Какие физико-химические процессы происходят в доменной печи при производстве чугуна? (стр. 1 )

15. Какие физико-химические процессы происходят в доменной печи при производстве чугуна? Представьте схематически профиль доменной печи, укажите основные ее части и изменение температуры по высоте печи.

В зависимости от того, через какую температурную зону доменной печи проходит загруженный материал, он претерпевает те или иные физико-химические процессы:

разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид, восстановление железа и других элементов, науглероживание железа, плавление металла, образование и плавление шлаков, горение топлива и др.

Топливо, опустившись до уровня фурм, сгорает в струе поступающего нагретого воздуха по реакции

С + О2 = СО2 + 97 650 кал.

Температура в фокусе горения кокса достигает 1800—1900°.

СО2, в присутствии раскаленного углерода кокса восстанавливается по реакции

СО2 + С > 2СО - 37 100 кал

и увеличивает содержание окиси углерода в газовой смеси. При более низких температурах окись углерода снова распадается по реакции

2СО>СО2 + С + 37 100 кал

и образует сажистый углерод, который участвует в процессах восстановления и науглероживания железа.

Для снижения расхода кокса в доменных печах применяют природный газ. Для получения лучших технико-экономических показателей дутье, подаваемое в доменную печь, обогащают кислородом до 30 35%. Чем выше содержание кислорода в воздухе, тем больше кокса может быть заменено природным газом. Соотношение природного газа и кислорода, подаваемых в доменную печь, регулируется автоматически.

Процесс выделения гидратной воды бурых железняков начинается при 250° и заканчивается при 450?500°. Выделение летучих веществ из кокса заканчивается при более высоких температурах.

Углекислые соли, содержащиеся в рудах и флюсах, при нагреве разлагаются с поглощением значительного количества тепла. Поэтому считают более целесообразным флюсы добавлять к руде перед обжигом ее на агломерат.

Восстановление железа в доменной печи происходит за счет последовательного отщепления кислорода от окислов железа. Bосстановление железа из окиси Fe2О3 окисью углерода проходит следующие стадии:

3Fe2O3 + СО>2Fe3O4 + СO2 + 8870 кал;

2Fe3O4 + 2СО>6FeO + 2СO2 — 9980 кал;

6FeO + 6CO>6Fe + 6CO2 + 19500 кал.

Степень восстановления железа окисью углерода зависит от качества руды — ее естественных свойств и характера предварительной обработки; температуры, при которой идет восстановление; состава газа восстановителя.

При более высоких температурах в нижней части доменной печи железо из окислов может восстанавливаться углеродом (сажистым и коксом):

FeO + С>Fe + СО - 34 460 кал.

Восстановленное железо науглероживается по реакции

3Fe + 2СО > Fe3С + СО2.

Карбид железа Fe3C растворяется в железе. При содержании в железе более 2% углерода полученныесплавы начинают плавиться при 1145° и называются чугунами. Обычно чугун в доменной печи науглероживается до эвтектического (4,3%) и даже заэвтектического состава (выше 4,3%).

Восстановление окислов марганца до закиси марганца происходит в зоне температур до 700°. Закись марганца восстанавливается углеродом при температуре 1100° и выше и идет с поч глощением тепла по реакции

МnО + С>Мn + СО — 61 830 кал.

Восстановление кремния из кремнезема углеродом требует большого расхода тепла, высокой температуры:

SiO2 + 2C>Si + 2CO

Для восстановления марганца, кремния и других элементов — хрома, титана, никеля, ванадия — затрачивается дополнительное количество топлива, требуются специальные шлаки и форсированный режим плавки. Фосфор в доменной печи восстанавливается полностью. Реакции восстановления фосфора идут с поглощением большого количества тепла. Восстановившиеся Cr, Ni, V, Ti и другие элементы переходят в состав чугуна, что приводит к получению природно-легированных чугунов.

Сера в шихту доменной печи попадает с материалами — рудой, топливом и флюсами. В составе чугуна и стали она растворена в виде сульфида FeS и является вредной примесью. Поэтому при плавке стремятся связать ее с компонентами флюсов и перевести в шлак при помощи окиси кальция по реакцииFeS + СаО + С>Fe + CaS + CO.
Для более полного удаления серы необходимо применять более основные известковые шлаки и создавать более высокую температуру в горне.

Шлак в доменной печи образуется в результате сплавления пустой породы руды, золы топлива и добавляемых флюсов. При плавке в доменной печи на 1 кг выплавленного чугуна получается 0,5—0,7 кг шлака.

Устройство доменной печи.

Доменная печь – вертикальная печь шахтного типа. Ее высота (до 35 м) примерно в 2,5-3 раза больше диаметра.

Стенки печи выкладывают из огнеупорных материалов – в основном из шамота. Нижнюю часть горна и его основание (лещадь) выполняют из особо огнеупорных материалов – углеродистых (графитизированных) блоков. Для повышения стойкости огнеупорной кладки в ней устанавливают (примерно на 3/4 высоты печи) металлические холодильники, по которым циркулирует вода. Для уменьшения расхода воды (для крупных печей до 70000 м3 в сутки) применяют испарительное охлаждение, основанное на том, что поглощаемое тепло используется для парообразования.

Кладка печи снаружи заключена в стальной кожух толщиной до 40 мм. Для уменьшения нагрузки на нижнюю часть печи ее верхнюю часть (шахту) сооружают на стальном кольце, опирающемся на колонны.

27. Опишите существующие способы раскисления стали при ее выплавке. Как классифицируются стали в зависимости от степени раскисления и как при этом изменяются их свойства? Приведите схему строения слитка кипящей стали.

Раскисление стали - в процессе выплавки стали в дуговых печах металл содержит некоторое количество кислорода. Содержание его, как было показано выше, зависит от содержания в металле углерода. Во время кристаллизации в изложницах или формах взаимодействие углерода с кислородом продолжается и даже усиливается вследствие ликвации кислорода, т. е. повышения содержания его в маточном растворе из-за малой растворимости в твердом металле. Это приводит к образованию газообразной окиси углерода и эффекту кипения. Если такое кипение происходит очень интенсивно, металл поднимается («вскипает»), затем опускается и слиток или отливка получаются не плотными, с газовой пористостью и непригодными для использования. Для получения качественного слитка кипение необходимо регулировать или совсем предотвратить.

В первом случае получаемую сталь называют кипящей, во втором — спокойной. Понижение содержания кислорода в стали или связывание его в достаточно прочные соединения называют раскислением стали. Наиболее распространенным способом удаления кислорода стали служит глубинное (осаждающее) раскисление. Применяется оно при выплавке стали во всех сталеплавильных агрегатах и осуществляется присадкой в металл (поэтому «глубинное») элементов, связывающих кислород в достаточно прочные окислы. Более или менее полное удаление образовавшихся окисных включений — продуктов раскисления происходит в результате их осаждения — всплывания или выноса потоками металла и перехода в шлак или на твердые межфазные поверхности.

Вторым способом раскисления стали служит диффузионное раскисление, происходящее в результате развития диффузионных процессов между металлом и шлаком, содержащим менее 1 % FeO. Такой шлак может быть восстановителем по отношению к металлу и понижать в нем содержание кислорода.

Третий способ раскисления стали заключается в обработке стали вакуумом. Основан он на том, что в вакууме понижается равновесное с углеродом содержание кислорода.

В зависимости от степени раскисления различают стали спокойные, кипящие и полуспокойные. Спокойные стали получают при раскислении марганцем, алюминием, кремнием и обозначают СП. Кипящую сталь получают при раскислении только марганцем. Обозначают такие стали КП. Полуспокойные стали раскисляют марганцем и кремнием и обозначаются ПС.

Кипящая сталь раскислена одним марганцем, т. е. неполностью, и содержит некоторое количество растворенного кислорода. Поэтому во время разливки и после ее окончания сталь в изложнице "кипит", т. е. происходит окисление углерода по реакции [С] + [О] = СО с выделением пузырей СО. Окисление углерода и образование пузырей СО происходит на поверхности формирующихся при затвердевании стали кристаллов (на поверхности раздела твердой и жидкой фаз). Значительная часть пузырей СО, выделяющихся при кипении, остается в слитке. В дальнейшем они завариваются при прокатке. Для уменьшения неоднородности состава готовой стали кипение вскоре после наполнения изложницы прекращают, накрывая слиток кипящей стали массивной металлической крышкой (механическое закупоривание) или раскисляя металл в верхней части изложницы алюминием (химическое закупоривание). В слитках кипящей стали не образуется концентрированной усадочной раковины. Усадка здесь рассредоточена по многочисленным газовым полостям. Форма слитка кипящей стали отличается от формы слитка спокойной стали. Поскольку в слитке отсутствует усадочная раковина нет необходимости применять изложницы, расширяющиеся кверху. Кипящую сталь разливают в сквозные изложницы, расширяющиеся книзу. Это упрощает процесс раздевания слитков — изложницу просто тянут вверх, стягивая со слитка.

Рисунок 1. Строение, слитка кипящей стали: а — механически закупоренного; б — химически закупоренного слитка кипящей стали; 1 — плотная наружная корочка; 2 — зона сотовых пузырей; 3 — промежуточная плотная зона; 4 — зона вторичных пузырей; 5 — скопление пузырей СО; 6 — скопление пузырей и усадочных пустот; 7 — мост плотного металла

38. Поясните сущность явления наклепа. Как при наклепе изменяются свойства металла и его структура? Привести примеры использования этого явления.

Наклеп – изменение структуры и свойств металлического материала, вызванное пластической деформацией. Наклеп снижает пластичность и ударную вязкость, но увеличивает твердость и прочность. Наклеп снижает сопротивление материала деформации противоположного знака. При поверхностном наклепе изменяется остаточное напряженное состояние в материале и повышается его усталостная прочность. Наклеп возникает при обработке металлов давлением (прокатка, волочение, ковка, штамповка), резанием, при обкатке роликами, при специальной обработке дробью.