ликвидацию последствий изнашивания материалов в машинах. Поэтому знание закономерностей изменения свойств материалов во времени в условиях эксплуатации имеет большое техническое и экономическое значение, так как позволяет прогнозировать работоспособность различных объектов техники.

Активное вмешательство человека в природные процессы обуславливает внимание науки к защите окружающей среды, выявлению и использованию вторичных энергетических, материальных и сырьевых ресурсов. Эта проблема в значительной степени может быть решена также средствами материаловедения.

Многие современные достижения в области материаловедения и технологии производства материалов позволяют решать одну из важнейших проблем машиностроения – уменьшения эффективной массы, т.е. массы, приходящейся на единицу мощности или производительности машины. Это обусловливает разработку и использование материалов, в которых высокая прочность сочетается с малой плотностью. Такие материалы особенно необходимы в транспортном машиностроении и в космической технике. Именно достижения материаловедения в значительной степени способствовали освоению космоса.

Таким образом, роль материалов в деятельности человека и современные достижения материаловедения и технологии производства материалов позволяют считать эти дисциплины одними из главнейших, обусловливающих успешное развитие науки, техники и экономики.


Раздел 1. Классификация материалов

В машиностроении, строительстве, приборостроении и других отраслях техники применяется большое количество различных технических материалов, отличающихся один от другого строением и свойствами. Все материалы условно делят на металлические и неметаллические. При этом свойства металлов могут существенно отличаться друг от друга.

Одни металлы встречаются в природе очень редко, другие же являются основными составляющими горных пород, земной атмосферы, морей, океанов. Очень сильно отличаются отдельные металлы друг от друга по температурам плавления, по способностям вступать в химические реакции с другими элементами, а так же с водой и кислородом воздуха. Металлы существенно отличаются друг от друга и по механическим свойствам, что обуславливает возможность их использования в качестве конструкционного материала для изготовления различных изделий. Все металлы имеют различные электрические и магнитные свойства, что очень важно для радио- и электротехники.

Тем не менее по некоторым признакам все металлы, используемые в технике, можно объединить в некоторые группы.

Прежде всего все металлы и полученные на их основе сплавы условно делят на две большие группы – черные и цветные.

К черным металлам относят железо и его сплавы – стали и чугуны. Все остальные металлы и сплавы составляют группу цветных металлов.

Черные металлы являются основными конструкционными машиностроительными материалами. Из общего числа выплавляемых в мире металлов 94% приходится на черные. Черные металлы имеют относительно высокую механическую прочность, твердость, плотность и сравнительно невысокую стоимость.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску – красную, желтую, белую. Они обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой либо высокой (например, тантал, вольфрам) температурами плавления. Наиболее типичными металлами этой группы являются медь, алюминий, хром, никель, цинк, марганец, титан и другие элементы.

Цветные металлы принято делить на легкие с плотностью до 3 г/см3 и тяжелые. К легким металлам относят бериллий, магний и алюминий. Медь, никель, олово, свинец, молибден относят к тяжелым металлам.

Выделяют также группу благородных и редких металлов. Благородными считаются золото, серебро, металлы платиновой группы – платина, палладий, иридий, осмий, рутений. Основным признаком редкого элемента в технике считается сравнительная новизна его практического применения. Поэтому техническое определение редкого элемента не всегда совпадает с геохимическим. Сурьму, висмут и ртуть, например, несмотря на их малое содержание в земной коре, не относят к редким элементам, так как они уже давно известны и практически используются человеком. Важнейшими отраслями применения редких элементов являются главным образом ядерная энергетика, ракетная техника, радиоэлектроника.

Из группы цветных металлов выделяют также легкоплавкие и тугоплавкие металлы. К легкоплавким относят цинк, кадмий, олово, свинец, висмут, сурьму и другие элементы. Некоторые из этих элементов используются для приготовления припоев различных составов и назначения. К тугоплавким относятся титан, ванадий, хром, молибден, вольфрам и некоторые другие элементы. Их используют главным образом в качестве добавок к сталям для улучшения некоторых качественных характеристик.

В технике применяемые материалы принято классифицировать также по их назначению, т.е. по их функциональному применению. По этому признаку различают материалы конструкционные, инструментальные, электротехнические, антифрикционные, рабочие тела и технологические материалы.

Конструкционные материалы должны обладать комплексом свойств, обуславливающих возможность использовать их для изготовления различных изделий, подвергаемых как механическому нагружению, так и иным воздействиям (высоких температур, агрессивных сред и т.п.). Одновременно к этим материалам предъявляют ряд технологических требований, определяющих наименьшую трудоемкость изготовления деталей и конструкций из этих материалов. Кроме того, конструкционные материалы должны иметь желательно невысокую стоимость и быть доступными, поскольку впоследствии это в значительной степени определяет стоимость изготовленного изделия. В качестве конструкционных материалов используются металлы и сплавы, полимеры, резины, древесина, многие композиционные материалы.

Инструментальные материалы отличаются высокими показателями твердости, прочности и износоустойчивости не только при нормальных, но и при более высоких температурах и нагрузках. Эти материалы предназначены для изготовления режущего, измерительного, слесарно-монтажного и другого инструмента. К этим материалам относятся инструментальные стали, твердые сплавы, некоторые виды керамических материалов, природные минералы, многие композиционные материалы и некоторые сверхтвердые синтетические материалы.

Свойства и области использования некоторых конструкционных и инструментальных материалов будут рассмотрены в соответствующих разделах настоящего пособия.

Электротехнические материалы характеризуются особыми электрическими и магнитными свойствами и предназначены для изготовления изделий, используемых для производства, передачи, преобразования и потребления электроэнергии. К ним относятся проводники, полупроводники, материалы с особыми магнитными свойствами, а также диэлектрики в различных агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном).

Антифрикционные материалы предназначены для применения в подшипниковых узлах с целью обеспечения по возможности наименьшей скорости изнашивания сопряженной детали – стального вала. Этим обеспечивается заданная работоспособность и ресурс машин и механизмов. Основными критериями для оценки подшипниковых материалов служат коэффициент трения и допустимые нагрузочно-скоростные характеристики. К этим материалам относятся некоторые цветные металлы (баббиты, бронзы), серые чугуны, многие пластмассы и композиционные материалы на их основе, некоторые виды древесины и древесно-слоистых пластиков, а также металлокерамические композиционные материалы (бронзографит, железографит и др.), резины и другие материалы.

Рабочие тела представляют собой газообразные или жидкие материалы, с помощью которых происходит передача или преобразование энергии. Например, водяной пар служит рабочим телом в паровых машинах и турбинах; фреон, аммиак, углекислота в холодильных установках; воздух в пневматических двигателях; газообразные продукты сгорания органического топлива (бензина, соляра) в двигателях внутреннего сгорания и т.п. В ракетной технике рабочим телом принято считать ракетное топливо.

Технологические материалы – это вспомогательные материалы, которые используются для нормального протекания технологических процессов изготовления деталей машин или же для обеспечения нормальной работы машин и механизмов. К этим материалам можно отнести, например, лаки, краски, эмали; клеи и герметики; флюсы и припои; смазочно-охлаждающие жидкости; жидкие масла и консистентные смазки; закалочные среды; консервационные материалы, обеспечивающие защиту изделий от коррозии при хранении и транспортировке; моющие средства; растворители и т.п.

В технике часто группируют материалы по наиболее важным для определенных условий эксплуатации свойствам. В частности, по электропроводимости различают проводники, полупроводники и диэлектрики, по магнитным свойствам – пара- и ферромагнетики; по теплопроводимости – теплоизоляционные материалы, имеющие низкую теплопроводимость. По степени воздействия на материал окружающей среды различают коррозионно-стойкие материалы, не разрушающиеся под действием кислот, щелочей, влаги, атмосферы воздуха; радиационно-стойкие, сохраняющие свою структуру и физико-механические характеристики в результате воздействия ионизирующих излучений.

Следует заметить, что подобная классификация является достаточно условной, поскольку не всегда четко определяет границу между отдельными видами материалов. Тем не менее принятые термины и определения широко используются в технике и в практике машиностроения, строительства и электротехники.

Вопросы для самопроверки:

  1. Назовите признаки, по которым можно классифицировать машиностроительные материалы.

  2. Назовите классификацию материалов по назначению. Приведите примеры отдельных групп машиностроительных материалов.

  3. Назовите требования, предъявляемые к конструкционным материалам. Приведите примеры использования этих материалов.

  4. Приведите примеры инструментальных материалов и области их применения.

  5. Приведите примеры рабочих тел и технологических материалов. Для каких целей используются эти материалы?

Раздел 2. Производство черных металлов

2.1. Производство чугуна

Черная металлургия является отраслью тяжелой промышленности, связанной с промышленным получением чугуна и стали из природного сырья.

2.1.1. Исходные материалы для доменной плавки

Железные руды являются основным исходным сырьем для выплавки чугуна. В рудах железо обычно находится в виде оксидов, а также в виде углекислых, сернистых и других химических соединений. Важнейшими рудными минералами железа являются магнитный железняк Fe3O4 (магнетит), красный железняк Fe2O3 (гематит), бурый железняк 2Fe2О3∙3Н2О (водные оксиды железа) и шпатовый железняк (сидерит). Качество руды определяется прежде всего содержанием извлекаемого металла, легкостью восстановления металла из руды, а также наличием в руде вредных примесей. Руды, содержащие железа свыше 50%, считаются богатыми. Помимо соединений железа руды содержат также и пустую породу, главным образом кремнезем, глину, известняки и другие природные образования.

Наличие в руде вредных примесей, особенно фосфора и серы, ухудшает качество выплавляемого металла. В процессе плавки фосфор переходит в сталь и придает ей свойство хладноломкости, т.е. повышенной хрупкости при обычных условиях. Однако небольшие содержания фосфора в стали улучшают ее обрабатываемость на металлорежущих станках. Сера придает сталям красноломкость, т.е. повышенную хрупкость в нагретом состоянии. Это отрицательно сказывается при горячей обработке металла давлением.

Флюсы предназначены для обеспечения плавки руды и для связывания пустой породы, неизбежно остающейся в руде после процесса рудоподготовки. В качестве флюсов при производстве чугуна применяются обычно известняк и кремнезем. Они сплавляются с пустой породой и золой топлива и образуют легкоплавкий сплав-шлак, не смешивающийся с жидким чугуном.

Топливо при выплавке чугуна является не только источником тепла, но и принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих в процессе плавки. Основным видом топлива доменных печей является каменноугольный кокс. Применение в качестве топлива природного газа позволяет значительно снизить стоимость чугуна.

В современной металлургии большое значение уделяется предварительной обработке минерального сырья и подготовке исходных материалов к плавке. К основным операциям подготовки руды следует отнести дробление, классификацию, обогащение и агломерацию.

Дробление или измельчение руды производится для увеличения поверхности реагирующих веществ, и чем она больше, тем более интенсивно протекают химические превращения. Предварительно путем разделения на ситах отбирают частицы, размер которых удовлетворяет конечной цели измельчения. Для производства чугуна в доменных печах размер кусков должен быть 50…80 мм, т.к. рудная мелочь (менее 5 мм) затрудняет движение газов и нарушает нормальное течение доменного процесса. Для крупного и среднего дробления наибольшее применение получили дробилки различных конструкций.

Наиболее часто для дробления железных руд используют щековые дробилки (рис.1). Главными частями дробилки являются две массивные плиты – подвижная 2 и неподвижная 3. Плиты изготовляются из специальных высокопрочных сортов стали. Качание подвижной щеке сообщается от эксцентрика 6 через шатун 5 при помощи нажимных рычагов 4. Для обеспечения равномерности работы и запаса энергии на одном валу с эксцентриком посажен маховик 1.

Классификацией сырья называют процесс его сортировки на отдельные фракции по крупности кусков. Наиболее оптимальными для доменной плавки являются куски руды размером 30…80 мм в поперечнике. С этой целью добываемую на рудниках руду, а также руду после дробления пропускают через так называемые грохоты, представляющие собой металлические сита с ячейками различной величины. Сита расположены под небольшим углом наклона друг над другом и совершают возвратно-поступательные движения. Куски более 100 мм в поперечнике подвергают дроблению до необходимых размеров.

Обогащение сырья предназначено для отделения руды от пустой породы. Перед обогащением сырье при необходимости подвергается более тонкому измельчению. Конечными продуктами обогащения являются концентрат и отходы пустой породы, называемые хвостами.

Для обогащения железных руд наиболее часто применяют метод магнитной сепарации, основанный на различии магнитных свойств руды и частиц пустой породы. Наиболее часто для этой цели используются магнитные сепараторы ленточного типа (рис.2). Сепаратор состоит из двух транспортерных лент, внутри одной из которых находится мощный электромагнит. Куски руды, поступающие на питающую ленту, намагничиваются и притягиваются к верхней снимающей ленте, а куски пустой породы (немагнитная фракция) свободно падают с ленты.

Рудная мелочь, которая отделяется в процессе классификации руды, непригодна к плавке в доменных печах. Она затрудняет движение газов и тем самым снижает интенсивность протекания окислительно-восстановительных реакций. Поэтому при подготовке руд к плавке возникает необходимость окусковывания концентратов и мелких руд до требуемых размеров. Для этого в металлургии наиболее широко используют агломерацию, которая проводится на больших ленточных агломерационных машинах непрерывного действия. Исходными материалами для агломерации служат рудная мелочь и колошниковая пыль – отходы доменного производства (см. ниже). Эти материалы смешивают с мелким коксом и известняком и затем спекают при температуре 1300…1400оС. Для этой цели используются мощные агломерационные машины. В результате образуется продукт спекания – агломерат. Производительность крупных агломерационных машин достигает до 3000 т агломерата в сутки. Продолжительность спекания 15…20 мин.

В последнее время в черной металлургии применяют метод окусковывания путем производства окатышей. С этой целью рудную мелочь и колошниковую пыль смешивают с небольшим количеством глины или извести и увлажняют до 8…10%. В шихту могут быть добавлены отбракованные окатыши (возврат).

Образование окатышей происходит в грануляторе (рис.3), представляющем собой вращающуюся со скоростью 6…9 об/мин неглубокую чашу. Рудная шихта, пересыпаясь с места на место, слипается и образует круглые окатыши размером 25…30 мм. После этого окатыши сушат при 200…400оС и подвергают обжигу, вследствие чего они приобретают высокую прочность. После охлаждения окатыши сортируют на грохоте. Фракция менее 10 мм возвращается на переработку (возврат).

Использование при выплавке чугуна руды различного химического состава нарушает нормальное течение процесса, расстраивает тепловой режим печи, что вызывает необходимость постоянного изменения количества и состава шихты, а это в конечном итоге снижает технико-экономические показатели печи. Поэтому перед загрузкой руду усредняют, т.е. производят смешивание руды различного химического состава.

2.1.2. Доменная плавка и ее продукты

Процесс получения чугуна осуществляется в доменных печах. Сырые материалы доменной плавки, взятые в необходимых соотношениях, составляют шихту. Чугун является первичным продуктом, получаемым из исходного сырья. Получение чугуна основано на извлечении железа из руд с помощью различных окислительно-восстановительных реакций. В дальнейшем чугун используется как исходное сырье для получения стали.

Доменный процесс до настоящего времени является практически единственным промышленным способом получения железоуглеродистых сплавов из железных руд. Работа доменной печи после ее пуска продолжается непрерывно от 6 до 10 лет.

Доменная печь представляет собой вертикальную плавильную печь шахтного типа (рис.4). Объем печи, занятый шихтовыми материалами и продуктами плавки, называется полезным объемом. Современные доменные печи имеют высоту до 35 м и полезный объем от 3000 до 5000 м3. Производительность печей составляет более 5000 т чугуна в сутки. С увеличением полезного объема экономичность работы печи повышается.

Исходные материалы доменной плавки (шихту) загружают в печь сверху через колошник 1.

В нижнюю часть печи через фурмы 3 под давлением 150…200 кН/м2 (1,5…2,0 атм.) вдувается подогретый до 900…1000оС воздух. Топливо, встретившись с горячим воздухом, начинает гореть, при этом в зоне горения развивается температура до 1800…1900оС. Образовавшийся в результате реакции горения углекислый газ СО2 поднимается вверх и при температуре 800…900оС восстанавливается углеродом кокса до оксида углерода СО:

СО2 + Скокс = 2СО.

Образовавшийся оксид СО является основным восстановителем железа из его руд. Процесс восстановления проходит последовательно от высших оксидов к низшим и далее к чистому металлу:

Fe2O3 ? Fe3O4 ? FeO ? Fe

Восстановление оксидом углерода СО называется косвенным (т.е. непрямым) восстановлением и происходит по реакциям:

3Fe2O3 + СО = 2Fe3O4 +СО2,

Fe3O4 + СО = 3FeO +СО2,

FeO + СО = Fe +СО2

В верхних частях печи вследствие понижения температуры до 400…550оС оксид углерода СО распадается с выделением сажистого углерода Ссаж:

2СО = СО2 + Ссаж.

Образовавшийся сажистый углерод проникает через поры и трещины внутрь кусков руды, оседает на их наружной поверхности и в интервале температур 1000…1100оС также восстанавливает железо:

FeO + Ссаж = Fe +СО

В этом случае имеет место так называемое прямое восстановление руд. Одновременно при температурах выше 400…500оС происходит науглераживание восстановленного железа по реакциям:

3Fe + 2СО = Fe3С +СО2,

3Fe + С = Fe3С.

Образовавшийся карбид железа Fe3С растворяется в металле и постепенно образует сплав железа с углеродом, называемый чугуном. Полученный сплав стекает вниз и накапливается в нижней части печи-горне. В обычных условиях в чугуне растворяется до 4% углерода. Расплавленный чугун выпускается через нижнюю летку примерно 10…15 раз в сутки.

Одновременно с восстановлением железа в ходе доменный плавки за счет взаимодействия флюсов и пустой породы происходит процесс шлакообразования. Стекая вниз, шлак растворяет золу топлива и поглощает из чугуна серу. Шлак выпускается в расплавленном состоянии по мере его накопления через шлаковую летку 4. Шлак затем используют для получения различных строительных материалов.

Образующаяся в ходе плавки смесь различных газообразных продуктов (26…32% СО, до 4% Н2), содержащая также пылевидные частицы руды, топлива и флюсов, называется колошниковым газом. При сгорании 1 т кокса образуется около 5000 м3 газа. Он удаляется из доменной печи через газоотводы 2 в колошнике. После очистки от пыли доменный газ используется как топливо для различных производственных целей.

Основными продуктами доменной плавки являются передельные, литейные чугуны и ферросплавы.

Передельный чугун выплавляется для передела в сталь. Его производство составляет около 90%. Углерод в этих чугунах химически связан в Fe3C.

Литейный чугун используется после его переплавки для производства различных чугунных отливок. Этот чугун содержит повышенное количество кремния (до 3,7%), улучшающего литейные свойства чугуна. Литейный чугун мягок, на изломе имеет серый цвет. Углерод, входящий в его состав, находится преимущественно в свободном состоянии, в виде графита.

Ферросплавы отличаются от передельных чугунов повышенным содержанием кремния, марганца и некоторых других элементов. Они предназначены для добавки в шихту в качестве раскислителей при выплавке стали.

Основными технико-экономическими показателями работы доменных печей являются производительность и расход кокса на 1 т выплавляемого чугуна.

Для оценки производительности пользуются коэффициентом использования полезного объема печи, равным отношению полезного объема печи (м3) к суточной выплавке чугуна (т). Чем меньше этот коэффициент, тем выше производительность печи. В настоящее время при выплавке 1 т передельного чугуна расходуется около 500…600 кг кокса.

Развитие доменного производства осуществляется главным образом в направлении совершенствования подготовки исходных материалов к доменной плавке, интенсификации доменных процессов и увеличения полезного объема доменных печей.

Интенсивность доменных процессов может быть существенно увеличена за счет повышения температуры воздушного дутья до 1300…1400оС, обогащения воздуха кислородом, использования газообразных и жидких топлив для поддержания высокой температуры, а также повышения давления в рабочем пространстве доменной печи.

Большое значение имеет также совершенствование систем комплексной механизации всех производственных процессов и автоматического управления работой доменной печи.
2.2. Производство стали

В настоящее время около 80% выплавляемого в доменных печах чугуна перерабатывается в сталь. Сталь является основным конструкционным материалом промышленного производства и важнейшим продуктом черной металлургии. Сталь отличатся от чугуна более низким содержанием углерода (до 2%). В сравнении с чугуном она имеет более высокие механические свойства.

Процесс получения стали основан на удалении из чугуна путем окисления избыточного количества углерода, марганца и кремния. Особенно важно удалить при этом вредные примеси фосфора и серы, придающие стали хрупкость. Углерод чугуна соединяется с кислородом и образуется оксид углерода СО, который сгорает и улетучивается. Кремний, марганец и фосфор образуют оксиды SiO2, MnO и Р2О5, которые всплывают, образуют шлак и удаляются. Сера переходит в шлак в виде соединения СаS за счет добавки извести.

Основными шихтовыми материалами для выплавки стали являются жидкий и твердый чугун, стальной и чугунный лом, железная руда, железорудные окатыши, флюсы, ферросплавы. В сталеплавильном производстве в качестве флюсов используются известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, кварцевый песок и др. В качестве ферросплавов используют ферромарганец и ферросилиций.

Процесс производства стали из чугуна осуществляется тремя основными способами: кислородно-конверторным, мартеновским и плавкой стали в электрических печах. В настоящее время большая часть стали (более 55%) выплавляется конверторным способом.

2.2.1. Производство стали в кислородных конверторах

Основным шихтовым материалом кислородно-конверторного процесса является жидкий передельный чугун. Из доменного цеха в сталеплавильный его перевозят в специальных чугуновозных ковшах, установленных на железнодорожных платформах. Ковш вмещает до 100 т жидкого чугуна. Чугун сливается затем в миксер, представляющий собой стальной сосуд цилиндрической формы, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. В миксере чугун остывает весьма медленно. Для поддержания его в жидком состоянии миксер иногда подогревается с помощью доменного или природного газа.

Выдержка в миксере позволяет выравнивать химический состав чугуна, выпущенного из доменных печей в разное время, что важно для проведения последующих процессов передела чугуна в сталь. Емкость миксера до 2000 т.

Кроме того, во время длительной выдержки в миксерах марганец, находящийся в жидком чугуне, может вступать в реакцию с серой. Образующийся при этом сернистый марганец MnS уходит затем в шлак. Это улучшает качество чугуна.

В верхней части миксера имеется отверстие для заливки чугуна, а сбоку – специальный желоб для его выпуска в ковш и транспортировки к конверторам или мартеновским печам.

Сущность производства стали в кислородном конверторе заключается в том, что жидкий чугун, находящийся в конверторе, продувают кислородом сверху. При этом окисление всех примесей чугуна протекает одновременно, так как в этом случае обеспечивается высокая степень взаимодействия кремния, марганца и углерода с кислородом.

Момент окончания продувки определяется по результатам экспресс-анализа пробы стали.

Одним из преимуществ кислородно-конверторного способа получения стали является высокая производительность, которая обеспечивается интенсивностью процессов окисления элементов. Весь технологический цикл плавки занимает 50…60 мин, а продолжительность продувки кислородом – 18…30 мин.

Конвертор представляет собой стальной сосуд 1 грушевидной формы (рис.5), выложенной изнутри огнеупорным кирпичом 2. Вместимость конвертора до 350 т. В верхней его части находится горловина 3, сбоку – летка 4, через которую выпускается готовая сталь. С помощью электродвигателей через систему редукторов конвертор может поворачиваться вокруг горизонтальной оси.

Перед началом процесса конвертор поворачивают в наклонное положение и заливают жидкий чугун, имеющий температуру 1250…1400оС. Затем конвертор ставят в вертикальное положение, загружают известняк и опускают водоохлаждаемую фурму, через которую затем подают кислород под давлением 1,0…1,4 МПа. Часть кислорода проникает в металл, а оставшийся кислород растекается по поверхности ванны.

Момент взятия пробы стали для экспресс-анализа определяют по количеству израсходованного кислорода, по времени продувки и по внешним признакам (по виду пламени над горловиной). Для отбора пробы продувку прекращают, фурму поднимают и конвертор поворачивают в наклонное положение. В этот же момент замеряют температуру металла. Если качество полученной стали удовлетворяет заданным требованиям, то процесс прекращают, конвертор переводят в горизонтальное положение, через летку в ковш выпускают сталь, а затем через горловину сливают шлак.

В полученной стали часть кислорода находится в виде оксида железа FeO. Если кислород из стали не удалить, то при ее разливке и постепенном охлаждении он будет взаимодействовать с углеродом с образованием оксида углерода СО: FeO + C = Fe + CO. Интенсивно выделяющийся в виде пузырьков газ СО создает иллюзию «кипения» стали. Поэтому такую сталь называют «кипящей». Качество слитков, образующихся при кристаллизации кипящей стали, невысокое. В связи с этим выплавленную сталь раскисляют, т.е. удаляют из нее избыточный кислород. С этой целью в расплавленную сталь последовательно вводят ферромарганец, потом ферросилиций и в последнюю очередь алюминий, который является активным раскислителем стали. Процесс раскисления протекает при этом по уравнениям:

FeO +Mn ? MnO + Fe;

2FeO + Si ? 2Fe + SiO2;

3FeO +2Al ? 3Fe + Al2O3.

Таким образом может быть получена полуспокойная и спокойная стали.

При плавке стали в конверторах не требуется топливо, так как процесс идет за счет тепла экзотермических реакций окисления углерода, кремния, марганца и других элементов.

В кислородных конверторах выплавляют в основном углеродистую конструкционную сталь обыкновенного качества для листового и сортового проката, труб, проволоки и других видов металлопродукции. Годовая производительность конвертора вместимостью 250 т более 1,5 млн.т, выход годного металла составляет 90…92%, удельный расход кислорода около 50…55 м3 на 1 т выплавленной стали.

2.2.2. Производство стали в мартеновских печах

Мартеновский способ производства стали позволяет использовать значительное количество стального и чугунного лома разнообразного состава. Способ был разработан французскими металлургами отцом и сыном Э. и П. Мартенами в 1865 г. В России первая мартеновская печь была построена в 1880 г.

По устройству и принципу работы мартеновская печь является пламенной регенеративной печью. В ее плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали обеспечивается регенерацией тепла печных газов. Необходимость применения регенераторов объясняется тем, что холодное топливо при сгорании в холодном воздухе позволяет развивать температуру не выше 1400оС, что недостаточно для расплавления стали. При подогреве топлива и воздуха примерно до 1000…1100оС температура пламени повышается до 1800…1900оС. Этой температуры достаточно для интенсивного ведения процесса плавки.

Мартеновская печь (рис.6) сложена из огнеупорного кирпича и стянута рядом стальных балок, образующих жесткий наружный каркас. Внутри печи находится рабочее пространство 3, сверху ограниченное сводом, и снизу – подом. Под выложен в виде овальной чаши, в которой происходит процесс плавки. В передней стенке печи имеются загрузочные окна 4, через которые загружают шихтовые материалы и следят за ходом плавки. В задней стенке устраиваются отверстия для выпуска стали и шлака.

В торцах печи расположены головки 2, соединяющие плавильное пространство с регенераторами 1, служащими для подогрева воздуха и газообразного топлива. Печи, работающие на низкокалорийном топливе, имеют с каждой стороны по два регенератора, а печи, работающие на жидком топливе и высококалорийном газе, имеют по одному регенератору с каждой стороны только для нагрева воздуха.

По конструкции мартеновские печи могут быть стационарными и качающимися. Большинство печей сооружают стационарными, т.е. неподвижными. Рабочее пространство таких печей располагается на железобетонных основаниях, перекрытых стальными опорами и балками. В качающихся печах рабочее пространство заключено в прочный стальной кожух, рама которого опирается на катки. Такое устройство печи позволяет производить ее наклон, что облегчает загрузку шихты, удаление шлака и разливку готовой стали.

В зависимости от материала, из которого выкладывают под печи, мартеновский процесс может быть основным или кислым. В основных печах под и стены рабочего пространства выкладываются магнезитовым кирпичом (93% MgO и 3% СаО) и навариваются магнезитом или доломитом (MgСО3•СаСО3). Огнеупорность такого кирпича до 2500оС. В кислых печах под выкладывается из динасового кирпича (93% SiO2), огнеупорность которого не превышает 1750оС, и наваривается слоем кварцевого песка.

Наиболее распространенным является основной процесс, позволяющий перерабатывать шихтовые материалы с относительно высоким содержанием фосфора и серы.

В зависимости от состава шихты различают два основных процесса плавки стали в мартеновских печах: скрап-рудный процесс и скрап-процесс.

В скрап-рудном процессе в состав твердой части шихты входят скрап и железные руды, а основной массой шихты является жидкий чугун (50…80%). Скрап – это отходы металла, образующиеся при прокатке, ковке, штамповке, обработке резанием на металлорежущих станках, а также устаревшее и пришедшие в негодность технологическое оборудование и оснастка. По скрап-рудному процессу работают металлургические предприятия, имеющие доменные печи.

Скрап-процесс обычно применяют в цехах машиностроительных заводов, в составе которых нет доменных печей и где в процессе производства образуется много скрапа. При этом стружку и мелкий скрап до загрузки в печь прессуют, превращая в пакеты. В скрап-процессе шихта состоит из стального лома (60…70%) и твердого чушкового чугуна (30…40%).

Мартеновские печи работают циклами, но нагрев печи ведется непрерывно. Поэтому подготовка новой плавки начинается с осмотра печи и устранения выбоин и ямок, разъеденных шлаком. С этой целью все обнаруженные изъяны устраняют путем их засыпки и заварки новым слоем доломита или магнезита.

Загрузка шихты производится завалочными машинами, которые перемещаются по рельсам вдоль мартеновских печей. Сначала загружают сыпучие шихтовые материалы – руду, известняк, скрап. Жидкий чугун загружают в печь через окно по специально установленному желобу, футерованному изнутри огнеупорами. Чугун заливается в печь после того, как твердая шихта прогрета и начинает плавиться. После заливки чугуна плавление твердой металлической части шихты резко ускоряется. Одновременно с прогревом шихты начинается окисление примесей. К концу расплавления шихты почти полностью окисляется кремний, более половины марганца, почти третья часть фосфора и частично углерод. Окисление примесей происходит по тем же реакциям, что и при конверторном процессе. Известняк переводит в шлак фосфор и серу.

После расплавления шихты начинается доводка стали до необходимого химического состава. Готовность плавки определяют взятием пробы и ее экспресс-анализом. После этого проводится раскисление и выпуск стали в ковши, из которых ее разливают в слитки.

Продолжительность плавки стали в мартеновской печи составляет 8…16 ч. Печь работает непрерывно. Длительность функционирования печи в основном зависит от стойкости ее свода. Средняя стойкость динасового свода 200…350 плавок, магнезитового – 300…1000 плавок. Расход металлошихты на 1 т годных слитков составляет 1100…1200 кг.

Основными показателями, характеризующими работу мартеновских печей, является съем стали с 1 м2 пода в сутки. Его определяют как отношение суточной производительности к площади пода печи. В настоящее время этот показатель составляет 10…12 т/м2. Расход условного топлива зависит от марки выплавляемой стали и качества шихты и составляет 130…150 кг/т. Вместимость современных мартеновских печей – 600…900 т. Одним из преимуществ мартеновского процесса является возможность выплавлять высококачественные углеродистые и легированные стали и с большой точностью регулировать их химический состав. Кроме того, этот способ получения стали позволяет использовать в качестве шихтовых материалов металлический лом различного состава.

Основными недостатками мартеновского процесса следует считать большую продолжительность процесса и значительный расход топлива.

Одним из путей повышения эффективности работы мартеновских печей является автоматизация контроля и управления технологическим процессом плавки. Экономичность процесса зависит также от качества подготовки шихтовых материалов, механизации их загрузки, от емкости печи и от других факторов.

2.2.3. Производство стали в электрических печах

Электроплавка является более совершенным способом получения стали, имеющим ряд преимуществ перед мартеновским и конверторным способами. В электропечах можно быстро производить подъем температуры, легко регулировать температурный режим, создавать в плавильном пространстве восстановительную или нейтральную атмосферу.

Это позволяет выплавлять в электрических печах наиболее высококачественные углеродистые и легированные конструкционные, нержавеющие, жаропрочные и другие виды сталей и сплавов.

Кроме того, с помощью электрического нагрева можно поднять температуру плавильного пространства печи до 2000оС, что допускает применение сильно известковых шлаков (до 50…60% СаО), способствующих почти полному удалению из металла фосфора и серы. Эти же условия позволяют использовать в качестве легирующих добавок такие тугоплавкие элементы, как вольфрам, ванадий, молибден, расплавление которых в других печах затруднительно.

Современные электрические печи для выплавки стали бывают двух видов – дуговые и индукционные. При этом дуговые печи используются наиболее часто.

Дуговая печь (рис.7) состоит из стального кожуха цилиндрической формы с плоским или сферическим днищем 6, выложенным внутри огнеупорными материалами. Свод печи 5 делается съемным и имеет отверстия для электродов 4 (угольных или графитовых). Диаметр электродов 400…500 мм, длина до 3 м. Графитовые электроды более устойчивы при высоких температурах, имеют меньшее электросопротивление, чем угольные, поэтому их применение более предпочтительно. Крепятся они в электрододержателях и при помощи специального механизма могут перемещаться вверх и вниз. Печь опирается на секторы (салазки) и с помощью особого механизма 2 может устанавливаться в наклонное положение.

Вместимость дуговых печей колеблется от 2,5 до 200 т и более. Большие печи работают экономичнее, чем малые. В качестве шихтовых материалов используется стальной лом с добавками чугуна, железной руды, раскислителей и ферросплавов. Загрузка шихты производится сверху при отодвинутом в сторону своде.

Продолжительность плавки от 2 до 4 часов в зависимости от вместимости печи и сорта выплавляемой стали. Рабочее напряжение изменяется ступенчато в пределах 90…240 В. К электродам ток подается от понижающего трансформатора при помощи гибких кабелей и медных шин. Мощность трансформатора зависит от размера и вместимости печи. Сила тока достигает 20000А и более. Нагрев и расплавление металла обеспечивается электрической дугой 3, возникающей между электродами и загруженной в печь металлической шихтой 1. В дуге развивается температура более 4000оС.

Электросталь стоит дороже, чем мартеновская и конверторная сталь.

На выплавку 1 т стали расходуется в среднем 600…700 кВт·ч электроэнергии и 6…7 кг электродов. Стоимость электродов составляет около 10% стоимости стали.

Для получения особокачественных сортов стали плавку ведут в вакууме. При этом значительно снижается содержание в металле газов – кислорода, азота, водорода.

Для выпуска стали печь с помощью электродвигателя и зубчатой передачи наклоняется в сторону выпускного отверстия со сливным желобом.

Индукционные печи позволяют получать более чистый металл, чем при плавке в дуговых печах.

Индукционная высокочастотная печь (рис.8) состоит из индуктора 1, внутри которого помещен огнеупорный тигель 2 с жидким металлом 3. Индуктор представляет собой обмотку из медной трубки, охлаждаемой внутри водой. Вместимость этих печей от 50 кг до 5 т. Более крупные печи вмещают до 25 т металла.

В тигель загружают чистые, тщательно подобранные шихтовые материалы. Чаще всего плавку ведут методом переплава, используя отходы соответствующих легированных сталей.

При пропускании через индуктор переменного тока высокой частоты (500…2000 Гц) внутри индуктора возникает переменное магнитное поле, которое наводит (индуцирует) в шихте вихревые тепловые токи (токи Фуко). Эти токи быстро нагревают металл до температуры плавления.

Плавку в индукционных печах можно вести или в воздушной среде, или в вакууме. В вакуумных печах выплавляют наиболее качественные высоколегированные жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы с особыми физическими и химическими свойствами, а также углеродистые стали с минимальным содержанием углерода. Однако, широкое применение этого способа сдерживается большим расходом электроэнергии и высокой стоимостью получаемой стали.

Вопросы для самопроверки:

  1. Назовите исходные материалы для производства чугуна. Дайте характеристику этим материалам.

  2. Назовите основные виды железных руд. Дайте их сравнительную оценку.

  3. Назовите основные операции подготовки руд к плавке. В чем их сущность?

  4. Поясните устройство доменной печи и процесс получения чугуна.

  5. Назовите основные продукты доменной плавки и область их использования.

  6. По каким показателям можно оценить работу доменной печи?

  7. Поясните сущность производства стали в кислородных конверторах.

  8. Поясните работу мартеновской печи для выплавки стали.

  9. Поясните технологию выплавки стали в электрических печах.
  1   2   3   4   5   6   7   8



Скачать файл (175 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации