Металлургия железа (стр. 1 из 3)
Выплавка чугуна и стали
Современное металлургическое производство чугуна и стали состоит из сложного комплекса различных производств (рис. ):
Схема современного металлургического производства
1. Шахт и карьеров по добыче руд, каменных углей, флюсов, огнеупорных материалов.
2. Горно-обогатительных комбинатов, на которых подготовляют руды к плавке, обогащают их, удаляя часть пустой породы, и получают концентрат - продукт с повышенным содержанием железа по сравнению с рудой.
3. Коксохимических цехов и заводов, на которых осуществляют подготовку коксующихся углей, их коксование (сухую перегонку при температуре ~1000°С без доступа воздуха) в коксовых печах и попутное извлечение из них ценных химических продуктов: бензола, фенола, каменноугольной смолы и др.
4. Энергетических цехов для получения и трансформации электроэнергии, сжатого воздуха, необходимого для дутья при доменных процессах, кислорода для выплавки чугуна и стали, а также очистки газов металлургических производств с целью охраны природы и сохранения чистоты воздушного бассейна.
5. Доменных цехов для выплавки чугуна и ферросплавов.
6. Заводов для производства различных ферросплавов.
7. Сталеплавильных цехов - конвертерных, мартеновских, электросталеплавильных для производства стали.
8. Прокатных цехов, в которых нагретые слитки из стали перерабатываются в заготовки (блюмы и слябы) и далее в сортовой прокат, трубы, лист, проволоку и т. п.
Современное производство стали основано на двухступенчатой схеме, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных способов последующего его передела в сталь. В процессе доменной плавки, осуществляемом в доменных печах, происходит избирательное восстановление железа из его окислов, содержащихся в руде. Таким образом из руды получают чугун - сплав железа с углеродом более 2,14 %, кремнием, марганцем, серой и фосфором.
Передел чугуна в сталь осуществляют в металлургических агрегатах: в конвертерах, мартеновских и электрических печах. В них из-за ряда происходящих химических реакций осуществляется избирательное окисление примесей чугуна и перевод их в процессе плавки в шлак и газы. В результате получают сталь заданного химического состава.
Продукция черной металлургии. Основной продукцией черной металлургии являются передельный чугун, литейный чугун, доменные ферросплавы, стальные слитки и прокат.
Передельный чугун, используемый для передела на сталь, содержит,%: С -4,0 - 4,4; Si до 0,6 -0,8; Mn до 0,25 - 1,0; P 0,15 - 0,3 и S 0,03- 0,07. Некоторые марки чугуна, предназначенные для передела в сталь в конвертерах, имеют пониженное до 0,07 % содержание фосфора. До 90 % всего выплавляемого чугуна приходится на чугун передельный.
Литейный чугун, предназначенный для производства фасонных отливок способами литья на машиностроительных заводах, имеет повышенное содержание кремния (до 2,75 - 3,25).
Ферросплавы - сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и других металлов. Их применяют для раскисления и производства легированных сталей. К ферросплавам относят доменный ферросилиций, содержащий 9 –13 % Si и до 3 % Mn; доменный ферромарганец, содержащий 70 –75 % Mn и до 2 % Si; зеркальный чугун с 10 – 25 % Mn и до 2% Si.
Стальные слитки, полученные в изложницах или кристаллизаторах, подвергают обработке давлением (прокатке, ковке). Прокат используют непосредственно, в конструкциях (мостах, зданиях, железобетонных конструкциях, железнодорожных путях, станинах машин и т. д.), в качестве заготовок для изготовления деталей резанием и заготовок для последующей ковки и штамповки.
Форму поперечного сечения прокатанного металла называют профилем. Совокупность различных профилей разных размеров называют сортаментом. Сортамент прокатываемых профилей разделяют на следующие группы: заготовки, сортовой прокат, листовой прокат, трубы и специальные виды проката.
Заготовки прокатывают в горячем состоянии непосредственно из слитков. Заготовки квадратного сечения с размерами от 150*150 до 450*450мм называют блюмами. Они предназначены для последующей прокатки на сортовых станах и в качестве заготовок для изготовления поковок ковкой. Заготовки прямоугольного сечения толщиной 65 - 300мм и шириной 600 - 1600мм называют слябами. Их используют для прокатки толстых листов.
Сортовой прокат по профилю подразделяют на две группы: простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и сложной - фасонной формы (швеллеры/двутавровые балки, рельсы, уголки и т. д.).
Листовой прокат подразделяют по назначению (судостроительный, электротехнический, автолист и т. д.) и по толщине. Листовую сталь с толщиной 4 -160 мм называют толстолистовой, а с толщиной 0,2 - 4мм - тонколистовой. Листы с толщиной менее 0,2мм называют фольгой.
Трубы также подразделяют по назначению и способу изготовления. Они бывают бесшовные и сварные (с прямым и спиральными швами).
Специальные виды проката - колеса и оси железнодорожных вагонов, кольца, зубчатые колеса, периодические профили и т. п. Периодическим профилем называют прокатанную заготовку, форма и площадь сечения которой периодически изменяются вдоль оси.
Побочными продуктами металлургического производства являются коксовальный газ и извлекаемые из него ценные химические продукты, а также доменный шлак и колошниковый газ. Доменным шлаком называют легкоплавкое соединение флюса (СаСО3 - известняк) с пустой породой руды и золой топлива. Шлак используют для строительства дорог, из него изготовляют шлаковату, шлакоблоки, цемент, а колошниковый (доменный) газ после очистки от пыли используют как топливо для нагрева воздуха. вдуваемого в доменную печь, а также в цехах металлургических заводов.
ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА
Чугун — железоуглеродистый сплав, содержащий более 2 % углерода. Кроме углерода, в нем всегда присутствуют кремний (до 4 %), марганец (до 2 %), а также фосфор и сера. Чугун является основным исходным материалом для получения стали, на что расходуется примерно 80 – 85 % всего чугуна. Вместе с тем чугун — наиболее распространенный литейный сплав.
РУДЫ, ФЛЮСЫ И ТОПЛИВО
Железные руды — основной исходный материал для выплавки чугуна. Рудный минерал (рудное вещество) чаще всего представляет собой окислы железа, хорошо восстанавливающиеся в условиях доменной плавки. Пустая порода обычно состоит из кварца и песчаников с примесью глин.
Руды содержат 60 % железа и больше, наиболее бедные 30 – 40 %.
Красный железняк. Рудный минерал -гематит ( Fe2O3), обычно содержит 50 –60 % Fe. Это наиболее распространенный вид руды во всем мире.
Магнитный железняк. Рудный минерал — магнетит (FeO * Fe2O3), магнитная окись железа, в руде 55 – 60 % Fe.,в т.ч.,%: FeO * Fe2O3 -78-85; S- 0,02- 2,5; 0,02 -0,7 P; SiO2, Al2O 3, CaO – 5-10.
Бурый железняк. Рудный минерал - водные окислы железа, в руде обычно содержится 30-50 % Fe.
Шпатовый железняк. Рудный минерал -сидерит, карбонат железа (FeCO3), в руде обычно 30 – 40 % Fe.
Железистые кварциты. Рудный минерал - магнетит или гематит. Эти руды содержат 35 – 40 % Fe с кремнистой пустой породой.
Титаномагнетиты. Комплексная руда, содержащая 15 – 20 % Fe, рудными минералами которой являются магнетит и ильменит FeO*TiO2, титансодержащий минеоал.
Марганцевая руда входит в состав шихты доменных печей при выплавке некоторых марок чугуна, а также ферромарганца (до 82 % Мn). В ней марганец находится в виде пиролюзита МnО2 и других соединений. Содержание марганца в руде обычно составляет 25 – 50 %.
Доменные флюсы необходимы для удаления из доменной печи тугоплавкой пустой породы руды и золы топлива. Сплавляясь с флюсом, они образуют легкоплавкий сплав – доменный шлак. В качестве флюса используют известняк ( CaCO3).
Топливо в доменной печи служит не только источником тепла, но реагентом, обеспечивающим восстановление железа из руды и образование чугуна. Кокс является главным видом топлива в доменных печах.
Кокс представляет собой твердую пористую спекшуюся массу, получающихся из коксующихся каменных углей после удаления из них летучих веществ в специальных печах путем пиролиза, т.е. разложения при прокаливании измельченного угля без доступа воздуха при 950- 11000С в течение 15- 18 ч.
Металлургический кокс в среднем содержит 85- 90 % углерода, 0,5 – 2 % серы, до 0,2 % фосфора, около 1 % летучих, 10 -13 золы, до 5 % влаги.
Современное производство стали основано на двухступенчатой схеме, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных способов последующего его передела в сталь. В процессе доменной плавки, осуществляемом в доменных печах, происходит избирательное восстановление железа из его окислов, содержащихся в руде. Таким образом из руды получают чугун - сплав железа с углеродом более 2,14 %, кремнием, марганцем, серой и фосфором.
Передел чугуна в сталь осуществляют в металлургических агрегатах: в конвертерах, мартеновских и электрических печах. В них из-за ряда происходящих химических реакций осуществляется избирательное окисление примесей чугуна и перевод их в процессе плавки в шлак и газы. В результате получают сталь заданного химического состава.
Продукция черной металлургии. Основной продукцией черной металлургии являются передельный чугун, литейный чугун, доменные ферросплавы, стальные слитки и прокат.
Передельный чугун, используемый для передела на сталь, содержит,%: С -4,0 - 4,4; Si до 0,6 -0,8; Mn до 0,25 - 1,0; P 0,15 - 0,3 и S 0,03- 0,07. Некоторые марки чугуна, предназначенные для передела в сталь в конвертерах, имеют пониженное до 0,07 % содержание фосфора. До 90 % всего выплавляемого чугуна приходится на чугун передельный.
Литейный чугун, предназначенный для производства фасонных отливок способами литья на машиностроительных заводах, имеет повышенное содержание кремния (до 2,75 - 3,25).