Производство чугуна и стали
|
Общая схема производства изделий из чугуна и стали Строительные изделия из черных сплавов получают путем восстановительной плавки железных руд и производства чугуна, содержащего более 2 % углерода с последующим переделом в сталь путем снижения содержания углерода в сплаве в металлургических агрегатах (конвертерах, мартеновских печах). Строительные материалы из чугуна и стали получают либо способом литья, либо путем механической обработки заготовок (прокатка, прессование и др.). Строительные конструкции изготавливаются путем сварки или клепки заготовок, применяются соединения на болтах. Производство чугуна (доменный процесс) Основано на восстановительной плавке железных руд в доменных печах. Чугун получают из смеси сырьевых компонентов (шихты), состоящей из железных и марганцевых руд, флюсов и топлива (рис. 13.8).  Железные руды Красный железняк (гематит) содержит 55-70 % Fe в виде Fe2O3. Бурый железняк содержит 35-55 % Fe в виде Fe2O3*nH2O (гидрооксида железа). Магнитный железняк (магнетит) содержит 50-69 % Fe в форме Fe3O4. Шпатовый железняк (сидерит) содержит 30-40 % Fe в виде FeCO3. Флюсы В состав руд входят пустая порода и вредные примеси (сера, фосфор и др.), которые необходимо удалить. С этой целью в шихту вводятся флюсы, образующие с примесями легкоплавкие вещества. Химический состав флюса определяется составом пустой породы. Если пустая порода состоит преимущественно из SiO2, то в качестве флюса используется известняк (CaCO3) или доломит (MgCO3*CaCO3). Если пустая порода состоит из CaCO3, то вводят кислые флюсы, содержащие SiO2 и Al2O3 (кварц, глинистый сланец). При выборе флюса учитывается также необходимость удаления вредных примесей (серы, фосфора и других), которые переходят в шлак. Топливо Топливо должно иметь сравнительно высокую прочность и состоять преимущественно из углерода. Этим требованиям соответствует кокс, который получают нагреванием каменного угля без доступа воздуха при максимальной температуре 950-1050 °С. При этом образуется попутный продукт - сырая каменноугольная смола. В доменном процессе кокс используется как топливо и восстановитель. Подготовка шихты к плавке Флюсы и железную руду дробят и разделяют на фракции, бедные руды обогащают. Мелкие фракции брикетируют (прессование, спекание и другое). Соотношение компонентов в шихте устанавливается расчетом так, чтобы получить чугун необходимого состава. Доменная печь - это высокая шахтная печь (рис. 13.9 и рис. А.85).   Имеет металлический кожух из листовой стали и внутри - футеровку из огнеупорного кирпича. По высоте условно разделяется на пять зон, имеющих собственное название. Шихта подается наверх скиповым подъемником, попадает в засыпной аппарат и далее в колошник. Шихта загружается порциями (подачами или колошами). Воздух для горения подается в печь в верхнюю часть горна под давлением 0,5-1,0 атм (0,05-0,10 МПа) через стальные коробки (фурмы), предварительно воздух нагревается до 650-900 °C в воздухонагревателях. Сырьевая смесь постепенно и непрерывно опускается вниз вследствие сгорания кокса в верхней части горна (в области фурм). В этой зоне температура достигает 1700-1800 °C и идут реакции: С + O2 → CO2 и CO2 + C = 2СО; H2O + С = H2 + CO. Газообразные продукты поднимаются вверх и являются восстановителями (CO, H2 и углерод топлива). Восстановительные процессы начинаются в верхней части печи, ускоряются с повышением температуры и при 950 °C и выше проходят за счет углерода кокса. Восстановление газами идет выше распара, а углеродом - в распаре, заплечиках и горне: 3Fe2O3 + CO(H2) = 2Fe3O4 + CO2(H2O); 2Fe3O4 + 2СО(2Н2) = 6FeO + 2СO2(2Н2O); 6FeO + 6СО(6Н2) = 6Fe + 6СO2(6Н2O). Далее происходит плавление и образование расплавов чугуна и шлака. Чугун насыщается углеродом: 3Fe + 2СО = Fe3C + CO2. Жидкие шлак и чугун собираются в горне и не смешиваются, вследствие высокого различия плотности, образуя два слоя - жидкого чугуна (внизу) и шлака (вверху). В шлаковый расплав переходят вредные примеси. Одновременно происходит восстановление Mn, Si и Р, которые содержатся в шихте и переходят в чугун. Расплавы чугуна и шлака периодически (4-6 раз в сутки) удаляются из доменной печи через верхнюю (шлаковую) и нижнюю лётки. Шлаковый расплав направляется в отвал или на грануляцию, а чугун разливается в формы (заготовки - чушки), либо направляется на передел в сталь. Доменная печь работает непрерывно после пуска (задувки) в течение 3,5-4 лет с кратковременными остановками для устранения неполадок. Производство стали Сталь отличается от чугуна более низким содержанием углерода, кремния, марганца, серы и фосфора, что обеспечивается окислением кислородом воздуха в процессе плавки в различных металлургических агрегатах. Применяются агрегаты трех типов - конвертеры, мартеновские и электрические печи. Конверторный способ производства стали В зависимости от типа огнеупорной футеровки конвертера различают две разновидности процесса - бессемеровский и томасовский (рис. 13.10). При бессемеровском (кислом) процессе футеровку выполняют из кислых огнеупоров (динасовый огнеупорный кирпич), при томасовском (основном) процессе применяют основной (доломитовый) огнеупорный кирпич.  При производстве стали преобладают окислительные процессы. Оксиды удаляются с отходящими газами или переходят в шлак. Бессемеровский процесс применяют при производстве стали из чугуна с низким содержанием серы и фосфора, образуются кислые шлаки, в которых эти примеси не растворяются. Бессемеровский способ производства разделяют на три периода. 1. Период образования шлака (4-5 мин). Идут экзотермические процессы: 2Fe + O2 = 2FeO; Si + 2FeO → SiO2 + 2Fe; Mn + FeO = MnO + Fe. Температура расплава повышается, образуется кислый шлак. 2. Период пламени (8-12 мин). Начинается окисление углерода: С+ FeO = Fe+ CO↑. Угарный газ сгорает на воздухе, образуя факел. 3. Период бурого дыма (1-2 мин). Начинается окисление железа, поэтому вводят ферросилиций, ферромарганец и сталь выливают в ковш. Томасовский процесс применяется при производстве стали из чугуна с высоким содержанием фосфора. В конвертер вводят известь (CaO) и затем заливают жидкий чугун, образуется основной шлак. Томасовский способ также разделяют на три периода. Первые два периода совпадают с бессемеровским процессом, в течение третьего периода (3-5 мин) 2Р + 5FeO + 4СаО = (CaO)4 * P2O5 + 5Fe. Образуется фосфат кальция, который переходит в шлак, шлак сливают, вводят раскислители и выливают сталь. Если при производстве стали конвертерным способом воздух обогащают кислородом, то способ производства называется кислородноконвертерным. Конвертерный способ производства стали применяется сравнительно редко. Мартеновский способ производства стали Этот способ производства стали самый распространенный. Применяют печи, состоящие из рабочего пространства, двух примыкающих к нему головок печи и камер (регенераторов) для подогрева горючего газа и воздуха (рис. 13.11). Регенераторы выкладывают из огнеупорного кирпича, они используются для подогрева воздуха, необходимого для окислительных процессов и горения топлива. Регенераторы включаются попеременно через 15-20 мин. В то время, когда одна пара камер нагревает воздух и газ до 1100 °C, другая пара нагревается отходящим газом. Теплота, необходимая для расплавления стали, выделяется при сгорании природного газа.  В зависимости от состава руды и чугуна, под печи футеруется кислыми или основными огнеупорами, соответственно различают основной и кислый мартеновские процессы. В зависимости от применяемых исходных материалов возможны различные варианты мартеновского процесса. 1. Скрап-рудный процесс. Загружают жидкий чугун, металлический скрап, железную руду и флюсы. 2. Скрап процесс - загружается чушковый чугун, металлолом, железная руда (твердая шихта). 3. Рудный процесс - используется жидкий чугун из доменной печи и вводится железная руда для окисления примесей. Преимуществом мартеновского процесса является возможность использования металлического лома и железной руды. Шихта нагревается, плавится, выгорают примеси за счет взаимодействия с кислородом воздуха, при этом образуются два слоя - расплав стали (внизу) и жидкий шлак. Окисление углерода вызывает кипение расплава. Далее вводят ферросилиций и ферромарганец и выпускают сталь. При основном процессе часть шлака удаляют и вводят известь. Производство стали в электрических печах Электрические печи являются более совершенными, позволяют более точно определить химический состав стали, получать легированные стали, достигнуть более полного удаления вредных примесей. Применяются электрические печи двух типов: дуговые и индукционные. В дуговых печах нагревание и плавление металла производится электрической дугой (разрядом), возникающим между графитовыми электродами. Индукционные печи имеют обмотку, по которой пропускается переменный электрический ток. Под действием управляемого переменного электромагнитного поля в металле, находящемся в печи и являющимся вторичной цепью, возникает переменный ток, обеспечивающий нагревание и расплавление. Применяется также дуплекс-процесс, совмещающий выплавку стали в двух плавильных агрегатах - мартеновской и электрической печах, что позволяет получать высококачественную сталь. До появления доменных печей применялось производство стали путем прямого восстановления железа из руды и науглероживания (кричный процесс). Железную руду смешивали с восстановителем (древесный уголь), нагревали и производили механическую обработку (ковку). В современных условиях восстановление железа производится во вращающихся печах, получают губчатое железо, которое используется при производстве стали. |
