До практичних занять з дисципліни

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

“МЕТАЛУРГІЯ ЧОРНИХ МЕТАЛІВ”

для студентів ЗДІА спеціальності 6.090401 “Металургія чорних металів”

всіх форм навчання

 

Запоріжжя

 

МЕТОДИЧКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ “МЕТАЛЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ”

1. Cамостоятельная работа №1

Введение в металлургию. Общие понятия о производстве черных металлов

Металлургией называется наука о способах производства металлов и сплавов на их основе, а также отрасль промышленности, произ­водящая металлы и сплавы.

Цель работы - изучить теоретические основы металлургических процессов. Получить представление о способах производства чугуна и стали как основных материалов, применяемых в машиностроении.

Получить навыки по выбору приоритетных технологий, позво­ляющих повышать эффективность производства и улучшать качество получаемых сплавов.

Теоретические основы металлургических процессов

Основные вопросы темы Исходные материалы для металлургии (руда, флюсы, огнеупор­ные материалы, металлургическое топливо).

Принципиальная схема получения химического элемента из руды (дробление, окомкование, обогащение руды, шлакование, восстановление элемента из его оксида).

Флюсы и шлаки, их роль в металлургическом процессе; основ­ность флюсов и шлаков, правила их подбора.

Огнеупорные материалы; примеры огнеупоров, их химические и физические свойства.

Металлургическое топливо; виды топлива, искусственное и есте­ственное топливо. Пути повышения температуры горения топлива.

Принципиальная схема выделения искомого элемента из руды. Исходными материалами для металлургии являются: руда, флюс, огнеупорные материалы, металлургическое топливо.

Руда - это полезное ископаемое, содержащее искомый элемент в таком количестве и такого качества, которые допускают экономически выгодное извлечение его в промышленном масштабе. Состав руды - это рудное тело и пустая порода. Рудное тело - часть руды, содержащая искомый элемент Ме^[1], чаще соединенный с кислородом. Пустая порода - балласт, т.е. горная или другая порода, не содержащая иско­мого элемента. В основном пустая порода содержит следующие хими­ческие соединения: SiO₂-кремнезем; А1₂0₃-глинозем; МgО-магнезия; СаО-известь. Как видно, в составе пустой породы преобладают оксиды.

Процесс получения искомого элемента из руды включает в себя два этапа: отделение пустой породы от рудного тела и выделение ис­комого элемента из его оксида.

Частичное отделение пустой породы от рудного тела вне метал­лургического агрегата с целью повышения содержания искомого эле­мента в руде называется обогащением. Этот процесс основан на раз­личии физических свойств рудного тела и пустой породы. Так, при маг­нитном обогащении используется различие магнитных свойств рудного тела железной руды и пустой породы. Флотация, которой чаще под­вергаются медные руды, основана на различной смачиваемости рудно­го тела и пустой породы. Способ сепарации основан на использовании различий по плотности частиц рудного тела и пустой породы.

В результате процесса обогащения получают концентрат, в кото­ром содержание искомого элемента Ме значительно выше, чем в руде.

Эффективность работы металлургического агрегата зависит от размера кусков исходного материала. Крупные фрагменты руды под­вергаются дроблению, сортировке, а мелкую руду окусковывают. Су­ществует два метода окусковывания: агломерация и окатывание.

Агломерацией называется процесс спекания мелкозернистой руды или концентрата с твердым топливом, а иногда и с флюсом (оф­люсованный агломерат). Еще больший эффект получается при окаты­вании, в результате чего получают окатыши-шарики диаметром до 35 мм, которые затем подвергаются обжигу.

Комплекс исходных материалов, загружаемых в металлургический агрегат, называется шихтой.

Окончательное отделение пустой породы от рудного тела проис­ходит в самом металлургическом агрегате в результате процесса шла­кования. Для этого в состав шихты вводят флюс. Флюс сплавляется с окислами пустой породы, золой, другими неметаллическими включе­ниями; происходит образование легкоплавких соединений, которые не растворимы в металле, а растворимы в шлаке, идет процесс шлакооб­разования. Обычно окислы, составляющие пустую породу, имеют высо­кую температуру плавления (выше температуры плавления основного металла, а зачастую и выше температуры рабочего пространства пе­чи.) При взаимодействии с флюсом температура плавления пустой по­роды снижается. Так, кварцевый песок SiO₂ плавится при температуре 1710⁰С, а известь СаО - при 2000⁰С. Продукт их сплавления в соотно­шении 50% СаО на 50% SiO₂ имеет температуру плавления 1170⁰С (рис 5.1).

100 50 0% SiO2 Рис.1.1. Диаграмма состояния расплава Са0-SiO2

 

Рассмотрим процесс шлакования, который имеет место в домне при производстве чугуна. В качестве флюса применяют известняк СаСО₃. Прогревшись в домне до температуры порядка 600⁰С, он начи­нает разлагаться, выделяя основной оксид СаО, который в свою оче­редь будет взаимодействовать с кислым оксидом SiO₂, являющимся основной составляющей пустой породы железных руд. В результате образуется комплексное соединение, переходящее в шлак. Условно данную химическую реакцию можно записать следующим образом:

CaCO ® CaO + CO₂ (5.1)

m(SiO₂) + n(CaO) ® (SiO₂)m (CaO)n (5.2)

 

Основной принцип шлакования заключается во взаимодейст­вии кислых и основных оксидов с образованием комплексных соедине­ний, не растворимых в металле, но растворимых в шлаке.

Шлак - продукт взаимодействия флюса с пустой породой, а также золой и другими примесями. Шлак называют кислым, если в его соста­ве преобладают кислые оксиды (SiO₂, Р₂0₅), и основным, если в его со­ставе преобладают основные оксиды (Са0, Мg0, Fе0, Мп0).

Во время плавки в металлургической печи образуются две не- смешивающиеся среды: расплавленный металл и шлак. Их взаимодей­ствие описывается законом действующих масс. При стабильных внеш­них условиях (температура, давление, концентрация) устанавливается равновесие между металлом и шлаком. Если убрать (скачать) шлак с поверхности металла и навести новый путем подачи новой порции флюса, можно управлять процессом удаления вредных примесей. Та­ким приемом пользуются при выплавке стали, очищая её от серы и фосфора. Регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управления металлургическим процессом.

При переработке руды в результате процесса шлакования пустая порода полностью отделяется от рудного тела МеО. Следующий этап - это выделение элемента Ме из его оксида.

Химическая реакция

МеО ® Ме+О (5.3)

 

принципиально возможна при условиях создания глубокого вакуума. Глубина вакуума при этом зависит от сродства искомого элемента с кислородом. На практике используется химическая реакция замещения

 

МеО+Х ® Ме+ХО, (5.4)

 

где Х - условное обозначение химического элемента, обладающего большим сродством к кислороду, чем элемент Ме.

Алгоритм выделения элемента из руды представлен на рис.5.2.

Огнеупорами называют строительные материалы, применяемые в металлургии, которые выдерживают высокие температуры воздейст­вия расплавленных металла и шлака и горячих газов без разрушения. Они используются для облицовки (футеровки) металлургических печей, разливочных ковшей, а также воздухонагревательных устройств и ды­моходов.

Качество огнеупорных материалов определяется их соответстви­ем определенным рабочим свойствам; главными из них являются: ог­неупорность, химическая активность, строительная прочность, терми­ческая устойчивость.

Огнеупорностью называется свойство материала противостоять воздействию на него высоких температур (900 - 2000⁰С). Она зависит преимущественно от химического состава материала.

Химическая активность (или шлакоустойчивость) определяется способностью огнеупорного материала противостоять химическому воздействию расплавленного металла, шлака, горячего печного газа. Во избежание химического взаимодействия шлака и огнеупора послед­ние подбираются по следующему принципу: кислый шлак - кислый огнеупор; основной шлак - основной огнеупор.

Рис.1.2. Принципиальная схема получения элемента из руды

 

Термическая устойчивость - способность материала противостоять резкому перепаду температур. Она зависит от теплопроводности материала и коэффициента линейного расширения. Примеры основ­ных огнеупорных материалов приведены в табл.5.1.

Таблица 1.1 Огнеупорные материалы Огнеупор Химические свойства Температура, 0С Главная составная часть Динас Кислый   SiO2- 93% Магнезит Основной   МgО- 92% Доломит Основной   СаО×МgО (50%, 35%) Шамот Нейтральный   Аl2Оз×SiO2 (40%, 60%) Графит Нейтральный >2000 С - 92%

Металлургическое топливо.

Металлургическое топливо

Высокая температура протекания металлургических процессов обеспечивается за счет сжигания металлургического топлива. Оно под­разделяется по агрегатному состоянию на твердое, жидкое, газообраз­ное, а также разделяется на естественное и искусственное: каменный уголь - кокс; нефть - мазут; природный газ - генераторный газ (табл. 1.2). Энергетически не целесообразно сжигать естественное топливо. При переработке естественного топлива в искусственное отделяются ценные химические вещества, при этом теплотворная способность ма­ло меняется.

Таблица 1.2 Агрегатное состояние Естественное топливо Искусственное топливо Твердое Каменный уголь, горючие сланцы, бурый уголь, дрова Кокс, каменноугольная пыль, древесный уголь Жидкое Нефть Мазут, каменноуголь­ная смола Газообразное Природный газ Коксовый газ, генераторный газ

 

Эффективность работы металлургического агрегата во многом зависит от температуры горения топлива, которая может быть оценена по уравнению теплоты:

Q = СМТ, (5.5)

 

где Q - количество теплоты, Дж;

С - удельная теплоемкость продуктов сгорания, Дж/кгК;

 

 

 

Реальными путями повышения эффективности использования металлургического топлива являются следующие:

-использование высококалорийного топлива;

- дробление твердого и распыление жидкого топлива;

- предварительный подогрев газообразного топлива и воздуха;

- обогащение воздушного дутья кислородом.

Все устройства для подогрева газообразного топлива и воздуха, подаваемых в металлургическую печь, работают по принципу теплооб­мена. Внутри них размещена насадка из огнеупорного кирпича, выло­женного в клетку, нагрев которой происходит либо за счет тепла, полу­чаемого от дожигания очищенных от пыли отходящих от печи газов, либо за счет теплообмена.

В мартеновских печах (рис.1.3) - это регенераторы, огнеупорная кладка которых нагревается отходящими из печи газами.

Принцип работы рекуператора представлен на рис.1.5.. И в том и в другом случае нагрев огнеупорной кладки идет за счет отходящих из печи газов. Для нагрева воздуха, подаваемого в доменную печь, служат кауперы, кладка которых нагревается за счет сжигания доменного газа (рис. 1.б).

 

Классификация нагревательных устройств и области их примене­ния представлены на рис.1.3.

Рис.1.3. Виды устройств для нагрева воздуха и газообразного то­плива, подаваемых в металлургические печи

 

 

воздух Рис. 1.3. Схема пламенной регенеративной печи: 1 - регенератор для нагрева газа; 2 - рабочее пространство печи; 3 - регенератор для нагрева воздуха

 

 

Рис. 1.5. Схема воздухонагревателя (каупера) для доменной печи: 1 - огнеупорная кладка; 2 - газопровод для подачи дожигаемого домен­ного газа; 3 - нагреваемая кирпичная кладка; 4 - перекрываемый канал, соединенный с дымоходом

 

2. Cамостоятельная работа №2

Изучение технологии выплавка чугуна из железных руд

Основные вопросы темы. Химический состав чугунов.

Исходные материалы для производства чугуна (руда, флюс, кокс, агломерат, окатыши).

Устройство и принцип работы доменной печи.

Физико-химические процессы (горение топлива, восстановление железа, шлакование, науглероживание).

Продукты доменной плавки (чугун литейный и передельный, фер­росплавы, побочные продукты.)

Технико-экономические показатели работы доменной печи. Пути повышения эффективности работы домны.

Чугун - сплав железа с углеродом, в котором содержание угле­рода более 2,14%. Сопутствующими элементами являются кремний, марганец, сера и фосфор (рис.2.1).

 

Рис.2.1. Химический состав чугуна

 

Процесс получения чугуна из железной руды называют доменным производством. Алгоритм подбора исходных материалов представлен на рис.2.2.

 

Рис.2.2. Состав шихты, загружаемой в доменную печь

Конструкция доменной печи представлена на рис. 2.3.

Рис.2.3. Конструкция доменной печи: 1 - газоотводящий патрубок; 2 - засыпной аппарат; 3 - огнеупорная кладка; 4 - стальной кожух; 5 - ох­лаждающие трубки; 6 - опоры; 7 - лётка для слива чугуна; 8 - опорное кольцо; 9 - лётка для слива шлака; 10 - кольцевой коллектор для фурм

 

 

Характеристика доменной печи:

- печь штатного типа;

- работающая по принципу противотока: сверху поступает шихта, снизу поступает нагретый воздух;

- футеровка (огнеупорная кладка)- нейтральная (шамот);

- полезный объем печи У=2000-5000 м³ (в России до 3200 м³).

Процессы, происходящие в доменной печи, могут быть описаны химическими реакциями, представленными на рис.2.4.

Рис.2.4. Химические реакции доменной плавки (принципиальная схема)

 

Доменное производство включает в себя два основных участка. Это шихтовой двор, где хранятся и компонуются материалы для со­ставления шихты, и собственно доменный цех, принципиальная схема работы которого представлена на рис. 2.5.

Рис.2.5. Схема работы доменного цеха: 1 - дозатор; 2 - расходуемый бункер; 3 - вагонетка; 4 - наклонный подъемник; 5 - засыпной аппарат; 6 - доменная печь; 7 - емкость для приема чугуна; 8 - емкость для слива шла­ка; 9 - воздухонагреватели; 10 - дымовая труба; 11 - блок очистителей

 

Продукция доменного производства включает в себя: чугун, ферросплавы и побочные продукты (рис.2.6).

 

Рис.2.6. Основные виды продукции доменного производства

 

- Важнейшими показателями оценки эффективности работы доменной печи являются: коэффициент использования полезного объема печи и принцип удельный расход кокса (рис.2.7.)

-

Рис.2.7. Основные параметры, характеризующие эффективность работы доменной печи

Пути повышения эффективности работы доменной печи:

- увеличение полезного объема печи;

- использование агломерата и окатышей;

- повышение давления газа на колошнике;

- обогащение воздушного дутья кислородом;

- использование природного газа в качестве дополнительного то­плива.

 

3. Самостоятельная работа №3