- •А.Л. Николаев
- •Новокузнецк 2003
- •Содержание
- •5 3.3.1 Общая характеристика 58
- •Введение
- •Структура народного хозяйства и элементы технологического процесса
- •2 Природные ресурсы. Сырье и энергия в народном хозяйстве
- •2.1 Общая характеристика
- •2.2 Перерабатываемое сырье
- •2.3 Топливо
- •2.3.1 Общие сведения
- •2.3.2 Общая характеристика состава твердого топлива
- •2.3.3 Нефть
- •2.3.4 Природный газ
- •2.3.5 Сжигание топлива
- •2.4 Вода
- •2.5 Воздух
- •2.6 Энергия
- •3 Шихтовые и футеровочные материалы и их характеристики
- •4 Обогащение и окускование полезных ископаемых
- •4.1 Общие сведения
- •4.2 Подготовка к обогащению
- •4.2.1 Дробление и измельчение
- •4 2.2 Грохочение и классификация
- •4.3 Обогащение
- •4.4 Окускование концентратов и мелочи полезных ископаемых
- •4.4.1 Агломерация
- •4.4.2 Производство окатышей
- •4.5 Загрязнение окружающей среды
- •5 Металлургия
- •5.1 Общие сведения
- •5.2 Гидрометаллургия
- •5.3 Пирометаллургия черных металлов
- •5.3.1 Сырьевая база
- •5.3.2 Производство чугуна
- •5.3.2.1 Устройство доменной печи и схема производства чугуна
- •5.3.2.2 Основные процессы и продукты доменной плавки
- •5.3.2.3 Интенсификация и технико-экономические показатели доменной плавки
- •5.3.3 Сталеплавильный передел
- •5 3.3.1 Общая характеристика
- •5.3.3.2 Кислородно-конвертерный процесс
- •5.3.3.3 Электросталеплавильное производство
- •5.3.3.4 Мартеновский процесс
- •5.3.3.5 Внепечная обработка и разливка металла
- •5.3.4 Прямое получение железа
- •5.3.5 Производство ферросплавов
- •5.4 Металлургия меди
- •5.5 Металлургия алюминия
- •5.6 Утилизация вторичных ресурсов
- •6 Литейное и прокатное производство
- •6.1 Литейное производство
- •6.1.1 Литейные материалы и их плавка
- •6.1.2 Литейные формы, охлаждение и выбивка отливок
- •6.2 Обработка металла давлением
- •6.3 Утилизация отходов
- •7 Технология неорганических вяжущих веществ
- •7.1 Портландцемент
- •7.2 Строительная известь
- •7.3 Гипсовые вяжущие
- •8 Промышленность строительных материалов и изделий
- •8.1 Определение, классификация и свойства строительных материалов
- •8.2 Искусственные неорганические строительные материалы
- •8.2.1 Безавтоклавный бетон
- •8.2.2 Железобетон
- •8.2.3 Керамика
- •8.2.4 Стекло и изделия из минеральных расплавов
- •8.2.5 Волокнистые материалы
- •8.3 Естественные неорганические материалы
- •8.4 Искусственные строительные материалы на основе органических вяжущих
- •8.5 Комбинированные строительные материалы
- •8.5.1 Полимербетоны и бетонополимеры
- •8.5.2 Древесно-цементные материалы и изделия
- •8.6 Утилизация отходов в промышленности строительных материалов
- •9 Производства основной химии
- •9.1 Кислоты
- •9.2 Минеральные удобрения
- •9.3 Комплексные удобрения и микроудобрения
- •9.4 Получение газов
- •9.4.1 Разделение воздуха на азот и кислород
- •9.4.2 Получение водорода и синтез аммиака
- •9.5 Утилизация отходов
- •10 Химическое производство органических веществ
- •10.1 Коксохимическое производство
- •10.2 Переработка нефти
- •10.3 Переработка природного газа
- •10.4 Производство полимерных материалов
- •10.4.1 Химическая переработка древесины с получением целлюлозы
- •10.4.2 Пластмассы
- •10.4.3 Каучук и резина
- •10.4.4 Утилизация отходов
- •11 Промышленная инфраструктура
- •11.1 Электроэнергетика
- •11.1.1 Значение электроэнергетики и виды электростанций
- •11.1.2 Паротурбинные энергетические установки электростанций
- •11.1.3 Газогенераторы тепловых энергетических установок
- •11.1.4 Гидроэлектростанции
- •11.1.5 Передача и распределение электроэнергии
- •10.1.6 Нетрадиционная энергетика
- •11.1.7 Воздействие на окружающую среду и утилизация отходов
- •11.2 Транспорт
- •11 2 1 Железнодорожный транспорт
- •11.2.2 Автомобильный транспорт
- •11.2.3 Водный транспорт
- •11.2.4 Воздушный транспорт
- •11.2.5 Промышленный и трубопроводный транспорт
- •Заключение
- •Список ЛитературЫ
- •Николаев Анатолий Лукич
- •Тираж 500 экз. Заказ
- •654041, Г. Новокузнецк, ул. Кутузова, 56, тел. 74-09-48
5.3.3 Сталеплавильный передел
5 3.3.1 Общая характеристика
Сталь – основной конструкционный материал, широко используемый во всех сферах материального производства, который пластичен в нагретом и в холодном состоянии, может быть подвергнут всем операциям механической обработки.
Основным условием превращения чугуна в сталь является снижение содержания углерода с 4,0–4,5% до 0,01–1,7% за счет окисления кислородом. Углерод и другие примеси жидкого чугуна (Si, Mn, P, S) соединяются с кислород энергичнее, чем железо, и удаляются в виде газа (СО), а также в форме оксидов кремния, марганца, фосфора, сульфатной и сульфидной серы, которые, реагируя с флюсами, образуют шлак.
При переделе чугуна в сталь дополнительно могут вводиться легирующие добавки (хром, никель, ванадий, титан и др.), придающие металлу специальные свойства (износостойкость, коррозионную устойчивость, вязкость, кислотоупорность, высокую прочность и т. п.).
В настоящее время в металлургии развивают кислородно-конвертерное производство стали, на долю которого приходится 60–80% ее выплавки, а также электроплавку (18–37%). В России, Индии, Польше и др. странах применяют также устаревший мартеновский процесс.
5.3.3.2 Кислородно-конвертерный процесс
Сущность технологии заключается в том, что жидкий чугун, залитый в конвертер, продувают технически чистым (99,6% О2) кислородом, окисляющим углерод и другие примеси. Процесс отличают высокая скорость окислительных реакций, обусловливающая минимальную длительность продувки (15–25 минут), простота конструкции конвертера и управления его работой, малые капитальные затраты. Преимуществом конвертерного процесса является автогенность, не требующая использования топлива, роль которого выполняют выжигаемый за короткий период продувки углерод, кремний, фосфор и марганец чугуна.
Углерод и другие примеси окисляются кислородом дутья и кислородом, переходящим в шлак в форме оксида железа (FeO) и в металл – в виде растворенного кислорода [O] (здесь и далее круглые скобки – шлаковая фаза, квадратные – металлическая, фигурные – газовая). Для кислородного дутья
[C] + 0,5 O2 = {CO};
[Si] + O2 = (SiO2).
Взаимодействие примесей, например, кремния с кислородом шлака и металла имеет следующий вид
[Si] + 2 (FeO) = (SiO2) + 2 [Fe];
[Si] + 2 [O] = (SiO2).
В шлак вместе с кремнием, марганцем и фосфором переходит 30–40% серы. Остаточные количества серы и других примесей удаляют последующим внепечным рафинированием металла синтетическими и иными реагентами в сталеразливочных ковшах.
Тепла, выделяемого при окислении примесей, достаточно для повышения температуры с 1300–1450С (чугун) до 1600–1700С в конце продувки.
Конвертер имеет грушевидную форму, сварен из толстолистовой стали и футерован изнутри огнеупорами. В верхней его части имеется горловина, через которую производится загрузка исходных материалов, выпуск шлака и отвод отходящих газов. В России эксплуатируются конвертеры емкостью от 140 до 400 т, производящие в час от 200 до 500 и более тонн стали. Их габариты: диаметр до 7,5 м, высота до 10,5 м. В соответствии с характером образующихся шлаков конвертеры футеруют основными огнеупорами (смолодоломитовый, смоломагнезитовый кирпич), расход которых достигает 10 кг/т стали. Кампания конвертеров по футеровке составляет от 600 до 5000 плавок в зависимости от применяемых огнеупоров.
Исходные материалы конвертерного процесса представлены жидким чугуном (обычно 75–80% металлической части шихты) и металлическим ломом (остальное). В мировой практике используют чугун с широким интервалом содержания основных примесей, %: 0,3–1,2 Si; 0,1–2,2 Mn; 0,02–1,5 P; 0,02–0,06 S.
Жидкий чугун до заливки в конвертер хранят в миксерах – емкостях, вмещающих от 1400 до 2500 т, где происходит выравнивание химического состава чугуна различных выпусков, что стабилизирует работу конвертера.
Цикл конвертерной плавки начинают в заливки скрапа через горловину наклоненного конвертера. Затем, не меняя положение агрегата, заливают чугун из чугуновозных ковшей (рисунок 5.2).
а – завалка скрапа; б – заливка чугуна; в – загрузка шлакообразующих (сыпучих) материалов; г – введение в конвертер фурмы и включение
подачи кислорода; д – выпуск стали из конвертера; е – слив шлака
из конвертера
Рисунок 5.2 – Технологические операции
кислородно-конвертерной плавки
После заливки чугуна конвертер ставят в вертикальное положение, в его рабочее пространство вводят водоохлаждаемую кислородную фурму и включают подачу кислорода (давление 12–16 атм., скорость вдувания 500 м/с и более). Фурму, в зависимости от емкости конвертера, устанавливают в 0,7–3,0 м от уровня спокойной ванны. Одновременно с началом продувки загружают первую порцию флюсов, в основном извести или плавикового шпата и бокситов (разжижители шлаков) и железной руды (охлаждающая добавка). Остальное количество шлакообразующих материалов вводят, как правило, в течение первой трети продувки. Продувку заканчивают при достижении заданных значений температуры, содержания углерода, фосфора и серы.
Выпуск стали в сталеразливочный ковш производят через летку конвертера, а слив шлака – через его горловину. Состав шлака, %: 45–55 СаО, 10–20 FeO, 13–20 SiO2, 3–6 MgO, 4–7 MnO, 1–1,5 P2O5.
Завершающей операцией конвертерного производства является внепечная обработка металла для повышения его качества.
Кроме варианта кислородно-конвертерной плавки (ККП) при дутье сверху большое распространение получила плавка стали с использованием комбинированного дутья. Через пористые огнеупорные блоки или фурмы, установленные в днище, вдувают инертный газ (аргон, азот) или кислород в оболочке защитного газа (природного). Применение донной продувки способствует интенсивному перемешиванию ванны, что приводит к более эффективному удалению примесей, снижению содержания закиси железа в шлаке и повышению выхода годного металла примерно на 1%.
Усредненные газы конвертерной плавки имеют, %: 67–80 СО, 13–16 СО2, по 0–3 Н2 и Н2О, 5–8 N2. Их запыленность равна 30–100 г/м3, количество пылевых частиц размером 5 мкм и менее составляет 55% при продувке и 90% – при выпуске стали.
Применяют три способа отвода газов от конвертеров: с полным дожиганием оксида углерода за счет подсоса воздуха; с частичным дожиганием и без дожигания в газоотводящем тракте.
Дожигание оксида углерода обязательно, если имеется очистка газа в электрофильтрах, где из-за постоянных искровых разрядов возможен взрыв газовых смесей при концентрациях оксида углерода 12,5–75%. В отходящих газах должно оставаться 4–8% СО.
Для очистки обычно используют мокрое пылеулавливание (скрубберы, трубы Вентури). Электрофильтры устанавливают только при полном дожигании оксида углерода.
При мокрой газоочистке образуются конвертерные шламы в количестве 1,5–2,0% от массы металла. Они содержат, %: 50–66 Fe; 80–90 оксидов железа; 5–12 CaO; 1,5–2,5 SiO2; 1–2 C; 0,2–4,0 Zn; 0,04–0,2 S. Их гранулометрический состав: 30–35% частиц крупнее 100 мкм; 50–60% фракций 8–100 мкм; до 20% – частицы менее 8 мкм.
В настоящее время освоено конвертерное производство высококачественных углеродистых и легированных марок сталей. В структуре их себестоимости основную долю (до 80% общей стоимости) занимают расходы на металлическую шихту, текущие расходы по переделу равны 16%, до 3,0–3,5% приходится на вспомогательные материалы. Выход годного металла составляет 89–91%.