Исходным сырьем производства чугуна. Компоненты, необходимые для получения чугуна. Основные направления в совершенствовании доменного производства

РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ

Основы металлургического производства

6. Производство чугуна

6.1. Доменное производство

Основным способом получения чугуна является доменный процесс, осуществляемый в специальных (доменных) печах. Доменная печь работает непрерывно до капитального ремонта в течение многих лет.

Выплавка чугуна в доменных печах характеризуется сложным комплексом трудоемких подготовительных производственных процессов. Соответствующая технологическая схема представлена на рис.6.1.

Для производства обычного доменного чугуна используют шихту, состоящую из железных и марганцевых руд, флюсов, флюсованного

Рис.6.1 - Схема металлургического производства

агломерата, окатышей и топлива. От качества подготовки сырых мате­риалов - дробления, сортировки, обогащения, окускования - зависит в конечном счете качество выплавленного чугуна.

^ 6.2. Исходное сырье для производства чугуна

Железные руды . Железными рудами называют породы, содержащие металл. Обычно в руде содержится металл в таком количестве, которое позволяет экономично и выгодно извлекать металл.

Железные руды представляют собой главным образом соединения железа с кислородом (окись железа) и пустой породой (землис­той примесью в виде песка, глины и известняка). Рудным минералом называют природные химические соединения железа. В доменных печах железо практически полностью (98 - 99%) переходит в состав чугуна.

^ Пустая порода (балластные соединения, не содержащие железа) может иметь различный химический состав. Обычно она состоит из кварцита или песчаника с примесью глинистых веществ кремнезем и реже - из известняка или доломита. В доменной печи пустая порода плавится и переходит в состав шлака.

В зависимости от количества пустой породы железные руды разде­ляют на богатые, содержащие 45 - 70% железа, и бедные. ^ Богатые ру­ды после дробления и сортировки направляют в плавку, а бедные под­вергают обогащению, в результате которого увеличивается относи­тельное количество окислов железа.

В железных рудах всегда содержится некоторое количество вред­ных примесей - серы, мышьяка и фосфора. В первую очередь разрабатывают месторождения, железная руда которых содержит незначительное количество вредных примесей и незначительное количество пустой породы.

Для выплавки чугуна применяют красный, бурый, магнитный и шпатовый железняки, а также комплексные железные руды.

^ Красный железняк (гематит) содержит 55-70% железа в виде безводной окиси железа Fe 2 O 3 . Примесей серы и фосфора в нем мало. Пустой породой железняка обычно является кварцит. Плотность и прочность красного железняка весьма различны. Восстановимость его в доменных печах хорошая. Наиболее крупные залежи красного желез­няка находятся в районе Кривого Рога. Встречаются эти руды также на Урале и в Сибири.

^ Бурый железняк содержит 35-55% железа в виде водных окислов и чаще всего в виде лимонита. В некоторых видах бурого железняка содержится много фосфора. Пустая порода имеет песчано-глинистое происхождение. Находящаяся в буром железняке гидратная влага при высоких температурах удаляется и руда становится пористой и хорошо восстановимой.

^ Магнитный железняк (магнезит)- минерал черного цвета, содержащий железа 45 - 70%. Это наиболее богатая руда, с небольшим содержанием вредных примесей - серы и фосфора, обла­дает магнитными свойствами, плотна. Железо восстанавливается с трудом.

^ Комплексные железные руды , кроме железа, содержат и другие металлы, которые во время плавки переходят в чугун и легируют его, т. е. улучшают многие его свойства. К более ценным комплексным же­лезным рудам относятся следующие:

Хромоникелевая железная руда, представляющая собой бурый железняк (35 - 40% Fe) с примесью хрома (0,8-1,6%) и никеля (0,4-0,7%);

Ванадистые титаномагнетиты руды состоят из смеси магнетита, ильменита и трехокиси ванадия и содержат 38-47% Fe, 5-15% ТiO 2 , 0,3 - 0,5% V. При плавке значительное количество титана переходит в состав шлака, из которого титан извлекают химическим путем.

^ Марганцевые руды . Железные руды обычно содержат незначительное количество марганца, поэтому при выплавке чугуна в шихту приходится добавлять марганцевую руду.

В доменном производстве применяют марганцевые руды с содержанием 25 - 40% Мn. Пустая порода этих руд обычно глинистый песок. Поэтому марганцевые руды непрочны: при добыче и перевозке образуется много мелочи и пыли. На некоторых рудниках марганцевые руды промывают водой для обогащения.

Наиболее крупные запасы марганцевых руд сосредоточены в Чиатурском (Грузия), Никопольском (Украина) и Мазульском (вблизи г.Ачинска) месторождениях.

^ Отходы металлургического производства . В доменную печь загружают также некоторое количество металлургических отходов: колошниковую пыль (30 - 45% Fe и 3 - 12% С), которую предварительно подвергают окускованию; металлический скрап; передельные шлаки сталеплавильного производства с повышенным содержанием марганца (10 - 18% Fe, 6 - 10% Мn); окалину прокатного и кузнечного производств и сварочные шлаки.

Флюсы - это различные минеральные вещества, добавляемые в доменную печь для понижения температуры плавления пустых пород, удаления золы и серы, а также остатков сгоревшего топлива. Флюсы образуют с пустой породой и золой топлива легкоплавкие сплавы, которые отделяются от металла в виде шлака. Способствуя образова­нию шлаков, флюсы тем самым дают возможность отделить от металла пустую породу.

При наличии в руде песчано-глинистых примесей в качестве флюса применяют известняк, а при известковистом составе пустой породы флюсом служат вещества, содержащие кремнезем, кварц и песчаник.

Топливо. Значение топлива в металлургии исключительно велико, так как процессы получения металлов из руд. производства стали и цветных металлов связаны с их расплавлением. Кроме того. обработка металлов давлением (прокатка, ковка, штамповка), терми­ческая обработка и др. также требуют нагрева.

Топливо является не только источником тепла для расплавления руды, но также участвует в химических реакциях протекающих в доменной печи при выплавке чугуна.

При производстве чугуна применяется твердое топливо - кокс или древесный уголь.

Кокс получают путем нагрева особых спекающихся (коксующихся) каменных углей Донецкого, Кузнецкого, Карагандинского и Пе­чорского бассейнов в специальных печах при температуре 1000- 1100°С без доступа воздуха. Теплотворная способность кокса 7000 - 8000 ккал/кг.

Кокс обладает значительным сопротивлением раздавливанию и истиранию. Недостаток кокса - высокое содержание серы (до 2%) и золы (9-12%).

^ Древесный уголь - продукт нагрева древесины при 400 - 500°С без доступа воздуха. Это наиболее совершенный вид топлива. Содержание золы в древесном угле около 0,8 - 1,0%, а сера и фосфор практически отсутствуют. Недостаток древесного угля - малая проч­ность, что ограничивает высоту доменных печей. Необходимость бе­режного отношения к лесным богатствам позволяет применять дре­весный уголь только для выплавки высокосортных чугунов.

Одним из наиболее эффективных заменителей кокса для доменного процесса является природный газ, применение которого снижает себестоимость чугуна, так как стоимость газа в десятки раз ниже стоимости кокса.

^ 6.3. Подготовка шихты к плавке

Кокс перед загрузкой в доменную печь просеивают на роликовых (дисковых) грохотах. Флюсы дробят в щековых или валковых дро­билках, а затем просеивают на колосниковых (встряхивающих) или барабанных (вращающихся) грохотах.

Подготовка железных руд к плавке зависит от содержания в них железа и их физических свойств. Богатые железные руды направляют на специальные фабрики для дробления и сортировки. Крупные фрак­ции железных руд (более 60-100 мм) поступают на дробление до кус­ков средних размеров с последующей сортировкой. Средние фракции (30-80 мм) направляют железнодорожным или водным транспортом без предварительной обработки на склад металлургического завода.

При складировании железных руд на металлургическом заводе принята определенная система, позволяющая усреднять их состав.

Руду выгружают из вагонов или судов в высокие штабеля и затем пересыпают грейферным краном с одного места на другое. Этим дости­гается перемешивание руды и выравнивание ее химического состава.

Бедные железные руды перед доставкой на металлургический завод обогащают. Известно несколько способов обогащения железной руды. Так, бурый железняк с песчано-глинистой пустой породой промывают сильной струей воды. Пустая порода отделяется от рудного вещества и уносится водой. Эту операцию осуществляют в корытных мойках, вра­щающихся в цилиндрических или конических барабанах, а также в от­садочных машинах с неподвижным или подвижным решетом и пульси­рующей восходящей струей воды. Промытую руду после естественной или искусственной сушки направляют в плавку.

Бедные железные руды, содержащие вкрапления магнетита Fe 3 O 4 , обогащают электромагнитным способом в сепараторах барабан­ного или ленточного типа. Руду с крупными и средними вкраплениями магнетита дробят до кусков размерами 25 - 30 мм и подвергают сухой магнитной сепарации. Руду с мелкими и тонкими вкраплениями магне­тита сначала измельчают до частиц размерами 3 мм, а затем подвергают мокрой магнитной сепарации.

Мелкие фракции железных руд и концентрат, оставшиеся после отсева и мокрой магнитной сепарации, а также пылеватые железные руды можно использовать для плавки только в окускованном виде.

Доля концентрата в общем производстве руды достигла 62%, а доля железа в ряде случаев достигает 69%.

Известно несколько способов окускования рудной мелочи и пылеватых руд. Так, при брикетировании мелкий материал прессуют в специальных формах с добавкой связующих материалов (глины, жидкого стек­ла, смолы, цемента) или без них. После воздушной сушки или высоко­температурного обжига полученные брикеты приобретают необходи­мую прочность. Они представляют хороший материал для выплавки чугуна, однако процесс их получения сложен и недостаточно произво­дителен.

Очень перспективна и все шире применяется подготовка к плавке пылеватых руд и тонкоизмельченного рудного концентрата путем изготовления комков или окатышей. Для получения окатышей пылеватую рудную массу смешивают с незначительным количеством связ­ки (тонкоизмельченой глиной, известью и др.), затем увлажняют до 8 - 10% и загружают в смесительное устройство - вращающуюся неглубокую наклонную чашу или в барабан. При вращении смесителя увлажненная рудная шихта перемешивается. Сначала образуются слипшиеся комочки, а затем шаровидные комки (окатыши) размерами 25-30 мм. После механизированной выгрузки из смесителя окатыши подвергают сушке и обжигу.

Широко распространен способ окускования мелких и пылеватых железных руд агломерацией (спеканием) на колосниковой решетке аг­ломерационных машин. Производительность этих машин достигает 2-2,5тыс.т агломерата в сутки. Для агломерации приготовляют спе­циальную шихту, состоящую из рудной мелочи размером 5-8 мм, колошниковой пыли, рудного концентрата и измельченных до 3 мм отходов коксика. Масса коксика составляет 6 - 10% массы шихты; соотношение между массами рудной мелочи, колошниковой пылью и концентратом определяется местными условиями. Эту шихту перед спеканием увлажняют до 5 - 6% и тщательно перемешивают в смеси­тельных устройствах. При перемешивании образуются комочки, в результате чего шихта приобретает зернистый характер. В таком сос­тоянии ее загружают на колосниковую решетку агломерационной ма­шины слоем толщиной 200 - 300мм и поджигают газовой горелкой сна­ружи. Под колосниковой решеткой находятся вакуумные камеры; мощный эксгаустер создает в них разрежение. Оно обеспечивает про­хождение воздуха через слой шихты и, следовательно, перемещение зоны горения коксика по толщине шихты (горение заканчивается у колосниковой решетки агломерационной машины). При горении кок­сика развивается высокая температура (до 1450°С) и образуется по­ристый продукт (агломерат).

Образование агломерата обусловлено появлением в горячем слое шихты файялита, имеющего температуру плавления около 1210°С. С другими окислами шихты файялит образует более легкоплавкие соединения, переходящие в жидкое состояние при 1130-1200°С. Эти соединения размягчаются и плавятся раньше дру­гих компонентов шихты. При этом они связывают более тугоплавкие и крупные частицы руды. Количество этой связки зависит от содержания кокса в шихте. Чем оно больше, тем прочнее агломерат после остыва­ния.

Агломерат обладает достаточной прочностью, высокой пористостью, хорошей восстановимостью. Применение его увеличивает производи­тельность доменной печи и несколько сокращает расход топлива на 1 т чугуна.

В последнее время на металлургических заводах стали широко при­менять офлюсованный агломерат, получаемый путем спекания желез­ной руды с добавкой известняка. Оптимальное количество известняка в агломерате определяется отношением, т.е. его основностью. Основность агломерата и доменного шлака в среднем равна 1 - 1,4.

Офлюсованный агломерат восстанавливается легче обычного, но он прочен. Такой агломерат облегчает образование шлака в доменной пе­чи, уменьшает расход известняка и кокса. При использовании офлюсованного агломерата флюсы в доменную печь не загружают.

^ 6.4.Устройство доменной печи

Технический прогресс в доменном производстве характеризуется прежде всего увеличением объемов доменных печей.

На рис.6.2. дана современная схема доменного производства.

Доменную печь относят к печам шахтного типа. Рабочее пространство печи состоит из горна, заплечиков и шахты. Шахта - часть печи выше заплечиков; она состоит из нижней цилиндрической час­ти - распара, средней конической части и верхней цилиндричес­кой части - колошника.

Колошник предназначен для приемки шихтовых материалов и отвода газов. Коническая часть шахты облегчает опускание про­плавляемых материалов и распре­деление газов по поперечному се­чению печи. Сужение заплечиков книзу связано с уменьшением объ­ема материалов при переходе в жидкое состояние (чугун и шлак).

В верхней части горна располо­жены воздушные фурмы. Из коль­цевого воздухопровода воздух пос­тупает к каждой фурме печи по футерованному фурменному рука­ву и металлическому патрубку. Воздушная фурма состоит из собст­венной фурмы, бронзового коничес­кого холодильника и чугунной ам­бразуры, закрепленной в огнеупорной кладке печи. Медная водоохлаждаемая фурма выступает внутрь печи на 150-200 мм для отвода дутья от стены печи. Диаметр вы­ходного отверстия фурмы состав­ляет около 150 - 160 мм.

Нижнюю часть горна называют лещадью. Она состоит из несколь­ких рядов высококачественного шамотного кирпича или из графито-глинистых блоков. На ней собирается чугун и шлак, выпуска­емые через соответствующие летки в ковши.

Чугунная летка находится на 600 - 1700 мм выше уровня лещади.Поэтому на ней всегда остается жидкий чугун, предохраняющий лещадь от разрушения. Эта летка имеет форму канала, проходящего: через огнеупорную кладку нижней части горна. Обычно их две, но на больших печах - свыше 3200м 2 - ограничиваются одной. В период между выпусками чугуна летку забивают огнеупорной массой.

Шлаковые летки располагают на 1,4-1,9м выше уровня чугунной летки. Шлаковая летка представляет медную коническую водоохлаждаемую кольцевую трубу, узкое отверстие которой направлено внутрь пе­чи, а более широкое наружное - в сторону желоба для выпуска шлака. В период между выпусками шлака летку закрывают металлическим стопором.

Доменная печь опирается на железобетонный фундамент. По на­ружной поверхности фундамента установлены стальные колонны, под­держивающие опорное кольцо шахты печи.

Огнеупорная кладка шахты охвачена стальным кожухом, имеющим коробчатые холодильники, по которым циркулирует вода. Стенки гор­на и заплечиков заключены в прочную стальную броню с плитовыми холодильниками.

Над колошником печи имеется засыпной аппарат, состоящий из узкой приемной вращающейся воронки.

^ 6.5. Порядок работы доменной печи

Задувка доменной печи . Новую доменную печь после проверки работы оборудования ставят под задувку, т.е. ее подготавливают для непрерывной работы в течение 5-10 лет. Задувку печи начинают с медленной сушки огнеупорной кладки в течение 5 - б суток. Для этого в горне сжигают доменный газ или подают туда горячее воздушное дутье от действующей печи. На новом заводе первую печь сушат при сжигании на лещади дров и кокса. Воздух для горения подают через фурмы, газообразные продукты горения отводятся через колошник.

После сушки и некоторого прогрева кладки в печь осторожно за­гружают задувочную шихту, поджигают кокс около фурм и подают дутье. Задувочная шихта состоит только из одного кокса (холостые колоши), а затем - из кокса с небольшим количеством флюса и руды. С развитием горения кокса в загружаемой шихте увеличивают со­держание руды и флюсов до расчетных значений.

Первый выпуск шлака из доменной печи производят через 15-20ч после задувки, а чугуна - через сутки. Образующийся при задувке печи газ сначала выходит в атмосферу, а затем направляется на газоочистку и далее потребителю.

Схема работы доменного цеха приведена на рис.6.4. Со склада шихтовых материалов шихта поступает в вагон-весах к скиповой яме. Скип загружают шихтой из загрузочной воронки. После этого скип лебедкой поднимают по рельсам наклонного подъемника печи на колошник. Шихта попадает сначала в приемную воронку с малым конусом, затем в загрузочную воронку с большим конусом и далее в рабочее пространство печи.

После загрузки очередной порции шихты приемная воронка с ма­лым конусом поворачивается на 60°, что позволяет равномерно распре­делить шихту на поверхности большого конуса перед опусканием ее в печь. Маневрирование большим и малыми конусами в загрузочном ап­парате доменной печи производится независимо друг от друга.

Наиболее важна реакция, конечным продуктом которой является металлическое железо. Она называется реакцией косвенного восстановления.

^ 6.6. Сущность процессов, происходящих в доменной печи

Реальное исходное сырье металлургического производства загруженное в доменную печь претерпевает сложные процессы. Так при горении кокса вблизи фурм печи проплавляемые материалы постепенно опускаются навстречу потоку раскаленных газов, образу­ющихся в горне и в заплечиках печи. Под действием потока раскален­ных газов шихтовые материалы нагреваются и претерпевают ряд физических и химических изменений. На колошнике печи температура га­зов равна 300 - 550°С, а вблизи фурм она достигает 1900°С. Здесь про­исходит горение углерода кокса по реакции

. (6.1)

В результате этой реакции выделяется большое количество тепла (экзотермическая реакция ). При контакте с раскаленным коксом образо­вавшаяся двуокись углерода почти полностью разлагается по реакции

. (6.2)

Поэтому газовая фаза приобретает резко восстановительные свой­ства.

При соприкосновении в печи с отходящими газами шихтовые ма­териалы теряют сначала гигроскопическую, а затем и химически свя­занную влагу. Вследствие потери влаги (дегидратации) масса кусков шихты уменьшается; они делаются более пористыми и иногда растрес­киваются. Удаление связанной (гидратной) влаги начинается при 102- 105°С и в некоторых случаях заканчивается при 450 - 500°С.

Дегидратация шихтовых материалов начинается на колошнике, а заканчивается обычно в верхней половине шахты печи. Здесь же удаляются остатки летучих веществ из кокса (Н 2 , СН 4 и др.).

В средней и нижней частях шахты печи происходит термическое разложение (диссоциация) углекислых соединений, содержащихся в флюсе и некоторых видах железной руды (сидерите). Температура начала и конца разложения зависит от химической природы углекис­лых соединений и величины кусков. Так, разложение известняка с переходом его в известь происходит при 900 - 1000°С по реакции

. (6.3)

Разложение сидерита с образованием магнетита наблюдается при более низких температурах (400 - 550°С) по реакции

Двуокись углерода, выделяющаяся при разложении СаСО 3 и дру­гих углекислых соединений, уменьшает концентрацию окиси углерода в колошниковых газах.

Куски железной руды и агломерата после удаления из них влаги восстанавливаются, образуя металлическое железо. Восстановителями железной руды в печи могут быть: окись углерода (образуется возле фурм печи при горении кокса); водород (образуется в нижних гори­зонтах печи при взаимодействии влаги дутья с углеродом кокса по реакции С); твердый углерод находится в раскаленном коксе. Обычно в доменных газах содержится небольшое количество водорода; большая часть железной руды восстанавливается окисью углерода и твердым углеродом. Восстановление руды окисью углерода начинается в шахте и происходит ступенчато.

Наиболее важна реакция, конечным продуктом которой являет­ся металлическое железо. Она называется реакцией косвенного вос­становления железа и протекает при умеренных температурах (500 - 900°С) с выделением тепла.

В присутствии раскаленного кокса и при более высоких температу­рах (выше 1000-1100°С) в печи происходит не только восстановление железной руды до металлического железа, но и очень быстрая регене­рация окиси углерода.

Одновременное течение реакций позволяет суммировать их и получить

Реакцию (6.5) называют реакцией прямого восстановления железа . Она происходит при взаимодействии окисла с твердым углеродом кокса или углеродом, отложившимся в порах железной руды при низких температурах в виде сажи. Прямое восстановление железа происходит в районе распара печи и чем выше температура находящихся здесь материалов тем лучше, так как реакция эндотермическая идет с поглощением тепла.

Образующееся в печи металлическое железо находится сначала в твердом виде (губчатое железо), поскольку оно имеет высокую темпе­ратуру плавления (1539°С). В присутствии окиси углерода губчатое металлическое железо постепенно науглероживается.

Температура плавления этого железа понижается до 1150-1200°С. Науглероженное железо (1,8-2%) переходит в жидкое состояние и стекает каплями между кусками раскаленного кокса на лещадь печи. Во время перемещения капельки металла дополнительно насыщаются углеродом примерно до 3,5-4%, т. е. до обычного содержания угле­рода в жидком чугуне.

Одновременно с восстановлением и науглероживанием железа про­исходит восстановление из шихты марганца, кремния и фосфора, ко­торые также переходят в чугун. Высшие и средние окислы марганца восстанавливаются до низшего ступенчато окисью углерода по схеме . Наиболее трудно восстановимый низший окисел марганца (закись) восстанавливается твердым углеро­дом по реакции

Реакция (6.6) сопровождается поглощением тепла и протекает при температурах выше 1100 - 1200°С. Это определяет режим работы печи при выплавке чугуна марганцовистых марок. Печь должна работать при повышенном расходе кокса и возможно более высоком нагребе дутья (до 1200°С и выше; в перспективе даже до 1400°С).

Кремнезем восстанавливается только твердым углеродом.

Для достижения высоких температур и форсирования плавки ших­ты в печь подают горячий воздух ^ 6 (дутье). Холодный воздух из возду­ходувки пропускают через нагретую до 1000-1200°С насадку воздухо­нагревателя 12 . В результате воздух нагревается до 780-950°С. Пока один воздухонагреватель 12 отдает тепло кладки холодному воздуху (и в результате остывает), второй воздухонагреватель 13 нагревается до температуры 1200°С, т.е. регенерирует тепло, выделяющееся при сжигании доменного газа, предварительно очищенного от пыли в га­зоочистителе 14 ; продукты горения удаляются в дымовую трубу 15 .

После остывания насадки воздухонагревателя 12 и достаточного нагрева насадки воздухонагревателя ^ 13 производят перекидку клапанов; холодный воздух направляется в воздухонагреватель 13, а воздухонагреватель 12 нагревается. Обычно воздухонагреватель работает на на­грев дутья около 1 ч и на разогрев огнеупорной насадки около 2 ч. Поэтому для бесперебойного обслуживания печи необходимо иметь три воздухонагревателя. Через шлаковую летку 10 удаляется шлак, а через летку 11 - чугун.

Таким образом, доменный цех со вспомогательными производствами представляет сложную систему, призванную бесперебойно и непрерывно работать много лет без остановки.

Рис.6.4 - Схема работы доменного цеха

Эта реакция в чистом виде развивается при 1450°С, но в присутствии восстановленного металлического железа начинается при более низкой температуре (1050-1100°С). Таким образом, при выплавке чугуна крем­нистых марок печь также работает при повышенном расходе кокса и более высоком нагреве дутья.

Фосфор попадает в шихту в виде фосфорнокальциевых солей. В присутствии пустой породы железной руды фосфор восстанавливается твердым углеродом. Реакция происходит в печи очень легко и фосфор полностью переходит в чугун.

При достаточно большом насыщении шлака известью (45 - 50%) в горне печи наблюдается реакция, в результате которой часть серы переходит в шлак в виде нерастворимо­го в металле сернистого кальция. Для более полного протекания реак­ции необходимо регулировать образование шлака в печи. В част­ности, в шихту следует подавать определенное количество известняка и поддерживать в горне высокую температуру. Последняя зависит от расхода кокса, температуры дутья и правильного режима шлакооб­разования в верхних частях печи.

Образование шлака в печи происходит в две стадии. Примерно на уровне распара или нижней части шахты сначала образуется первич­ный шлак на основе легкоплавкой смеси нескольких окислов - извести, кремнезема, глинозема и закиси железа. При некотором соот­ношении указанных компонентов первые порции жидкого железистого шлака образуются при 1160 - 1200°С. Первичный шлак, стекая в горн, нагревается до более высоких температур и изменяет химический состав в связи с растворением в нем золы кокса, флюсов и остатков пустой породы железной руды. В конечном шлаке остается очень мало закиси железа, но он обогащается известью, окисью магния, иногда глиноземом. В связи с этим обессеривающая способность шлака в горне резко возрастает.

^ 6.7. Продукция доменного производства

Современная доменная печь поглощает большое количество шихто­вых материалов и воздуха. Так, для производства каждых 100т пере­дельного чугуна необходимо в среднем подать в печь 190т железной руды (включая агломерат), 95т кокса, 50т известняка и около 350т воздуха. В результате кроме 100т чугуна получается около 80т шлака и 500т доменного газа. Чугун - это сплав железа с углеродом и другими примесями, в котором содержание углерода колеблется в пределах от 4,14% до 6,7%.

Углерод в чугуне может содержаться в виде механиче­ской примеси (свободного графита) и химического соединения с желе­зом, называемого карбидом железа или цементитом (Fe 3 C). Чугуны, содержащие свободный графит, имеют в изломе серый или темно-серый цвет и крупнозернистое строение. Эти чугуны применяются для получения отливок, так как хорошо заполняют формы и легко поддаются обработке режущими инструментами. Они называются серыми или литейными чугунами. Характерным для них является повышенное содержание кремния и пониженное содержа­ние серы.

Кроме литейных и передельных чугунов, в доменных печах полу­чают специальные чугуны, или ферросплавы. Ферро­сплавы имеют повышенное (более 10%) содержание одного или не­скольких элементов, например, кремния, марганца и др.; применяются в качестве специальных присадок при выплавке стали.

В табл.6.1. приведено примерное содержание элементов в передель­ных, литейных чугунах и ферросплавах. Передельные чугуны разделяются по способу их дальнейшей переработки на сталь на мартеновские (М), бессемеровские (Б) и томасовские (Т). Кроме передель­ных чугунов, указанных в табл.6.1, выплавляются высококачественные чугуны трех марок (ПВК1, ПВК2 и ПВКЗ) с пониженным содержанием фосфора и серы. В нашей стране 75-80% выплавляемого чугуна составляет передельный чугун, 15-20% - литейный чугун и остальное - ферросплавы.

^ Таблица 6.1 - Химический состав чугуна различных сортов (в %)

Сорта чугуна	С*	Si	Мn	P	S Не более
Передельные (ГОСТ 805-57): Мартеновский Томасовский бессемеровский.....	3,8-4,2	0,3-1,25 0,2-0,6 0,7-1,75	0,5-1,75 0,8-1,3 0,5-1,2	0,15-0,3 1,6-2,0 Не более 0,07
Литейные (ГОСТ 4832-58)	3,5-4,5	0,75-3,75	0,5-1,3	0,1-1,2	0,07
Специальные: Зеркальный (ГОСТ 5164-49) ферромарганец (ГОСТ5165-49) Ферросилиций (ГОСТ5163-49)	1,0-2,5			не более 0,22

* В ГОСТ содержание углерода не оговорено, кроме литейного чугуна.

А сколько
стоит написать твою работу?

Тип работы Дипломная работа (бакалавр/специалист) Курсовая с практикой Курсовая теория Реферат Контрольная работа Задачи Эссе Аттестационная работа (ВАР/ВКР) Бизнес-план Вопросы к экзамену Диплом МВА Дипломная работа (колледж/техникум) Другое Кейсы Лабораторная работа, РГР Магистерский диплом Он-лайн помощь Отчёт по практике Поиск информации Презентация в PowerPoint Реферат для аспирантуры Сопроводительные материалы к диплому Статья Тест Часть дипломной работы Чертежи Срок 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Сдачи Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь цену

Вместе с оценкой стоимости вы получите бесплатно
БОНУС: спец доступ к платной базе работ!

и получить бонус

Спасибо, вам отправлено письмо. Проверьте почту.

Если в течение 5 минут не придет письмо, возможно, допущена ошибка в адресе.

Учебное пособие

Металлургическое производство

Введение

Получение металлов известно человечеству давно. Например, медь и олово добывались уже в пятом тысячелетии до нашей эры.

В России первый металлургический завод начал работать в 1701 г. на Урале. В дальнейшем производство чугуна и стали быстро развивалось. Россия даже стала экспортировать сталь. Однако в начале XX века на душу населения в России все же приходилось в 18 раз меньше чугуна и стали, чем в США, в 8 раз меньше, чем в Германии, в 4 раза меньше, чем во Франции.

Металлы и сплавы делят на черные и цветные.

Важнейшим промышленным металлом является железо (Fе), которое в сплавах с углеродом (С) и другими элементами образует группу сплавов черных металлов - сталь, чугун и ферросплавы. Из общего количества производимых в мире металлов свыше 90% приходится на долю черных металлов.

Из цветных металлов особое значение имеют медь (Си), алюминий (А1), магний (Мg), свинец (РЬ), цинк (Zn), олово (Sn), а также хром (Сr), никель (Ni), молибден (Мо) и другие.

Все перечисленные металлы называют техническими в отличие от благородных (платина, золото, серебро), редкоземельных и прочих металлов.

Наибольшее распространение в народном хозяйстве имеют металлические сплавы, так как их свойства лучше свойств составляющих их простых элементов.

1. Металлургия чугуна

1.1 Исходные материалы для выплавки чугуна

Сплавы черные металлов, как было сказано, представляют сплавы железа с углеродом; кроме того, они содержат примеси - кремний, марганец, фосфор, серу и некоторые другие.

Химически чистое железо в промышленности практически не применяется, поскольку механические свойства его невысоки.

Элементом, оказывающим главное влияние на свойства черных металлов, является углерод, и в зависимости от содержания его черные металлы делят на сталь и чугун.

Сталью называют железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2,14%. Чугуном является железоуглеродистый сплав, содержащий углерода от 2,14% до 6,67%. Сталь обладает значительно более высокими механическими свойствами (прочностью, твердостью, пластичностью и др.) по сравнению с чугуном. Основное назначение чугуна - служить сырьем для получения стали.

Исходным сырьем для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы. Агрегатом для выплавки чугуна служит доменная печь.

Рассчитанное в определенном соотношении количество загружаемых в доменную печь исходных материалов называется шихтой.

Железной рудой является горная порода, содержащая те или иные соединения железа, а также примеси соединений других элементов, являющихся пустой породой.

В настоящее время для получения чугуна употребляют следующие руды.

Магнитный железняк (Fе3О4) - минерал черного цвета, обладает магнитными свойствами; содержание в нем железа доходит до 72%,

Бурый железняк (2Fе2О3ЗН2О) - минерал желто-бурого цвета; содержание железа колеблется от 35% до.50%.

Красный железняк (Fе2О3) - минерал красного цвета, содержит до 60% железа.

Шпатовый железняк (FеСО3) - минерал серого цвета, содержит 30-42% железа.

Топливо, употребляемое для доменного процесса, должно иметь высокую теплотворную способность и малую зольность, обладать пористостью, прочностью при высоких температурах, а также содержать как можно меньше серы, которая частично переходит из топлива в чугун и ухудшает его свойства.

В качестве топлива при доменном производстве используется каменноугольный кокс. Для интенсификации выплавки чугуна применяют природный газ и кислород.

Для отделения пустой породы и золы в доменную печь вводят вещества, называемые флюсами; эти вещества при сплавлении с пустой породой и золой топлива образуют легкоплавкие химические соединения, образующие шлак.

Для выплавки чугуна руду подвергают предварительной подготовке - обогащению. Качество подготовки руды оказывает большое влияние на ход плавки, расход топлива и качество получаемого чугуна.

Подготовка руды включает операции дробления, сортировки, обогащения и, если необходимо, обжига.

Дробление - измельчение крупных кусков руды - производится специальными машинами - дробилками, при этом получают куски размером 20-100 мм. Мелочь отсеивается и идет на агломерацию (спекание).

Магнитное обогащение основано на действии магнитного поля на составляющие руды, обладающие магнитными свойствами. Оно осуществляется в агрегатах, называемых магнитными сепараторами.

Агломерация производится с целью использования мелкой порошкообразной руды и колошниковой пыли; для спекания эти вещества смешивают с измельченным коксом.

Спекание осуществляют на специальных агломерационных ленточных машинах, где топливо, сгорая, образует пористые спеченные куски, называемые агломератом.

Прогрессивным способом обогащения руд является более эффективный процесс подготовки руды - окомкование. Сущность процесса состоит в окатывании измельченных частиц шихты и последующем обжиге окатышей/

1.2 Устройство доменной печи

Современная доменная печь представляет собой шахтную (вертикальную) печь общей высотой до 70 м и диаметром до 14 м.

Внутри доменная печь выкладывается (футеруется) огнеупорным кирпичом. Снаружи печь для прочности имеет стальной кожух. Части доменной печи следующие (рис. 1): засыпной аппарат, колошник, шахта, распар, заплечники и горн.

Засыпной аппарат служит для накопления и подачи шихты через колошник. Вверху колошника имеется газоотвод для выхода доменного (колошникового) газа. Шахта имеет форму усеченного конуса, расширяющегося книзу. Такая форма шахты способствует свободному опусканию шихты при плавке. Заплечники имеют форму усеченного конуса, расширяющегося кверху, поэтому они удерживают всю твердую шихту, находящуюся в распаре и шахте.

Рис. 1. Доменная печь:

Дымовая труба;

Горючий колошниковый газ;

Выпуск чугуна;

6.Выпуск шлака;

7.Горячий воздух;

8.Газовый канал;

9.Дымовой канал;

10.Воздушная труба.

Нижняя часть доменной печи - горн - имеет цилиндрическую.форму. В верхней части горна по окружности расположены фурмы для подачи в печь подогретого воздуха, природного газа и кислорода. Нижняя часть горна, в которой собираются жидкий чугун и шлак, называют лешадью. В горне имеется два отверстия - летки - для выпуска чугуна и шлака. Чугунная летка располагается в нижней части горна, а шлаковая - в верхней.

Подогрев воздуха осуществляется для увеличения производительности печи и уменьшения расхода топлива. Нагрев производят в специальных нагревательных аппаратах - воздухонагревателях.

Воздухонагреватель представляет собой башню диаметром порядка 10 м, высотой до 50 м. Корпус воздухонагревателя выполнен из листовой стали, внутри футерован огнеупорным кирпичом. В шахте воздухонагревателя сгорает доменный газ. Остальное пространство воздухонагревателя заполнено насадкой (кирпичной кладкой с проходами для газов), аккумулирующих тепло от продуктов горения доменного газа.

Атмосферный воздух направляется к воздухонагревателю, где проходит через горячую насадку, нагревается до 1000-1200°С и затем направляется к фурмам доменной печи.

1.3 Доменный процесс

В печи непрерывно навстречу друг другу движутся два материальных потока: сверху вниз - поток шихтовых материалов и снизу вверх - поток газов, образующихся в результате горения топлива и реакции с составляющими шихты.

Сущность доменной плавки состоит в восстановлении железа из его оксидов, содержащихся в руде, науглероживании железа до получения чугуна и ошлакования пустой породы.

Кислород воздуха, вдуваемый через фурмы, вступает в реакцию с углеродом топлива по формуле:

С + О2 = СО2 + Q

При этом в районе фурм развивается температура до 2000 °С. Диоксид углерода СО2 при высоких температурах и в присутствии углерода над фурмами восстанавливается в оксид:

С02 + С =2СО - Q

Встречая при своем дальнейшем подъеме руду, часть оксида углерода восстанавливает оксиды железа, при этом вновь превращаясь в С02.

Загруженная в печь руда в области колошника в верхней части шахты высушивается и теряет химически связанную воду. Начиная от середины шахты и до распара происходит постепенное восстановление оксида железа оксидом углерода:

ЗFе2О3 + СО = 2Fе3О4 + СО2

Fе3О4 + СО = ЗFеО + С02

FеО + СО = Fе + СО2

Суммарный тепловой эффект реакций восстановления железа оксидом углерода (косвенное восстановление) является положительным; эти реакции протекают при 400- 950°С. Параллельно в области распара и в верхней части заплечников при температуре 1300-1400 °С идет процесс восстановления железа твердым углеродом раскаленного кокса (прямое восстановление):

FеО + С = Fе + СО + Q

Полученное твердое губчатое железо в зоне распара и заплечников науглероживается и вследствие понижения при этом температуры плавления (температура плавления железа 1539°С, чугуна - 1100-1200 °С), переходит в жидкое состояние. Стекающие в горн струйки чугуна поглощают восстановленные в процессе плавки примеси - марганец, кремний и фосфор, а также частично серу из золы кокса.

Наличие кремния и марганца в чугуне оказывает положительное влияние на свойства чугуна. Фосфор и сера являются вредными примесями. Кремний улучшает литейные качества чугуна; марганец при небольшом (до 1%) содержании повышает прочность чугуна. Фосфор делает чугун хрупким в холодном состоянии, сера увеличивает хрупкость чугунных изделий в нагретом состоянии.

Вместе с кремнеземом (SiO2), глиноземом (А12О3) и другими примесями из пустой породы и золы топлива флюсы образуют шлак, который плавится в распаре и заплечниках и стекает в горн, где накапливается поверх жидкого чугуна.

1.4 Продукты доменного производства

Основным продуктом доменного производства является чугун. В чугуне углерод может содержаться в виде механической примеси (свободного графита) и химического соединения - карбида железа (Fе3С), называемого цементитом.

Чугуны, содержащие свободный графит, имеют в изломе серый цвет и крупнозернистое строение. Эти чугуны применяются для получения отливок, так как хорошо заполняют литейные формы и достаточно легко поддаются обработке режущим инструментом. Такой чугун называют серым или литейным чугуном. Характерным для него является повышенное содержание кремния и пониженное - серы.

Кроме литейных и предельных чугунов в доменных печах получают специальные чугуны, или ферросплавы. Ферросплавы имеют повышенное (более 10%) содержание некоторых элементов, например кремния, марганца. Применяются ферросплавы в качестве специальных присадок при выплавке стали.

Кроме чугуна в доменном производстве получают доменный газ и шлак.

Доменный газ и шлак представляют собой побочные продукты плавки.

Доменный газ используется в качестве топлива. Он улавливается в области колошника и подвергается очистке. Около 25% доменного газа используется непосредственно в доменном процессе, остальные 75% идут для сжигания на ТЭЦ. Шлак идет для производства строительных материалов

2. Металлургия стали

Значительную часть стали получают из предельного чугуна. Сущность процесса заключается в уменьшении в чугуне содержания углерода и примесей (серы, фосфора, кремния и марганца) путем их окисления. Кроме чугуна в состав шихты могут входить металлический лом, железная руда, флюсы. Сталь выплавляют в кислородных конверторах, мартеновских и электрических печах.

2.1 Выплавка стали в кислородных конвертерах

Сущность процесса заключается в том, что через расплавленный чугун и небольшое количество металлического лома черных металлов, загруженных в конвертор, продувается кислород, образуется оксид железа FO, который, взаимодействуя с углеродом и примесями чугуна, окисляет и обращает их в газ и шлак. Реакции окисления идут с выделением тепла. Чугун при этом превращается в сталь. Конвертер с кислородным дутьем (рис. 2) состоит из стального корпуса, футерованного огнеупорным кирпичом. Конвертер имеет поворотное устройство, с помощью которого может устанавливаться в наклонном положении. В таком положении его заливают жидким чугуном, затем устанавливают вертикально и через фурму производят продувку кислородом. По окончании процесса конвертер вновь наклоняют и выпускают сталь и шлак.

Рис.2. Выплавка стали в кислородных конвертерах

Емкость современных конвертеров составляет 300-350т, Продолжительность плавки 30-40 минут. Температура, развиваемая в плавильном пространстве, достигает 1800 °С. Высокая производительность агрегата, простота конструкции и обслуживания, отсутствие потребности в топливе обеспечивают невысокую себестоимость конверторной стали,

К недостаткам работы конверторов относятся невозможность переработки значительного количества металлического лома, значительный угар металла (5-10%), повышенное содержание вредных примесей в получаемой стали.

Конвертерная сталь относится к стали обыкновенного качества. Такая сталь идет для получения проката различного профиля - листов, прутков, трубного проката, уголков и т. д. Кислородное конвертирование - перспективный процесс, поскольку с его помощью в последние годы освоено получение качественной стали.

2.2 Выплавка стали в мартеновских печах

Процесс выплавки разработан французскими металлургами Э. и П. Мартенами. Он отличается более высокой по сравнению с конвертированием температурой, развиваемой в плавильном пространстве печи, - 1800-1900°С, что позволяет перерабатывать чугун в твердом, жидком состоянии, стальные отходы металлургического и машиностроительного производства. В состав шихты могут входить железная руда, флюсы, марганец. В качестве топлива в мартеновском процессе используется природный газ.

Мартеновская печь (рис. 3) работает следующим образом.

Шихта через загрузочные окна 1 загружается в плавильное пространство 2, выложенное огнеупорным кирпичом. Природный газ и воздух, образующие факел для расплавления

Рис. 3. Мартеновская печь

Готовая сталь выпускается через отверстие - летку, расположенную в задней стенке печи. Различают два варианта мартеновского процесса: скрап-процесс и скрап-рудный процесс.

При скрап-процессе шихта на 60-80% состоит из стального лома и на 20-40% - из чушкового чугуна. Такой процесс используется на металлургических заводах, где нет доменных печей. Скрап-процесс позволяет вводить в состав стали легирующие добавки (марганец, хром, ванадий и др.), улучшающие качество стали.

При скрап-рудном процессе шихта состоит на 60-75% из жидкого чугуна, небольшого количества железной руды и металлического лома. Этот процесс используется на металлургических заводах, имеющих доменные печи. Скрап-рудный процесс - наиболее распространенный процесс плавки.

Емкость мартеновских печей достигает 900 т. Время плавки составляет 3-6 часов. Достоинством мартеновского способа является возможность широкого использования в составе шихты металлического лома и получения качественной стали. Основными недостатками мартеновского процесса следует считать значительную продолжительность плавки и большой расход топлива.

2.3 Выплавка стали в электрических печах

Электросталеплавильный процесс, появившийся в конце XIX в., благодаря поддержанию в плавильном пространстве повышенной температуры (порядка 2000 °С и выше),обеспечивает получение стали более высокого качества по сравнению с конверторным и мартеновским процессами. Высокая температура дает возможность полнее удалять примеси, вводить в состав стали тугоплавкие легирующие металлы, значительно повышающие ее прочность, твердость и коррозийную стойкость.

Электрические плавильные печи разделяются на дуговые и индукционные.

Дуговая электрическая печь (рис, 4) состоит из стального кожуха, футерованного огнеупорным кирпичом. Сверху через отверстия в своде печи введены угольные электроды, Шихта загружается через загрузочное окно 1. Шихта плавится под воздействием высокой температуры, создаваемой электрической дугой, возникающей при прохождении электрического тока между электродами 2 и шихтой 3. Готовую сталь выпускают по желобу летки 4 при наклоне печи, осуществляемом с помощью поворотного механизма 5.

Рис. 4. Дуговая электрическая печь

Рис. 5 Индукционная электрическая печь

Емкость дуговых печей колеблется от 0,5 до 400 т, длительность плавки составляет 3-6 часов,

В индукционной печи (рис, 5) плавка осуществляется в тигле из огнеупорного материала 1. Вокруг тигля располагается спиральный индуктор 2, изготовленный из медной трубки, в которой циркулирует охлаждающая вода.

При прохождении тока через индуктор в шихте 4 наводятся мощные вихревые токи, которые обеспечивают плавление шихты. Шихтовые материалы загружаются сверху. Для выпуска готовой стали тигель наклоняют в сторону сливного желоба 3,

В индукционных печах выплавляют особо высококачественные стали. Вместимость печей составляет от десятков килограммов до 2-5 т металла. Продолжительность одной плавки составляет от 0,5 до 2,5 часов.

Электрометаллургический процесс - основной способ производства высококачественных и особо высококачественных и особо высококачественных сталей. Вместе с тем, себестоимость электростали значительно выше конверторной и мартеновской стали. Недостатком электрических печей является относительно малая вместимость, сложность и высокая стоимость электрооборудования, низкая стойкость электродов и тиглей, необходимость использования чистых шихтовых материалов.

2.4 Разливка стали

Изложницы для разливки (сверху)

Разливка сифоном (снизу)

2.5 Непрерывная разливка

Разливка стали имеет очень важное значение в металлургии и позволяет придать полученной стали первичную форму – форму слитка.

Применяют 2 способа разливки: разливка в изложницы и непрерывная разливка стали (рис. 6)

Разливка в изложницы подразделяется на разливку сверху и сифонную разливку.

Разливка сверху используется для получения крупных слитков (десятки тонн). Преимуществом разливки является простое разливочное оборудование, а недостатками - малая производительность и повышенные потери материала за счет усадочной раковины, образующейся в слитке при затвердевании стали.

Сифонный способ разливки (разливка снизу) позволяет получать небольшие слитки (тонны). Производительность процесса выше разливки сверху, поскольку заполняется одновременно несколько изложниц, потери материала меньше. Недостаток способа - сложное разливочное оборудование.

Непрерывная разливка стали - наиболее производительный и экономичный способ разливки. Из ковша 1 через разливочное устройство расплавленная сталь поступает в охлаждаемый водой кристаллизатор 2, В кристаллизаторе сталь затвердевает и в виде слитка 3 непрерывно вытягивается вращающимися роликами 4. Нужной длины слитки отрезаются ацетилено-кислородной горелкой 5.

Преимуществом непрерывной разливки является высокая производительность процесса, возможность получения необходимой формы сочетания слитки, что позволяет направить их непосредственно на обработку резанием и прокатку. При непрерывной разливке до пяти раз сокращаются отходы материалы по сравнению с разливкой в изложницы.

Недостатком способа является сложность разливочного оборудования. Однако применение непрерывной разливки стали в мире быстро увеличивается. Перспективной является организация единого технологического процесса: непрерывная разливка - прокатка стали.

2.6 Прогрессивные способы получения стали

Бездоменная металлургия. Прогрессивным способом является получение стали прямым восстановлением из руд, минуя доменный процесс. Железистый концентрат поступает по пульпопроводу прямо на завод, где в автоматических шахтных печах при температуре 1000 °С получают металлизированные окатыши. Окатыши в качестве шихты поступают в электропечи. Полученный материал после непрерывной разливки сразу идет на прокатку.

Способ весьма экономичен. Отпадают затраты на коксохимическое производство, качество полученной стали высокое, поскольку в рудах Курской магнитной аномалии практически отсутствуют фосфор и сера. Производительность бездоменного процесса заметно выше традиционных способов выплавки стали.

Электрошлаковый переплав (ЭШП). Данным способом получают особо высококачественные легированные стали. Для этого сталь обыкновенного качества подается в установку ЭШП в виде прутков-электродов. Вследствие сопротивления электрода проходящему току выделяется большое количество теплоты, отчего электрод плавится. Расплавленный металл электрода проходит через слой специального жидкого шлака и очищается от вредных примесей и газов. Аналогичный способ - плазменно-дуговой переплав (ПДП). Источником тепла здесь служит плазменная дуга с температурой до 10000 "С. Используется также электронно-лучевой переплав (ЭЛП). Плавление происходит под действием потока электронов, излучаемых высоковольтной кобальтовой пушкой с созданием в плавильном пространстве глубокого вакуума.

Достоинствами перечисленных способов является возможность получения стали и сплавов очень высокой чистоты, применение которых облегчает массу конструкций, увеличивает надежность и долговечность машин и механизмов. Такая сталь необходима для атомной, реактивной и космической техники.

3. Металлургия цветных металлов

Широкое применение цветных металлов объясняется их специфическими свойствами: высокими электро- и теплопроводностью, коррозийной стойкостью, жаропрочностью. Кроме того, цветные металлы способны образовывать сплавы друг с другом и с черными металлами.

Цветные металлы классифицируют на четыре группы:

тяжелые - медь, никель, свинец, цинк, олово;

легкие - алюминий, магний, титан, кальций и др.;

благородные - золото, серебро, платина;

редкие - молибден, вольфрам, ванадий, уран и др.

3.1 Производство меди

Медь имеет красный цвет, температура ее плавления 1083 °С, плотность 8,96 т/м3. Медь хорошо проводит электричество и Тепло, отличается малой прочностью, высокой пластичностью. Медь используется в электро- и радиопромышленности, значительная часть ее идет на получение сплавов.

Около 80% меди выплавляют из сульфидных руд. Основными медными рудами являются медный колчедан (СuFеS2) и медный блеск (Сu2S).

Медные руды относительно бедны (содержание меди - не более 5%), поэтому их подвергают обогащению. С этой целью используют метод флотации, основанный на способности тонко измельченных рудных минералов смачиваться некоторыми реагентами. Смесь измельченной руды, воды и реагентов помещается в специальной ванне, через которую пропускается воздух. Благодаря пузырькам воздуха на поверхность ванны поднимаются частицы рудных минералов, а пустая порода осаждается и удаляется. Содержание меди в полученном концентрате достигает до 30%.

Медный концентрат после обогащения содержит сернистые соединения. Для снижения содержания серы концентрат подвергают обжигу, который ведут в специальных печах при температуре 700-800 °С.

В результате обжига получают так называемый огарок и сернистый газ SО2. Огарок направляется на плавку. Сернистый газ используется для получения серной кислоты.

Плавка огарка производится в отражательных печах, по устройству сходных с мартеновскими. В них одновременно может плавиться более 100 т огарка.

В конце плавки в печи образуется полупродукт - штейн (Си2S4FеS), содержащий до 50% меди, а также железо, серу, кислород и включающий небольшое количество золота, серебра, свинца и других металлов. Штейн сливают и направляют в конверторы для получения черновой меди.

Конвертор представляет собой футерованный изнутри "металлический сосуд, установленный на опорных роликах и поворачивающийся вокруг горизонтальной оси (рис. 7). Масса плавки составляет до 1000 т. Воздушное дутье подается через фурмы, расположенные вдоль конверторов. "Затем в конвертор подается кварцевый флюс. Продувка длится до 30 часов. В результате получают черновую медь.

Рис. 7. Кислородный конвертор:

3.Штейн и шлак

Черновая медь содержит примеси железа, серы, мышьяка, кислорода.

Примеси ухудшают свойства меди, поэтому черновую медь подвергают рафинированию. Рафинирование меди производится огневым и электролитическим способами. Огневое рафинирование осуществляется в пламенных печах и производится в том случае, когда пренебрегают небольшим количеством благородных металлов, содержащихся в черновой меди. Окисление примесей в печи происходит за счет кислорода воздуха, который подается в жидкий металл. Готовую медь разливают на слитки или анодные пластины.

Для получения высококачественной меди и выделения из нее благородных металлов производят электролитическое рафинирование. Для этого черновую медь в виде пластин (анодов) погружают в ванну с водным раствором медного купороса в серной кислоте. Параллельно анодам подвешивают тонкие листы чистой меди (катоды). При прохождении постоянного тока аноды растворяются в воде и медь осаждается на катодах. За 10-12 суток на катодной пластине отлагается около 100 кг меди. Катоды затем переплавляют и разливают в слитки.

В зависимости от степени чистоты различают ряд марок меди (МОО, МО, М1, М2, МЗ, М4) с содержанием меди от 99,0 до 99,95%.

3.2 Производство алюминия

Алюминий - металл серебристо-белого цвета, температура его плавления 660 °С, плотность 2,7 т/м3. Алюминий обладает высокой электро- и теплопроводностью, уступая по этим свойствам серебру и меди, пластичностью и малой окисляемостью. Прочность и твердость алюминия невысокие.

Наибольшее применение алюминий получил в электротехнической промышленности для изготовления проводов и кабелей. Сплавы алюминия широко применяются в авиации, машиностроении, пищевой промышленности.

Получают алюминий из руд с высоким содержанием глинозема: бокситов, нефелинов, алунитов и коалинов. Основным сырьем для получения алюминия являются бокситы (50-60% глинозема).

Процесс получения алюминия состоит из двух стадий: получение глинозема (А1203) из руды и производство алюминия из глинозема. В зависимости от состава и свойств исходного сырья применяют различные способы получения глинозема. Наиболее эффективным из них является щелочной способ. Выход глинозема из руды при этом способе составляет около 87%.

Глинозем представляет собой прочное химическое соединение, температура его плавления - 2050 °С. В этих условиях восстановление алюминия из глинозема весьма затруднительно. Поэтому алюминий получают электролизом из глинозема, растворенного в расплавленном криолите (ЗNаFuА1F3). Процесс проходит в электролизных ваннах (электролизерах). Ванна (рис. 8) представляет собой металлический корпус, футерованный углеродистыми блоками. В них вставляются медные катодные шины. Сверху в ванну опускается угольный электрод, представляющий собой анод.

Рис. 8. Электролизер

В результате электролиза на дне ванны собирается жидкий алюминий, который периодически откачивается с помощью вакуумного насоса.

Для увеличения степени чистоты алюминия его рафинируют. С этой целью алюминий в ковшах при температуре 650-770°С подвергают продувке хлором в течении 10-15 минут. Из алюминия удаляются примеси глинозема, криолита и газы. Готовый алюминий разливают в изложницы.

Алюминий высокой чистоты получают электролитическим рафинированием. Анодом в этом случае служит подлежащий очистке алюминий, катодом - пластины из чистого алюминия. Расплавы хлористых и фтористых солей используются в качестве электролита.

3.3 Сплавы цветных металлов

Сплавы меди нашли в технике широкое применение в качестве конструкционных материалов.

Бронзы - сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием. Эти сплавы более прочны и коррозионностойки, чем медь. Устойчивость к износу делает их незаменимыми для изготовления вклады шей подшипников, червячных колес, шестерен и других деталей машин и приборов.

Сплав меди с цинком называют латунью. Применяют латуни с содержанием цинка до 45%. По сравнению с медью латуни дешевле, прочнее и устойчивее против коррозии. В технике применяют деформируемые и литейные латуни. Деформируемые латуни (обрабатываются давлением) предназначены для изготовления листов, прутков, труб. Литейные латуни применяют для получения изделий путем литья - втулок, деталей санитарно-технической арматуры.

В машиностроении и строительстве широко используют сплавы алюминия. Они делятся на деформируемые и литейные.

Деформируемые алюминиевые сплавы идут для получения листов, проволоки, ленты, фасонных профилей и различных деталей. Наиболее известный сплав - дюралюминий. Дюралюминий хорошо деформируется как в горячем, так и в холодном состоянии. Упрочняющей обработкой для него служит закалка,

В качестве литейных наибольшее применение нашли сплавы алюминия с кремнием - силумины.

Силумины отличаются повышенными по сравнению с алюминием механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью резаньем и высокими литейными качествами. Силумины применяют, например, для отливки блока цилиндров автомобильных двигателей, поршней и т. п.

4. Основы металловедения

Металловедение - наука, изучающая зависимость свойств металлов от их строения и состава. Металловедение является базой для разработки оптимальных технологических процессов обработки металлов.

4.1 Свойства металлов

Металлами называются вещества, обладающие рядом специфических свойств: характерным цветом, высокой электро и теплопроводностью, прочностью, пластичностью, магнитными и другими свойствами. Знание свойств металлов предопределяет области их применения.

Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические.

К физическим свойствам относятся: цвет, плотность, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании.

К химическим - окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость.

К механическим - прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.

К технологическим - жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием и ряд других.

Качественные характеристики свойств металлов устанавливаются испытаниями. Основными видами испытаний являются: механические испытания, химический, спектральный, металлографический и рентгенографический анализы, технологические пробы, дефектоскопия и др.

Детали машин, механизмов, режущие и другие инструменты работают под различными нагрузками. Поэтому они должны, прежде всего, обладать хорошими механическими свойствами. Дадим краткие определения механических свойств металлов.

Прочностью металла называется его способность сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь,

"Твердость - это способность металла противостоять проникновению в его поверхность другого, более твердого тела.

Упругость - свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия на него внешних сил.

Вязкость - способность металла оказывать сопротивление ударным нагрузкам.

Пластичность - свойство металла изменять свою форму под действием внешних сил без разрушения и сохранять измененную форму после прекращения действия этих сил.

Механические свойства металлов определяют испытаниями на статистическое растяжение, ударную нагрузку и на твердость.

Испытания на растяжение проводят на разрывных машинах (рис. 9). Стандартный образец I закрепляют в захватах 2 машины и подвергают растяжению до разрушения. О разрушающей величине нагрузки судят по показаниям прибора. Появление на образце суженного места - шейки - свидетельствует о потере металлом прочности и предшествует разрыву образца.

Рис. 9. Испытание металла на растяжение

Прочность металла оценивается условной величиной - пределом прочности. Предел прочности при растяжении обозначают буквой ив. Предел прочности (или временное сопротивление разрыву) в МПа равен величине нагрузки, приложенной к образцу в момент появления шейки (Рв), деленной на первоначальную площадь поперечного сечения образца (Fo):

Например, 0в для стали марки 08кп равна 295 МПа, для алюминия oв - 90-180 МПа.

Аналогичным образом оценивают упругость металла. "Упругость металла характеризуется пределом упругости. Пределом упругости является условное напряжение, соответствующее появлению первых признаков остающейся при разгрузке образца пластической деформации,

Пластичность металла оценивают по величине удлинения и сужения образца при его растяжении - эти величины называют соответственно относительное удлинение и относительное сужение.

Некоторые детали машин, инструменты типа штампов, кувалды, молотки и т. п. подвергаются действию ударных нагрузок. Испытания на способность металла выдерживать ударную нагрузку выполняют с помощью маятникового устройства - копра.

""Образец стандартной формы устанавливают в опорах копра. Маятник копра определенного веса поднимают на некоторую высоту и затем отпускают. Маятник, свободно падая, ударяет по образцу и разрушает его. Исходя из показаний шкалы устройства, площади поперечного сечения образца, рассчитывают характеристику вязкости, называемую ударной вязкостью.

Принцип работы и назначение электроплавильных печей, их разновидности и применение для выплавки конструкционных сталей ответственного назначения. Спецификация и отличительные особенности печей сопротивления, дуговых и индукционных, плазменных печей.

Современное металлургическое производство чугуна и стали. Схема современного металлургического производства. Продукция черной металлургии. Откатывание (производство окатышей). Образование сплава железа с углеродом при низкой температуре. Восстановление ме

Чугун - сплав железа с углеродом, дешевый машиностроительный материал. Основные физические и химические свойства серого чугуна. Применение в машиностроении для отливок деталей. Влияние на свойства чугуна примесей: кремния, марганца, серы и фосфора.

Разработка техпроцесса изготовления детали "вал-шестерня". Получение материала заготовки: производство чугуна в доменной и стали в электродуговой печах. Выбор способа получения заготовки давлением. Механическая обработка и контроль качества детали.

Производство чугуна и стали. Конверторные и мартеновские способы получения стали, сущность доменной плавки. Получение стали в электрических печах. Технико-экономические показатели и сравнительная характеристика современных способов получения стали.

Роль стали в машиностроении. Коррозия железоуглеродистых сплавов. Факторы, определяющие возникновение скачка потенциала между металлом и раствором. Сущность понятия "коррозия". Способы решения проблемы коррозии металлов. Производство стали и чугуна.

Углеродистые стали как основная продукция чёрной металлургии, характеристика их состава и компоненты. Влияние концентрации углерода, кремния и марганца, серы и фосфора в сплаве на свойства стали. Роль азота, кислорода и водорода, примесей в сплаве.

Металлургия стали как производство. Виды стали. Неметаллические включения в стали. Раскисление и легирование стали. Шихтовые материалы сталеплавильного производства. Конвертерное, мартеновское производство стали. Выплавка стали в электрических печах.

Продукт доменной плавки. Выплавка чугуна из железных руд. Доменная печь. Качественный уровень работы. Профиль рабочего пространства печи. Футеровка колошника. Теплообмен и показатели работы доменных печей. Технико-экономическая оценка доменных печей.

Строение и свойства стали, исходные материалы. Производство стали в конвертерах, в мартеновских печах, в дуговых электропечах. Выплавка стали в индукционных печах. Внепечное рафинирование стали. Разливка стали. Специальные виды электрометаллургии стали.

Изучение видов, особенностей производства, характеристик стали (углеродистая, легированная) и чугуна (белый, серый, ковкий, высокопрочный, половинчатый), определение влияния на их свойства разных химических элементов. Описание устройства доменной печи.