Железоуглеродистые сплавы. Медь и ее сплавы (стр. 3 из 7)
В результате этих реакций вверх из горна идут газы, состоящие из CO, H
.Подготовительные процессы в загруженных шихтовых материалах начинают происходить в верхних горизонтах печи немедленно под влиянием температуры поднимающихся газов. Сначала при температуре 100…200ºС испаряется гигроскопическая вода, а при 300…500ºС кристаллизационная, при соприкосновении которой с окисью углерода газов и углеродом кокса колошниковые газы получают дополнительно CO
, CO и H .Восстановление железа из руды начинает происходить при помощи окиси углерода (непрямое восстановление) в верхних горизонтах печи, где температура не высока, и постепенно усиливается при опускании вниз по мере повышения температуры примерно до 900°C. Обычно в доменных газах содержится небольшое количество водорода, поэтому основное восстановление идёт за счёт окиси углерода и углерода кокса.
Восстановление окисью углерода начинается в шахте и происходит ступенчато от высшего окисла железа к низшему в следующем порядке:
Fe2O3 ® Fe3O4 ® FeO ® Fe.
Протекают следующие реакции восстановления:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 (4)
Fe3O4 + CO = 3FeO CO2 (5)
FeO + CO = Fe + CO2 (6)
Основной реакцией считается реакция (6), т.к. конечным продуктом является металлическое железо и она называется реакцией косвенного восстановления железа, протекает при умеренных температурах (500…900°C) с выделением тепла.
При более высоких температурах (выше 1000…1100°C) в присутствии раскалённого кокса в доменной печи идёт восстановление железа при помощи углерода по реакции:
FeO + C = Fe + CO (7)
Эта реакция называется прямым восстановлением железа. Считается, что в доменной печи около 60…50% железа образуется по реакции (6), т.е. с помощью окиси углерода и 50…40% с помощью твёрдого углерода. Прямое восстановление железа происходит в районе распара доменной печи. Образующееся в доменной печи металлическое железо находится в твёрдом виде (губчатое железо), поскольку оно имеет температуру плавления 1535°C. В присутствии окиси углерода губчатое металлическое железо постепенно науглероживается по реакции:
3Fe + 2CO = Fe3C + CO2 (8)
Температура его плавления понижается вплоть до 1150…1200°C. Вследствие этого науглероженное железо (от 1,8 до 2 % C) переходит в жидкое состояние (расплавляется) и стекает по каплям между кусками раскалённого кокса на лещадь горна доменной печи.
Во время перемещения капелек металла происходит дополнительное насыщение железа углеродом примерно до 3,5…4 %, т.е. до обычного содержания углерода в жидком чугуне. Параллельно с процессом восстановления железа в доменной печи наблюдается восстановление из шихты марганца, кремния и фосфора, которые переходят в чугун.
Восстановление высших и средних окислов марганца до низшего окисла происходит ступенчато за счёт окиси углерода по схеме:
MnO2® Mn2O3® Mn3O4® MnO ® Mn
Закись марганца MnO трудно восстановимый низший окисел марганца, восстанавливается твёрдым углеродом по реакции:
MnO + C = Mn + CO (9)
Реакция сопровождается поглощением тепла и происходит при температурах выше 1100…1200°C. Восстановление кремния из пустой породы происходит при температуре 1450°C при помощи твёрдого углерода по реакции:
SiO2+ 2C = Si + 2CO – Q (10)
В присутствии железа эта реакция начинается при температуре 1050°C и требует поглощения меньшего количества тепла.
Фосфор содержится в руде в виде соединений (FeO)3P2O5 и (CaO)3P2O5 и восстановление его в присутствии пустой породы железной руды совершается за счёт твёрдого углерода:
P2O5(CaO)4 + 5C + 2SiO2 = 2P + 2(CaO)2*SiO2 + 5CO (11)
и фосфат железа восстанавливается окисью углерода:
2Fe3(PO4)2 +16CO = 2Fe3P + 2P + 16CO2 (12)
Сера поступает в плавку с рудой, флюсом и коксом в виде сульфида железа. Часть серы улетучивается (от 10 до 60%), оставшаяся часть серы руды и кокса переходит в шлак и в металл. Для удаления серы в шлак необходимо иметь избыточное количество извести:
FeS + CaO = FeO +CAS + Q (13)
Образующееся сернистое железо вступает в реакцию с известью. Другой путь удаления серы из чугуна – это после выпуска из печи выдержке и при перевозках в ковшах наличие реакции взаимодействия сернистого железа с марганцем:
FeS + Mn = MnS + Fe +Q (14)
Никель подобно железу восстанавливается окисью углерода, твёрдым углеродом и водородом. Процесс восстановления начинается и заканчивается раньше восстановления железа.
Хром, никель, титан и ванадий принадлежат к числу трудно восстанавливаемых элементов и восстанавливаются только твёрдым углеродом при температуре выше 1250…1300°C.
Шлакообразование, т.е. сплавление пустой породы руды с флюсом, начинается с образования наиболее лёгкоплавкого соединения из кремнезёма, глинозёма и извести. Это происходит в распаре при температуре около 1200°C. При более высоких температурах он изменяет свой химический состав в связи с растворением в нём золы кокса, флюсов и остатков пустой породы железной руды. Окончательный состав шлака находится в заплечиках и горне.
1.2.2 Продукты доменной плавки
Основным продуктом доменной плавки является чугун.
Расплавленный чугун через одну – две лётки по 10 – 18 раз в сутки выпускают из доменной печи. В ковшах – чугуновозах ёмкостью, 80…100 т, везут его по железнодорожным путам, попадают либо в сталеплавильный цех для передела в сталь, либо на разливочную машину. В первом случае чугун сливают в миксеры (копильники), ёмкостью до 2000 т, отапливаемые газом. При выдержке в миксере выравниваются химический состав и температура чугуна, происходит дополнительное удаление серы.
Разливочная машина представляет собой конвейер с укреплёнными на нём формами (мульдами); в них получают небольшие слитки – чугунные чушки (до 55 кг), которые направляют на другие заводы.
В доменных печах выплавляют передельные и литейные чугуны, а также некоторые ферросплавы.
Передельные чугуны по ГОСТ 805–69 3-х видов:
1. коксовый М1, М2, М3, Б1, Б2;
2. фосфористый МФ1, МФ2, МФ3;
3. высококачественный ПВК1, ПВК2, ПВК3.
По содержанию вредных примесей (P и S) чугуны делятся на классы (А,Б и т.д.) по фосфору и на категории (I, II и т.д.) по сере.
Наиболее распространены чугуны М1, М2, М3 содержат 3,8 – 4,4 % C, 0,5…1,5 % Si, 0,5…1,5 % Mn, 0,15…0,3 % P, 0,02…0,06 % S. Чугуны этих марок применяют для выплавки стали мартеновским и кислородно – конвер-
торным способом.
Чугуны марок Б1, Б2, содержащие фосфора £ 0,06 % (класс А) и серы £0,04%(категория III), используют для передела в сталь кислым процессом.
Фосфористые чугуны МФ1, МФ2 и МФ3 содержат 1…2 % P, их переделывают в сталь в мартеновских качающихся печах.
Высококачественные чугуны ПВК1, ПВК2, ПВК3 имеют минимальное содержание вредных примесей (например, класс А ³ 0,02 % P, категория I – 0,015% S) и используют для выплавки качественных сталей в электродуговых печах и др.
Литейные чугуны ЛКО…ЛК5 применяют для получения литых деталей. В этих чугунах содержится до 3,75 % Si (ЛКО), 0,5…1,3 % Mn, 0,02..0,07 % S (категории I, II, III). Обычные литейные чугуны содержат 0,1…0,3 % P, для художественного литья применяют фосфористые чугуны, содержащие до 1,2% P.
Доменные ферросплавы: зеркальные чугуны ЗЧ1, ЗЧ2, ЗЧ3 содержат 10…25 % Mn, ферромарганец Мн6, Мн7 (70…75 % Mn), доменный ферро - силиций Си10, Си15 (9…13 % Si иногда и больше) и до 3 % Mn. Эти сплавы применяют при выплавке сталей для раскисления и легирования.
В доменных печах из руд некоторых месторождений выплавляют также природно-легированные чугуны, содержащие Cr, V, Ni и т.п.
Доменный процесс имеет также и побочные продукты: доменный шлак, доменный (колошниковый) газ, колошниковая пыль.
Доменный шлак – побочный продукт плавки и применяется для получения строительных материалов. Широкое применение нашла мокрая грануляция шлаков: шлак выливают в воду и он превращается в мелкозернистый материал. Гранулированный шлак используют для производства цемента, шлаковых строительных кирпичей и блоков, и т.д.
Доменный или колошниковый газ. При сгорании 1 т кокса выделяется примерно 5000 м3 газа. Таким образом, в крупных печах V = 3000…3200 м3 в сутки выделяется примерно 15…17 млн. м3 газа. Он содержит значительное количество горючих составляющих (26…32 % CO и до 4 % H2), его теплотво- рная способность примерно 850…950 кал / м3. после очистки от пыли (части– цы руды, флюса, кокса) доменный газ используют как топливо для нагрева воздухонагревателей доменных печей, водяных и паровых котлов, в смеси с природным газом используют для отопления мартеновских и нагревательных печей. Колошниковая пыль содержит 45…50 % Fe и её используют при агломерации.
2. Термическая обработка железоуглеродистых сплавов
Термической обработкойназывают процессы нагрева и охлаждения, проведенные по определенному режиму, для направленного изменения структуры металла с целью получения необходимых эксплуатационных свойств.
2.1 Превращения в стали при нагревании
Нагрев стали при термической обработки используют для получения мелкозернистого аустенита.
Эвтектоидная сталь при нормальной температуре имеет структуру перлита. В процессе ее нагревания при температуре 727° С перлит превращается в аустенит.
В доэвтектоидных сталях (Ф+П) при дальнейшем нагревании происходит превращение феррита в аустенит, которое заканчивается при температуре 830°С.