Производство чугуна и прямое получение железа

 

Чугун – сплав железа с углеродом с содержанием углерода от 2,14 до 6,67%.

 

Чугун выплавляют в доменных печах, представляющих собой агрегаты шахтного типа. Процесс выплавки чугуна непрерывный. Сверху в доменную печь загружают шихтовые материалы (агломерат, окатыши, кокс, флюсы), а в нижнюю часть печи вдувают воздух, нагретый до 1100—1300°С, с добавками кислорода, а иногда природного газа и мазута. В результате сгорания кокса в нижней части печи образуются газы, состоящие из оксидов углерода в смеси с азотом и водородом. Восходящий поток газа разогревает твердые шихтовые материалы, которые по мере сгорания кокса и проплавления шихты опускаются. При определенных температурах начинается разложение сложных соединений и восстановление железа из оксидов. Этот процесс завершается науглероживанием железа, его расплавлением. Расплав скапливается в нижней части печи, в него переходят частично восстановившиеся кремний, марганец и некоторые другие элементы, а также фосфор, сера. Этот расплав — чугун, содержащий более 92 % Fe; 3,5—4,3 % С, остальное Мп, Si, Р, S. Из печи чугун периодически выпускается.

 

Доменная печь.(реферат)

 

Прямое получение железа

Процессы прямого получения железа, которые в последнее время привлекают все большее внимание, позволяют получить железо прямым восстановлением вне доменной печи без применения кокса.

В этих процессах не только исключается использование кокса для производства, но и получается металл высокой степени чистоты, поскольку не происходит загрязнения его серой из золы кокса и другими примесями, пе­реходящими в жидкий чугун при выплавке в доменной печи.

Испробовано большое число способов прямого восстановления железа, но в промышленном масштабе осуществлены лишь немногие.

В результате прямого восстановления получают твердый железорудный продукт, в котором большая часть железа находится в металлическом виде. При большой степени металлизации продукт прямого восстановления называется губчатым железом, при меньшей металлизированным сырьем.Металлизированный продукт предназначен для переплава в сталь в сталеплавильных печах. При этом обеспечивается получение сталей с высокими механическими, антикоррозионными, электротехническими и другими ценными свойствами.

В процессе прямого восстановления исходным сырьем служат агломерат или железорудные окатыши, в качестве восстановителя используют твердое топливо или газ, содержащий Н₂ и СО.

Процесс производства металлизированных окатышей, проводится в шахтных печах с использованием восстановительного газа, получаемого путем конвертирования природного газа. Природный газ, как известно, состоит из метана, пропана и других углеводородов. Конверсия заключается в разло­жении метана и других углеводородов при неполном сжигании природного газа с помощью СО₂ колошникового газа, отходящего из шахтной печи. Конвертирование проводится в специальном конвертере, в который подается природный и очищенный колошниковый газ. В результате конверсии образуется восстановительный газ, состоящий из СО и Н₂

Шахтная печь (рис. 15) по высоте разделена на две зоны с двумя самостоятельными оборотными газовыми циклами. Сверху в печь загружаются железорудные окатыши, из нижней части непрерывно выгружаются готовые металлизированные окатыши.

В верхний газовый циклон подается восстановительный газ, получаемый в результате конверсии природного газа в специальном конвертере. Этот восстановительный газ состоит из 30 % СО и 70 % Н₂ и имеет температуру 800— 950 °С. В верхней части печи под воздействием восстановительного газа происходит восстановление железа из оксидов. Процесс восстановления и продолжительность пребывания окатышей в верхней половине печи составляют 4—6 ч; температура окатышей в зоне восстановления 760 °С.

Опускаясь в нижнюю часть печи, металлизированные окатыши попадают в нижний газовый циклон, где осуществляется их охлаждение. Для этого в нижнюю часть печи подается смесь восстановительного и изолирующего газа. Изолирующим газом служит часть охлажденных продуктов сгорания, получаемых при конверсировании природного газа. При выгрузке из печи окатыши имеют температуру около 40 °С.

Суммарное время пребывания окатышей в шахтной печи составляет 8—12 ч. Готовые металлизированные охлажденные окатыши непрерывно выгружают в бункер, где их хранят в атмосфере инертного газа, так как эти окатыши имеют склонность к вторичному окислению.

В полученных металлизированных окатышах содержание металлического железа 90—93 %• Эти окатыши являются сырьем для последующего получения стали в электропечах.

 

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сталь – сплав железа с углеродом с содержанием углерода от 0,1 до 2,14 %

Сталеплавильное производство — это получение стали из чугуна и стального лома в сталеплавильных агрегатах металлургических заводов.Сталеплавильное производство является вторым звеном в общем производственном цикле черной металлургии. В современной металлургии основными способами выплавки стали являются кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный процессы. Соотношение между этими видами сталеплавильного производства меняется.

В настоящее время главенствующее место в мире занимает кислородно-конвертерный процесс.

Сталеплавильный процесс является окислительным процессом: сталь получается в результате окисления и удаления большей части примесей чугуна — углерода, кремния, марганца, фосфора. Отличительной особенно­стью сталеплавильных процессов является наличие окислительной атмосферы. Окисление примесей чугуна и других шихтовых материалов осуществляется кислородом, содержащимся в газах, оксидах железа и марганца. После окисления примесей из металлического расплава удаляют растворенный в нем кислород, вводят легирующие элементы и получают сталь заданного химического состава

Основные реакции сталеплавильных процессов

Сталь получают из чугуна и лома методом окислительного рафинирования (т. е. очищения). Кислород для окисления содержащихся в них примесей (углерода, кремния, марганца, фосфора и др.) поступает либо из атмосферы, либо из железной руды или других окислителей, либо при продувке ванны газообразным кислородом.

Окисление углерода. Особенность окисления углерода заключается в том, что продуктом этой реакции является газообразный СО, который, выделяясь из металлической ванны в виде пузырей, создает впечатление кипящей жидкости. Реакцию окисления углерода, растворенного в металле, можно написать в следующем виде:

[C]+ [О] = (СО)

где [С]; [О]—концентрации растворенных в металле углерода и кислорода.

От концентрации углерода зависит кон­центрация кислорода в металле. Чем выше содержание углерода в металле, тем ниже содержание кислорода в нем и наоборот.

Окисление и восстановление марганца. Марганец как элемент, обладающий высоким сродством к кислороду, легко окисляется как при кислом, так и при основном процессах. Реакции окисления и восстановления марган­ца можно представить следующим образом:

Как показывают расчетные и экспериментальные данные, с повышением температуры и основности шлака концентрация марганца в металле увеличивается. Это указывает на то, что реакция окисления марганца достигает равновесия, и окислительный процесс сменяется вос­становительным. Поскольку почти все стали содержат марганец, то его восстановление в процессе плавки — явление желательное.

Окисление и восстановление кремния. Кремний обла­дает еще большим сродством к кислороду, чем марганец, и практически полностью окисляется уже в период плав­ления. Окисление кремния происходит по реакциям:

ISi] + 2[0] = (SiO*); [Si] + 2 (FeO) = (SiO*) + 2[Fe].

При плавке под основным шлаком Si0₂ связывается в прочный силикат кальция (Ca0)₂-Si0_2> что обеспечи­вает почти полное окисление кремния, содержащегося в шихте. При кислом процессе поведение кремния иное: при горячем ходе кислого процесса имеет место интенсив­ное восстановление кремния.

Окисление и восстановление фосфора. Фосфор в ста­ли является вредной примесью, отрицательно влияющей на ее механические свойства. Поэтому содержание фос­фора в стали в зависимости от ее назначения ограничи­вается пределом 0,015—0,06 %. Окисление фосфора мож­но представить следующим образом:

2(Р] + 5(FeO) = (Р₂0₅) + 5[Fel;

(РА) + 3 (FeO) = (FeO)₃.P₂0₆;

(FeO)₃.PA + 4(CaO) =* (CaO)₄-PA + 3(FeO);

2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (CaO)₄ -PA + 5[Fe].

Уравнение для константы можно записать в следую­щем виде:

_{к =} (СаО)₄-Р»0|

(P]?»(FeO)5-(CaO)⁴ *

откуда коэффициент распределения фосфора между ме­таллом и шлаком

L «(РА)/[Р]² = К (FeO)^B (СаО)⁴.

Из уравнения следует, что коэффициент распределе­ния фосфора, характеризующий переход фосфора из ме­талла в шлак, пропорционален концентрации FeO (окис- ленности) и СаО (основности) в шлаке при данной тем­пературе. Наиболее благоприятным для удаления фосфо­ра значением основности является 2,5—2,8 при (СаО)/ /(FeO) =3-f3,5. Успешное удаление фосфора возможно лишь при умеренных (пониженных) температурах. Не­прерывное скачивание и обновление шлака также поло­жительно влияют на процесс дефосфорации.

Десульфурация стали. Сера, также как и фосфор, яв­ляется вредной примесью в стали. Удаление серы можно представить в виде реакции

Fe* 4- IS] + (СаО) = (CaS) + (FeO).

Уравнение для константы имеет вид:

«_ (CaS) (FeO)

“ IS] (СаО) ’

Коэффициент распределения серы I = (S)/(S] - к (CaO)/(FeO).

Из уравнения следует, что повышение основности и снижение окисленности шлака способствует десульфу­рации. Положительную роль оказывает также повыше­ние температуры металла и активное перемешивание ванны. Повышению степени удаления серы способствуют элементы, образующие сульфиды, более прочные, чем сульфид железа. К таким элементам относятся редкозе­мельные металлы.

Газы в стали. Газы (кислород, водород и азот) содер-

жатся п любой стали. Газы даже при содержании их в сотых и тысячных долях процента оказывают отрица­тельное влияние на свойства металла.

Кислород в стали. Растворимость кислорода в стали характеризуется реакцией: 720₂=[0]. В готовом метал­ле содержание кислорода должно быть минимальным.

Водород и азот в стали. Растворимость водорода и азота в металле подчиняется закону Сивертса:

IHI = Кн Vpii,; IN] = /CnI'^Pn,. где Рк, — парци- альные давления газов; /Сн, Кх — растворимость водо­рода и азота при парциальном давлении соответствую­щего газа, равном 0,1 МПа.

Уменьшение растворимости при переходе из жидкого в твердое состояние при кристаллизации стали вызывает

выделение газов из ме­талла, что является при­чиной образования ряда дефектов, например, фло- кенов (мельчайших тре­щин, образующихся в ре­зультате выделения водо­рода в виде газа), порис­тости в слитках готовой стали и т. п. В присутст­вии некоторых элементов в металле могут образо­вываться их соединения с азотом — нитриды. На­личие нитридов в кристаллической структуре многих ста­лей отрицательно влияет на свойства металла.

Азот и водород успешно удаляются из жидкой стали в результате реакции окисления углерода. Образующий­ся по этой реакции СО собирается в пузырьки, которые вырываются на поверхность металла, пробивают находя­щийся над металлом слой жидкого шлака и выходят в атмосферу. В результате этого создается впечатление кипения жидкой ванны.

Всплывающие пузырьки СО захватывают по пути вверх некоторое количество других газов — Н₂ и N₂ (рис. 16). Чем энергичнее протекает кипение металла, тем меньше содержание газов и тем лучше качество ме­талла. Для удаления Н₂ и N₂ применяют также вакуум­ную обработку, продувку ванны нейтральным газом (ар­гоном) и др.

Аналогично удалению газов протекает удаление из

 

 

Строение металлического слитка – рефират