Металлургия железа

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Металлургия железа

Металлургия железа

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА

Выплавка чугуна и стали

Современное метал-лургическое производство чугуна и стали состо-ит из сложного комплекса различных произ-водств (рис. ):

Схема современного металлургического производства

1. Шахт и карьеров по добыче руд, каменных углей, флюсов, огнеупорных материалов.

2. Горно-обогатительных комбинатов, на кото-рых подготовляют руды к плавке, обогащают их, удаляя часть пустой породы, и получают кон-центрат - продукт с повышенным содержанием железа по сравнению с рудой.

3. Коксохимических цехов и заводов, на кото-рых осуществляют подготовку коксующихся углей, их коксование (сухую перегонку при температуре ~1000°С без доступа воздуха) в коксо-вых печах и попутное извлечение из них ценных химических продуктов: бензола, фенола, каменноугольной смолы и др.

4. Энергетических цехов для получения и трансформации электроэнергии, сжатого возду-ха, необходимого для дутья при доменных про-цессах, кислорода для выплавки чугуна и стали, а также очистки газов металлургических производств с целью охраны природы и сохранения чи-стоты воздушного бассейна.

5. Доменных цехов для выплавки чугуна и ферросплавов.

6. Заводов для производства различных фер-росплавов.

7. Сталеплавильных цехов - конвертерных, мартеновских, электросталеплавильных для про-изводства стали.

8. Прокатных цехов, в которых нагретые слит-ки из стали перерабатываются в заготовки (блюмы и слябы) и далее в сортовой прокат, трубы, лист, проволоку и т. п.

Современное производство стали основано на двухступенчатой схеме, которая состоит из до-менной выплавки чугуна и различных способов последующего его передела в сталь. В процессе доменной плавки, осуществляемом в доменных печах, происходит избирательное восстановление железа из его окислов, содержащихся в руде. Таким образом из руды полу-чают чугун - сплав железа с углеродом более 2,14 %, кремнием, марганцем, серой и фосфором.

Передел чугуна в сталь осуществляют в металлургических агрегатах: в конвертерах, мартеновских и электрических печах. В них из-за ряда происходящих химических реакций осу-ществляется избирательное окисление примесей чугуна и перевод их в процессе плавки в шлак и газы. В результате получают сталь заданного химического состава.

Продукция черной металлургии. Основной про-дукцией черной металлургии являются передель-ный чугун, литейный чугун, доменные ферросплавы, стальные слитки и прокат.

Передельный чугун, используемый для передела на сталь, содержит,%: С -4,0 - 4,4; Si до 0,6 -0,8; Mn до 0,25 - 1,0; P 0,15 - 0,3 и S 0,03- 0,07. Некоторые марки чугуна, предна-значенные для передела в сталь в конвертерах, имеют пониженное до 0,07 % содержание фосфо-ра. До 90 % всего выплавляемого чугуна прихо-дится на чугун передельный.

Литейный чугун, предназначенный для производства фасонных отливок способами ли-тья на машиностроительных заводах, имеет по-вышенное содержание кремния (до 2,75 - 3,25).

Ферросплавы - сплавы железа с повы-шенным содержанием марганца, кремния, вана-дия, титана и других металлов. Их применяют для раскисления и производства легированных сталей. К ферросплавам относят доменный ферросилиций, содержащий 9 -13 % Si и до 3 % Mn; доменный ферромарганец, содержащий 70 -75 % Mn и до 2 % Si; зеркальный чугун с 10 - 25 % Mn и до 2% Si.

Стальные слитки, полученные в изложни-цах или кристаллизаторах, подвергают обработ-ке давлением (прокатке, ковке). Прокат ис-пользуют непосредственно, в конструкциях (мос-тах, зданиях, железобетонных конструкциях, же-лезнодорожных путях, станинах машин и т. д.), в качестве заготовок для изготовления деталей резанием и заготовок для последующей ковки и штамповки.

Форму поперечного сечения прокатанного ме-талла называют профилем. Совокупность раз-личных профилей разных размеров называют сортаментом. Сортамент прокатываемых профилей разделяют на следующие группы: за-готовки, сортовой прокат, листовой прокат, тру-бы и специальные виды проката.

Заготовки прокатывают в горячем состоя-нии непосредственно из слитков. Заготовки ква-дратного сечения с размерами от 150*150 до 450*450 мм называют блюмами. Они предназначены для последующей прокатки на сорто-вых станах и в качестве заготовок для изготов-ления поковок ковкой. Заготовки прямоугольно-го сечения толщиной 65 - 300 мм и шириной 600 - 1600 мм называют слябами. Их исполь-зуют для прокатки толстых листов.

Сортовой прокат по профилю подразде-ляют на две группы: простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямо-угольник) и сложной - фасонной формы (швел-леры/двутавровые балки, рельсы, уголки и т. д.).

Листовой прокат подразделяют по на-значению (судостроительный, электротехниче-ский, автолист и т. д.) и по толщине. Листовую сталь с толщиной 4 -160 мм называют толстоли-стовой, а с толщиной 0,2 - 4 мм - тонколисто-вой. Листы с толщиной менее 0,2 мм называют фольгой.

Трубы также подразделяют по назначению и способу изготовления. Они бывают бесшовные и сварные (с прямым и спиральными швами).

Специальные виды проката - коле-са и оси железнодорожных вагонов, кольца, зуб-чатые колеса, периодические профили и т. п. Пе-риодическим профилем называют прокатанную заготовку, форма и площадь сечения которой периодически изменяются вдоль оси.

Побочными продуктами металлурги-ческого производства являются коксовальный газ и извлекаемые из него ценные химические продукты, а также доменный шлак и колошнико-вый газ. Доменным шлаком называют легко-плавкое соединение флюса (СаСО3 - известняк) с пустой породой руды и золой топлива. Шлак используют для строительства дорог, из него из-готовляют шлаковату, шлакоблоки, цемент, а ко-лошниковый (доменный) газ после очистки от пыли используют как топливо для нагрева воз-духа. вдуваемого в доменную печь, а также в це-хах металлургических заводов.

Передел чугуна в сталь осуществляют в металлургических агрегатах: в конвертерах, мартеновских и электрических печах. В них из-за ряда происходящих химических реакций осу-ществляется избирательное окисление примесей чугуна и перевод их в процессе плавки в шлак и газы. В результате получают сталь заданного химического состава.

Продукция черной металлургии. Основной про-дукцией черной металлургии являются передель-ный чугун, литейный чугун, доменные ферросплавы, стальные слитки и прокат.

Передельный чугун, используемый для передела на сталь, содержит,%: С -4,0 - 4,4; Si до 0,6 -0,8; Mn до 0,25 - 1,0; P 0,15 - 0,3 и S 0,03- 0,07. Некоторые марки чугуна, предна-значенные для передела в сталь в конвертерах, имеют пониженное до 0,07 % содержание фосфо-ра. До 90 % всего выплавляемого чугуна прихо-дится на чугун передельный.

Литейный чугун, предназначенный для производства фасонных отливок способами ли-тья на машиностроительных заводах, имеет по-вышенное содержание кремния (до 2,75 - 3,25).

Ферросплавы - сплавы железа с повы-шенным содержанием марганца, кремния, вана-дия, титана и других металлов. Их применяют для раскисления и производства легированных сталей. К ферросплавам относят доменный ферросилиций, содержащий 9 -13 % Si и до 3 % Mn; доменный ферромарганец, содержащий 70 -75 % Mn и до 2 % Si; зеркальный чугун с 10 - 25 % Mn и до 2% Si.

Стальные слитки, полученные в изложни-цах или кристаллизаторах, подвергают обработ-ке давлением (прокатке, ковке). Прокат ис-пользуют непосредственно, в конструкциях (мос-тах, зданиях, железобетонных конструкциях, же-лезнодорожных путях, станинах машин и т. д.), в качестве заготовок для изготовления деталей резанием и заготовок для последующей ковки и штамповки.

Форму поперечного сечения прокатанного ме-талла называют профилем. Совокупность раз-личных профилей разных размеров называют сортаментом. Сортамент прокатываемых профилей разделяют на следующие группы: за-готовки, сортовой прокат, листовой прокат, тру-бы и специальные виды проката.

Заготовки прокатывают в горячем состоя-нии непосредственно из слитков. Заготовки ква-дратного сечения с размерами от 150*150 до 450*450 мм называют блюмами. Они предназначены для последующей прокатки на сорто-вых станах и в качестве заготовок для изготов-ления поковок ковкой. Заготовки прямоугольно-го сечения толщиной 65 - 300 мм и шириной 600 - 1600 мм называют слябами. Их исполь-зуют для прокатки толстых листов.

Сортовой прокат по профилю подразде-ляют на две группы: простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямо-угольник) и сложной - фасонной формы (швел-леры/двутавровые балки, рельсы, уголки и т. д.).

Листовой прокат подразделяют по на-значению (судостроительный, электротехниче-ский, автолист и т. д.) и по толщине. Листовую сталь с толщиной 4 -160 мм называют толстоли-стовой, а с толщиной 0,2 - 4 мм - тонколисто-вой. Листы с толщиной менее 0,2 мм называют фольгой.

Трубы также подразделяют по назначению и способу изготовления. Они бывают бесшовные и сварные (с прямым и спиральными швами).

Специальные виды проката - коле-са и оси железнодорожных вагонов, кольца, зуб-чатые колеса, периодические профили и т. п. Пе-риодическим профилем называют прокатанную заготовку, форма и площадь сечения которой периодически изменяются вдоль оси.

Побочными продуктами металлурги-ческого производства являются коксовальный газ , а также доменный шлак и колошнико-вый газ.

Коксовый газ содержит 46-63 % водорода, 21- 27 % метана, 2-7 % оксила углерода, 4- 18 % азота. Он используется как топливо в коксовых и других печах, а также как сырье в химической промышленности.

Доменный (колошниковый) газ - побочный продукт при выплавке чугуна в доменных печах. Его используют на металлургических заводах в качестве топлива в чистом виде или в смеси с коксовым газом.

Доменным шлаком называют легко-плавкое соединение флюса (СаСО3 - известняк) с пустой породой руды и золой топлива. Шлак используют для строительства дорог, из него из-готовляют шлаковату, шлакоблоки, цемент, а ко-лошниковый (доменный) газ после очистки от пыли используют как топливо для нагрева воз-духа. вдуваемого в доменную печь, а также в це-хах металлургических заводов.

Производство чугуна.

В настоящее время для выплавки чугуна используют лишь около 5 % сырой железной руды; 95 % всей руды до плавки подвергают предварительной подготовке.

Доменная печь работает нормально, если она загружена кусковым материалом оптимального размера. В металлургии применяют процессы получения кусковой шихты: агломерацию ( спекание); окатывание (производство окатышей).

Агломерацию -- процесс окускования мелкой руды, концентратов и т. п. спеканием -- наиболее часто прово-дят на машинах ленточного типа. Они представляют со-бой конвейер, состоящий из большого количества спекательных тележек, двигающихся по направляющим рельсам (рис.).

«Днищем» этих тележек служит колосниковая решет-ка. На нее загружается тонкий слой мелкого агломерата (постель), чтобы агломерируемая шихта не сыпалась книзу. Затем загружается тщательно перемешанная, ув-лажненная (7--9 %) и окомкованная шихта. Ее основ-ные железосодержащие компоненты следующие: мел-кая и пылеватая железная руда (крупность менее 10 мм), железорудный концентрат, возврат агломерата (менее 10 мм), колошниковая пыль (см. с. 38), иногда окалина, мелкая металлическая стружка и т. д. Топливом (4 - 6 % от массы шихты) служат коксик - мелкий кокс (менее З мм) и антрацитовый штыб (пыль).

Рис. . Схема агломерационной машины:

/~барабанный питатель для загрузки шихты; 2--направляющие рельсы;

3 -- зажигательный горн; 4-- спекательные тележки; 5-- вакуум-камеры (экс-гаустеры)

Сущность агломерации поясняет схема, приведенная на рис. 3. После зажигания газовыми горелками начи-нается горение топлива, причем зона горения постепенно перемещается вниз. Воздух просасывается через слой шихты (200 - 350 мм) с помощью вакуумных устройств (эксгаустеров). В зоне горения при 1300 - 1500° С про-исходит спекание шихты в пористый продукт - агломе-рат. При нагревании образуются, а затем расплавляют-ся относительно легко-плавкие соединения. Об-разующиеся жидкие фа-зы обтекают, смачивают и связывают твердые час-тицы шихты. При после-дующем охлаждении жидкость затвердевает, обеспечивая образование прочных кусков агломе-рата.

При агломерации происходит частичное восстановле-ние окислов железа.

Fe2O3 + CO = FeO

FeO + CO = Fe + CO2

Из руды на 85- 95% удаляется сера:

FeS2 + 2O2 = FeO + 2SO2

Куски агломе-рата размером более 10 мм направляются в домен-ный цех. Более мелкий агломерат возвращается на переработку (возврат).

Рис. . Схема процесса спекания:

1 -- колосниковая решетка; 2 -- постель; 3--слой агломерируемой шихты; 5-- зона горения и спекания; 5 -- слой аг-ломерата

В нашей металлургии применяют только офлюсованный агломерат. Для его получения в шихту вводят мелкоизмельченный флюс - известняк. Применение офлюсованного агломерата улучшает условия образования шлака в доменной печи, ускоряет процесс плавки, уменьшает затраты топлива, приводит к значительному повышению производительности дменной печи ( на 25- 30 %) и снижению расхода кокса (до 20 % ).

Окатывание (производство окатышей).

Тонкоизмельченные концентраты обладают пониженной газопроницаемостью. Их спекание на агломерационных машинах оказалось малопроизводительным и экономически невыгодным. Эффективным способом окускования таких концентратов является окатывание.

Сзема производства окатышей из тонкоизмельченного концентрата ( меньше 0,5 мм) , известняка ( флюс) и возврата (отбракованых окатышей). Для лучшего окатывания шихту увлажняют ( 8- 10 %) и в ее состав добавляют небольшое количество связующего- бентонитовой глины и др.

Сырые окатыши диаметром 20- 30 мм получают во вращающихся барабанах или тарельчатых грануляторах ( рис ). Далее окатыши подвергают сушке ( 200 - 400 о С), а затем обжигу при 1300 - 1400 0 С.

При нагреве до 1000- 1050 о С Fe3O4 окисляется до Fe2O3; при более высокой температуре происходит рекристаллизация: из мелких зерен Fe2O3 образуются крупные зерна и мостики между ними, что приводит к упрочнению окатыщей В офлюсованных окатышах упрочнение происходит такжк из -ща образования жидкой фазы.

После охлаждения окатыши сортируют на грохоте; фракция < 10 мм возвращается на перработку (возврат)

Устройство доменной печи

Сущность доменной плавки сводится к раздельной загрузке в верх-нюю часть печи, называемой колошником, агломерата, кокса и флю-сов, располагающихся в шахте печи слоями и выгрузкой продуктов плавки ( чугун и шлак) из нижней части печи через летки, а через верх удаляются газы. При нагревании шихты за счет горения кокса, которое обеспечивает вдуваемый в горн горя-чий воздух, в печи идут сложные физико-химические процессы, и шихта постепенно опускается навстречу поднимающимся горячим газам. В результате взаимодействия компонентов шихты и газов в нижней части печи, называемой горном, образуются два несмеши-вающихся жидких слоя -- чугун и шлак.

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

В верхней части горна расположены фурменные отверстия (16-- 20 шт.), через которые в печь под давлением около 300 кПа (3 ат) подается обогащенный кислородом воздух при температуре 900--1200 °С.

Жидкий чугун выпускают каждые 3 - 2 ч (а в крупных печах ежечастно) поочередно через две или три летки, которые для этого вскры-вают с помощью электробура. Выливающийся из печи чугун направляется по желобам литейного двора в чугуновозные ковши, расположенные на железнодорожных платформах. Шлак, выливающийся с чугуном, предварительно отделяют от чугуна в желобах с помощью перекры-вающих затворов и направляют в шлаковозы. Кроме того, часть шлака иногда выпускают из доменной печи до выпуска чугуна через шлаковую летку. После выпуска чугуна летку забивают пробкой из огнеупорной глины с помощью электромагнитной пушки.

Печь монтируют в прочном сварном стальном кожухе, интенсивно охлаждаемом водой. Внутри печь выкладывают высококачественным шамотным кирпичом, а отдельные части печи изготовляют из прес-сованных углеродистых блоков.

Рис. . Схема доменной печи 2700 м3 и ее примерный суточный баланс:1 -- чугунная летка; 2 -- шлаковая летка; 3 -- фурменный прибор; 4 -- лещадь; 5 -- чугу-нопоз; 6 -- шлаковозы; 7 -- газоотводы; 8 -- засыпное устройство; 9 -- фундамент; 10 -- воздухопривод дутья

Условно процесс, протекающий в доменной печи, можно разде-лить на следующие этапы:

горение углерода топлива;

разложение компонентов шихты;

восстановление окислов;

науглероживание же-леза;

шлакообразование.

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

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

Восстановление окислов может происходить окисью углерода, углеродом и водородом. Главная цель доменного процесса - вос-становление железа из его окислов. Восстановление окислов железа идет ступенчато по следующей схеме: Fе2О3 > Fе3O4> FeO > Fe.

Главную роль в восстановлении окислов играет окись углерода:

Эта реакция практически необратима, протекает легко при очень низкой концентрации СО в газовой фазе. Для развития следующей реакции вправо необходимы температура не ниже 570 °С и значи-тельный избыток СО в газах:

Fе3O4 + СО = 3 FeO + СО 2 + Q.

Затем происходит образование твердой железной губки по реакции

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

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

Шлакообразование активно развивается при прохождении шихты в области распара после окончания процессов восстановления окис-лов железа в доменной печи. Шлак состоит из окислов пустой породы и золы кокса, а также флюса, специально добавленного в печь, чтобы обеспечить достаточную жидкотекучесть шлака при температуре 1400--1450 °С. Основные составляющие доменного шлака -- кремнезем (30--45 %), окись кальция (40--50 %), глинозем (10-- 25 %).

Шлаки, получаемые в доменной печи, в последние годы широко используют в промышленности, перерабатывают на цемент и другие строительные материалы (шла-ковую вату для теплоизоляции, шлаковые блоки и др.).

В верхней части печи из шихты отделяются газообразные про-дукты реакций и азот воздуха. Газы, выделяющиеся из доменной печи, называют обычно колошниковыми. Газ со-стоит из 26--32 % окиси углерода, 9--14 % двуокиси углерода и 54--58 % азота.

Восстановление других элементов

В доменную печь с шихтовыми материалами попадают марганец, кремний, сера и другие элементов в виде различных химических соединений. Эти элементы частично или полностью восстанавливаются и входят в состав чугуна, улучшая или ухудшая его свойства.

Марганец: Высшие окислы марганца восстанавливаются до закиси марганца (Mn) окисью углерода, аналогично окислам железа:

MnO 2 >Mn2O3 > Mn3O4 > MnO

При температуре выше 1100 оС протекает реакция с образованием марганца:

MnO + CO > Mn + CO2

Кремний находится в пустой породе руды и в золе кокса в виде свободного кремнезема SiO2 или в виде силикатов (SiO2* 2 CaO и др.).

Восстановление кремния происходит из кремнезема по реакции:

SiO2 + 2 C = Si + 2CO

Эта реакция протекает с поглощением тепла при температурах не ниже 1450 0С.

Другие полезные примеси - никель, ванадий, титан и т.д. - попадают в доменную печь в виде примесей железной руды. При доменной плавке никель восстанавливается и переходит в чугун полностью, хром - на 85- 95 %, ванадий -на 70 - 80 %.

Фосфор - вредная примесь железных руд находится в них главным образом в виде P2O5*3 CaO. Весь фосфор, внесенный шихтой, восстанавливается и переходит в чугун практически полностью.

Сера - особенно вредная примесь в чугуне ( а также в стали). Основное количество серы вносит кокс, часть железная руда, агломерат, окатыши.

Вдоменной печи 10 -20 % серы удаляется в виде соединений (SO2, H 2 S)/ Остальная часть серы переходит в чугун и в шлак в виде сульфидов FeS, CaS/

В условиях доменной плавки основным способом десульфуризации, т.е. удаления серы из металла, является образование сульфида кальция по реакции

FeS + CaO = FeO + CaS

Сульфид кальция нерастворим в чугуне и находится в шлак. Наиболее интенсивно эта реакция протекает при прохождении капель чугуна через слой шлака.

Из этого следует, что одним из основных условий удаления серы из металла является достаточное количество извести СаО в шлаке.

Часть серы удаляется с помощью магнезита, а также марганца:

FeS + MgO = FeO + MgS

FeS + MnO = FeO + MnS

Сульфид магния нерастворим в металле, а сульфид марганца растворяется незначительно.

Важным процессом является шлакообразование. Начинается процесс примерно в распаде печи. Первичный шлак образуется в результате сплавления CaO, SiO2? Al2O3 и других окислов, находящихся в составе флюса и пустой породы. При определенных соотношениях по массе эти тугоплавкие окислы могут образовывать легкоплавкие смеси - сплавы с температурой плавления 1150- 1200 оС. Стекая вниз и накапливаясь в горне, шлак существенyо изменяет свой состав. В результате взаимодействия с расплавленным чугуном и остатками несгоревшего кокса в шлаке восстанавливаются окислы железа и марганца, в нам растворяются сульфиды железе и марганца, зола кокса и т.д. Химический состав шлака определяет состав чугуна и поэтому при выплавке передельных, литейных и других чугунов всегда подбира ют шлак соответствующего состава.

Типовой состав шлака: 40-50 % CaO; 38-40 % SiO 2 7-10 % Al2O3.