Материалы для производства металлов и сплавов

Обновлено: 19.05.2024

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.

Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения. Например, в настоящее время целесообразно из-

влекать металлы из руд, если содержание их в руде составляет: железа на менее 30—60 %, меди 3—5 %, молибдена 0,005—0,02 %.

Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, и пустой породы (т. е. различных примесей). Руды называют по одному или нескольким металлам, которые входят в их состав. Например, железные, медные, медно-никелевые и т. д.

В зависимости от содержания добываемого металла, руды бывают богатые и бедные. Бедные руды (с малым содержанием добываемого металла) обогащают, т. е. удаляют из руды часть пустой породы. В результате получают концентрат с повышенным содержанием добываемого металла. Использование концентрата улучшает технико-экономические показатели работы металлургических печей.

Флюсы — это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентратом и золой топлива. Такое соединение называют шлаком.

Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается в печи над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiO₂, P₂O₅), и основным, если в его составе больше основных оксидов (CaO, MgO, FeO и др.).

Топливом в металлургических печах являются кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ.

Кокс получают на коксохимических заводах в коксовых печах сухой перегонкой при температуре 1000 °С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80—88 % углерода, 8—12 % золы, 2—5 % влаги, 0,5—1,8 % серы, 0,02— 0,2 % фосфора и до 1—2 % летучих продуктов. Для доменной плавки кокс должен содержать минимальное количество серы и золы. Куски кокса должны иметь размеры 25—60 мм. Кокс должен обладать достаточной прочностью, чтобы не разрушаться под действием шихтовых материалов.

Природный газ содержит 90—98 % углеводородов (СН₄ и С₂Н₆) и 1 % азота. Мазут содержит 84—88 % углерода, 10—12 % водорода, небольшое количество серы и кислорода. Кроме того, используют доменный или колошниковый газ, побочный продукт доменного процесса.

Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. Огнеупорные материалы способны

выдержать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температур, химическому воздействию шлака и печных газов. Огнеупорность материала определяется температурой его размягчения. По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяют на кислые, основные, нейтральные.

Материалы, содержащие большое количество кремнезема SiO₂, называют кислыми, например, кварцевый песок (95 % SiO₂), динасовый кирпич, огнеупорность которых 1690—1700 °С; материалы, содержащие основные оксиды (СаО, MgO) — основными (магнезитовые, кирпич и металлургический порошок, магнезитохромитовый кирпич, огнеупорность которого более 2000 °С); содержащие большое количество Аl₂О₃ и Сr₂О₃ — нейтральными (хромомагнезитовые, высокоглиноземные, шамотные, например шамотный кирпич, содержащий 50—60 % SiO₂ и 30—40 % Аl₂0₃).

Углеродистый кирпич и блоки содержат до 92 % С в виде графита, обладают высокой огнеупорностью. Применяются для кладки лещади доменных печей, электролизных ванн для получения алюминия, тиглей для плавки и разливки медных сплавов.

Материалы для производства

Материалы (вещества, предназначенные для производства чеголибо) — это совокупность предметов труда, которые человек преобразует в процессе труда, превращая в его продукты (предметы потребления и средства производства). При этом под веществом понимают вид материи, совокупность дискретных (прерывных) образований (атомы, молекулы и то, что из них построено), обладающих массой покоя.

Используемые материалы являются отличительной чертой каждой цивилизации. С ее развитием в их число включаются новые материалы. Характерной чертой современного этапа развития общества является то, что независимо от общественного строя в условиях массового потребления и массового производства устанавливаются рыночные отношения. В этой связи ограниченный срок службы различных изделий и машин закладывается еще на стадии проектирования. При этом моральное старение различных изделий происходит значительно раньше физического и принцип «одноразовости» широко используется при производстве различных изделий, позволяя увеличить число применяемых материалов.

С каждым годом в различных отраслях производства увеличивается число используемых материалов и веществ, разнообразных по своим свойствам и часто находящих нетрадиционное применение. При этом разрабатываются качественно новые материалы, как правило, обладающие уникальными свойствами, и улучшаются свойства ранее известных материалов. Одновременно развиваются и создаются новые технологии совершенствования свойств материалов.

Традиционно материальную основу машиностроительного производства составляют металлы и сплавы. В настоящее время учеными изучены возможности повышения эксплуатационных характеристик стальных деталей различными методами термической обработки и разработаны разнообразные технологии упрочнения. Поэтому при выборе сталей в качестве материалов для изготовления деталей современных машин необходимо учитывать современные знания о возможности повышения эксплуатационных характеристик деталей. Среди используемых сталей имеется много материалов с улучшенными свойствами, а также новых материалов, которые получили распространение в последние годы. К новым материалам относятся, в частности, порошковые материалы, микрокристаллические и аморфные сплавы, особо чистые металлы, сплавы с особыми физическими свойствами и т. п.

При выборе новых материалов для изготовления тех или иных видов изделий необходимо учитывать экономическую целесообразность их использования, которая, в первую очередь, определяется стоимостью материала, а также степенью его дефицитности; расходом материала, идущего на изготовление изделия; стоимостью энергетических затрат; надежностью и долговечностью изделия, зависящими от эксплуатационных свойств материала и т. д.

Наряду с увеличением использования высококачественных материалов на основе железа увеличивается производство и применение титана, алюминия, магния. Легкие, прочные, коррозионно-стойкие сплавы позволяют в 2…3 раза «облегчить» станки и автомашины, значительно сократить расходы на ремонт и горючее. Следует отметить, что использование в промышленности сплавов из легких прочных металлов заметно расширит ее сырьевую базу, поскольку титан, алюминий, магний и другие металлы можно получать из бедных и сложных по составу руд, а также отходов производства, идущих в отвалы. В новых отраслях металлургии есть возможность применить экологически чистые технологии. Изучение мировых тенденций использования материалов показывает, что через 15…20 лет все развитые страны перейдут на массовое использование металлических материалов на основе алюминия, титана, магния, что, в первую очередь, обусловлено нарастающим истощением запасов традиционного минерального сырья, нефти и газа. Следует отметить, что многие детали в современных машинах и механизмах уже изготавливают из полимеров и керамики.

Целесообразность (техническая и экономическая) применения неметаллических материалов определяется, с одной стороны, постоянным дефицитом на металлы и сплавы, с другой стороны, достаточной и (в некоторых случаях) практически неисчерпаемой сырьевой базой неметаллических материалов. В народном хозяйстве постоянно возрастает использование пластмасс и композиционных материалов на их основе, что позволяет значительно сократить расход металлических материалов и энергоресурсов, уменьшить трудоемкость изделий.

При этом непрерывно будет расти применение технической керамики, создаваемой на основе самых распространенных в природе элементов (азота, углерода, кремния, кислорода и др.), поскольку они имеют практически неограниченную сырьевую базу.

Новый класс материалов, который разрабатывается в последние годы, представляют композиты — материалы с особой структурой на основе металлов, керамики, полимеров, стекла и других веществ. Все шире внедряются в народное хозяйство наноматериалы. Проводятся интенсивные исследовательские работы по созданию нанотехнологий.

В условиях массового потребления производство материалов оказывает негативное воздействие на экологию. Кроме того, созданы и используются материалы, структура которых не позволяет, в принципе, их утилизировать. Поэтому, при внедрении новых материалов и технологий приходится в ряде случаев осуществлять дополнительные затраты для улучшения экологической обстановки и сокращения других негативных последствий.

Материаловед

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо, огнеупорные материалы.

Промышленная руда – горная порода, из которой целесообразно извлекать металлы и их соединения (содержание металла в руде должно быть не менее 30…60 % для железа, 3. 5% для меди, 0,005…0,02 % для молибдена).

Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, и пустой породы, в состав которой входят различные примеси. Называют руду по одному или нескольким металлам, входящим в их состав, например: железные, медно-никелевые.

В зависимости от содержания добываемого элемента различают руды богатые и бедные. Бедные руды обогащают – удаляют часть пустой породы.

Флюсы – материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентрата и золой топлива. Такое соединение называется шлаком.

Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiO₂, P₂O₅), и основным, если в его составе больше основных оксидов (CaO, MgO, FeO).

Флюсы вводят в виде агломерата и окатышей.

В качестве топлива в металлургических печах используется кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ.

Основным видом металлургического топлива является кокс. Кокс получают сухой перегонкой при температуре 1000 0 С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов в камерных печах. В коксе содержится 80…88 % углерода, 8…12 % золы, 2…5 % влаги. Куски кокса должны иметь размеры 25…60 мм. Это прочное неспекающееся топливо служит не только горючим для нагрева, но и химическим реагентом для восстановления железа из руды.

Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. Они способны выдержать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температуры, химическому воздействию шлака и печных газов, обладать постоянством объема при изменении температуры.

Огнеупорные материалы применяются в виде кирпичей, стаканов, втулок и других фасонных изделий, а также в порошкообразном виде.

По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяют на группы: кислые (кварцевый песок, динасовый кирпич), основные (магнезитовый кирпич, магнезитохромитовый кирпич), нейтральные (шамотный кирпич, выдерживающий нагрев до 1750 о С).

Взаимодействие основных огнеупорных материалов и кислых шлаков, и наоборот, может привести к разрушению печи.

Углеродистый кирпич и блоки содержат до 92 % углерода в виде графита, обладают повышенной огнеупорностью. Применяются для кладки лещади доменных печей, электролизных ванн при получении алюминия, тиглей для плавки и разливки медных сплавов.

Материалы для производства металлов и сплавов

Промышленная руда – горная порода, из которой целесообразно извлекать металлы и их соединения (содержание металла в руде должно быть не менее 30…60 % для железа, 3..5% для меди, 0,005…0,02 % для молибдена).

Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, и пустой породы. Называют руду по одному или нескольким металлам, входящим в их состав, например: железные, медно-никелевые.

Флюсы – материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентратом и золой топлива. Такое соединение называется шлаком.

Вводят в виде агломерата и окатышей.

Топливо – в металлургических печах используется кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ.

Кокс получают сухой перегонкой при температуре 1000 0 С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80…88 % углерода, 8…12 % золы, 2…5 % влаги. Куски кокса должны иметь размеры 25…60 мм. Это прочное неспекающееся топливо, служит не только горючим для нагрева, но и химическим реагентом для восстановления железа из руды.

Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла.

Они способны выдержать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температуры, химическому воздействию шлака и печных газов.

Углеродистый кирпич и блоки содержат до 92 % углерода в виде графита, обладают повышенной огнеупорностью. Применяются для кладки лещади доменных печей, электролизных ванн для получения алюминия, тиглей для плавки и разливки медных сплавов.

Производство чугуна.

Чугун – сплав железа и углерода с сопутствующими элементами (содержание углерода более 2,14 %).

Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы.

К железным рудам относятся:

– магнитный железняк ( – красный железняк (

– бурый железняк (гидраты оксидов железа 2Fe₂O₃ * 3H₂O и Fe₂O₃ * H₂O) c содержанием железа 37…55 % – Керчь.

Марганцевые руды применяются для выплавки сплава железа с марганцем – ферромарганца ( 10…82% и др..

Хромовые руды применяются для производства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов – хромомагнезитов.

Топливом для доменной плавки служит кокс, возможна частичная замена газом, мазутом.

Флюсом является известняк и ), которые необходимы для удаления серы из металла.

Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна.

Метод подготовки зависит от качества руды.

Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной величины, осуществляются с помощью дробилок и классификаторов.

Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в ее состав:

а) промывка – отделение плотных составляющих от пустой рыхлой породы;

б) гравитация (отсадка) – отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы опускаются;

в) магнитная сепарация – измельчённую руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы и отделяющего их от пустой породы.

Окусковывание производят для переработки концентратов в кусковые материалы необходимых размеров. Применяют два способа окусковывания: агломерацию и окатывание.

При агломерации шихту, состоящую из железной руды (40…50 %), известняка (15…20 %), возврата мелкого агломерата (20…30 %), коксовой мелочи (4…6 %), влаги (6…9 %), спекают на агломерационных машинах при температуре 1300…1500 0 С. При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера, мышьяк), разлагаются карбонаты, и получается кусковой пористый офлюсованный агломерат,

При окатывании шихту из измельчённых концентратов, флюса, топлива увлажняют и при обработке во вращающихся барабанах она приобретает форму шариков-окатышей диаметром до 30 мм. Их высушивают и обжигают при температуре 1200…1350 0 С.

Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса– известняка в доменную печь при плавке.

Выплавка чугуна.

Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах.

Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды оксидом углерода, водородом и тв¨рдым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива.

При выплавке чугуна решаются задачи:

1. Восстановление железа из окислов руды, науглероживание его и удаление в виде жидкого чугуна определённого химического состава.

2. Оплавление пустой породы руды, образование шлака, растворение в нём золы кокса и удаление его из печи.

Устройство и работа доменной печи.

Доменная печь (рис. 1.1) имеет стальной кожух, выложенный огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15.

Рис. 1.1. Устройство доменной печи

В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту. Шихту подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 – в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу.

При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство подают новые порции шихты, чтобы весь полезный объ¨м был заполнен.

Полезный объем печи – объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании.

Полезная высота доменной печи (Н) достигает 35 м, а полезный объем – 2000…5000 м 3 .

В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух поступает из воздухонагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка из огнеупорного кирпича, в которой имеются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный доменный газ, который, сгорая, образует горячие газы. Проходя через насадку, газы нагревают ее и удаляются через дымовую трубу. Через насадку пропускается воздух, он нагревается до температуры 1000…1200 0 С и поступает к фурменному устройству, а оттуда через фурмы 2 – в рабочее пространство печи. После охлаждения насадок нагреватели переключаются.

Горение топлива.

Вблизи фурм природный газ и углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорают:

В результате горения выделяется большое количество теплоты, в печи выше уровня фурм развивается температура выше 2000 0 С.

Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным коксом по реакциям:

Образуется смесь восстановительных газов, в которой окись углерода

Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до 300…400 0 С у колошника.

Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре около 570 0 С начинается восстановление оксидов железа.

Восстановление железа в доменной печи.

Закономерности восстановления железа выявлены академиком Байковым А.А.

Восстановление железа происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте и повышения температуры от высшего оксида к низшему, в несколько стадий:

Температура определяет характер протекания химических реакций.

Восстановителями окcидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород.

Восстановление твердым углеродом (коксом) называется прямым восстановлением, протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры, по реакции:

Восстановление газами ( ) называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям:

За счет восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40…60 % металлического железа.

При температуре 1000…1100 0 C восстановленное из руды тв¨рдое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод. При насыщении углеродом температура плавления понижается и на уровне распара и заплечиков железо расплавляется (при температуре около 1300 0 С).

Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4%), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1200 0 C восстанавливаются из руды, и серой, содержащейся в коксе.

В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. Шлаки содержат

Чугун выпускают из печи каждые 3…4 часа через чугунную летку 16, а шлак – каждые 1…1,5 часа через шлаковую летку 17 (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади).

Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши.

Чугун поступает в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи, или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

Современное металлургическое производство представляет собой комплекс различных производств, базирующихся на месторождениях руд и коксующихся углей, энергетических комплексах. Оно включает:

– шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей;

– горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды, подготавливая их к плавке;

– коксохимические заводы (подготовка углей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов);

– энергетические цехи для получения сжатого воздуха (для дутья доменных печей), кислорода, очистки металлургических газов;

– доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов или цехи для производства железорудных металлизованных окатышей;

– заводы для производства ферросплавов;

– сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные);

– прокатные цехи (слиток в сортовой прокат).

Основная продукция чёрной металлургии:

– чугуны: передельный, используемый для передела на сталь, и литейный, для производства фасонных отливок;

– железорудные металлизованные окатыши для выплавки стали;

– ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и т.д.) для легированных сталей;

– стальные слитки для производства проката,

– стальные слитки для изготовления крупных кованных валов, дисков (кузнечные слитки).

Основная продукция цветной металлургии:

– слитки цветных металлов для производства проката;

– слитки для изготовления отливок на машиностроительных заводах;

– лигатуры – сплавы цветных металлов с легирующими элементами для производства сложных легированных сплавов;

– слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения и электротехники.

Материалы для производства металлов и сплавов

Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды ( ), и основным, если в его составе больше основных оксидов ( )

– магнитный железняк ( ) с содержанием железа 55…60 %, месторождения – Соколовское, Курская магнитная аномалия (КМА);

– красный железняк ( ) с содержанием железа 55…60 % , месторождения – Кривой Рог, КМА;

Марганцевые руды применяются для выплавки сплава железа с марганцем – ферромарганца ( 10…82% ), а также передельных чугунов, содержащих до 1% марганца. Mарганец в рудах содержится в виде окислов и карбонатов: и др..

Флюсом является известняк или доломитизированный известняк, содержащий и , так как в шлак должны входить основные оксиды ( ), которые необходимы для удаления серы из металла.

Горение топлива. Вблизи фурм природный газ и углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорают:

Образуется смесь восстановительных газов, в которой окись углерода является главным восстановителем железа из его оксидов. Для увеличения производительности подаваемый в доменную печь воздух увлажняется, что приводит к увеличению содержания восстановителя.

Восстановление газами ( и ) называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям:

За счет и восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40…60 % металлического железа.

В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. Шлаки содержат . Шлак образуется постепенно, его состав меняется по мере стекания в горн, где он скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Состав шлака зависит от состава применяемых шихтовых материалов и выплавляемого чугуна.

Организация как механизм и форма жизни коллектива: Организация не сможет достичь поставленных целей без соответствующей внутренней.

Почему человек чувствует себя несчастным?: Для начала определим, что такое несчастье. Несчастьем мы будем считать психологическое состояние.

Читайте также: