Milling-master.ru

В помощь хозяину
4 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Технология производства металлов

Технология производства металлов

В природе большинство металлов находится в виде химических соединений, входящих в состав минералов, образующих горные породы. Промышленной рудой называют горную породу, из которой целесообразно извлекать металлы или их соединения.

Существуют четыре группы способов производства металлов:

  • Физические способы. Простейшим из них является прямое извлечение из природных источников (так добывают самородное золото). Некоторые металлы (платину) получают разложением природных соединений при нагревании.
  • Восстановление неметаллами. Реакции восстановления идут, как правило, при высоких температурах. В качестве восстановителей применяют такие вещества, как углерод или оксид углерода (для железа, олова и др.), сернистый газ или сульфиды (для меди, ниобия и др.) или водород (для вольфрама, молибдена и др.)
  • Электролиз в водных растворах (меди, хрома и др.) или расплавах солей (алюминия, магния и др.) применяется для получения химически активных металлов.
  • Восстановление металлами. Этот способ требует предварительного получения химически чистых металлов – восстановителей. Металл восстанавливают из оксидов (ванадий, барий и др.) или галогенных соединений (титан, цинк, бериллий и др.). Это самый дорогой способ.



Выплавка чугуна это процесс восстановление железа из окислов железной руды; науглероживание восстановленного железа углеродом кокса до величин, соответствующих содержанию углерода в чугуне; окислы пустой породы и зола топлива при этом связываются флюсом и переводятся в шлак – легкоплавкое соединение, не смешивающееся с чугуном.

Чугун выплавляют в доменных печах. Сущность процесса заключается в восстановлении окислов железа, входящих в состав руды.

Побочными продуктами доменной плавки является шлак и колошниковый газ. Из шлака производят стекловату, шлакоблоки, цемент, а колошниковый газ используется как топливо.

Производство стали это процесс снижение содержания углерода и примесей в жидком чугуне до значений, определяемых маркой стали, окисление их газообразным кислородом с последующим переводом в газы и шлак; связывание примесей — серы и фосфора в соединения, способные переходить в шлак.

Чугун переделывают в сталь в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах. Выплавка стали в конвертерах наиболее производительна. Возможность быстро и точно регулировать температуру, создавать нужную атмосферу или вакуум делают плавку в электропечах наилучшим (а иногда и единственным) способом получения сталей со специальными свойствами.

Для улучшения качества стали разработаны новые технологические процессы: плавка в вакуумных печах, электрошлаковый переплав, ваккуумно-дуговой переплав и т.п.

Алюминий получают путем электролиза раствора окиси алюминия (глинозема) в расплавленном криолите, который проводят в специальной ванне, оборудованной катодным и анодным устройствами

Алюминий-сырец, образующийся в результате электролиза, собирается на дне ванны под слоем электролита. Извлекают алюминий из ванны через 2-4 суток, используя вакуум-ковш.

Технология производства металлов

В табл. 2.1 (Магницкий О.Н., Пирайнен В.Ю. Художественное литьё. – СПб.: Политехника, 1996) приведены данные о содержании в земной коре (литосфере) на глубине до 1км некоторых металлов. Для сравнения: массовая доля кислорода в литосфере составляет 46,6%, кремния – 27,7%.

В природе большинство металлов находится в виде химических соединений, входящих в состав минералов, образующих горные пароды.

Промышленной рудой называют горную породу, из которой целесообразно извлекать металлы или их соединения.

Например, для железа считается оптимальным содержание металла в руде на уровне 30. 50%, для меди 3. 5%, для молибдена 0,05. 0,02%.

Известны четыре группы способов производства металлов. Приведем их в порядке возрастания стоимости:

1.Физические способы. Простейшим из них является прямое извлечение из природных источников (так добывают самородное золото). Некоторые металлы (платину) получают разложением природных соединений при нагревании.

2.Восстановление неметаллами. Реакции восстановления идут, как правило, при высоких температурах. В качестве восстановителей применяют углерод или оксид углерода (для железа, олова и др.), сернистый газ или сульфиды (для меди, ниобия и др.) или водород (для вольфрама, молибдена и др.)

3.Электролиз в водных растворах (меди, хрома и др.) или расплавах солей (алюминия, магния и др.) применяется для получения химически активных металлов.

4.Восстановление металлами. Этот способ требует предварительного получения химически чистых металлов – восстановителей. Металл восстанавливают из оксидов (ванадий, барий и др.) или галогенных соединений (титан, цинк, бериллий и др.). Это самый дорогой способ.

Ниже приводятся процессы выплавки чугуна восстановлением неметаллами (2-й способ) и получения алюминия электролизом (3-й способ).

Выплавка чугуна

Выплавка чугуна это процесс восстановление железа из окислов железной руды; науглероживание восстановленного железа углеродом кокса до величин, соответствующих содержанию углерода в чугуне; окислы пустой породы и зола топлива при этом связываются флюсом и переводятся в шлак – легкоплавкое соединение, не смешивающееся с чугуном.

Металлургическое производство, схематически показанное на рис. 2.5, представляет собой сложный комплекс, содержащий шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей, горнообогатительные комбинаты, коксохимические заводы и цехи, заводы для производства ферросплавов, доменные, сталеплавильные и прокатные цехи, энергетические цехи.

Железная руда содержит окислы железа Fe3O4, Fe2O3, FeCO3 и др., а также пустую породу, состоящую из SiO2, Al2O3, CaO, MgO.

Бедные руды (содержащие малую долю металла) обогащают путем удаления пустой породы гравитационным или электромагнитным способами.

В качестве топлива в металлургических печах применяют кокс, природный газ, мазут и др. Кокс получают сухой перегонкой (без доступа воздуха) при температуре 1000°C каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80. 88% С, 8. 12% золы, 2. 5% влаги, (0,5. 1,8)% S, до 0,2% Р и др. Сера S является вредной примесью.

При выплавке чугуна важную роль играют флюсы — материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения (шлака) с пустой породой руды, золой топлива и пр. При выплавке чугуна в качестве флюса применяют известняк (CaCO3) и доломитизированный известняк (CaCO3 и MnCO3).

Подачей флюса нужного состава возможно управлять процессом удаления вредных примесей (S, P и пр.) путем перевода их из металла в шлак, который, имея меньшую плотность, при плавке располагается над расплавленным металлом и может быть удален из печи.

Чугун выплавляют в доменных печах. Сущность процесса заключается в восстановлении окислов железа, входящих в состав руды.

Доменная печь (рис. 2.6) представляет собой сложное сооружение, состоящее из стального кожуха, выложенного внутри огнеупорным кирпичом.

Полезная высота доменной печи достигает 35м, объем — 5000м 3 .

Печь оборудована в верхней части устройствами загрузки шихты (измельченных и специально подготовленных металлосодержащих концентратов), флюса, топлива и отвода коласникового газа, состоящего из CO, CO2, N2, H2, CH4.

В нижней части печи оборудованы устройства для подачи подогретого до 1000. 1200°C воздуха, емкость для накапливания и устройства для периодического слива расплавленного чугуна и шлака.

Процесс идет следующим образом. Углерод кокса вблизи зоны подачи воздуха, взаимодействуя с кислородом, сгорает:

В результате горения кокса выделяется теплота (температура достигает 2000°С) и образуется газовый поток; горячие газы, поднимаясь вверх, отдают свою теплоту шихтовым материалам, охлаждаясь до 400. 300°C, шихтовые материалы постепенно опускаются вниз и нагреваются; в них происходит целый ряд химических превращений, и при температуре

570°C — основной процесс — восстановление окислов Fe.

При этом через загрузочное устройство в печь подаются новые порции шихтового материала так, чтобы весь полезный объем печи был заполнен.

Читать еще:  Технология гибки листового металла справочник

Доменный процесс идет непрерывно. Чугун и шлак выпускают из печи по мере их накопления: чугун — через 3. 4 часа, шлак — через 1,0. 1,5 часа. Чугун и шлак сливают по желобам в специальные ковши емкостью до 140т, установленные на железнодорожных платформах. Чугун, не используемый в жидком виде, поступает на разливочные машины, откуда он разливается в формы — изложницы и затвердевает в виде слитков массой 45кг.

В зависимости от назначения чугун получают различного химического состава; передельный чугун (предназначенный для “передела” в сталь) содержит 4. 4,4% С, 0,6. 0,8% Si, 0,25. 1,0% Mn и примеси в виде серы и фосфора, литейный чугун, используемый для переплава на машиностроительных заводах при производстве отливок, содержит повышенное содержание кремния (до 3,25%).

Побочными продуктами доменной плавки является шлак и колошниковый газ. Из шлака производят стекловату, шлакоблоки, цемент, а колошниковый газ используется как топливо.

Производство стали

Производство стали это процесс снижение содержания углерода и примесей в жидком чугуне до значений, определяемых маркой стали, окисление их газообразным кислородом с последующим переводом в газы и шлак; связывание примесей — серы и фосфора в соединения, способные переходить в шлак.

Углерод соединяется с кислородом, образуя СО, который удаляется с газом. Si, Mn, S и Р образуют окислы или другие соединения, частично удаляемые в шлак. На определенном этапе, по мере снижения содержания примесей начинает окисляться Fe. Окислы Fe, насыщая металл кислородом, делают сталь непригодной для обработки давлением – ковки, прокатки и т.п., в ней образуются трещины при деформации в нагретом состоянии. Для уменьшения содержания кислорода сталь в процессе ее плавки раскисляют ферросплавами, которые обладают большим, чем у Fe, сродством к кислороду. Образующиеся окислы удаляются со шлаком.

Чугун переделывают в сталь в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах. Выплавка стали в конвертерах наиболее производительна. Возможность быстро и точно регулировать температуру, создавать нужную атмосферу или вакуум делают плавку в электропечах наилучшим (а иногда и единственным) способом получения сталей со специальными свойствами.

Кислородный конвертер (рис. 2.7) представляет собой сосуд грушевидной формы емкостью 130. 350т жидкого чугуна, изготовленный из стального листа и выложенный внутри огнеупорным кирпичом. Конвертер установлен на цапфах с возможностью поворота на 360° для завалки скрапа (стальной лом, известь, железная руда, плавиковый шпат), заливки чугуна 1200. 1400°C, слива стали, шлака и т.п.

После выпуска очередной плавки, загрузки скрапом и заливки чугуна конвертер поворачивают и устанавливают в вертикальное положение и внутрь его вводят водоохлаждаемую фурму, через которую подают под большим давлением кислород.

Струи кислорода проникают в металл, вызывая его циркуляцию и перемешивание со шлаком. Происходит интенсивное окисление примесей чугуна:

Часть примесей окисляется окислами железа, содержащимися в шлаке

Благодаря присутствию шлаков с большим содержанием СаО и FeO из металла удаляется фосфор и сера:

В процессе плавки (подачи О2) автоматически контролируют химический состав металла, и когда содержание углерода соответствует заданному, подачу кислорода заканчивают, фурму выводят из конвертера, сталь раскисляют, конвертер поворачивают и производят выпуск металла в ковш, затем, через верхнее отверстие сливают шлак. Раскисление стали может проходить и после разливки стали.

Для раскисления используют ферросплавы — ферросилиций, ферромарганец, а также алюминий.

Из разливочного ковша сталь разливают в изложницы или кристаллизаторы установок непрерывной разливки стали, где она затвердевает и получаются слитки, которые затем подвергают обработке давлением — прокатке или ковке.

Изложницы представляют собой чугунные формы, конфигурация которых (сечение) определяется назначением слитка: для получения сортового проката (швелеров, уголков) используют слитки квадратного сечения, листа — прямоугольного с отношением сторон 1:3 и т.д.

Кристаллизация стали в слитке сопровождается рядом особенностей, приводящих к дефектам [2]. Начинается затвердевание стали у стенок изложницы, которые наиболее интенсивно отбирают у залитой стали теплоту. Толщина закристаллизовавшейся корочки непрерывно увеличивается, и заканчивается кристаллизация в объемах, близких к продольной оси слитка. Сталь затвердевает в виде кристаллов древовидной формы — дендритов, размеры и форма которых зависят от условий кристаллизации.

К дефектам слитков относятся возможные усадочные раковины в верхней части слитка, скопление мелких усадочных пустот в осевой зоне, “заворот корки” — образование на поверхности зеркала металла пленки окислов и шлаковых включений, которые потоком металла заносятся при разливке в его объем.

Для улучшения качества стали разработаны новые технологические процессы: плавка в вакуумных печах, электрошлаковый переплав, ваккуумно — дуговой переплав и т.п., сведения о которых приведены в рекомендованной литературе [2,3].

Получение алюминия

Получение алюминия это электролиз раствора глинозема Al2O3, получаемого из алюминиевых руд, в расплаве криолита Na3AlF6 c получением алюминия – сырца; очистка (рафинирование) сырца от примесей.

Основное сырье для получения алюминия (Al) — алюминиевые руды, в первую очередь бокситы. В бокситах алюминий содержится в виде гидроокисей Al(OH)3, AlOOH, Al2O3 и каолинита Al2O3×2SiO2×2H2O.

Наиболее распространенным способом извлечения Al из руды является щелочной способ, с помощью которого получается глинозем (Al2O3) (см. схему на рис. 2.8).

Способ состоит из следующих операций [2]:

1. Дробление боксита в мельницах.

2. Выщелачивание боксита, которое заключается в химическом его разложении от взаимодействия с водным раствором щелочи:

Содержащийся в боксите кремнезем также взаимодействует со щелочью и переходит в раствор в виде силиката натрия:

В растворе алюминат натрия NaAlO2 и силикат натрия Na2SiO3 образуют нерастворимый натриевый алюмосиликат; в нерастворимый остаток переходят окислы Ti и Fe, придающие остатку красный цвет; этот остаток называют красным шламом.

3. Отделение алюминиевого раствора от красного шлама.

4. Разложение алюминиевого раствора происходит самопроизвольно с выделением кристаллической гидроокиси Al:

5. Выделение осадка 50. 60% частиц гидроокиси алюминия Al(OH)3. Это происходит в гидроциклонах и вакуум-фильтрах.

6. Обезвоживание Al(OH)3 осуществляют в трубчатых вращающихся печах при температуре (1150. 1200)°С.

При нагреве происходят следующие структурные превращения:

ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛОВ

Металлургией называют отрасль промышленности, производя­щую металлы из руд и другого сырья.

Все металлы делят на черные и цветные. К черным металлам относятся железо, марганец, хром и сплавы на их основе; к цвет­ным — все остальные. Цветные металлы делятся на четыре группы: 1) тяжелые: медь, свинец, олово, цинк и никель; 2) легкие: алю­миний, магний, кальций, щелочные и щелочноземельные; 3) дра­гоценные, или благородные: платина, иридий, осмий, палладий, рутений, родий, золото и серебро; 4) редкие (все остальные): а) тугоплавкие: вольфрам, молибден, ванадий, титан, кобальт, цирконий иниобий; б) рассеянные: германий, галлий, таллий, индий и рений; в) редкоземельные: лантаноиды; г) радиоактивные: торий, радий, актиний, протактиний и уран; д) искусственные полоний, астат, нептуний, плутоний и др.

Сырье цветной и черной металлургии. По извлекаемому металлу руды называют железными, медными, марганцовыми, свинцовыми, медноникелевыми, урановыми и т. п. По составу их делят на сульфидные, окисленные и самородные. Сульфидными рудами называются породы, в которых получаемый металл находится ввиде сульфидов. Это медные, цинковые, свинцовые и полиметаллические руды (халькопирит CuFeS2, галенит PbS, сфалерит ZnS и др.) Если извлекаемый металл находится в виде оксидов или другихкислородсодержащих минералов (силикаты, карбонаты), то такие руды относят к окисленным. Железные, марганцовые, алюминиевые руды чаще бывают окисленными. Руды, содержащие природные сплавы металлов, называют самородными.

Читать еще:  Оценка рынка бывших в эксплуатации металлообрабатывающих станков

На современном уровне развития технологии считается рентабельной переработка железных руд с содержанием не менее 30 % Fe, цинковых — 3% Zn имедных — 0,5 % Си.

Для получения металла из руды, кроме отделения пустой поро­ды, необходимо отделить металл от химически связанных с ним элементов. Эта стадия называется металлургическим процессом. Металлургический процесс, осуществляемый с применением высо­ких температур, называется пирометаллургическим, с использо­ванием водных растворов — гидрометаллургическим. В отдельную группу выделяют электрометаллургические процессы.

Первая стадия производства — обогащение сырья. Следующая стадия заключается в разложении концентрата обжигом, в обра­ботке его хлором, а также оксидом серы (IV) или жидкими реа­гентами(кислотами, щелочами, комплексообразователями). По­следними двумя способами извлекаемый металл переводят в раст­вор, из которого выделяется оксид или соль редкого металла осаж­дением в виде малорастворимого соединения или кристаллизацией. Завершающая стадия — получение чистого металла или сплававосстановлением углеродом или водородом, термическим разложением, вытеснением (цементация), электролизом растворов или расплавов.

В производстве тугоплавких металлов (вольфрам, молибден – завод «Победит») применяется метод порошковой металлур­гии, заключающийся в восстановлении оксидов порошкообразных металлов. Затем металлический порошок прессуют под большим давлением испекают в электрических печах, получая металл безперевода его в жидкое состояние. Температура спекания металли­ческого порошка обычно на 1/3 ниже температуры плавления ме­талла.

ПРОИЗВОДСТВО ЖЕЛЕЗА И ЕГО СПЛАВОВ

Среди используемых человеком металлов железо и его сплавы по объему и сферам применения занимают первое место. В практике обычно используют не чистое железо, а его сплавы, и в первую очередь с углеродом. В технике железом называют черный металл с содержанием углерода менее 0,2%. По количеству углерода все сплавы делят на стали и чугуны. К сталям относятся железные сплавы с содержанием углерода от 0,2 до 2%, к чугунам — с содержанием углерода выше 2% (обычно от 3,5 до 4,5%).

На рисунке 1 приведена диаграмма фазового состояния системы железо — углерод.

Как следует из диаграммы, температура начала плавления сталей снижается с ростом содер­жания углерода до точки Е. Эта точка соответствует предельной растворимости углерода в твердом железе (2% С). Для чугуна не­зависимо от количества углерода температура плавления остается постоянной.

Если в чугуне значительная часть углерода находится в виде цементита Fe3C, то такой чугун называется белым. Из-за высокой твердости и хрупкости его трудно обрабатывать на станках, поэтому белый чугун перерабатывается в сталь. По этому признаку он получил еще название передельного чугуна. При медленном охлаждении расплавленного чугуна часть Fe3C распадается с выделением свободного углерода в виде графита. Такой чугун называется серым или литейным. Он более мягок, менее хрупок и хорошо обрабатывается на станках.

По составу стали могут быть углеродистыми и легированными. Углеродистыми называют стали, свойства которых определяются углеродом, а другие примеси существенного влияния не оказы­вают. По содержанию углерода эти стали делят на: малоуглеродистые (до 0,3% С), среднеуглеродистые (от 0,3 до 0,65%) и высоко­углеродистые (от 0,65 до 2% С). Из иизкоуглеродистой стали из­готовляют кровельное железо, стальной лист, черную и белую жесть (широко используемую для изготовления тары), мягкую проволоку и т. д.; среднеуглеродистые стали используют для про­изводства рельсов, труб, проволоки, деталей машин; высокоугле­родистая служит в основном для изготовления разнообразного ин­струмента.

Легированными называют стали, содержащие, кроме углерода, другие специально введенные для изменения свойств добавки (Cr, Mn, Ni, V, W, Мо и др.). Сталь, содержащую до 3—5% леги­рующих элементов, считают низколегированной, 5—10%—среднелегированной, 10% и более — высоколегированной. Никель придает стали повышенную пластичность и вязкость, марганец — прочность, хром — твердость и коррозионностойкость, молибден и ванадий — прочность при высоких температурах и т. д. Напри­мер, марганцовистые стали (8—14% Мп) обладают высокой ударо­стойкостью, их используют для изготовления дробилок, шаровых мельниц, рельсов и других ударонапряженных изделий. Хромомолибденовые и хромованадиевые стали идут на изготовление колонн синтеза, работающих под высоким давлением и при повышенной температуре. Из хромоникелевой или нержавеющей стали изго­тавливают химические реакторы, трубопроводы, кухонную посуду, вилки, ножи и т. д. Стали также классифицируют по назначению: строительная (конструкционная), машиностроительная, инстру­ментальная и стали с особыми (специальными) свойствами. Некоторые примеси заметно ухудшают свойства стали. Так, сера придает стали красноломкость — хрупкость при красном калении, фосфор — хладноломкость, т. е. хрупкость при обычной и низкой темпера­туре, азот и водород — газопористость, хрупкость.

В настоящее время главный процесс металлургического про­изводства черных металлов осуществляется по двухступенчатой схеме: получение чугуна в доменной печи и его передел в сталь. Чугун используют также для отливки станин, машин, тяжелых колес, труб и т. д. Основными исходными материалами для произ­водства чугуна являются железные руды, флюсы и топливо.

Промышленные типы железных руд классифицируюг по виду преобладающего рудного минерала: 1) магнитные железняки со­стоят в основном из минерала магнетита Fe3O4 (с наиболее высоким содержанием железа — 50—70% и низким содержанием серы), который трудновосстановим; 2) красные железняки содержат 50—70% железа в виде минерала гематита — Fe2O3, небольшие примеси серы, фосфора и восстанавливаются легче, чем магнетит; 3) бурые железняки представляют собой гидроксиды железа со­става Fe2O3 × пН2О с переменным количеством адсорбированной воды. Эти руды в основном бедные по содержанию железа (от 25 до 53%), часто загрязнены вредными примесями — серой, фосфо­ром, мышьяком. Встречаются хромоникелевые бурые железняки (2% Cr и 1% Ni), используемые для выплавки природнолегированных чугуна и стали; 4) шпатовые железняки содержат 30—37% Fe, а также FeCO3 и незначительные примеси серы и фосфора. После обжига содержание железа возрастает до 50—60%. Для сидеритов часто характерна примесь марганца от 1 до 10%.

Сырьем служат также отходы производства черных и цветных металлов, но их доля в общем потреблении руд невелика. Для перевода тугоплавких оксидов в легкоплавкий шлак, не смешиваю­щийся с чугуном, в процессе доменной плавки используют флюсы — породы основного характера: известняк или доломит (СаСО3, MgCO3). Обычно на выплавку 1 т чугуна расходуется 0,4—0,8 т флюсов.

В качестве топлива в производстве чугуна применяют кокс с содержанием 80—86% С, 2—7% Н2О, 1,2—1,7%S, до 15% золы и природный газ.

Подготовка железной руды к доменной плавке заключается в
дроблении, грохочении, усреднении и обогащении. Обо­гащение ведут в зависимости от типа руды восстановительным обжигом, электромагнитной сепарацией, флотацией. В нашей стране практически всю добываемую руду на последнем этапе подготовки подвергают агломерации. Это процесс спекания измельченной руды с коксовой мелочью (5—8%) и обожженным известняком (3—6%) в агломерационной машине транспортерного типа. Наряду с агломерацией применяют и окомковывание пылевидной руды со связующим веществом во вращающихся обжиговых печах с получением окатышей.

Процесс доменной плавки. Чугун выплавляют в металлур­гических реакторах шахтного типа, называемых до­менными печами или домнами. Описание доменной печи дано в лекции 4.

Читать еще:  Цех по металлообработке

В зоне горна за счет интенсивной подачи воздуха поддерживается окислительная среда и углерод кокса сгорает:

Воздух, подаваемый в доменную печь, нагревается в регенерагивных воздухоподогревателях (кауперах) до 900—1200 °С (рис. 2).

Производство стали – технология, этапы, оборудование

Производство стали сегодня осуществляется в основном из отработанных стальных изделий и передельного чугуна. Сталь представляет собой сплав железа и углерода, последнего в котором содержится от 0,1 до 2,14%. Превышение содержания углерода в сплаве приведет к тому, что он станет слишком хрупким. Суть процесса производства стали, в составе которой содержится гораздо меньшее количество углерода и примесей, по сравнению с чугуном, состоит в том, чтобы в процессе плавки перевести эти примеси в шлак и газы, подвергнуть их принудительному окислению.

Процесс производства стали

Особенности процесса

Производство стали, осуществляемое в сталеплавильных печах, предполагает взаимодействие железа с кислородом, в процессе которого металл окисляется. Окислению также подвергаются углерод, фосфор, кремний и марганец, содержащиеся в передельном чугуне. Окисление данных примесей происходит за счет того, что оксид железа, образующийся в расплавленной ванне металла, отдает кислород более активным примесям, тем самым окисляя их.

Производство стали предполагает прохождение трех стадий, каждая из которых имеет свое значение. Рассмотрим их подробнее.

На данном этапе расплавляется шихта и формируется ванна из расплавленного металла, в которой железо, окисляясь, окисляет примеси, содержащиеся в чугуне (фосфор, кремний, марганец). В процессе этого этапа производства из сплава необходимо удалить фосфор, что достигается за счет содержания в шлаке расплавленного оксида кальция. При соблюдении таких условий производства фосфорный ангидрид (Р2О5) создает с оксидом железа (FeO) неустойчивое соединение, которое при взаимодействии с более сильным основанием — оксидом кальция (CaO) — распадается, и фосфорный ангидрид превращается в шлак.

Чтобы производство стали сопровождалось удалением из ванны расплавленного металла фосфора, необходима не слишком высокая температура и содержание в шлаке оксида железа. Чтобы удовлетворить эти требования, в расплав добавляют окалину и железную руду, которые и формируют в ванне расплавленного металла железистый шлак. Содержащий высокое количество фосфора шлак, формирующийся на поверхности ванны расплавленного металла, удаляется, а вместо него в расплав добавляются новые порции оксида кальция.

Кипение ванны расплавленного металла

Дальнейший процесс производства стали сопровождается кипением ванны расплавленного металла. Такой процесс активизируется с повышением температуры. Он сопровождается интенсивным окислением углерода, происходящим при поглощении тепла.

Процесс производства стали в электропечах

Производство стали невозможно без окисления излишков углерода, такой процесс запускают при помощи добавления в ванну расплавленного металла окалины или вдувания в нее чистого кислорода. Углерод, взаимодействуя с оксидом железа, выделяет пузырьки оксида углерода, что создает эффект кипения ванны, в процессе которого в ней снижается количество углерода, а температура стабилизируется. Кроме того, к всплывающим пузырькам оксида углерода прилипают неметаллические примеси, что способствует уменьшению их количества в расплавленном металле и приводит к значительному улучшению его качества.

На данной стадии производства из сплава также удаляется сера, присутствующая в нем в форме сульфида железа (FeS). При повышении температуры шлака сульфид железа растворяется в нем и вступает в реакцию с оксидом кальция (CaO). В результате такого взаимодействия образовывается соединение CaS, которое растворяется в шлаке, но раствориться в железе не может.

Добавление в расплавленный металл кислорода способствует не только удалению из него вредных примесей, но и увеличению содержания данного элемента в стали, что приводит к ухудшению ее качественных характеристик.

Чтобы уменьшить количество кислорода в сплаве, выплавка стали предполагает осуществление процесса раскисления, который может выполняться диффузионным и осаждающим методом.

Диффузионное раскисление предполагает введение в шлак расплавленного металла ферросилиция, ферромарганца и алюминия. Такие добавки, восстанавливая оксид железа, снижают его количество в шлаке. В результате растворенный в сплаве оксид железа переходит в шлак, распадается в нем, высвобождая железо, которое возвращается в расплав, а высвобожденные оксиды остаются в шлаке.

Производство стали с осаждающим раскислением осуществляется путем введения в расплав ферросилиция, ферромарганца и алюминия. Благодаря наличию в своем составе веществ, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо, такие элементы образуют соединения с кислородом, который, отличаясь невысокой плотностью, выводится в шлак.

Производство стали в мартеновских печах

Регулируя уровень раскисления, можно получать кипящую сталь, которая не полностью раскислена в процессе плавки. Окончательное раскисление такой стали происходит при затвердевании слитка в изложнице, где в кристаллизующемся металле продолжается взаимодействие углерода и оксида железа. Оксид углерода, который образуется в результате такого взаимодействия, выводится из стали в виде пузырьков, также содержащих азот и водород. Полученная таким образом кипящая сталь, содержит незначительное количество металлических включений, что придает ей высокую пластичность.

Производство сталей может быть направлено на получение материалов следующего типа:

  • спокойных, которые получаются, если в ковше и печи процесс раскисления полностью завершен;
  • полуспокойных, которые по степени раскисления находятся между спокойными и кипящими сталями; именно такие стали раскисляются и в ковше, и в изложнице, где в них продолжается взаимодействие углерода и оксида железа.

Если производство стали предполагает введение в расплав чистых металлов или ферросплавов, то в результате получаются легированные сплавы железа с углеродом. Если в стали данной категории необходимо добавить элементы, которые имеют меньшее сродство к кислороду, чем железо (кобальт, никель, медь, молибден), то их вводят в процессе плавки, не опасаясь за то, что они окислятся. Если же легирующие элементы, которые необходимо добавить в сталь, имеют большее сродство к кислороду, чем железо (марганец, кремний, хром, алюминий, титан, ванадий), то их вводят в металл уже после его полного раскисления (на окончательном этапе плавки или в ковш).

Необходимое оборудование

Технология производства стали предполагает использование на сталелитейных заводах следующего оборудования.

Участок кислородных конверторов:

  • системы обеспечения аргоном;
  • сосуды конверторов и их несущие кольца;
  • оборудование для фильтрации пыли;
  • система для удаления конверторного газа.
  • печи индукционного типа;
  • дуговые печи;
  • емкости, с помощью которых выполняется загрузка;
  • участок складирования металлического лома;
  • преобразователи, предназначенные для обеспечения индукционного нагревания.

Участок вторичной металлургии, на котором осуществляется:

  • очищение стали от серы;
  • гомогенизация стали;
  • электрошлаковый переплав;
  • создание вакуумной среды.

Участок для реализации ковшовой технологии:

Ковшовое хозяйство, обеспечивающее производство стали, также включает в себя:

  • крышки ковшей;
  • ковши литейного и разливочного типа;
  • шиберные затворы.

Производство стали также предполагает наличие оборудования для непрерывной разливки стали. К такому оборудованию относится:

  • поворотная станина для манипуляций с разливочными ковшами;
  • оборудование для осуществления непрерывной разливки;
  • вагонетки, на которых транспортируются промежуточные ковши;
  • лотки и сосуды, предназначенные для аварийных ситуаций;
  • промежуточные ковши и площадки для складирования;
  • пробочный механизм;
  • мобильные мешалки для чугуна;
  • оборудование для обеспечения охлаждения;
  • участки, на которых выполняется непрерывная разливка;
  • внутренние транспортные средства рельсового типа.

Производство стали и изготовление из нее изделий представляет собой сложный процесс, сочетающий в себе химические и технологические принципы, целый перечень специализированных операций, которые используются для получения качественного металла и различных изделий из него.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector
×
×