615

669 Ч-493

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Н.М. Чернов

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Производство черных металлов и обработка металлов давлением

Учебное пособие

3

Новосибирск 2007

Перспективным способом получения железа из руд является метод прямого восстановления.

Впромышленном масштабе железо прямого восстановления производят металлургический завод «Сибэлектросталь» г. Красноярск и Металлургический комбинат в г. Старый Оскол.

Железо прямого восстановления содержит сотые и тысячные доли примесей и служит основой производства высокопрочных сталей.

Внастоящее время основную массу железа получают двухступенчатым методом. Сначала из руды получают чугун, а затем его перерабатывают в сталь различными способами.

Схема современного металлургического производства показана на рис. 1.2.

Производство черных металлов представляет собой сложную систему взаимосвязанных комплексов: добыча, обогащение, транспортировка и подготовка к плавке железных руд и концентратов; добыча каменного угля, его транспортировка и производство кокса; производство сжатого воздуха и кислорода, их нагрев перед подачей в доменную печь; производство чугуна и ферросплавов в доменных печах; производство ферросплавов в электрических печах; разливка чугуна и транспортировка его

всталеплавильные цехи; переработка шлака, использование и очистка доменных газов; переработка чугуна и производство стали в конверторах, мартеновских и электрических печах; производство слитков и проката; электрошлаковый, вакуумно-индукционный, вакуумно-дуговой и другие виды переплава для производства высококачественной стали.

Рис. 1.2. Общая схема современного производства черных металлов

Основной продукцией черной металлургии являются: чугуны чушковые — передельный для переработки в сталь и литейный для производства фасонных чугунных отливок на машиностроительных заводах; чугун передельный жидкий для производства стали в конверторах; ферросплавы (ферросилиций, ферромарганец, феррохром, ферротитан); слитки для производства сорто-

6

вого проката и крупных поковок (стальные и кузнечные слитки); кокс литейный для плавки чугуна в вагранках; рельсы, листовой и сортовой прокат, трубы, метизы и другие изделия.

Продукция черной металлургии отличается разнообразием основных и вспомогательных видов

— от цемента до готовых изделий широкого потребления, например, посуды. Однако главными из них являются чугун, сталь и ферросплавы.

1.2.Огнеупорные материалы и топливо

Вметаллургии, литейном производстве и в термообработке изделий применяют огнеупорные материалы для футеровки рабочего пространства печей.

Огнеупорность — способность материала выдерживать высокие температуры без разрушения

иоплавления.

Сравнение температур плавления некоторых огнеупорных материалов и тугоплавких металлов приведено в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Сравнение температур плавления некоторых огнеупорных материалов и тугоплавких металлов

7

* Вещество сублимируется.

Огнеупорные материалы применяют в виде порошков, кирпичей и растворов. По химическому составу они подразделяются на кислые, основные и нейтральные.

Ккислым огнеупорным относятся динас (93–96 % SiO2) и кварцевый песок (огнеупорность составляет 1650–1730 ºС).

Косновным — магнезитовый металлургический порошок и магнезитовый кирпич (огнеупорность 2000 ºС).

Кнейтральным — шамот и шамотные огнеупорные изделия различной формы (огнеупорность 1580–1920 ºС в зависимости от содержания Al2O3).

В зависимости от химико-минералогического состава огнеупорные материалы классифицируются на: кремнеземистые (динасовые) с содержанием SiO2 более 80 %; алюмосиликатные

(полукислые, шамотные, муллито-кремнеземистые, муллитовые, муллитокорундовые и корундовые) с содержанием Al2O3 от 28 % до 90 % и выше; магнезиальные (магнезитовые) с содержанием МgО свыше 80 %; магнезиально-известковые (магнезито-доломитовые, доломитовые, известковые) с содержанием MgO от 35 до 65 % и СаО от 10 до 70 % и более; магнезиально-шпинельные (магнезито-хромитовые, хромомагнезитовые, хромитовые, периклазово-шпилельные, шпилельные) с содержанием МgО от 25 до 60 % и более и Cr2О3 от 5 до 70 %; магнезиально-силикатные (периклазово-форстеритовые, форстеритовые и форстерито-хромитовые) с содержанием МgО от 45 до 80 % и SiO2 от 10 до 35 %; углеродистые (графитированные, неграфитированные, углеродсодержащие) с содержанием С от 5 до 98 %; карбидокремниевые с содержанием SiC от 20 до 90 % и выше; цирконистые с содержанием ZrO2 от 35 до 90 %; окисные (из окислов высокой частоты BeO2, MgO, CaO, Al2O3, ZrO2, ThO2 и др.); некислородные — нитриды, бориды и др.

Для теплоизоляции и футеровки зон печей, не соприкасающихся с металлом, используют легковесные огнеупорные изделия шамотные или динасовые, асбест в виде листов или тканей, диатомит, порошки асбозурита, вермикулита и другие материалы.

Топливо. Основными видами топлива, применяемого в металлургических печах, являются кокс, мазут, природный или доменный (колошниковый) газ. Каменноугольный кокс служит для нагрева и расплавления шихты и восстановления железа из руды.

Контрольные вопросы

1.Какая из горных пород является рудой?

2.Какие металлы называют вторичными?

3.Как называют отрасль промышленности, которая занимается добычей металлов из руд?

4.Как называют способность материала выдерживать высокие температуры без разрушения и оплавления?

5.Какой вид топлива применяют для нагрева, расплавления шихты и восстановления железа из руды?

ГЛАВА 2

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА В ДОМЕННЫХ ПЕЧАХ

2.1.Руды и флюсы, применяемые

вдоменном производстве

Руды. Железные руды содержат железо в различных химических соединениях.

Магнитный железняк (магнетит) — содержит магнитную окись железа Fe3O4 (50–60 % Fe) — Курская магнитная аномалия.

8

Красный железняк (гематит) — содержит железо в виде Fe2O3 (50–60 % Fe) — Криворожское месторождение, Курская магнитная аномалия.

Бурый железняк — содержит гидраты окислов железа — 2 Fe2O3 · 3Н2О и Fe2O3 (37–55 % Fe)

—Керченское месторождение.

Шпатовый железняк — содержит Fe СО3 (30–40 % Fe).

Марганцевые руды — содержат марганец в виде окислов и карбонатов (10–12 % Мn).

Хромовые руды — содержат хромит (Fe2O3 · Cr2О3), магнезитохромит (Mg, Fe) Cr2О3. Комплексные руды: железомарганцевые, хромоникелевые, железованадиевые.

Флюсы. Пустая порода железных руд содержит окислы, температура плавления которых выше развиваемых в доменной печи (Al2O3 — 2040 ºС, CаO — 2570 ºС, MgO — 2800 ºС). Однако при определенном соотношении этих окислов образуются шлаки, имеющие температуру плавления ниже 1300 ºС и обладающие хорошей текучестью при 1450–1600 ºС.

Для перевода пустой породы и золы кокса в шлаки в доменную печь добавляют флюсы. В качестве флюсов применяют известняк и доломит (MgCO3, CаCO3).

2.2. Подготовка руд к доменной плавке

Дробление и сортировку руд производят для получения кусков определенных размеров и отделения пустой породы. Обогащают руды для повышения содержания в них железа.

Существуют следующие методы обогащения: промывка — освобождение руды от глины и песка; магнитная сепарация — применяется для отделения магнитных минералов от пустой породы; гравитационное обогащение — основано на разности плотностей пустой породы и руды, осуществляется с помощью осадочных машин и концентрационных столов.

Окускование пылевидной и мелкой руды производят агломерацией или окатыванием. Агломерация — это процесс спекания шихты, состоящей из железной руды, известняка, воз-

врата мелкого агломерата, коксовой мелочи и воды. Агломерацию производят на агломерационных машинах при температуре 1300–1500 ºС. Получается кусковой пористый офлюсованный материал — агломерат. При агломерации из него удаляется часть серы и мышьяка.

Окатывание — применяют для окускования тонкоизмельченных концентратов, флюсов и топлива, которые увлажняют водой и обрабатывают в барабанных или тарельчатых чанах (грануляторах). Окатыши имеют размер до 30 мм. Их сушат и спекают при температуре 1200–1350 ºС. Окатыши загружают в печь без добавления флюса. Он уже содержится в них.

2.3. Устройство и работа доменной печи

Доменная печь представляет собой шахту, корпус которой выполнен из стального листа, а рабочее пространство — из шамотного кирпича. Рабочее пространство печи включает колошник, шахту, распар, заплечики, горн и лещадь.

Схема доменной печи показана на рис. 2.1.

Загрузка шихты в доменную печь производится с помощью скипового подъемника. Вагонетки с рудой, флюсом и коксом поднимаются и опрокидываются в засыпное устройство. После опускания малого конуса шихта попадает в чашу с большим конусом.

После подъема малого конуса опускается большой конус и шихта попадает в верхнюю часть шахты печи. При таком способе завалки печи исключается выброс газов из домны через засыпной аппарат.

Для равномерного распределения шихты по диаметру шахты после загрузки очередной порции малый конус и приемная корзина поворачиваются на 60º. Кокс, флюс и руда загружаются послойно по мере плавления шихты и опускания ее вниз, таким образом, чтобы был заполнен весь полезный объем печи.

В верхней части горна имеется фурменное устройство, имеющее 16–20 отверстий, равномерно расположенных по окружности домны, через которое подается горячий воздух, обогащенный кислородом.

Температура воздуха 900–1200 ºС, давление 0,25–0,3 МПа. Через эти же отверстия подаются природный газ и пар.

9

В зоне печи, где температура составляет 450–700 ºС часть окиси углерода разлагается с образованием сажистого углерода, оседающего на шихтовых материалах:

2СО = СО2 + С.

Остальная часть газа, состоящего из СО, СО2, N2, H2, CH4 (колошниковый газ), отводится из печи по трубам и после очистки используется как топливо для воздухонагревателей.

Шихтовые материалы опускаются навстречу потоку газов, нагреваются и при химическом взаимодействии происходит восстановление окислов железа.

Восстановление окислов железа

При температуре до 570 ºС восстановление окиси железа происходит по реакциям:

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2;

Fe3O4 + CO = 3FeО + CO2.

При более высокой температуре (750–900 ºС) окислы железа восстанавливаются наиболее интенсивно:

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2;

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2;

FeO +CO = Fe + CO2.

Таким образом, в нижней части шахты домны образуется губчатое железо, некоторая часть окиси железа опускается и на уровне фурм восстанавливается твердым углеродом топлива, при этом одновременно проходят реакции:

CO2 + C = CO;

FeO + C = Fe + CO;

FeO + CO = Fe + CO2.

В реакциях также участвуют сажистый углерод и водород, попадающий в печь при горении природного газа.

По мере опускания шихты в зоне, где температура равна 1000–1100 ºС, восстанавливаемое железо взаимодействует с окисью углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно науглеро-

живается:

3Fe + 2CO = Fe3C + CO2;

3Fe + C = Fe3C.

При насыщении железа углеродом температура плавления его понижается и на уровне распара и заплечиков оно оплавляется.

Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, насыщаются углеродом до 4 % и более, марганцем, кремнием, фосфором, которые восстанавливаются из руды, а также серой из кокса.

Марганец восстанавливается из руды по реакциям:

МnО + СО = Мn + СО2;

МnО + С = Мn + СО2;

3Мn + С = Мn3С.

Марганец и карбид марганца переходят в чугун, а другая часть МnО переходит в шлак. Кремний из SiO2 при температуре 1100 ºС восстанавливается твердым углеродом и растворя-

ется в железе:

SiO2 + C = SiO + CO;

SiO + C = Si + CO;

SiO2 + 2C = Si + 2CO.

Часть SiO2 переходит в шлак.

Фосфор до1000 ºС восстанавливается из фосфата железа окисью углерода, при температуре выше 1000 ºС восстановление идет твердым углеродом:

11

2Fe3(PO4)2 + 16CO = 2Fe3P + 2P +16CO2;

2Fe3(PO4)2 + 16C = 3Fe3P + 2P + 16CO.

При температуре выше 1300 ºС фосфор восстанавливается из фосфата кальция:

(СаО)3 Р2О5 + 5С = 3СаО + 2Р + 5СО.

Образовавшийся фосфор и фосфид железа растворяются в железе и переходят в чугун.

Сера из руды и кокса восстанавливается твердым углеродом. Часть серы из руды удаляется с газами при нагреве шихты, часть серы из кокса окисляется и удаляется с газами в виде сернистого газа, часть которого взаимодействует с твердым углеродом:

SO2 + 2C = S + 2CO;

FeS + CaO = CaS + FeO.

Образовавшиеся FeS и сера растворяются в чугуне, а СаS переходит в шлак. В шлак переходят также содержащиеся в пустой породе Al2O3 и другие окислы. Состав шлака зависит от состава шихтовых материалов и чугуна. Чугун скапливается на дне, а шлак — сверху расплава чугуна.

Чугун выпускают через 3–4 ч, а шлак через 1,0–1,5 ч. Жидкий чугун транспортируют в чугуновозных ковшах емкостью 90–140 т в кислородно-конверторный или мартеновский цех для производства стали. Чугун, не используемый в жидком виде, разливают в изложницы на чушки массой

45кг.

Жидкий шлак сливают в шлаковозный ковш или гранулируют струей воды.

Продукты доменной плавки

Передельный чугун: С – 4,0…4,4 %, Si — 0,6…0,8 %, Mn — 0,25…1,0 %, P — 0,15…0,3 %, S — 0,03…0,07 %; литейный чугун содержит 2,75…3,25 % Si; доменный ферросилиций: 9…13 % Si, до 3 % Mn; доменный ферромарганец: 70…75 % Mn и до 2 % Si; зеркальный чугун: 10…25 % Mn, до 2 % Si.

Побочные продукты: шлак, колошниковый газ.

Контрольные вопросы

1.Назовите руды и флюсы, применяемые в доменном производстве.

2.Назовите зоны рабочего пространства доменной печи.

3.В чем заключается подготовка руд к доменной плавке?

4.Назовите физико-химические процессы плавки чугуна в доменной печи.

5.В чем отличие литейного доменного чугуна от передельного?

ГЛАВА 3

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

3.1. Производство стали в конверторах

Кислородно-конверторный процесс выплавки стали производят в конверторах с основной футеровкой. Конвертор представляет собой сосуд грушевидной формы. В качестве шихтовых материалов при производстве конверторной стали применяют: жидкий передельный чугун, стальной лом, известь, железную руду, боксит, плавиковый шпат. В конверторах перерабатывают чугун следующего химического состава: 3,7–4,4 % С; 0,7–1,1 % Mn; 0,4–0,8 % Si; 0,03–0,08 % S; < 0,15– 0,3 % P.

Технология плавки

Через горловину в конвертор загружают стальной лом, затем заливают чугун и устанавливают конвертор в вертикальное положение. Затем внутрь его вводят фурму, через которую подают кислород. Одновременно с подачей кислорода вводят шлакообразующие материалы: известь, плавиковый шпат, боксит, железную руду (рис. 3.1).

12