ПРОИЗВОДСТВО КОНСТРУКЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Получение чугуна

Металлы и сплавы, используемые при производстве деталей конструкций изделий машиностроения, получают на металлургических комбинатах и заводах. По существу, их производство относится к металлургической отрасли, а не к машиностроительной. Однако с точки зрения получения студентом системных знаний по технологическим процессам машиностроения и выработки рачительного отношения к расходованию КМ, производство которых остается весьма ресурсоемким, изучение процессов металлургического производства в данной дисциплине является обязательным по существующему образовательному государственному стандарту.

Рассмотрим процессы получения наиболее используемых в разных областях машиностроения металлов и сплавов: чугуна, стали, меди, алюминия, титана и магния.

Сущность процесса получения чугуна заключается в восстановлении железа из оксидов железной руды; науглероживании восстановленного железа углеродом кокса до величин, соответствующих содержанию углерода в чугуне; расплавлении и перегреве получившегося чугуна. Одновременно оксиды пустой породы и зола топлива связываются флюсом в шлак – легкоплавкое соединение, не смешивающееся с чугуном.

Исходные материалы для получения чугуна: железная руда, состоящая из железосодержащего минерала (оксидов железа) и пустой породы (оксидов других элементов); топливо (твердый кокс, угольная пыль, мазут и природный газ); флюс (известь – СаСОз); воздух, кислород.

Конечные продукты: жидкий и твердый (чушковой) передельные чугуны, используемые для передела в сталь; твердый чушковой литейный чугун, применяемый для изготовления литых заготовок; ферросплавы (сплавы железа с марганцем или кремнием), необходимые для легирования и раскисления чугунов и сталей; шлак, используемый в строительстве; колошниковый газ, пригодный в качестве топлива для подогрева дутья или непосредственного вдувания в доменную печь.

Чугун получают в доменных печах – вертикальных печах шахтного типа (рис. 4.1). Изнутри печь выложена огнеупорным шамотным кирпичом 6, снаружи заключена в металлический кожух. Дно печи – лещадь 15, выполнено из углеродистых блоков и высокоглиноземистых кирпичей. Цилиндрическая часть, расположенная выше лещади, – горн 1, служит для сжигания топлива и накопления продуктов плавки. В горне на уровне лещади выполнена чугунная летка 17, а в средней части – шлаковая летка 16 для выпуска соответствующих продуктов. К горну примыкает расширяющаяся часть – заплечики 3, переходящие в небольшую цилиндрическую зону – распар 4.

Схема и внешний вид доменной печи

Рис. 4.1. Схема и внешний вид доменной печи

Эти элементы имеют такую форму из-за сокращения объема шихтовых материалов в результате расплавления образовавшегося железа. Распар переходит в собственно шахту 5, сужающуюся кверху. Шахта опирается на так называемое мараторное кольцо 14, которое лежит на колоннах. Форма шахты способствует опусканию материалов в процессе плавки. Расстояние от уровня чугунных леток до колошника – самой высокой части доменной печи, называется полезной высотой доменной печи Я. В верхней части колошника выполнены каналы 7 для отвода доменного газа. Материал на колошник подают при помощи двух скипов 9, движущихся снизу вверх по наклонному мосту 12. Основной частью колошникового устройства является засыпной аппарат 11, состоящий из двух попеременно открывающихся воронок 10 и 13, устройства для вращения приемной воронки 8. Исходные шихтовые материалы – подготовленную руду, кокс и флюсы загружают в печь сверху слоями (колошами). Подготовка руд заключается в отделении пустой породы и получении кусков оптимального размера 30–80 мм. Для отделения пустой породы предварительно измельченную руду промывают водой или подвергают магнитной сепарации, получая обогащенный железом концентрат. Мелкие, менее 10 мм, частицы концентрата смешивают с коксом и флюсом и агломерируют, т.е. спекают в куски твердой пористой массы.

Пылевидные фракции окомковывают в шарики размером около 30 мм – окатыши, которые затем обжигают для придания им прочности и пористости. В нижних зонах печи на уровне фурм 2 горит кокс по реакции С + О2 = СО2. Температура в зоне горения повышается до 2000°С, и углекислый газ, взаимодействуя с углеродом кокса, восстанавливается до оксида углерода: СО2 + С = 2СО. При использовании природного газа рабочее пространство дополнительно обогащается СО и Н2. Оксид углерода и углерод кокса имеют большее сродство к кислороду, чем железо, поэтому, взаимодействуя с нагретой рудой, они будут отбирать кислород у твердых оксидов руды, восстанавливая их до чистого железа. Восстановление будет идти по реакциям

Восстановленное железо получается в виде твердой губчатой массы. Соприкасаясь с коксом и реагируя с СО, оно насыщается углеродом, температура его плавления понижается, и науглероженное железо переходит в жидкое состояние. Стекая вниз по кускам раскаленного кокса, железо дополнительно науглероживается и накапливается в горне печи. Параллельно с железом восстанавливаются кремний и марганец, которые переходят в образующийся чугун. Пустая порода, зола и флюсы образуют легкоплавкое соединение, не смешивающееся с чугуном, – шлак. Взаимодействие СаО, флюса с серой, находящейся в чугуне, переводит ее в шлак: FeS + СаО = CaS + FeO. По мере накопления чугуна и шлака их выпускают через соответствующие летки. Жидкий чугун используют для передела непосредственно в сталь или разливают в чушки на специальных машинах.

Передел чугуна в сталь осуществляется в настоящее время различными способами.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >