• Исходные материалы для выплавки чугуна в доменной печи. Подготовка исходных материалов к плавке.

    Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы.

    Железные руды

    В них железо находится в соединении с кислородом Fe2O3, Fe3O4, FeO. Железа в этих рудах 50% и ниже – 30%. Обогатительная фабрика – концентрат (60%).

    Топливо

    Топливом служит кокс, позволяющий получать необходимую температуру и создавать условия для восстановления железа из руды. В целях экономии часть кокса заменяют природным газом, мазутом, пылевидным топливом.

    Флюс

    Флюсом при выплавке чугуна является известняк CaCO3 илидоломитизированный известняк, содержащий CaCO3 и MgCO3, так как в шлаки должно входить достаточное определенное кол-во основных оксидов(CaO, MgO).

    Подготовка к выплавке

    Необходима для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Цель подготовки – увеличение содержания железа в шихте и уменьшения в ней вредных примесей – серы, фосфора, повышения ее однородности по кусковатости и хим. составу.

    Дробление и сортировка

    Служат для получения кусков оптимальной для плавки величины. Дробление производится на щековых или конусных дробилках или на шаровых мельницах.

    Обогащение руды

    Реализация физических свойств минералов, входящих в ее состав: плотностей составляющих, магнитных, физико-химических свойств минералов.

    Промывка водой отделяет плотные составляющие руды от пустой породы (песка, глины).

    Гравитация (отсадка) – отделение руды от пустой породу при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита, в котором лежит руда.

    Окусковывание проводят для переработки концентратов, полученных после обогащения, в кусковые материалы необходимых размеров. Есть два способа кускования: окатывание и агломерация.


    2) Устройство доменной печи и ее основные свойства.




    Рабочее пространство печи включает колошник, шахту, распар, заплечики, горн и лещадь.

    Полезный объем печи – объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата. Современные печи имеют полезный объем 2000м3…5000м3. Полезная высота печи – 35м.


    Через колошник осуществляется подачи шихты в печь. В верхней части горна находятся фурменные устройства через которые поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива.

    3). Физико – химические процессы доменной плавки.

    Разделяют на:

    Горение топлива, разложение компонентов шихты, восстановление железа, науглероживание железа, восстановление марганца, кремния и фосфора; шлакообразования.

    Горение топлива

    Вблизи фурм углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха,сгорает. Образуется газовый поток состоящий из СО, СО2, N2, H2, CH4 и др. температура в печи выше уровня фурм достигает 2000°С.

    Восстановление железа

    Известняк флюса диссоциирует по реакции CaCO3 = CaO + CO2. В результате взаимодействия оксидов железа с оксидом углерода и твердым углеродом кокса, происходит восстановление железа. Окись идет в несколько стадий Fe2O3Fe3O4FeOFe. Заканчивается при 1100…1200°С.

    Науглероживание железа

    Происходит при взаимодействии с оксидом углерода, коксом, сжатым углеродом. Это приводит к образованию жидкого расплава, который каплями стекает в горн. Капли протекая по кускам кокса насыщаются углеродом(4% и более), марганцем, кремнием и фосфором.

    Марганец

    MnO2Mn2O3Mn4O3MnO (восстановление марганца). Проходит при температуре 1100 С.

    Кремний

    Содержится в руде в виде SiO2, частично восстанавливается твердым углеродом и растворяется в железе. Другая его часть переходит в шлак. Восстанавливается при температуре не ниже 1450 С

    Фосфор

    Содержится в руде в виде соединений (FeO)3 * P2O5 и (CaO)3 * P2O5. При температурах выше 1000 С фофат железа восстанавливается оксидом углерода и твердым углеродом с образованием фосфида железа. При температурах выше 1300 С фосфор восстанавливается из фосфата кальция.

    Образование шлака

    Шлакообразование происходит в распаре после окончания процессов восстановления железа путем сплавления флюсов, добавляемых в печь для обеспечения жидкотекучести при температуре 1400…1500°С. Основные составляющие шлака: оксиды кремния(30…45%), оксиды кальция(40…50%), оксид алюминия(10…25%) и другие компоненты.

    4). Продукты доменного производства:


    Основные виды чугуна, выплавляемого в доменных печах:

    передельный чугун, используемый для производства стали в сталеплавильных агрегатах;

    литейный, идущий для фассонных отливок;


    Побочные продукты доменного производства:

    доменный газ после очистки используется для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь;

    доменный шлак находит применение главным образом в промышленности строительных материалов;


    Оценка эффективности работы доменной печи:

    Коэффициент полезного объема печи (КИПО)=отношению полезного объема доменной печи (V) к ее среднесуточной производительности (Р).

    КИПО=V/P


    Мероприятия по повышению эффективности работы доменной печи: хз




    5). Прямое восстановление железа из руды. Схема процесса и получаемая продукция.


    Реакция взаимодействия оксидов железа и твердым углеродом кокса – прямое восстановление железа. Реакция – эндотермическая (погл. теплота), протекают в нижней части домен. печи, где температура более высокая. Реакция происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте, и повышении температуры и происходит в несколько стадий:

    Fe2 O3 +CO->Fe3O4 +CO2

    Fe3 O4 +CO->FeO +CO2

    FeO+CO->Fe+CO2


    Восстановление заканчивается при 1100-1200 град. Железо восстанавливается почти полностью, потери со шлаком <1%

    6). Выплавка стали. Основные периоды плавки и процессы, происходящие при выплавке стали.


    Сущность – снижение содержания С и примесей путем их избирательного окисления о перевода в шлак и газы. Основные материалы – передельный чугун и стальной лом. Так как в чугуне больше всего Fe – оно окисляется в первую очередь. Одновременно с Fe окисляются Si, P, C, Mn, и др. Оксид железа при высок температурах отдает свой кислород более активным компонентам

    FeO+Si->SiO2+Fe+Q FeO+Mn->MnO+Fe+Q

    FeO+P->P2O5+Fe+Q FeO+C->CO+Fe-Q

    В соответсвии с принципом Ле Шателье реакции с +Q, идут быстрее при низких температурах, реакции с –Q, при высоких. После расплавления шихты образуются 2 несмешивающиеся среды: жидкий металл и шлак. Причем компоненты(Mn, Si,..) растворимые в металле и шлаке будут разделяться в определенном соотношении для данной температуры. Т.о., изменяя состав шлака можно менять соотношение примесей в металле.


    Этапы:

    1-й этап:

    Расплавление шихты, окисление железа, окисление примесей, удаление Р. Для этого проводят плавку в основной печи, где можно использовать шлак, содержащий CaO. Шлак должен обладать высокой основностью.

    FeO+P2O5->(FeO3)P2O5

    (FeO3)P2O5+CaO->(CaOP2O5)+Fe


    2-й этап- Кипение:

    Повышение температуры, окисление углерода. Частично удаляются неметаллические включения(прилипают к пузырькам CO). Удаление серы.

    FeS+CaO->CaS+FeO

    СаS не растворимо в железе, но растворимо в шлаке -> сера удаляется в шлак.


    3-й этап Раскисление железа:

    2 способа осаждающий и диффузионный. Осаждающий способ – введение в жидкую сталь растворимых раскислителей (Mn, Al,Si). В рез-те Fe восстанавливается, а MnO и др. удаляются в шлак.часть остается – свойства стали снижаются.

    Диффузионный способ – раскисление шлака. Ферромарганец, ферросилиций и др. высыпают на шлак в мелкоразмельченном виде. Они восстанавливают оксид железа уменьшая его содержание в шлаке. При этом FeO в растворенный в стали переходит в шлак.


    7). Выплавка стали в основных и кислых плавильных агрегатах. Возможность удаления вредных примесей.


    Удаление примесей: путем отвода шлака с поверхности металла и нанесение нового путем подачи флюса требуемого состава. Этим путем можно удалить вредные примеси: фосфор, серу.


    Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла.

    Идет окисление Fe, образование оксида Fe, окисление примесей Si, P, Mn

    2Fe+O2→2FeO+Q

    Si+FeOFe+SiO2+Q; Mn+FeOFe+MnO+Q; 2P+5FeO→5Fe+P2O5


    Удаление фосфора: плавкой в основной печи, с использованием основного оксида CaO, который способен поглощать из металла и удерживать P и S.

    FeO+P2O5→(FeO)3P2O5; (FeO)3P2O5+CaO→Ca(CO)4P2O5+Fe


    Для более полного удаления фосфора из металла убирают шлак содержащий фосфор, и наносят новый с добавками CaO.


    Второй этап – кипение ванны

    Нагрев ванны, более интенсивное окисление C. При кипении уменьшается содержание углерода до требуемого уровня, частично удаляются газы и неметаллические включения. Повышается качество металла.

    Сера удаляется из стали в шлак: FeS+CaOCaS+FeO;

    В кислых печах: нет условий для уменьшения серы и фосфорав стали, поэтому в них можно выплавлять только стали с малым количеством серы и фосфора.


    Третий этап – раскисление стали

    Заключается в восстановлении оксида железа растворенного в жидком металле.

    2 вида раскисления:

    Осаждающее раскисление: в жидкую сталь вводят растворимые раскислители (FeMn, FeSi) Восстанавливается железо и образуются MnO, SiO2, Al2O3 удаляемые в шлак.

    Диффузионное раскисление: раскислением шлака. FeMn, FeSi загружают на поверхность шлака. Образующиеся оксиды остаются в шлаке, восстановленное железо переходит в сталь, повышая ее свойства.


    В кислых печах: процесс плавки происходит при кислом шлаке. Кол-во MnO и FeO в шлаке уменьшается. После выдержки содержание FeO резко уменьшается, окончательное раскисление проводится добавлением FeMn.

    8). Выплавка стали в кислородном конвертере.


    Кислородно-конвертерный процесс – выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футировкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую форму.


    1 – кислородная фурма

    2 – корпус (толщ. 50-100 мм, внутренняя двойная футировка 70-100 мм)

    3 – опорный пояс

    4 – механизм привода


    O2 – под давлением 0.9-1.4 Мпа

    Диаметр фурмы – 400 мм

    Вместимость 100-300 тонн.


    Шихтовые материалы:

    Жидкий передельный чугун – 70%

    Стальной лом – 20%

    СaO – 5%

    Железная руда, боксит Al2O3



    Последовательность технологического процесса:

    a). Конвертер наклоняют, загружают скрап

    б). Заливают чугун при t=1250-1400 C

    в). Конвертер поворачивают в вертикальное положение, вводят внутрь фурму, через нее кислород под давлением. Одновременно загружают в конвертер известь, боксит, железную руду. t=2400 C в зоне под фурмой. В первую очередь, окисляется железо. Происходит окисление Si, Mn, C в металле и обогащение его кислородом. Фосфор и сера удаляются из металла. Происходит кипение ванны. Подачу кислорода заканчивают, когда % содержания C соответствует заданному.

    г). Из конвертера сталь выпускают в ковш

    д). Сталь раскисляют в ковше.


    В конвертерах выплавляют низколегированные стали. Процесс более произодителен, чем в мартеновских печах (плавка в конвертерах с вместимостью 100-300 т занимает 25-30 мин).



    9). Выплавка стали в мартеновской печи


    Если в процессе плавки стали в шлаке преобладают основные оксиды – основной мартеновский процесс, если кислые – кислый.



    Уровень t>1200 C – клапан переключается.

    Емкость печи 200-900 т

    Производительность зависит от площади пода: 10 т/час, 10-12 ч


    Шихтовые материалы:

    Передельный чугун 55%

    Стальной лом 35%

    Железная руда 10%

    Ферросплавы (FeMn, FeSi)

    Флюс (известь)

    Основные металлургические законы:

    1). Реакции, происходящие при пониженные температурах, идут с повышением теплоты.

    2). В первую очередь, в шихте окисляются те элементы, концентрации которых максимальны.

    3). Отношение оксидов в шлаке к оксидам в металле = const.


    Порядок протекания процессов:


    1). Окисление железа: 2Fe+O2→2FeO+Q

    2). Через шлак начинают окисляться примеси:

    Si+FeOFe+SiO2+Q; Mn+FeOFe+MnO+Q; 2P+5FeO→5Fe+P2O5

    Оксиды остаются в шлаке (наведение шлаков)

    3). Удаление фосфора и серы.

    FeO+P2O5→(FeO)3P2O5; (FeO)3P2O5+CaOCa(CO)4P2O5+Fe

    Шлак сливается, ванна разогревается до 1600 С. Соединение серы с кальцием.

    4). Кипение (интенсивное соединение: C+FeOFe+CO

    Окисление, пока не достигнет данного содержания углерода. После

    5). Добавление ферросплавов FeSi, FeMn

    6). Раскисление стали (бывает полное и неполное). По степени раскисления, стали: спокойные (полностью раскислениые), полуспокойные, кипящие (если слили сразу).


    Основной процесс в мартеновской печи:

    1). Загрузка железной руды и известняка, заливка чугуна. Период плавления: оксисление Si, P, Mn. Оксиды SiO2, P2O5,MnO,CaO образуют шлак.

    2). Период кипения ванны: вспенивание и удаление шлака. Из металла удаляется сера. Металл доводится до неоьходимого химического состава.

    3). Раскисление металла, выпуск металла.


    Основной мартеновский процесс: выплавляют конструкционные, низко- и среднелегированные стали.

    Кислый мартеновский процесс – им выплавляют качественные стали. Шихта с низким содержанием P и S. Кислые стали имеют лучшие механические свойства, ударную вязкость и пластичность. (меньше H2, C, N2, S). Применяют для ответственных сталей.


    10) Электродуговая печь

    Работает на трёхфазном переменном токе и имеет 3 цилиндрических электрода из графитизированной массы. Во время работы печи между электродами и шихтой возникает электрическая дуга, электроэнергия превращается в теплоту, которая передаётся металлу и шлаку излучением. Во время работы длина дуги регулируется автоматически. Можно осуществлять плавку двух видов: на шихте из легированных отходов и на углеродистой шихте. Плавку на шихте из легированных отходов ведут без окисления примесей. Плавку на углеродистой шихте проводят в случае, если используемые шихтовые материалы содержат фосфор и значительно отличаются по составу других элементов по заданной марки стали.

    В печь загружают стальной лом (90%), 8-10% передельный чугун, 2-3% извести и кокса.

    При выплавке легированных сталей в дуговых печах в сталь вводят легирующие элементы в виде ферросплавов. В электродуговых печах выплавляют высококачественные углеродистые стали-конструкционные, инструментальные, жаропрочные и жаростойкие.

    11) Способы снижения содержания газов в стали:

    1) Обработка металла синтетическим шлаком

    Синтетический шлак выплавляют и заливают в ковш . В этот же ковш заливают сталь. При перемешивании поверхность контакта резко возрастает и реакции протекают гораздо быстрее., чем в плавильной печи. Таким образом понижают содержание кислорода и примесей.

    2) Вакуумирование стали

    Вакуумирование стали производят для понижения концентрации водорода, кислорода, азота и неметаллических включений. Вакуумирование может быть: в ковше, циркуляционное и поточное, струйное и порционное. При вакуумной обработке стали происходит раскисление углеродом, т.к. при снижении давления в камере концентрации углерода и кислорода становятся избыточными и появляется возможность окисления углерода. Вакуумирование сопровождается кипением металла.






  • Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
    Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
    Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.