«Металлургические процессы» 1. Металлы а) свойства и классификация металлов Ответ: Металлы – вещества характеризующиеся пластичностью, электропроводностью, теплопроводностью, способностью отражать электромагнитные волны Свойства металлов делятся на: физические химические механические технологические. К физическим свойствам относятся: цвет, удельный вес, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, расширяемость при нагревании. К химическим – окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость. К механическим – прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность. К технологическим – прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариемость, обрабатываемость резанием. Классификация металлов: 1)черные металлы это железо и сплавы на его основе – стали чугуны. 2)Цветные: легкоплавкие, тугоплавкие, благородные, щелочноземельные, редкоземельные, радиоактивные. 3)Кристалическое строение металлов. Типы кристаллических решёток. Кристаллическое строение металловусловно можно представить как упорядоченное расположение атомов в пространстве. Каждый из атомов имеет определенное количество соседей, расположенных на одинаковых расстояниях от него. Представить объемное строение металлов позволяет пространственная кристаллическая решётка, формируемая многократным воспроизведением плоской кристаллической решётки параллельно самой себе. Для удобства кристаллическое строение обычно изображают, показывая кружками только центры тяжести атомов и соединения их прямыми линиями которые символизируют межатомные связи. Типы кристаллических решёток: 1) объемно-центрированная кубическая (ОЦК) – атомы расположены в вершинах и в центре куба; такую решетку имеют Nа, V, Nb, Feα, К, Сг, W и другие металлы; 2) гранецентрированная кубическая (ГЦК) – атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани; решетку такого типа имеют Рв, А1, Ni, Аg, Аu, Сu, Со, Fe и другие металлы; 3) гексагональная плотно упакованная (ГПУ) - четырнадцать атомов расположены в вершинах и центре шестиугольных оснований призмы, а три – в средней плоскости призмы; такую решетку имеют Мg, Ti, Rе, Zn, Hf, Ве, Са и другие металлы. б) Металлические руды Ответ: Металлическая руда - это полезное ископаемое, содержащее ценные металлы в количествах, которые выгодны для промышленной переработки. К чёрным металлам относят железо, марганец, хром, титан, ванадий. Месторождения железных руд классифицируют как промышленные при содержании металла не менее нескольких десятков миллионов тонн и неглубоком залегании рудных тел. В крупных месторождениях содержание железа исчисляется сотнями миллионов тонн. Больше всего руды (в млн. т) добывается в Китае (250), Бразилии (185), Австралии (более 140), России (78), США и Индии (по 60) и на Украине (45). Классификация руд черных металлов: Гематитовые руды (красные железняки) представляют собой оксид железа с содержанием железа 51...66%, влаги -1,6...7%. Магнетитовые руды (магнитные железняки) представляют собой сложные оксиды железа. Содержание железа колеблется в пределах 50...60 %, влаги - 2... 12 %. Бурые железняки - руды гидроксида железа. Среднее содержание железа 30-55 %, влаги 8-18 %. ь Железный колчедан (пирит, серный колчедан) -- руда золотисто-желтого цвета с металлическим блеском, содержит до 44% железа и до 52% серы. руда металл цветной месторождение Цветные металлы делятся на две основные группы: легкие (алюминий, магний, титан); тяжелые (медь, цинк, свинец, никель, кобальт). Среди легких цветных металлов по объемам производства и потребления резко преобладает алюминий. Россия располагает крупными запасами руд цветных металлов. Отличительной их особенностью является чрезвычайно низкий процент содержащегося в них металла. Поэтому руды почти всех цветных металлов подвергаются обогащению. Основные запасы размещаются на территории Урала, Западной и Восточной Сибири, Дальнего Востока и других районов страны. Классификация руд цветных металлов: Ферромарганец - сплав, содержащий более 10% железа и менее 10% марганца Хромовая руда содержит 13-61% хрома, 4-25% алюминия, 7-24% железа, 10-32% магния и другие компоненты Бокситные руды содержат 50.-60% глинозема, в составе которого имеется до 37 % алюминия. Глинозем - продукт переработки бокситов, полидисперсный порошок белого цвета, благодаря высокому содержанию оксида алюминия является основным сырьем для алюминиевой промышленности. в) Металлургические процессы Ответ: В основе производства металлов лежат металлургические процессы, то есть технологические процессы извлечения металлов из руд и отходов производства. В общем случае металлургический процесс включает три последовательных стадии: подготовка руды — превращение ее в состояние, обеспечивающее извлечение из руды металла; восстановление химического соединения, в виде которого металл содержится в руде, до свободного металла; вторичная обработка полученного металла. Подготовка руды состоит из ряда механических и физико-химических операций, содержание которых зависит от состава руды и формы химического соединения металла в ней. К таким операциям относят измельчение или укрупнение, классификацию и обогащение руды, а также превращение содержащего металл соединения в форму, пригодную для восстановления. Необходимость последней операции связана с тем, что восстановлению подвергаются преимущественно оксиды, реже галогениды металлов, поэтому все остальные соединения (сульфиды, гидроксиды) должны быть переведены в них. Это достигается воздействием на обогащенную руду высокой температуры или соответствующих реагентов: В соответствии с методом технологические процессы подготовки руды подразделяются на: 1. Пирометаллургические 2. Гидрометаллургические. Пирометаллургические процессы проводятся при высоких температурах с полным или частичным расплавлением руды. К ним относят: обжиг — процесс, проводимый при высокой (500—1200°С) температуре в твердой фазе с целью изменения химического состава руды. Условия обжига зависят от состава руды и назначения процесса. Руды, содержащие сульфиды металлов, подвергаются окислительному обжигу до их оксидов; руды для последующего магнитного обогащения подвергаются восстановительному обжигу; восстановительная плавка — процесс восстановления оксидов металлов при температурах, обеспечивающих полное расплавление руды; дистилляция — процесс испарения перерабатываемого вещества с целью разделения его компонентов на основе их различной летучести. Гидрометаллургические процессы проводятся в водных средах при температурах до 300°С на границе раздела твердой и жидкой фаз. Наиболее распространенным гидрометаллургическим процессом является выщелачивание — процесс перевода в жидкую фазу (раствор) извлекаемых из руды соединений металлов при воздействии на нее растворителей. Выщелачивание может быть физическим процессом (растворитель вода) или химическим процессом (растворитель — реагент, взаимодействующий с извлекаемым компонентом). Вторичная обработка восстановленного металла проводится для его очистки, а также с целью перестройки кристаллической структуры металла, изменения его состава и свойств. К операциям вторичной обработки относятся очистка металла методами дистилляции, электролиза, электрошлакового переплава и зонной плавки; получение сплавов, закалка, отжиг, отпуск, цементирование и др. Некоторые из них рассматриваются ниже. На рисунке ниже представлена общая схема производства металлов из руд (металлургического процесса). I — подготовка руды, II — восстановление, III — вторичная обработка, В — восстановитель, [О] — окисление, Т — термическая обработка г) Физико-химические основы восстановления металлов из руд. Ответ: Процессы восстановления металлов из руд различаются по природе восстановителя и по условиям восстановления. В качестве восстановителей применяют химические вещества или электрический ток, а процесс восстановления можно проводить в растворе, в расплаве или в твердой фазе. В зависимости от этого различают следующие методы восстановления: 1. Гидрометаллургическое восстановление – восстановление химическими восстановителями из водных растворов, например: СиS04 + Zn = Си + ZnS04. 2. Пирометаллургичесrое восстановление – восстановление химическими восстановителями при высокой температуре из расплавов или твердой фазы, например: FeO + СО = Fe + СO2. 3. Электрогидрометаллургическое восстановление – восстановление электрическим током из водных растворов, например: СuS04 + 2е- = Сu + SO4-2. 4. Электропирометаллургическое восстановление – восстановление электрическим током при высокой температуре из расплавов, например: Al2О3 + 6е- = 2Al + 30-2. Наибольшее распространение в металлургических процессах нашли следующие восстановители: водород, углерод, оксид углерода (II), активные металлы. Процессы, основанные на использовании активных металлов, получили название металлотермии. Частным и наиболее распространенным случаем металлотермии является восстановление алюминием – алюминотермия. Восстановление электрическим током представляют собой процессы электролиза в водных растворах или расплавах электролитов, при которых восстанавливаемый металл выделяется на катоде. При восстановлении металлов необходимо учитывать полноту протекания электролиза, от которой зависит экономичность процесса. Оценку проводят по техноэкономическим показателям процесса. Для получения металлов высокой чистоты в промышленности широко используют термическую диссоциацию галогенидов. 2. Производство чугуна а) железные руды Ответ: Железная руда - это горная порода, в состав которой входит естественное скопление разных минералов и обязательно, в том или ином соотношении, присутствует железо, которое можно выплавить из руды. Компоненты, входящие в состав руды могут быть самыми разнообразными. Чаще всего, она содержит следующие минералы: гематит, мартит, сидерит, магнетит и другие. Количественное содержание железа, содержащееся в руде, неодинаковое, в среднем оно колеблется от 16 до 70 %. В зависимости от количества содержания железа в руде, ее делят на несколько типов. Железная руда, содержащая в себе более 50 % железа, называется богатой. Обычные руды в свой состав включают не менее 25 % и не более 50 % железа. Бедные руды имеют небольшое содержание железа, оно составляет всего лишь четвертую часть от общего количества химических элементов, входящих в общее содержание руды. Из железных руд, в которых находится достаточное содержание железа, выплавляют чугун, для этого процесса ее чаще всего обогащают, но могут использовать и в чистом виде, это зависит от химического состава руды. Для того чтобы произвести сталь, необходимо точное соотношение определенных веществ. Это влияет на качество конечного продукта. Из руды могут выплавлять и использовать по назначению и другие элементы. В целом, все месторождения железных руд разделяют на три главные группы, это: • магматогенные месторождения (образованные под воздействием высоких температур); • экзогенные месторождения (образованные в результате отложения осадков и выветривания горных пород); • метаморфогенные месторождения (образованные в результате осадочной деятельности и последующего влияния высокого давления и температуры). б) сырье доменной плавки Ответ: Доменный процесс (доменная плавка) — процесс получения чугуна в доменной печи. Представляет собой совокупность ряда самостоятельных физикохимических явлений, к которым относятся процессы восстановления оксидов и сложных соединений, разложения гидратов и солей, горения твердого, жидкого и газообразного горючего, твердофазные и гетерогенные химические реакции, теплообмен, движение твердых, жидких и газообразных составляющих и др. В качестве шихтовых материалов доменной плавки используются кокс, агломерат, окатыши, руда, известняк. Шихтовые материалы загружаются в доменную печь в кусках размером 40—60 мм. При использовании крупных кусков длительность протекания процессов восстановления и офлюсования увеличивается. Мелкие куски забивают проходы для газов и нарушают равномерное опускание материалов в доменной печи. Куски кокса, агломерата должны быть прочными, хорошо сопротивляться истиранию. Под действием веса столба шихты в шахте доменной печи непрочные материалы превращаются в мелочь и пыль, которые засоряют проходы между крупными кусками, ухудшая газопроницаемость столба шихты. Кокс и агломерат должны иметь достаточную пористость — это ускоряет сгорание топлива и восстановление оксидов железа. В шихтовых материалах должно быть минимальным содержание вредных примесей: фосфора, серы, мышьяка, свинца и др., которые переходят в состав чугуна, а из чугуна при его переработке — в сталь. Эти примеси отрицательно влияют на свойства готового металла. Также все шихтовые материалы должны иметь однородный химический состав, например постоянное содержание железа в агломерате, золы в коксе, извести в известняке и т. д. Колебания химического состава нарушают нормальный ход доменной печи, приводят к повышенному удельному расходу материалов. При прочих равных условиях производительность доменной печи повышается при повышении содержания железа в сырье. в) Теоретические основы доменного производства Ответ: Современное производство черных металлов представляет собой сложное комбинированное производство, состоящее из основных и вспомогательных цехов и заводов. Оно включает: шахты по добыче руды и каменного угля; горнообогатительные комбинаты по измельчению, обогащению и окускованию руд и концентратов; коксохимические цехи и заводы, обеспечивающие подготовку углей, их коксование и улавливание продуктов коксования; энергетические цехи для получения кислорода, сжатого воздуха для дутья и очистки газов металлургических производств; доменные цехи для выплавки передельного и литейного чугунов; заводы для производства ферросплавов; сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные) для производства стали; прокатные цехи. Заводы с полным металлургическим циклом «руда — чугун — сталь — прокат» вследствие высокой материалоемкости производства (6 т сырья на 1 т продукции) размещены в районах месторождений руды или угля; предприятия по выплавке ферросплавов и специальных сталей — в районах, обеспеченных дешевой электроэнергией. В РФ предприятия черной металлургии сосредоточены в трех основных регионах: Уральском (Н.Тагил, Магнитогорск, Челябинск, Новотроицк), Сибирском (Новокузнецк, Новосибирск, Красноярск) и Центральном (Тула, Череповец, Липецк, Москва, Нижний Новгород, Ст. Оскол). Процесс выплавления железа из руды основан на довольно простой химической реакции восстановления оксидов железа до свободного железа: FeO + CO = CO2 + Fe При достаточно высокой температуре оксид железа (II) реагирует с оксидом углерода (II) в результате чего образуется оксид углерода (IV) и металлическое железо. Чугун из железных руд выплавляется в специальных плавильных печах – домнах. Доменная (шахтная) печь устроена так, чтобы реакция могла протекать непрерывно. На практике сверху вниз по шахте печи непрерывно продвигаются углерод и оксид железа, а навстречу им снизу движется воздух. Углерод в виде кокса играет двоякую роль: 1) при сгорании он нагревает печь; 2) и образует газ оксид углерода (II) CO, который восстанавливает оксид железа до металла. Профиль плавильного пространства печи выбран таким образом, чтобы обеспечить равномерное опускание шихты вследствие горения кокса, плавления материалов шихты и периодического выпуска чугуна и шлака, равномерное распределение газового потока по сечению печи и максимально интенсивное протекание процессов восстановления руды, образования и разделения чугуна и шлака. В соответствии с этим в плавильном пространстве печи различают следующие части: колошник, шахту, распар, заплечики и горн. При установившемся режиме работы печи в ней создается и поддерживается определенный температурный режим и протекают химические и физико-химические процессы, которые могут быть сведены к нескольким группам. Они приведены ниже, причем номера их отмечены на схеме печи в тех зонах ее, ) которых они протекают. 1. Подготовительные процессы. К подготовительным процессам, протекающим в интервале температур 100—400°С, относятся выделение гигроскопической и гидратной воды и летучих веществ из твердого топлива 2. Образование газообразных восстановителей. В зоне горна газообразные восстановители образуются в результате полного сгорания углерода кокса и природного газа при температуре 1800-1900ºС. При этом протекают следующие реакции: а) сначала углерод кокса окисляется кислородом воздуха до оксида углерода (IV), а метан – до оксида углерода (IV) и воды: C + O2 = CO2 CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O б) оксид углерода (IV) на поверхности раскалённого кокса восстанавливается до оксида углерода (II), а вода до свободного водорода: CO2 + C = 2CO H2O + C = CO +H2 Образовавшийся в горне восстановительный газ поднимается в верхнюю часть печи шахту, нагревает и восстанавливает компоненты шихты (железную руду и флюсы) при температуре 600-1200ºС. 2. Восстановление оксидов железа. Восстановление оксидов железа начинается при температуре 570ºС и протекает ступенчато от высших окислов к низшим до элементарного железа: Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe Заканчивается восстановление при температуре 1200ºС в распаре. 3. Восстановление железа оксидом углерода (II) принято называть косвенным (непрямым), а восстановление непосредственно углеродомкокса – прямым. В доменных печах преобладает процесс косвенного восстановления оксидом углерода (II) и водородом: 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 - ∆Q Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 + ∆Q FeO + CO = Fe + CO2 - ∆Q 3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O - ∆Q Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O + ∆Q FeO + H2 = Fe + H2O + ∆Q Прямое восстановление начинается в распаре при 1200ºС и особенно интенсивно протекает в заплечиках при 1500ºС: FeO + C = Fe + CO В результате реакций восстановления образуется губчатое металлическое железо. Профиль доменной печи: При установившемся режиме работы печи в ней создаётся и поддерживается определённый температурный режим и протекают следующие физикохимические процессы: 1. Подготовительные процессы; 2. Образование газообразных восстановителей; 3. Восстановление оксидов железа; 4. Науглероживание железа и получение чугуна; 5. Восстановление примесей; 6. Образование шлака. г) Технологическая схема доменного производства Ответ: Современная доменная печь представляет собой высокомеханизированный и автоматизированный агрегат, способный выплавлять до 12 тыс. т. чугуна в сутки. Для успешного управления им нужны знания механических, химических и тепловых процессов, совершающихся внутри печи, а также сведения о всей технологии получения чугуна. Доменная печь - печь шахтного типа. Сверху в печь порциями непрерывно загружают шихтовые материалы - агломерат (окатыши) и кокс, которые медленно опускаются вниз; длительность их пребывания в печи составляет 46 ч. В ниж-нюю часть печи(верх горна) через фурмы подают дутье - нагретый воздух; у фурм за счет кислорода дутья сгорает кокс с выделением тепла, а горячие продукты сгорания движутся через столб шихты вверх, нагревая ее; вре¬мя пребывания газов в печи составляет 3-12с. При опускании нагревающейся шихты в ней из оксидов восстанавливается железо, которое науглероживается, расплавляется и каплями стекает в горн, формируя чугун, а невосстановившиеся оксиды в нижней части печи (низ шахты, распар) расплавляются, образуя шлак, который также стекает в горн. Накапливающиеся в горне чугун и шлак, имеющие температуру 1450-1500°С, периодически выпускают через чугунные и шлаковые летки. Комплекс процессов, протекающих в доменной печи, называется доменным процессом . При этом шихтовые материалы проходят путь от колошника до горна за 5-8 часов, а газы, движущиеся навстречу им - за 2-10 с. Высокая эффективность доменного процесса обуславливается рациональной организацией противотока материалов и газов в доменной печи. При опускании вниз загруженные на колошник холодные материалы непрерывно омываются движущимися вверх горячими восстановительными газами, образующимися в горне при сжигании топлива в кислороде дутья. За время движения материалов сверху вниз успевают произойти все физико химические превращения, обуславливающие получение чугуна и шлака. Доменный процесс является восстановительным противоточным процессом, заключающимся во взаимодействии шихтовых материалов, опускающихся вниз, и поднимающегося вверх потока горячих восстановительных газов. Режим работы печи - непрерывный с периодическими остановками для проведения ремонтно-восстановительных работ. Доменная печь выплавляет в основном передельный чугун, направляемый в мартеновский и конвертерные цеха, и литейный чугун, направляемый на разливочные машины. Шлак от доменной печи убирается шлаковозами и затем перерабатывается в цехе шлакопереработки. Доменный газ после очистки от колошниковой пыли (которая используется в агломерационном производстве) используется в качестве топлива для обогрева воздухонагревателей доменных печей, на ТЭЦ, ПЭВС и прокатными цехами. Важнейшим процессом, протекающим в рабочем пространстве печи, является восстановление железа и его оксидов. Поэтому доменный процесс принято называть восстановительным. Успешность протекания восстановительного процесса в значительной мере зависит от теплового режима, распределения газового потока в столбе шихтовых материалов и характера движения шихты. Основная задача автоматического управления доменным процессом заключается в создании наиболее благоприятных условий для протекания восстановительных процессов. При этом доменная печь работает с максимальной производительностью и экономичностью при ограничениях, обусловленных качеством сырья, мощностью воздуходувных машин, ресурсами кислорода, природного газа, состоянием печи, вспомогательного оборудования и др. д) Продукты доменного производства Ответ: К продуктам доменного производства относятся передельные чугуны, литейные чугуны и ферросплавы. Содержание углерода в передельных и литейных чугунах составляет 3,2— 4,5% (по массе). Ферросплавы имеют повышенное (более 10 %) содержание одного или нескольких элементов, таких как марганец, кремни-ий, хром и др. В доменных печах выплавляют лишь ферромарганец, другие ферросплавы выплавляют в электропечах или получают внепечным методом. Из всего выплавляемого чугуна получают 85—90 % передельного чугуна; 9—12 % литейного чугуна; менее 1 % ферросплавов. По цвету излома чугуны делятся на серый и белый. Цвет зависит от структуры чугуна. В сером чугуне весь углерод (или его большая часть) находится в виде графита, что и придает ему серый или темно-серый цвет. Серый чугун применяют исключительно как литейный. Для него характерно повышенное содержание кремния и пониженное содержание серы. Этот чугун при литье хорошо заполняет формы. Заготовки из него легко обрабатываются резанием. Из серого чугуна изготовляют блоки цилиндров двигателей, головки цилиндров, гильзы цилиндров, корпусы жидкостных насосов, картеры сцеплений, коробок передач, маховики, тормозные цилиндры, тормозные барабаны и др. В белом чугуне весь углерод находится в составе цементита или карбида железа Ре3С, что и определяет белый цвет излома. В основном он используется для переработки в сталь. Находят применение также чугунные отливки с отбеленной поверхностью для изготовления деталей с высокой твердостью и износоустойчивостью: прокатные валки, шары мельниц, лемехи плугов. Высокую твердость и износоустойчивость им придает цементит. В автомобилестроении белый чугун используется для изготовления деталей повышенной прочности на усталостность: коленчатые и распределительные валы, седла клапанов, зубчатые колеса масляного насоса, суппорты дисковых тормозных механизмов и др. При выплавлении чугуна образуется доменный газ, примерно 3000 м3 на 1 т выплавленного чугуна, и шлак — до 0,6 т. Доменный газ содержит 25—34 % СО, 1—3 % Н2, азот и углекислый газ. Теплота сгорания доменного газа 3500—4000 кДж/м3. Доменный газ отводится с колошника, проходит очистку от пыли, захваченной из шихты; часть его (около 25 %) используется на подогрев доменной печи, остальное — на нагрев коксовых батарей, нагревательных печей в прокатных цехах, котлов и т. д. Шлак из доменной печи по желобу стекает в ковш. Затем его гранулируют струей воздуха или пара над водяным бассейном. Из гранулированного шлака производят шлакобетон, шлаковый кирпич. При гранулировании паром из шлака получают шлаковую вату для тепловой изоляции. 3. Производство стали а) сущность превращения металлического сырья в сталь Ответ: Сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки. Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). В процессе плавки стали происходит взаимодействие между металлической, шлаковой и газовой фазами и футеровкой плавильного агрегата, различными по агрегатному состоянию и химическому составу. В результате этого взаимодействия осуществляется переход химических элементов из одной фазы в другую. Обменные процессы сопровождаются химическими превращениями, главным образом на границе металлической фазы со шлаком. Металлическая фаза состоит из расплава химических элементов, шлаковая - из расплава оксидов и их соединений. Поэтому переход элемента из одной фазы в другую возможен только при протекании химической реакции образования или восстаноления оксида. Используя изложенные законы, процессы выплавки стали осуществляют в несколько этапов. Первый этап - расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. На этом этапе температура металла невысока; интенсивно происходят окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей Si, P, Мп по реакциям Fe + 1/2О2 = Fe O + Q 2FeO + Si = SiO2 + 2Fe + Qi кДж 5FeO + 2P = P205 + 5Fe + Q2 FeO + Mn = MnO + Fe + Q3 кДж Наиболее важная задача этого процесса - удаление фосфора (одной из вредных примесей в стали). Для этого необходимо проведение плавки в основной печи, в которой можно использовать основной шлак, содержащий СаО. Такой шлак должен обладать способностью поглощать из металла и удерживать фосфор и серу. 2[Р] + 5(FeO) + 4(CaO) = (4СаО • P2O5)+5[Fe]. Для удаления фосфора из металла необходимы невысокие температуры ванны металла и шлака. И для удаления фосфора из металла необходимо достаточное со-, держание в шлаке FeO, т. е. шлак должен обладать высокой окислительной способностью - передавать кислород металлу, находящемуся с ним в контакте. Для повышения содержания FeO в шлаке в сталеплавильную ванну в этот период плавки добавляют окалину, железную руду, наводя железистый шлак. По мере удаления фосфора из металла в шлак содержание фосфора в шлаке возрастает. В соответствии с законом распределения удаление фосфора из металла замедляется. Поэтому для более полного удаления фосфора из металла с его зеркала убирают шлак, содержащий фосфор, и наводят новый со свежими добавками СаО. Второй этап - "кипение" металлической ванны - начинается по мере ее прогрева до более высоких, чем на первом этапе, температур. При повышении температуры металла в соответствии с принципом Ле Шателье более интенсивно протекает реакция FeO + С = CO + Fe - Q4 кДж. окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты Образующийся в металле оксид железа реагирует с углеродом а пузырьки оксида углерода СО выделяются из жидкого металла, вызывая "кипение" ванны. При "кипении" уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам СО, а также газы, проникающие в пузырьки СО. Все это способствует повышению качества металла. Поэтому этап "кипения" ванны является основным в процессе выплавки стали. В этот же период создаются условия для удаления серы из металла. Сера в стали находится в виде сульфида [FeS], который растворяется также в основном шлаке (FeS). Чем выше температура, тем большее количество FeS растворяется в шлаке, т.е. больше серы переходит из металла в шлак. Сульфид железа, растворенный в шлаке, взаимодействует с оксидом кальция, также растворенным в шлаке: (FeS) + (СаО) = (CaS) + (FeO). Эта же реакция протекает на границе металл - шлак между сульфидом железа в стали [FeS] и (СаО) в шлаке: [FeS] + (СаО) = (CaS) + (FeO). Образующееся соединение (CaS) растворимо в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак. Третий этап (завершающий) - раскисление стали - заключается в восстановлении оксида железа, растворенного в жидком металле. При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород - вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах. Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим диффузионным. Осаждающее раскисление осуществляют введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы Mn, Si, A1 и др. В результате раскиления восстанавливается железо и образуются оксиды MnO, SiO2, A12O3 и которые имеют меньшую плотность чем сталь, и удаляются в шлак. Однако часть их может остаться в стали, что понижает ее свойства. Диффузионное раскисление осуществляют раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и другие раскислители в мелкоразмельченном виде загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. В соответствии с законом распределения оксид железа, растворенный в стали, начнет переходить в шлак. Образующиеся при таком способе раскисления оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, что уменьшает содержание в ней неметаллических включений и повышает ее качество. В зависимости от степени раскисленности выплавляют спокойные, кипящие и полуспокойные стали. Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше. Спокойная сталь раскислена наиболее хорошо — марганцем, кремнием и алюминием. Затвердевание ее происходит спокойно, без выделения газов. В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которую отрезают. Слиток получается плотным, однородным, но выход годного при таком способе раскисления составляет всего 85—90 %. Кипящая сталь раскислена в печи неполностью. Ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка благодаря взаимодействию FeO и углерода, содержащихся в металле. При выплавке в ней сохраняется повышенное количество закиси железа FeO. В процессе затвердевания FeO взаимодействует с углеродом стали и выделяется газ СО. Пузырьки газа всплывают на поверхность, создавая впечатление кипения стали. Слиток кипящей стали затвердевает без образования усадочной раковины. Поэтому выход годного повышается до 95— 100 %. Кипящие стали дешевле спокойных. Однако по качеству кипящие стали уступают спокойным. Они обладают повышенной газонасыщенностью Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично в изложнице благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали. П о л у с п о к о и н а я сталь раскислена марганцем и алюминием и занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей. Выход годного при производстве полуспокойной стали составляет 90-95 %. Она может заменить как кипящую так и спокойную сталь. Легирование стали осуществляют введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы (Ni, Co, Мо, Си), сродство к кислороду у которых меньше, чем у железа, при плавке и разливке практически не окисляются, и поэтому их вводят в печь в любое время плавки (обычно вместе с остальной шихтой). Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti и др.), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда непосредственно в ковш. По способу производства (выплавки) стали делят на мартеновские,, бессемеровские (конвертерные) и электростали. Около 70 % углеродистых сталей выплавляют в мартеновских печах. Широкое применение мартеновского процесса объясняется возможностью переработки не только чугуна, но и металлического лома, а также отходов производства, накапливающихся на заводах в большом количестве. Подавляющее количество мартеновской стали выплавляют основным процессом, при этом футеровка печи основная (магнезит или доломит), шлак тоже основной (CaO, MgO). В таких печах можно выплавлять сталь из шихты, загрязненной серой и фосфором, так как при помощи основного шлака эти вредные примеси могут быть в значительной степени удалены. При кислом процессе футеровка мартеновских печей кислая (динас), шлак тоже кислый (SiO2). В таких печах сталь выплавляют из металлической шихты, содержащей мало серы и фосфора (т. е. более дорогой), так как при этом способе серу и фосфор из металла удалить трудно. При кислом процессе футеровка мартеновских печей кислая (динас), шлак тоже кислый (SiO2). В таких печах сталь выплавляют из металлической шихты, содержащей мало серы и фосфора (т. е. более дорогой), так как при этом способе серу и фосфор из металла удалить трудно. Качество кислой мартеновской стали лучше, чем основной (из-за меньшего содержания кислорода), но необходимость использования шихты чистой по сере и фосфору удорожает производство кислой мартеновской стали. Электросталь, выплавляемая в электрических печах, по качеству превосходит другие виды стали. Производство стали в электропечи с основной футеровкой позволяет наиболее полно удалить из нее серу, фосфор, а также кислород. В электропечах выплавляют преимущественно легированные стали. Дополнительное рафинирование сталей жидким синтетическим шлаком при разливке, и особенно применение выплавки в вакуушю-индукиионных печах, электрошлаковый и вакуумно-дуговойпереплавы обеспечивают получение наилучшего качества, но удорожают производства. РАЗЛИВКА СТАЛИ Выплавленную сталь выпускают из плавильной печи в разливочный ковш, из которого ее разливают в изложницы или кристаллизаторы машины для непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). В изложницах или кристаллизаторах сталь затвердевает, и получаются слитки, которые подвергают прокатке, ковке. Изложницы - чугунные формы для изготовления слитков. Изложницы выполняют с квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями. Слитки квадратного сечения переделывают на сортовой прокат (двутавровые балки, швеллеры, уголки и т.д.). Слитки прямоугольного сечения переделывают на лист. Из слитков круглого сечения изготовляют трубы, колеса. Многогранные слитки используют для поковок. Для прокатки отливают слитки массой 200 кг ... 25 т; для поковок - массой 300 т и более. Обычно углеродистые спокойные и кипящие стали разливают в слитки массой до 25 т, легированные и высококачественные стали - в слитки массой 500 кг ... 7 т, а некоторые сорта высоколегированных сталей - в слитки массой несколько килограммов. Сталь разливают в изложницы сверху и снизу (сифоном) и на МНЛЗ. В изложницы сверху сталь разливают непосредственно из ковша При сифонной разливке сталью заполняют несколько изложниц (4 ... 60). Изложницы устанавливают поддоне 6, в центре которого располагается центровой литник 5, футерованный неупорными трубками 4, соединен каналами 7 с изложницами. Жидкая сталь 2 из ковша 1 поступает в центровой литник и снизу плавно, без разбрызгивания заполняет изложницу 5. Поверхность слитка получается чистой, можно разливать большую массу металла одновременно в несколько слитков. Для обычных углеродистых сталей используют разливку сверху, а для легированных и высококачественных - разливку сифоном. Непрерывная разливка стали coctoiит в том, что жидкую сталь из ковша 1 че рез промежуточное разливочное устройств непрерывно подают в водоохлаждаемый кристаллизатор 3, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток 4 (рис. 2.10). Перед заливкой металла в кристаллизатор вводят затравку, образующую его дно. Жидкий металл, попадая в кристаллизатор и на затравку, охлаждается, затвердевает, образуя корку, и соединяется с затравкой. Затравка тянущими валками 5 вытягивается из кристаллизатора вместе с затвердевающим слитком сердцевина которого еще жидкая. Скорость вытягивания слитка из кристаллизатора составляет от 0,3 до 10 м/мин, зависит от его поперечного сечения, температуры разливаемого металла, условий вторичного охлаждения и теплофизических свойств разливаемой стали. Например, скорость вытягивания слитков с сечениями 150 х 500 и 300 х 2000 мм около 1 м/мин. На выходе из кристаллизатора слиток охлаждается водой из форсунки в зоне 6 вторичного охлаждения. Затем затвердевший слиток попадает в зону 7 резки, где его разрезают газовым резаком 8 на слитки заданной длины. Таким способом отливают слитки с прямоугольным поперечным сечением (150 х 500... 300 х 2000 мм), с квадратным сечением (150 х 150... 400 х 400 мм), круглые в виде толстостенных труб. Вследствие направленного затвердевания и непрерывного питания при усадке слитки непрерывной разливки имеют плотное строение и мелкозернистую структуру, в них отсутствуют усадочные раковины. Выход годных заготовок может достигать 96... 98 % массы разливаемой стали. б) Выплавка стали в кислородном конвекторе Ответ: В кислородных конвертерах выплавляют конструкционные стали с различным содержанием углерода – кипящие и спокойные. Этим способом трудно получать стали, содержащие высокое количество легкоокисляющихся легирующих элементов, поэтому кислородно-конвертерным способом можно выплавить только низколегированную сталь. Легирующие элементы вводятся в ковш в расплавленном состоянии или в виде твердых ферросплавов. Кислородно-конвертерный процесс отличается высокой производительностью: выплавка стали в конвертерах вместимостью 50–300 т идет 25–50 мин. 4. Какие процессы называют процессами прямого восстановления железа? Ответ: Под процессами прямого восстановления железа понимают такие процессы, которые дают возможность получать непосредственно из руды металлическое железо, минуя доменную печь. Способы прямого получения железа позволяют вести процесс не расходуя металлургический кокс, заменяя его другими видами топлива. Известно, что использование железа прямого восстановления при выплавке стали (в основном, в электродуговых печах) позволяет производить наиболее высококачественный, экономически выгодный (с относительно низкой энергоемкостью) и экологически чистый металл без примесей серы и фосфора, пригодный для удовлетворения самых высоких требований таких отраслей-потребителей, как машиностроение (авиа-, судостроение и т. д.). В настоящее время предложено более 20 различных способов прямого получения железа. Железо прямого восстановления (или губчатое железо) в основном производят в виде металлизированных окатышей: холодных СDRI (Сool Direct Reduced Iron) или горячих HDRI (Hot Direct Reduced Iron), а также горячебрикетированного железа НBI (Hot Briquetted Iron). Окатыши СDRI получают в основном в шахтных печах с охлаждением в нижней части печи до 50º С, после чего отравляются на склад, а затем загружаются в электропечь. Окатыши HDRI выгружаются из установки прямого восстановления в горячем состоянии и загружаются в расположенную рядом электропечь при температуре 600º С и выше. Горячебрикетированное железо НBI получается путем прессования брикетов размерами 30×50×110 мм в формы в виде подушек из металлизированного продукта, который выгружается из печи при температуре около 700º С. Наибольшее распространение получили технологии компании Midrex (США). Процесс протекает в шахтной печи, в верхнюю часть которой подаются окатыши или кусковая руда. Установки Midrex действуют на многих предприятиях крупнейшей металлургической компании ArcelorMittal, расположенных в Германии, Канаде, Мексике, Тринидаде и Тобаго и ЮАР. Второй по распространенности технологией прямого восстановления железа является HYL/Energiron. Процесс HYL был разработан мексиканской компанией Tenova для прямого восстановления железной руды (кусковой или окатышей) в металлическое железо с помощью восстановительного газа в реакторе с подвижным слоем. Менее известна технология Finmet, которая позволяет использовать железорудную мелочь без предварительного окускования в процессе газового восстановления в кипящем (псевдосжиженном) слое. По этой технологии пока действует только одно предприятие — Orinoco Iron в Венесуэле. Для получения железа прямого восстановления также применяется целый ряд угольных технологий — SL/RN, Jindal, DRC, SIIL, Tisco, Codir и др. В основном все они действуют на базе печей с вращающимся подом с использованием угля или пылеугольной смеси. Такие предприятия работают в Индии, а также в ЮАР, Китае, Перу и в некоторых других странах. Хотя экологичность таких производств и качество получаемого металла существенно ниже, чем у «газовых» предприятий, однако они дешевле, что и обеспечивает им значительную долю в структуре мирового производства DRI. Существуют также жидкофазные способы прямого восстановления и альтернативные доменной печи установки для получения чугуна.
