МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

РАЗДАТОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ

ПО КУРСУ «ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ» РАЗДЕЛ «ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИИ»

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

Кафедра технологии конструкционных материалов

Утверждаю Зав. кафедрой чл.-корр. РАН, д-р техн. наук, проф. Приходько В.М. _________________ «___» _________ 2014 г.

РАЗДАТОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ

ПО КУРСУ «ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ» РАЗДЕЛ «ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИИ»

МОСКВА МАДИ 2015

УДК 620.22 ББК 30.3

Р171

Составитель: Л.П. Маслакова

Р171 Раздаточный материал по курсу «Технология конструкционных

материалов». Раздел «Основы металлургии» / сост. Л.П. Маслако-ва. – М.: МАДИ, 2015. – 20 с.

Материал, предназначенный для самостоятельной работы сту-дентов, включает в себя три части.

Первая часть «Теоретические основы металлургии» представле-на в виде алгоритмов, разработанных автором. Зафиксированы также основополагающие определения: обогащение, шлакование и др.

Во второй части «Производство чугуна» рассмотрены: схема и принцип работы домны, исходные материалы, химизм процесса, тех-нико-экономические показатели.

В третьей части «Производство стали» кроме принципиальных схем сталеплавильных агрегатов даны таблицы, в которых отражены сущность процесса и его характерные особенности, что позволяет оценить эффективность способа и область его применения.

Рассматриваемые темы отражены в следующих публикациях: 1. «Основы металлургии и производство чугуна – презентация».

Разработчик: Маслакова Л.П. URL: http://lib.madi.ru/fel/fel1/fel12T001.pdf 2. «Производство стали – презентация». Разработчики: Масла-

кова Л.П., Бугольц М.Н., Селиверстова О.В. URL: http://lib.madi.ru/fel/ fel1/fel12T002.pdf

УДК 620.22 ББК 30.3 © МАДИ, 2015

3

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Подготовка руды к плавке

Обогащение – это процесс отделения пустой породы от рудно-

го тела, проходящий вне металлургического агрегата. Обогащение основано на различных физических свойствах рудного тела и пустой породы.

4

Производство кусковых материалов

Принципиальная схема шлакования

Основной принцип шлакования заключается во взаимодейст-

вии кислых и основных оксидов с образованием комплексного соеди-нения, не растворимого в металле, но растворимого в шлаке.

5

Выделение элемента Ме из его оксида

Принципиальная схема получения элемента из руды

Огнеупорные материалы

Требования к огнеупорным материалам: – огнеупорность; – термическая стойкость; – строительная прочность; – химическая активность.

6

Огнеупорные материалы

Химические свойства

t, оC Главная

составная часть

Динас Кислый 1700 SiO2 – 93%

Магнезит Основной 2000 MgO – 92%

Доломит Основной 1800 CaO∙MgO (50%, 35%)

Шамот Нейтральный 1700 Al2O3∙SiO2 (40%, 60%)

Графит – 2000 С – 92%

Металлургическое топливо

Агрегатное состояние

Естественное топливо

Искусственное топливо

Твердое Каменный уголь, горючие сланцы, бурый уголь, дрова

Кокс, каменноугольная пыль, древесный уголь

Жидкое Нефть Мазут, каменноугольная смола

Газообразное Природный газ Коксовый газ, генераторный газ, водяной газ

Q C m T

хим физ

n n

1 1 2 2

1 1

Q QQT

C mС m С m

Реальные способы повышения температуры

горения металлургического топлива: – использование более калорийного топлива; – дробление твердого и распыление жидкого топлива; – предварительный подогрев газообразного топлива и воздуха; – обогащение дутья кислородом.

7

Виды устройств для нагрева воздуха и газообразного топлива, подаваемых в металлургические печи

Принципиальная схема регенеративной мартеновской печи

Принципиальная схема рекуператора

Схема воздухонагревателя

(каупера) для доменной печи

8

2. ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА (ДОМЕННЫЙ ПРОЦЕСС)

Чугун – это сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода более 2,14%.

Конструкция доменной печи

Характеристика доменной печи – печь шахтного типа, работающая по принципу противотока: сверху посту-пает шихта, снизу – нагретый воздух; – футеровка (огнеупорная кладка) – нейтральная (шамот); – полезный объем печи V = 2000–5000 м3(в России до 3200 м3).

9

Химические реакции доменного процесса

10

V – полезный объѐм печи; P – средняя суточная производительность; А – суточный расход кокса.

Пути повышения эффективности работы доменной печи:

– увеличение полезного объѐма печи; – использование агломерата и окатышей; – повышение давления газа на колошнике; – обогащение воздушного дутья кислородом; – использование природного газа в качестве дополнительного топлива.

Схема работы доменного цеха

11

3. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сталь – сплав железа с углеродом, содержание которого в сплаве не превышает 2,14%.

Сталь, основными компонентами которой являются железо и

углерод, носит название углеродистой. Содержание в ней сопутст-вующих химических элементов (Si, Mn, S, P) не должно превышать определенных значений.

12

Принципиальная схема технологического процесса производства стали методом прямого восстановления

железа из руды

Схема установки для прямого восстановления железа из руды

13

Передел чугуна на сталь

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода и других примесей. Вне зависимости от способа получения стали можно выстроить общую принципиальную схему протекания стале-плавильного процесса.

Состав предельного чугуна и низкоуглеродистой стали

Материал Химический состав, %

С Si Mn P S

Передельный чугун 4,0–4,4 0,76–1,26 до 1,75 0,15–0,30 0,03–0,07

Сталь низкоуглеродистая

0,14–0,22 0,12–0,3 0,4–0,65 0,05 0,055

Весь процесс можно разбить на ряд этапов.

Окисление примесей

Fe + 1/2O2 = FeO + Q

Si + O2 = SiO2 + Q Mn + 1/2O2 = MnO + Q 4P + 5O2 = 2P2O5 + Q

2C + O2 = 2CO + Q S + O2 = SO2 + Q

2FeO + Si = 2Fe + SiO2 + Q FeO + Mn = MnO + Fe + Q

Шлакование

Процесс идет как за счет взаимодействия оксидов с флюсом

(кислым или основным), так и за счет взаимодействия образовав-шихся оксидов между собой.

SiO2 + CaO → CaO∙SiO2 3(FeO) + P2O5 → (FeO)3∙P2O5

Рафинирование

Процесс удаления вредных примесей серы и фосфора. Удале-

ние серы и фосфора возможно лишь при использовании основного флюса (извести СаО). Сера в стали содержится в виде химического соединения FeS, а если сталь богата марганцем, то в виде MnS.

FeS + CaO → FeO + CaS шлак

MnS + CaO → MnO + CaS шлак

P2O5 + 4CaO → [4(CaO)·(P2O5)] шлак

14

Раскисление

FeO + X → Fe + XО, где Х – элемент, обладающий большим сродством к кислороду, чем железо. В реальных сталеплавильных процессах – это Si, Mn, C, CO, Al и др.

Способы производства стали

Мартеновский способ

Принципиальная схема двухванного мартена

Принцип работы двухванного мартена

Левая ванна кипение металла

(подача кислорода в ванну С + О → СО↑)

Правая ванна прогрев шихты

(падение температуры, подача кислорода в факел); захват СО из левой ванны

(дожигание СО: СО + О → СО2↑)

15

Техническая характеристика мартеновского процесса

Исходные шихтовые

материалы

Источник нагрева

(топливо)

Время плавки, ч

Емкость печи, Т

Произво-дитель-

ность, Т/ч

Произво-димые стали

Жидкий чугун,

чушковый чугун,

стальной лом

(скрап), флюс

Газооб-разное

(природ-ный газ), жидкое (мазут)

6–9 200–900 100–150

(10 т/м2∙сут)

Углероди-стые и ле-гирован-

ные стали

16

Кислородно-конверторный способ производства стали

Устройство кислородного конвертера

Последовательность технологических операций

при плавке стали в кислородных конвертерах

Техническая характеристика кислородно-конвертерного процесса

Исходные шихтовые

материалы

Источ-ник

нагрева

Время плавки,

мин

Емкость печи, Т

Произво-дитель-

ность, Т/ч

Производи-мые стали

Жидкий чугун

добавки: – лом, – руда,

– флюс (СаО)

Тепло хими-ческих

реакций окисле-

ния

30–45 130–400 До 500 Т/ч

Углероди-стые и низ-

колегирован-ные стали

17

Производство стали в электропечах

Схема дуговой плавильной печи

Техническая характеристика процесса плавки в дуговой печи

Исходные шихтовые материалы

Источник нагрева

Время плавки,

ч

Ем-кость печи,

Т

Произво-дитель-ность,

Т/ч

Производи-мые стали

Лом, отходы литья, чугун

Электри-ческая дуга

3–7 До 400

70 Расход энергии

600 кВт∙ч/Т

Высоколеги-рованная

сталь

18

Схема индукционной тигельной печи

Разливка стали

Разливка стали в изложницы

Схема установки непрерывной разливки стали

19

Строение слитка стали

слиток спокойной (полностью раскисленной) стали

слиток кипящей стали FeO + C = Fe + CO

4

1

3

2

20

Схема электрошлакового переплава

СОДЕРЖАНИЕ

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ................................................... 3

2. ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА (ДОМЕННЫЙ ПРОЦЕСС) ....................... 8 3. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ .................................................................... 11

РАЗДАТОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ПО КУРСУ «ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»

РАЗДЕЛ «ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИИ»

Составитель: МАСЛАКОВА Любовь Петровна

Редактор М.Н. Бугольц

Подписано в печать 10.10.2014 г. Формат 60×84/16 Усл. печ. л. 1,25. Тираж 300 экз. Заказ .

МАДИ, 125319, Москва, Ленинградский пр-т, 64.