Нижегородский государственный технический университет
им. Р. Е. Алексеева
«Роль физической химии в металлургии»
Выполнил: студент группы 11-ММв
Засорин Александр
Проверил: Прохоров В.М.
город Нижний Новгород
2013 Год
Содержание:
стр.
Введение 3-6
Физико-химические процессы в металлургии 6- 19
2.1.Скорость химических реакций 6-7
2.2. Подготовка рудного сырья 7-8
2.3.Доменное производство 8-11
2.4. Сталеплавильное производство 11-12
2.5.Конверторный способ 12-13
2.6. Контроль конверторной плавки 13-16
2.7. Обработка металла твердыми шлаковыми смесями 16-20
2.8. Методы продувки 20-22
2.8.1.Аргонокислородная продувка 22-24
2.9. Влияние продувки металла на физические свойства расплава 24-26
2.10. Непрерывная разливка стали. 26-27
2.11.Плазменная металлургия. 27-28
2.12.Вакуумная металлургия. 28
2.13. Порошковая металлургия 28-31
2.14. Автоматизация металлургических предприятий31-32
3. Вывод. 32
4. Литература. 33
Введение.
При современном уровне металлургического производства предъявляются высокие требования к квалификации и уровню образования обслуживающих его рабочих. Это обусловлено разнообразием процессов и быстрым совершенствованием технологии металлургического производства, а также все возрастающей ролью опытных производств. Поэтому реализация планов технического прогресса в черной металлургии связана с необходимостью повышения общеобразовательного уровня рабочих. В первую очередь речь идет о понимании природы металлургических процессов и путей управления ими.
Современная техника потребляет целый ряд новых материалов, в связи с этим резко возросли требования к качеству металлургической продукции. Непрерывное увеличение количества металла, используемого в народном хозяйстве, вызывает необходимость интенсификации металлургического производства.
Современная металлургия резко отличается от металлургии начала столетия. Хотя основные процессы производства чугуна и стали остались прежними, но они претерпели такие изменения, что речь идет о новых процессах. Использование в доменном производстве дутья, обогащенного кислородом, совершенствование подготовки рудного сырья, работа на повышенном давлении, автоматизация управления, увеличение объема доменных печей — все это привело к преобразованию процесса выплавки чугуна. Еще более революционные сдвиги вызвало применение кислорода в сталеплавильном производстве, в частности при получении металла кислородно-конвертерным способом.
Разрабатываются новые процессы, такие как восстановление руд в кипящем слое, электролитическое получение металла непосредственно из руды, рафинирование стали синтетическими шлаками, вакуумная металлургия, непрерывная разливка стали, непрерывный сталеплавильный процесс, электрошлаковый переплав, плазменная металлургия, применения высшей математики.
Еще несколько десятков лет назад число используемых в металлургии химических элементов было невелико. Теперь потребности ракетной, ядерной и других отраслей новой техники привели к необходимости использования почти всех элементов Периодической системы Д. И. Менделеева.
Интенсификация и усложнение производственного процесса вызывают необходимость увеличения чувствительности и экспрессности методов производственного контроля. В связи с этим возникли новые, основанные на электронике, быстродействующие системы анализа и регулирования технологических процессов.
В целом металлургическое производство стало более подвижным, все время изменяющимся с развитием науки. Тесная связь с наукой является наиболее характерной чертой современной металлургии. Все это привело к тому, что изменился также и характер работы металлурга. Если раньше мастер выбирал момент выпуска плавки из мартеновской печи «на глазок», то теперь он пользуется данными экспрессных анализов, а иногда и электронным советчиком. В распоряжении ведущего плавку имеется достаточно широкая информация о температурах в разных зонах печи, химическом составе металла, шлака и атмосферы, позволяющая ему сознательно управлять процессом. Это требует, естественно, понимания сущности физико-химических процессов, протекающих при производстве металла. Научной основой всех металлургических процессов является физическая химия. Поэтому металлургу необходимо понимание некоторых основных положений этой науки.
Любой металлургический процесс сопровождается превращением веществ — химическими реакциями, степень завершения которых, в конечном счете, и определяет эффективность производства. Для различных химических реакций степень превращений изменяется в очень широких пределах. Существуют реакции, такие, например, как взрывы или горение, в которых происходит почти полное превращение исходных веществ в конечные продукты. Противоположными являются случаи, когда приведенные в соприкосновение вещества не вступают в реакции между собой. Например, известно, что нельзя получить металлический алюминий восстановлением глинозема водородом при нагревании даже до очень высокой температуры.
Однако далеко не всегда в ходе реакций либо осуществляется полное химическое превращение, либо оно отсутствует. Гораздо чаще реакции протекают лишь до некоторой степени завершения, в результате в зоне реакции одновременно присутствуют продукты реакции и некоторая часть непрореагировавших исходных веществ. Так, кипение стальной ванны в мартеновской печи вызывается реакцией между растворенными в железе углеродом и кислородом. Образующаяся окись углерода выделяется в виде пузырей на поверхности металла. По окончании периода бурного кипения в стали остается не только углерод, но и некоторое количество кислорода, т. е. эта реакция не дошла до конца. Именно поэтому сталеварам приходится дополнительно раскислять сталь, например, алюминием, чтобы уменьшить содержание кислорода, ухудшающего свойства готового металла. При этом образуется окись алюминия (глинозем), и содержание кислорода в ванне уменьшается. Однако и эта реакция не доходит до конца, в результате в металле все же остаются некоторые количества растворенных кислорода и алюминия, несоединившихся в окись алюминия. Другим примером неполного использования реагирующих веществ является восстановление окислов железа в шахте доменной печи. Известно, что колошниковые газы, покидающие доменную печь, наряду с углекислым газом содержат также большие количества окиси углерода. Доменщикам, обнаружившим этот факт в прошлом столетии, казалось очевидным, что выходящая из печи окись углерода может и дальше служить восстановителем по реакции
Считалось, что окись углерода просто слишком быстро проходит через печь и не успевает реагировать с рудой. Поэтому перешли на строительство печей с более высокими шахтами, на это были затрачены значительные средства. Однако содержание окиси, углерода в колошниковых газах не уменьшилось. Более поздние исследования показали, что рассмотренная реакция не идет до конца в условиях доменной печи и высокое содержание окиси углерода в отходящих газах неизбежно.
Из приведенных примеров видно, что в определенных условиях реакции могут протекать лишь до некоторого предела, выше которого превращение не происходит. При достижении такого предела система реагирующие вещества — продукты реакции приходит в состояние, похожее на то, в котором находится рычаг с приложенными к его двум плечам силами, удерживающими его в равновесии. По этому сходству предельное состояние, достигаемое химической реакцией при заданных условиях, называется состоянием химического равновесия. Очень важно, что именно химическое равновесие определяет максимально возможную степень завершенности всех реакций. Химическое равновесие зависит от природы реагирующих веществ, их концентраций, температуры. Одна из первых задач физической химии состоит в предсказании возможности или невозможности осуществления того или иного процесса. Если процесс принципиально возможен, то следует искать способы его практического осуществления, при которых достигается достаточно высокая степень превращения. При решении подобных задач в физической химии используется учение о равновесии.
Второй по важности задачей физической химии является изучение скоростей, с которыми совершаются химические реакции. Установив причины, от которых зависят эти скорости, можно найти способы ускорения полезных реакций и замедления ненужных или вредных процессов.
В металлургии скорости химических реакций часто зависят от переноса веществ и тепла в тех средах, где происходит взаимодействие. Так, ни одна реакция не может осуществиться, если вступающие в нее вещества не придут в соприкосновение. Поэтому в большом числе случаев скорости металлургических процессов зависят от скоростей, с которыми реагирующие вещества доставляются в зону, где совершается химическое превращение. В доменном процессе, например, производительность печей в решающей степени зависит от скорости восстановления окислов железа газами. В определенных условиях скорость самой химической реакции между окислами железа и восстанавливающим газом достаточно велика и больше, чем скорость, с которой газ проникает через толщу куска руды в зону реакции. В таких условиях, особенно при восстановлении плотных руд, скорость процесса в целом определяется скоростью движения газов по узким каналам и трещинам в кусках руды. Скорость такого внутреннего движения пропорциональна общему давлению газов в шахте доменной печи. Этим объясняется, что для интенсификации доменного процесса его ведут при повышенных давлениях газов на колошнике. Интенсификация реакций, протекающих в жидкой стали, достигается продувкой ванны воздухом или кислородом. Наряду с другими эффектами это приводит к усилению перемешивания жидкого металла и шлака и ускорению транспорта реагирующих веществ к зонам реакции.
Скорости многих металлургических реакций зависят от условий теплопередачи. Примером может служить реакция разложения углекислого кальция, происходящая при обжиге известняка. Эта реакция сопровождается поглощением тепла и поэтому невозможна без его подвода. Так как в результате реакции на поверхности кусков известняка образуется пористая корка, извести СаО, плохо проводящая тепло, то время, необходимое для обжига, определяется скоростью переноса тепла через эту корку к неразложившейся сердцевине. В этих условиях скорость обжига увеличивается при уменьшении кусков известняка.
Особенность развития большого числа реакций состоит в том, что они начинаются с образования зародышей продуктов реакций, которые затем быстро растут. Так, кипение стали в мартеновской печи начинается с образования маленьких пузырей — зародышей, содержащих окись углерода, которые постепенно увеличиваются, всплывая на поверхность жидкого металла.
Скорости почти всех металлургических процессов зависят от величины поверхности раздела между реагирующими веществами. В конвертерном процессе благодаря дроблению струи кислорода, вдуваемого в сталь, поверхность раздела между жидким металлом и газом велики настолько, что реакции окисления углерода и других примесей протекают с очень большими скоростями. Ускорение реакций рафинирования стали при обработке ее жидкими синтетическими шлаками также определяется увеличением реакционной поверхности благодаря дроблению струи стали на мелкие капли.
Изучение законов, которые описывают протекание реакций и процессов во времени, является предметом раздела физической химии, называемым химической кинетикой. Значение химической кинетики для современной металлургии определяется важностью изыскания высокопроизводительных и автоматизированных способов производства металла. Учение о скоростях химических реакций, в частности о скоростях переноса, основывается на представлении о молекулярном строении веществ.
В условиях научно-технической революции задачи металлургов не ограничиваются увеличением производства чугуна, стали и проката и повышением их качества. Очень важным является создание новых материалов с особенно высокими свойствами: жаропрочных сталей, магнитных сплавов, электротехнических сталей и многих других видов специальных сплавов.
Во всем мире интенсивно ведутся изыскания новых материалов. При этом необходимо знание свойств веществ и того, как меняются эти свойства, когда вещества образуют друг с другом соединения или сплавы. Так, для создания высокопрочного материала, прежде всего, необходимо, чтобы между атомами входящих в него веществ действовали большие силы, связывающие их между собой. Например, твердые сплавы для резцов изготавливаются на основе карбида вольфрама — очень прочного соединения вольфрама с углеродом. Высокая твердость этого соединения обусловлена прочной связью составляющих его атомов.
Свойства металлов и сплавов, в частности стали, зависят от внутреннего строения — от взаимного расположения составляющих атомов и сил, действующих между ними. В твердых телах силы, действующие между атомами, так же как и в молекулах, являются проявлением химической связи. Природа связи, зависимость ее от свойств атомов различных веществ рассматриваются в учении о строении атомов, молекул, твердых и жидких тел. Металловед, разрабатывающий новые сплавы, опирается в своих изысканиях на этот раздел физической химии. Так, например, при получении жаропрочного сплава необходимо подобрать элементы, для атомов которых характерно достаточно большое взаимное притяжение.
Физико-химические процессы в металлургии