Лекция 4 Металлургические процессы производства стали и цветных металлов
Сталь наравне с чугунами является основной продукций металлургической промышленности. Обеспечение потребностей производства машин и оборудования качественной стальной металлопродукции является важной задачей металлургической промышленности.
Сталямипринято называть сплавы железа с углеродом, содержащие до 1,5% углерода. Производство стали связано с использованием значительных количеств различных материалов и в первую очередь металлошихты (передельный чугун, металлолом, различные металлодобавки), а также добавочных материалов или флюсов (известь, известняк, боксит, плавиковый шпат и др.), окислителей (воздух, кислород, железная руда, окалина и др.), топлива (природный газ, мазут, коксовый газ, доменный или колошниковый газ), электроэнергии, воды, инертных газов (аргон), огнеупорных материалов. Назначение этих материалов и их роль в металлургическом процессе мы рассмотрели на предыдущей лекции.
Процесс выплавки стали осуществляется на различном по принципу действия металлургическом оборудовании: мартеновских печах, кислородных конверторах, электрических печах. Последовательно рассмотрим процессы выплавки стали на таком оборудовании.
Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича (рисунок 4.2). В передней стенке камеры печи (1) имеются загрузочные окна для подачи шихты и флюса (2), а в задней – отверстие для выпуска готовой стали (3). С обоих торцов плавильного пространства расположены головки печи (4), которые служат для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. В качестве топлива используют природный газ, мазут. Для подогрева воздуха и газа печь имеет два регенератора (5). Через один из регенераторов подают воздух, который нагревается до 1200 C и поступает в головку печи, где смешивается с топливом, на выходе из головки образуется факел (6), направленный на шихту (7). Температура факела пламени достигает 1800 oC. Расплавленная сталь (8) через отверстие для выпуска поступает в ковш (9). Процесса получения стали в мартеновской печи длится от пяти до восьми часов. Процессы выплавки стали в мартеновских печах осуществляют в три этапа.
Рисунок 4.2 – Мартеновская печь: 1 – камера печи, 2 – загрузочные окна, 3 – отверстие выпуска стали, 4 – головки печи факел, 5 – регенераторы, 6 – факел,
7 – шихта, 8 – стальной расплав, 9 – ковш
1 Этап – расплавление металлошихты и нагрев ванны жидкого металла. На этом этапе происходит окисление железа и примесей, содержащихся во флюсах. Наиболее важная задача данного этапа это удаление такой примеси, как фосфор путем перевода его в шлак с помощью химических реакций.
2 Этап – кипение металлической ванны. При реакции оксида железа с углеродом, пузырьки оксида углерода выделяются из жидкого металла, вызывая кипение ванны. При кипении уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения и газы, проникающие в пузырьки углекислого газа. Процесс кипения ванны показан нарисунке 4.1. Все это способствует повышению качества металла. Этот этап основной в процессе выплавки стали.
3 Этап – раскисление стали. Этап заключается в восстановлении оксида железа, растворённого в жидком металле. Для этого в процессе выплавки сталей используют кислород. Повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей.
Рисунок 4.1 – Кипение ванны и удаление примесей водорода и азота
В мартеновских печах выплавляют стали углеродистые конструкционные, низко- и среднелегированные (марганцовистые, хромистые). Недостатки плавки стали в мартеновских печах заключаются в периодичности процесса плавки, сложности оборудования, более высокой стоимости выплавляемой стали.
Конверторная печь представляет собой большую стальную реторту, футерованную огнеупором (рисунок 4.3).
Рисунок 4.3 – Конверторная печь: 1 – вдуваемый кислород, 2 – горловина печи, 3 – расплавленный чугун, 4 – устройство поворота
Конверторно-кислородный способ получения стали протекает следующим образом. Воздух (1) вдувают в конвертор через его горловину (2), и он попадает на поверхность расплавленного чугуна (3). При продувке кислород воздуха вступает в реакцию с примесями чугуна и окисляет их, в результате чего получается сталь. Извлекается сталь при помощи поворотного устройства (4). Для конверторного способа используют жидкий чугун, полученный в доменных печах и выдержанный в специальных металлоприемниках (миксерах). Происходит разогрев металла теплотой, выделяющейся при окислении. Процесс идет с высокой температурой, что дает возможность перерабатывать в конверторе чугуны с различным содержанием примесей. Недостатки способа заключаются в повышенном расходе огнеупоров и высоком угаре металлов.
Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сплавов и сталей. Различают дуговые и индукционные электропечи. Дуговая печь, показанная на рисунке 4.4, питается трёхфазным переменным током. Имеет камеру (1) и три цилиндрических электрода (2), к которым подводится электрический ток по кабелям. Между электродом и металлической шихтой (3) возникает электрическая дуга (4) – источник высокой температуры для расплава. Расплавленная сталь (5) через отверстие для выпуска (6) поступает в ковш (7).
Рисунок 4.4 – Дуговая печь: 1 – камера печи, 2 – электроды, 3 – шихта, 4 – электрическая дуга, 5 – расплав, 6 – отверстие выпуска стали, 7 – ковш
Индукционныеэлектропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами. Они позволяют: легко регулировать тепловой процесс, изменяя параметры тока; получать высокую температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений.
Среди процессов производства цветных металлов наиболее распространены процессы производства меди, алюминия и магния.
Медь в природе находится в составе руд и самородной металлической меди. К основным способам получения меди относятся: гидрометаллургический и пирометаллургический способы. Кратко проанализируем эти процессы.
Гидрометаллургический способ основан на принципе ее выщелачивания слабым раствором серной кислоты и последующего выделения металлической меди из раствора.
Получение меди пирометаллургическим способом состоит из последовательных процессов обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере и рафинирования. Штейн представляет собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа. Штейн подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах. Таким образом, в конвертере получают черновую медь, Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине. Черновую медь рафинируют. Сущность рафинирования черновой меди заключается в удалении примесей.
Алюминий занимает первое место среди металлов по распространению в природе. Рудами алюминия являются: бокситы, нефелины, алуниты и каолины. Производство алюминия состоит из двух основных процессов: добыча глинозема из руды, электролиза глинозема. Электролиз глинозема проводят в специальных электролизных ваннах (электролизерах) (рисунок 4.5). Внутри кожуха (1) имеется ванна глубиной 0,5 – 0,6 м заполненная электролитом (2) и находящимся под ним слоем глинозема (3). Угольный анод (4) подвешен на стальных стержнях так, что его нижний конец погружен в электролит, через стержни к аноду подается ток. Разряжающийся на катоде (5) алюминий накапливается на дне ванны под слоем электролита. Жидкий алюминий (6) извлекают из ванн помощью вакуумных ковшей.
Рисунок 4.5 – Алюминиевый электролизер: 1 – кожух, 2 – электролит, 3 –глинозем, 4 – угольный анод, 5 – катод, 6 – жидкий алюминий
Основным сырьем для получения магния являются: карналлит, магнезит, доломит и бишофит. Для получения магния наибольшее распространение получил электролитический способ, сущность которого заключается в получении чистых безводных солей магния, электролизе этих солей в расплавленном состоянии и рафинировании металлического магния.
Контрольные вопросы к лекции 4:
1. Что такое сталь.
2. Опишите процесс выплавки стали в мартеновской печи. Какие недостатки имеет данный процесс.
3. Опишите процесс выплавки стали в конверторе. Какие недостатки имеет данный процесс.
4. Опишите процесс выплавки стали в электродуговой печи. В чем преимущества процесса.
5. В чем состоят особенности гидрометаллургического и пирометаллургического способов получения меди.
6. Опишите процесс электролиза глинозема для получения алюминия.