ПРИЛОЖЕНИЕ(краткое изложение)

ПРОИЗВОДСТВОЧУГУНА

Сырье:железная руда.

Вспомогательныематериалы:кокс (иногдаприродный газ),воздух, обогащенныйкислородом,флюсы (известняк,доломит).

Основнойхимическийпроцесс:содержащийсяв руде оксиджелеза (III)восстанавливаетсяоксидом углерода(II):

Кокссгорает дооксида углерода(IV), при этом выделяетсятеплота, необходимаядля расплавленияжелеза, шлаков,а также проведениясамой реакции:

Оксидуглерода (IV)восстанавливаетсякоксом до оксидауглерода (II):

Побочныепроцессы:одновременновосстанавливаютсяоксиды другихэлементов,содержащихсяв железнойруде:

Содержащаясяв руде тугоплавкаяпримесь (оксидкремния) удаляетсяв виде шлакавзаимодействиемс оксидом кальция:

Оксидкальция образуетсяпри разложенииизвестнякаили доломита:

Особенноститехнологическогопроцесса:чугун получаютв специальныхпечах — домнах.В верхнюю частьдомны (колошник)подают последовательносырье и вспомогательныематериалы, внижнюю (горн)продуваютпротивотокомвоздух, предварительнонагретый врегенератореза счет сжиганияколошниковогогаза. Производствонепрерывное(однако засыпаниешихты и выпускчугуна производятсяпериодически),используютсятеплота реакциии принциппротивотока.

Основнойпродукт:чугун.

Состав:сплав железа,содержащийболее 2,5% С; 0,3—5% Si; до1% Mn; 0,1% S и 0,2% Р, иногдалегирующиеметаллы (Аl,Сr,Ni и др.).

Свойства:самый дешевыйметаллическийматериал, обладаетхорошимилитейными иантифрикционнымисвойствами,износостойкостью,способностьюгасить вибрации.Различаютпередельный,литейный илегированныйчугун. Легированныйчугун отличаетсяжаростойкостьюи коррозионнойстойкостью.

Применение:передельныйчугун — дляпроизводствастали; литейный— для изготовленияпоршней, цилиндров,тормозныхбарабанов,шестерен, деталейавтомобилей(задний мост,картер, ступицыи др.); легированный— для изготовлениядверец мартеновскихпечей, колосников,деталей паровыхкотлов, печнойарматуры,футерованныхплит, газотурбинныхустановок.

Побочныепродукты:шлак, колошниковыйгаз.

Утилизацияпобочных продуктов:шлак используютпри производствегравия, щебня,цемента, шлаковойваты, колошниковыйгаз — для обогревавоздухонагревателей.

ПРОИЗВОДСТВОСТАЛИ

Сырье:чугун, металлолом,оксиды железа.

Вспомогательныематериалы:воздух, обогащенныйкислородом,добавки (например,оксид кальция,ферромарганец).

Основнойхимическийпроцесс:содержащиесяв жидком чугунеэлементы (углерод,кремний, марганец,фосфор и сера)окисляютсякислородом:

Образовавшийсяоксид железа(II) тоже принимаетучастие в окислениипримесей:

Оксидыкремния и фосфорас известьюобразуют шлак:

Побочныепроцессы:для удаленияобразующегосяоксида железа(II) добавляютферромарганец(так называемыйраскислитель):

Оксидмарганца (II)переходит вшлак:

Особенноститехнологическогопроцесса:

1) кислородно-конверторныйспособ.Окислениепримесей проводятв специальныхаппаратах—конверторахпродуваниемвоздуха черезрасплавленныйчугун (нижнеедутье) или кислороданад расплавом(верхнее дутье);

2) мартеновскийспособ.Примеси окисляютв мартеновскихпечах, пропускаяпредварительнонагретый врегенераторахвоздух и топочныегазы над расплавленнымчугуном. Производствопериодическое.

Основнойпродукт:сталь.

Состав:сплав железа,содержащийменее 2% С, 0,35%Si, 0,6%Mn, 0,06%S, 0,07%Р, легирующиеметаллы (Со,Cr, Ni, W, A1и др.).

Свойства:высокая прочность,пластичность,свариваемость,жаростойкость,износостойкость.

Применение:конструкционныематериалы, встроительстве,производстветруб для газо-и нефтепроводов,деталей машини механизмов(оси, шестерни,пружины, коленчатыевалы), аппаратови деталей вхимическоммашиностроении.

Побочныепродукты:шлак, отходящийгаз.

Утилизацияпобочных продуктов:шлак, содержащийфосфор, используютв качествеминеральныхудобрений.

Новейшимнаправлениемв производствестали являетсяпрямое восстановлениежелезной рудыводородом,природным илигенераторнымгазом, минуядоменные процессы.При этом получаютгубчатое железо,состав которогов отличие отдоменногочугуна оченьблизок к стали.Мартеновскийспособ в настоящеевремя такжеустарел. Гораздоболее прогрессивнымиявляются конверторныйи электроплавильный.Происходитбурное развитиетехнологиинепрерывнойразливки сталиблагодаря ееисключительновысокой эффективности.Основныминаправлениямиэкономическогои социальногоразвития до2000 г. предусмотреноувеличитьвыплавку конверторнойстали и электросталив 1,3—1,4 раза, разливкустали непрерывнымспособом неменее чем в2 раза и выпускметаллическихпорошков болеечем в 3 раза.

КовчегинИгорь 9^б

Производствожелеза

Получениежелеза из железнойруды производитсяв две стадии.Оно начинаетсяс подготовкируды-измельченияи нагревания.Руду измельчаютна куски диаметромне более 10 см.Затем измельченнуюруду прокаливаютдля удаленияводы и летучихпримесей.

На второйстадии железнуюруду восстанавливаютдо железа спомощью оксидауглерода вдоменной печи.Восстановлениепроводитсяпри температурахпорядка 700 °С:

Дляповышениявыхода железаэтот процесспроводитсяв условияхизбытка диоксидауглерода СО₂.

Моноксидуглерода СОобразуетсяв доменной печииз кокса и воздуха.Воздух сначаланагреваютприблизительнодо 600 °С и нагнетаютв печь черезособую трубу-фурму. Кокссгорает в горячемсжатом воздухе,образуя диоксидуглерода. Этареакция экзотермичнаи вызываетповышениетемпературывыше 1700°С:

Диоксидуглерода поднимаетсявверх в печии реагируетс новыми порциямикокса, образуямоноксид углерода.Эта реакцияэндотермична:

елезо,образующеесяпри восстановлениируды, загрязненопримесями пескаи глинозема(см. выше). Дляих удаленияв печь добавляютизвестняк. Притемпературах,существующихв печи, известнякподвергаетсятермическомуразложениюс образованиемоксида кальцияи диоксидауглерода:

Оксидкальция соединяетсяс примесями,образуя шлак.Шлак содержитсиликат кальцияи алюминаткальция:

Железоплавится при1540 °С. Расплавленноежелезо вместес расплавленнымшлаком стекаютв нижнюю частьпечи. Расплавленныйшлак плаваетна поверхностирасплавленногожелеза. Периодическииз печи выпускаютна соответствующемуровне каждыйиз этих слоев.

Доменнаяпечь работаеткруглосуточно,в непрерывномрежиме. Сырьемдля доменногопроцесса служатжелезная руда,кокс и известняк.Их постояннозагружают впечь черезверхнюю часть.Железо выпускаютиз печи четырераза в сутки,через равныепромежуткивремени. Оновыливаетсяиз печи огненнымпотоком притемпературепорядка 1500°С.Доменные печибывают разнойвеличины ипроизводительности(1000-3000 т в сутки). ВСША существуютнекоторые печиновой конструкциис четырьмявыпускнымиотверстиямии непрерывнымвыпускомрасплавленногожелеза. Такиепечи имеютпроизводительностьдо 10000 т в сутки.

Железо,выплавленноев доменнойпечи, разливаютв песочныеизложницы.Такое железоназываетсячугун. Содержаниежелеза в чугунесоставляетоколо 95%. Чугунпредставляетсобой твердое,но хрупкоевещество стемпературойплавления около1200°С.

Литоежелезополучают, сплавляясмесь чугуна,металлоломаи стали с коксом.Расплавленноежелезо разливаютв формы и охлаждают.

Сварочноежелезопредставляетсобой наиболеечистую формутехническогожелеза. Егополучают, нагреваянеочищенноежелезо с гематитоми известнякомв плавильнойпечи. Это повышаетчистоту железаприблизительнодо 99,5%. Его температураплавленияповышаетсядо 1400 °С. Сварочноежелезо имеетбольшую прочность,ковкость итягучесть.Однако длямногих примененийего заменяютнизкоуглеродистойсталью (см. ниже).

Химическиереакции привыплавке чугунаиз железнойруды

В основепроизводствачугуна лежитпроцесс восстановленияжелеза из егоокислов окисьюуглерода.

Известно,что окись углеродаможно получить,действуя кислородомвоздуха нараскалённыйкокс. При этомсначала образуетсядвуокись углерода,которая привысокой температуревосстанавливаетсяуглеродом коксав окись углерода:

Восстановлениежелеза из окисижелеза происходитпостепенно.Сначала окисьжелеза восстанавливаетсядо закиси-окисижелеза:

Далеезакись-окисьжелеза восстанавливаетсяв закись железа:

и, наконец,из закиси железавосстанавливаетсяжелезо:

Скоростьэтих реакцийрастёт с повышениемтемпературы,с увеличениемв руде содержанияжелеза и суменьшениемразмеров кусковруды. Поэтомупроцесс ведутпри высокихтемпературах,а руду предварительнообогащают,измельчают,и куски сортируютпо крупности:в кусках одинаковойвеличинывосстановлениежелеза происходитза одно и то жевремя. Оптимальныеразмеры кусковруды и коксаот 4 до 8—10 см.Мелкую рудупредварительноспекают (агломерируют)путём нагреваниядо высокойтемпературы.При этом изруды удаляетсябольшая частьсеры.

Железовосстанавливаетсяокисью углеродапрактическиполностью.Одновременночастичновосстанавливаютсякремний и марганец.Восстановленноежелезо образуетсплав с углеродомкокса. кремнием,марганцем, исоединениями,серы и фосфора.Этот сплав—жидкийчугун. Температураплавлениячугуна значительнониже температурыплавлениячистого железа.

Пустаяпорода и золатоплива такжедолжны бытьрасплавлены.Для понижениятемпературыплавления всостав «плавильных»материаловвводят, кромеруды и кокса,флюсы (плавни)— большей частьюизвестняк СаСО₃и доломитCaCO₃МgСО₃.Продукты разложенияфлюсов принагреванииобразуют свеществами,входящими всостав пустойпороды и золыкокса, соединенияс более низкимитемпературамиплавления,преимущественносиликаты иалюмосиликатыкальция и магния,например,2CaOAl₂O₃SiO₂,2CaOMg02Si0₂.

Химическийсостав сырья,поступающегона переработку,иногда колеблетсяв широких пределах.Чтобы вестипроцесс припостоянныхи наилучшихусловиях, сырьё«усредняют»по химическомусоставу, т. е.смешивают рудыразличногохимическогосостава вопределённыхвесовых отношенияхи получаютсмеси постоянногосостава. Мелкиеруды спекаютвместе с флюсами,получая «офлюсованныйагломерат».Применениеофлюсованногоагломератадаёт возможностьзначительноускорить процесс.

Производствостали

Сталиподразделяютсяна два типа.Углеродистыесталисодержат до1,5% углерода.Легированныесталисодержат нетолько небольшиеколичествауглерода, нотакже специальновводимые примеси(добавки) другихметаллов. Нижеподробнорассматриваютсяразличные типысталей, их свойстваи применения.

Кислородно-конвертерныйпроцесс.В последниедесятилетияпроизводствостали революционизировалосьв результатеразработкикислородно-конвертерногопроцесса (известноготакже под названиемпроцессаЛинца-Донавица).Этот процессначал применятьсяв 1953 г. на сталеплавильныхзаводах в двухавстрийскихметаллургическихцентрах-Линцеи Донавице.

кислородно-конвертерномпроцессе используетсякислородныйконвертер сосновнойфутеровкой(кладкой). Конвертерзагружают внаклонномположениирасплавленнымчугуном изплавильнойпечи и металлоломом,затем возвращаютв вертикальноеположение.После этогов конвертерсверху вводятмедную трубкус водяным охлаждениеми через неенаправляютна поверхностьрасплавленногожелеза струюкислорода спримесьюпорошкообразнойизвести (СаО).Эта «кислороднаяпродувка»,которая длится20 мин, приводитк интенсивномуокислениюпримесей железа,причем содержимоеконвертерасохраняетжидкое состояниеблагодарявыделениюэнергии приреакции окисления.Образующиесяоксиды соединяютсяс известью ипревращаютсяв шлак. Затеммедную трубкувыдвигают иконвертернаклоняют,чтобы слитьиз него шлак.После повторнойпродувкирасплавленнуюсталь выливаютиз конвертера(в наклонномположении) вковш.

Кислородно-конвертерныйпроцесс используетсяглавным образомдля полученияуглеродистыхсталей. Онхарактеризуетсябольшойпроизводительностью.За 40-45 мин в одномконвертереможет бытьполучено 300-350 тстали.

В настоящеевремя всю стальв Великобританиии большую частьстали во всеммире получаютс помощью этогопроцесса.

Электросталеплавильныйпроцесс. Электрическиепечи используютглавным образомдля превращениястального ичугунногометаллоломав высококачественныелегированныестали, напримерв нержавеющуюсталь. Электропечьпредставляетсобой круглыйглубокий резервуар,выложенныйогнеупорнымкирпичом. Черезоткрытую крышкупечь загружаютметаллоломом,затем крышкузакрывают ичерез имеющиесяв ней отверстияопускают в печьэлектроды, покаони не придутв соприкосновениес металлоломом.После этоговключают ток.Между электродамивозникает дуга,в которой развиваетсятемпературавыше 3000 °С. Притакой температуреметалл плавитсяи образуетсяновая сталь.Каждая загрузкапечи позволяетполучить 25-50 тстали.

Стальполучаетсяиз чугуна приудалении изнего большейчасти углерода,кремния, марганца,фосфора и серы.Для этого чугунподвергаютокислительнойплавке. Продуктыокислениявыделяютсяв газообразномсостоянии ив виде шлака.

Так какконцентрацияжелеза в чугунезначительновыше, чем другихвеществ, тосначала интенсивноокисляетсяжелезо. Частьжелеза переходитв закись железа:

Реакцияидёт с выделениемтепла.

Закисьжелеза, перемешиваясьс расплавом,окисляет кремниймарганец иуглерод:

Si+2FeO=SiO₂+2Fe

Mn+FeO=MnO+Fe

C+FeO=CO+Fe

Первыедве реакцииэкзотермичны.Особенно многотепла выделяетсяпри окислениикремния.

Фосфорокисляетсяв фосфорныйангидрид, которыйобразует сокислами металловсоединения,растворимыев шлаке. Носодержаниесеры снижаетсянезначительно,и поэтому важночтобы в исходныхматериалахбыло мало серы.

Послезавершенияокислительныхреакций в жидкомсплаве содержитсяещё закисьжелеза, от которойего необходимоосвободить.Кроме того,необходимодовести доустановленныхнорм содержаниев стали углерода,кремния и марганца.Поэтому к концуплавки добавляютвосстановители,напримерферромарганец(сплав железас марганцем)и другие такназываемые«раскислители».Марганец реагируетс закисью железаи «сраскисляет»сталь:

Мп+FеО=МnО+Fe

Переделчугуна в стальосуществляетсяв настоящеевремя различнымиспособами.Более старым,применённымвпервые в серединеXIX в. являетсяспособ Бессемера.

СпособБессемера.По этому способупередел чугунав сталь проводитсяпутём продуваниявоздуха черезрасплавленныйгорячий чугун.Процесс протекаетбез затратытоплива за счёттепла, выделяющегосяпри экзотермическихреакциях окислениякремния, марганцаи других элементов.

Процесспроводитсяв аппарате,который называетсяпо фамилииизобретателяконвертеромБессемера.Он представляетсобой грушевидныйстальной сосуд,футерованныйвнутри огнеупорнымматериалом.В дне конвертераимеются отверстия,через которыеподаётся ваппарат воздух.Аппарат работаетпериодически.Повернув аппаратв горизонтальноеположение,заливают чугуни подают воздух.Затем поворачиваютаппарат ввертикальноеположение. Вначале процессаокисляютсяжелезо, кремнийи марганец,затем углерод.Образующаясяокись углеродасгорает надконвертеромослепительноярким пламенемдлиной до 8 л.Пламя постепенносменяется бурымдымом. Начинаетсягорение железа.Это указывает,что периодинтенсивногоокисленияуглеродазаканчивается.Тогда подачувоздуха прекращают,переводятконвертерв горизонтальноеположениеи вносят раскислители.

ПроцессБессемераобладает рядомдостоинств.Он протекаеточень быстро(в течение 15минут), поэтомупроизводительностьаппарата велика.Для проведенияпроцесса нетребуетсярасходоватьтопливо илиэлектрическуюэнергию. Ноэтим способомможно переделыватьв сталь не все,а только отдельныесорта чугуна.К тому же значительноеколичествожелеза в бессемеровскомпроцессеокисляетсяи теряется(велик «угар»железа).

Значительнымусовершенствованиемв производствестали в конвертерахБессемераявляетсяприменениедля продувкявместо воздухасмеси его счистым кислородом(«обогащённоговоздуха»), чтопозволяетполучать сталиболее высокогокачества.

Мартеновскийспособ.Основным способомпередела чугунав сталь являетсяв настоящеевремя мартеновский.Тепло,необходимоедля проведенияпроцесса, получаетсяпосредствомсжиганиягазообразногоили жидкоготоплива.Процесс получениястали осуществляетсяв пламеннойпечи – мартеновскойпечи.

Примеси,содержащиесяв шихте, окисляютсясвободным,кислородомтопочных газови кислородом,входящим всостав железнойруды, окалиныи ржавчины.

Плавильноепространствомартеновскойпечи представляетсобой ванну,перекрытуюсводом изогнеупорногокирпича. В переднейстенке печинаходятсязагрузочныеокна, черезкоторые завалочныемашины загружаютв печь шихту.В задней стенкенаходитсяотверстие длявыпуска стали.С обеих сторонванны расположеныголовки с каналамидля подводатоплива и воздухаи отвода продуктовгорения. Печьёмкостью 350 тимеет длину25 м и ширину 7 м.

Мартеновскаяпечь работаетпериодически.После выпускастали в горячуюпечь загружаютв установленнойпоследовательностилом, железнуюруду, чугун, ав качествефлюса — известнякили известь.Шихта плавится.При этом интенсивноокисляются:часть железа,кремний и марганец.Затем начинаетсяпериод быстрогоокисленияуглерода, называемыйпериодом «кипения»,— движениепузырьков окисиуглерода черезслой расплавленногометалла создаётвпечатление,что он кипит.

В концепроцесса добавляютраскислители.За изменениемсостава сплаватщательноследят, руководствуясьданными экспресс-анализа,позволяющегодать ответ осоставе сталив течение несколькихминут. Готовуюсталь выливаютв ковши. Дляповышениятемпературыпламени газообразноетопливо и воздухпредварительноподогреваютв регенераторах.Принцип действиярегенераторовтот же, что ивоздухонагревателейдоменногопроизводства.Насадка регенераторанагреваетсяотходящимииз печи газами,и когда онадостаточнонагреется,через регенераторначинаютподавать в печьвоздух. В этовремя нагреваетсядругой регенератор.Для регулированиятепловогорежима печьснабжаетсяавтоматическимиприспособлениями.

В мартеновскойпечи, в отличиеот конвертераБессемера,можно перерабатыватьне только жидкийчугун, но и твёрдый,а также отходыметаллообрабатывающейпромышленностии стальной лом.В шихту вводяттакже и железнуюруду. Составшихты можноизменять вшироких пределахи выплавлятьстали разнообразногосостава, какуглеродистые,так и легированные.

Российскимиучёными и сталеварамиразработаныметоды скоростногосталеварения,повышающиепроизводительностьпечей. Производительностьпечей выражаетсяколичествомстали, получаемымс одного квадратногометра площадипода печи вединицу времени.

Производствостали в электропечах.Применениеэлектрическойэнергии впроизводствестали даётвозможностьдостигатьболее высокойтемпературыи точнее еёрегулировать.Поэтому вэлектропечахвыплавляютлюбые маркисталей, в томчисле содержащиетугоплавкиеметаллы — вольфрам,молибден и др.Потери легирующихэлементовв электропечахменьше, чем вдругих печах.При плавке скислородомускоряетсяплавлениешихты и особенноокислениеуглерода вжидкой шихте,Применениекислородапозволяетещё более повыситькачествоэлектростали,так как в нейостаётся меньшерастворённыхгазов и неметаллическихвключений.

В промышленностиприменяют дватипа электропечей:дуговые ииндукционные.В дуговых печахтепло получаетсявследствиеобразованияэлектрическойдуги междуэлектродамии шихтой. Виндукционныхпечах теплополучаетсяза счёт индуцируемогов металлеэлектрическоготока.

Сталеплавильныепечи всех типов— бессемеровскиеконвертеры,мартеновскиеи электрические— представляютсобой аппаратыпериодическогодействия. Кнедостаткампериодическихпроцессовотносятся, какизвестно, затратавремени назагрузку иразгрузкуаппаратов,необходимостьизменять условияпо мере теченияпроцесса, трудностьрегулированияи др. Поэтомуперед металлургамистоит задачасоздания новогонепрерывногопроцесса.

Примененияв качествеконструкционныхматериаловсплавов железа.

Некоторыеd-элементы широкоиспользуютсядля изготовленияконструкционныхматериалов,главным образомв виде сплавов.Сплав-это смесь(или раствор)какого-либометалла с однимили несколькимидругими элементами.

Сплавы,главной составнойчастью которыхслужит железо,называютсясталями. Вышемы уже говорили,что все сталиподразделяютсяна два типа:углеродистыеи легированные.

Углеродистыестали
Типстали	Содержаниеуглерода, %	Применения
Низкоуглеродистая	0,2	Общеемашиностроение:корпуса автомашин,проволока,трубы, болтыи гайки
Среднеуглеродистая	0,3-0,6	Балкии фермы, пружины
Высокоуглеродистая	0,6-1,5	Сверла,ножи, молотки,резцы

Углеродистыестали.По содержаниюуглерода этистали в своюочередь подразделяютсяна низкоуглеродистую,среднеуглеродистуюи высокоуглеродистуюстали. Твердостьуглеродистыхсталей возрастаетс повышениемсодержанияуглерода. Например,низкоуглеродистаясталь являетсятягучей и ковкой.Ее используютв тех случаях,когда механическаянагрузка неимеет решающегозначения. Различныепримененияуглеродистыхсталей указаныв таблице. Надолю углеродистыхсталей приходитсядо 90% всего объемапроизводствастали.

Легированныестали.Такие сталисодержат до50% примеси одногоили несколькихметаллов, чащевсего алюминия,хрома, кобальта,молибдена,никеля, титана,вольфрамаи ванадия.

Нержавеющиесталисодержат вкачестве примесейк железу хроми никель. Этипримеси повышаюттвердость сталии делают ееустойчивойк коррозии.Последнеесвойство обусловленообразованиемтонкого слояоксида хрома(III) на поверхностистали.

Инструментальныестали подразделяютсяна вольфрамовыеи марганцовистые.Добавлениеэтих металловповышает твердость,прочность иустойчивостьпри высокихтемпературах(жаропрочность)стали. Такиестали используютсядля буренияскважин, изготовлениярежущих кромокметаллообрабатывающихинструментови тех деталеймашин, которыеподвергаютсябольшой механическойнагрузке.

Кремнистыесталииспользуютсядля изготовленияразличногоэлектрооборудования:моторов, электрогенераторови трансформаторов.