Маслакова Л.П. и др. Методическое руководство к практическим работам по курсу Технология конструкционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

М - масса продуктов сгорания, кг;

T - температура горения топлива, К;

∑∑

физхим

MCMC

где Q

хим

- теплота, количество которой определяется теплотворной

способностью сжигаемого топлива;

физ

- тепло предварительного подогрева газообразного топлива и

воздуха перед подачей в печь;

∑

- теплоемкость веществ, вступивших в реакцию;

∑

- теплоемкость веществ, не вступивших в реакцию.

Из формулы видно, что увеличению температуры горения топли-

ва будет способствовать увеличение параметра Q

физ

и уменьшение -

∑

Реальными путями повышения эффективности использования

металлургического топлива являются следующие:

- использование высококалорийного топлива;

- дробление твердого и распыление жидкого топлива;

- предварительный подогрев газообразного топлива и воздуха;

- обогащение воздушного дутья кислородом.

Все устройства для подогрева газообразного топлива и воздуха,

подаваемых в металлургическую печь, работают по принципу теплооб-

мена. Внутри них размещена

насадка из огнеупорного кирпича, выло-

женного в клетку, нагрев которой происходит либо за счет тепла, полу-

чаемого от дожигания очищенных от пыли отходящих от печи газов,

либо за счет теплообмена.

В мартеновских печах (рис.1.4) – это регенераторы, огнеупорная

кладка которых нагревается отходящими из печи газами.

Принцип работы рекуператора представлен на рис.1.5. И

в том и в

другом случае нагрев огнеупорной кладки идет за счет отходящих из

печи газов. Для нагрева воздуха, подаваемого в доменную печь, служат

кауперы, кладка которых нагревается за счет сжигания доменного газа

(рис. 1.6).

Классификация нагревательных устройств и области их примене-

ния представлены на рис.1.3.

Рис. 1.3. Виды устройств для нагрева воздуха и газообразного то-

плива, подаваемых в металлургические печи

Рис. 1.4. Схема пламенной регенеративной печи: 1 - регенератор

для нагрева газа; 2 - рабочее пространство печи; 3 - регенератор для

нагрева воздуха

Типы нагревателей

Рекуператоры Кауперы Регенераторы

Термические

печи

Мартеновские

сталеплавильные

печи

Доменные

печи

Рис. 1.5. Принципиальная схема рекуператора

Рис. 1.6. Схема воздухонагревателя (каупера) для доменной печи:

1 - огнеупорная кладка; 2 - газопровод для подачи дожигаемого домен-

ного газа; 3 - нагреваемая кирпичная кладка; 4 - перекрываемый канал,

соединенный с дымоходом

1.2. Производство чугуна (доменный процесс)

Основные вопросы темы

Химический состав чугунов.

Исходные материалы для производства чугуна (руда, флюс, кокс,

агломерат, окатыши).

Устройство и принцип работы доменной печи.

Физико-химические процессы (горение топлива, восстановление

железа, шлакование, науглероживание).

Продукты доменной плавки (чугун литейный и передельный, фер-

росплавы, побочные продукты.)

Технико-экономические показатели работы доменной печи. Пути

повышения эффективности работы домны.

Чугун – сплав железа с углеродом, в котором содержание угле-

рода более 2,14%. Сопутствующими элементами являются кремний,

марганец, сера и фосфор (рис.1.7).

Рис.1.7. Химический состав чугуна

Процесс получения чугуна из железной руды называют доменным

производством. Алгоритм подбора исходных материалов представлен

на рис.1.8.

Рис.1.8. Состав шихты, загружаемой в доменную печь

Fe C>2,14% Si Mn S P

Чугун

Исходный материал для доменной плавки

Марганцевая руда,

хромовая руда

(для выплавки

осплавов

)

Флюс

(известняк)

Топливо

(кокс)

MnO

, Mn

, FeO· Cr

CaCO

Шихта (подается равномерно отдельными порциями)

Железная руда

(агломерат,

окатыши

)

, Fe

FeO

Конструкция доменной печи представлена на рис.1.9.

Рис.1.9. Конструкция доменной печи: 1 - газоотводящий патрубок; 2

- засыпной аппарат; 3 - огнеупорная кладка; 4 - стальной кожух; 5 - ох-

лаждающие трубки; 6 - опоры; 7 - лётка для слива чугуна; 8 - опорное

кольцо; 9 - лётка для слива шлака; 10 - кольцевой коллектор для фурм

Характеристика доменной печи:

- печь штатного типа;

- работающая по принципу противотока: сверху поступает шихта,

снизу поступает нагретый воздух;

- футеровка (огнеупорная кладка)- нейтральная (шамот);

- полезный объем печи V=2000-5000 м

(в России до 3200 м

Процессы, происходящие в доменной печи, могут быть описаны

химическими реакциями, представленными на рис.1.10.

Рис.1.10. Химические реакции доменной плавки (принципиальная

схема)

Химические реакции доменного процесса

Горение топлива: C+O

→CO

, CO

+C→2CO

Разложение известняка: CaCO

→CaO+ CO

Шлакование: mCaO+nSiO

→(CaO)m·(SiO

Восстановление железа: Fe

+CO→Fe

+ CO

+CO→FeO+ CO

, FeO+CO→Fe+ CO

Восстановление Mn, Si, P из природных оксидов

Науглероживание железа 3Fe+C→ Fe

Насыщение серой и фосфором

S(кокс) →S(чугун)

P(руда) →P(чугун)

Доменное производство включает в себя два основных участка.

Это шихтовой двор, где хранятся и компонуются материалы для со-

ставления шихты, и собственно доменный цех, принципиальная схема

работы которого представлена на рис. 1.11.

Рис.1.11. Схема работы доменного цеха: 1 - дозатор; 2 - расходуемый

бункер; 3 - вагонетка; 4 - наклонный подъемник; 5 - засыпной аппарат; 6 -

доменная печь; 7 - емкость для приема чугуна; 8 - емкость для слива шла-

ка; 9 - воздухонагреватели; 10 - дымовая труба; 11 - блок очистителей

Продукция доменного производства включает в себя: чугун, фер-

росплавы и побочные продукты (рис.1.12).

Рис.1.12. Основные виды продукции доменного производства

Важнейшими показателями оценки эффективности работы до-

менной печи являются: коэффициент использования полезного объема

печи и удельный расход кокса (рис.1.13)

Рис.1.13. Основные параметры, характеризующие эффективность

работы доменной печи

Технико-экономические показатели

работы доменной печи

Коэффициент использования

полезного объема печи

Удельный расход

кокса

КИПО=V/P=0,5-0,7 K=A/P=0,5-0,7

V - полезный объем печи, м

;

P - средняя суточная производительность, т/сутки ;

A - суточный расход кокса, т/сутки.

Продукты доменной плавки

Чугун Ферросплавы Побочные продукты

Литейный

чугун

C≈3,5%

Передельный

чугун

С≈4,5%

Ферросилиций

Si≈10%, Mn≈3%

Ферромарганец

Mn≈70%,

зеркальный чугун

Mn≈25%

Шлак, доменный газ

Пути повышения эффективности работы доменной печи

- увеличение полезного объема печи;

- использование агломерата и окатышей;

- повышение давления газа на колошнике;

- обогащение воздушного дутья кислородом;

- использование природного газа в качестве дополнительного то-

плива.

1.3. Производство стали

Основные вопросы темы

Процесс прямого восстановления железа из руды с последующей

плавкой на сталь.

Принципиальная схема передела чугуна на сталь (основные эта-

пы: окисление примесей, шлакование, рафинирование, раскисление);

понятие спокойной и кипящей стали.

Основные способы получения стали (кислородно-конвертерный,

мартеновский, в электропечах). Характеристика каждого из указанных

способов:

− исходные материалы;

− принцип работы

и устройство печи;

− источники тепловой энергии;

− химические особенности процесса (кислый и основной);

− время плавки и технико-экономические показатели работы ста-

леплавильных печей; пути интенсификации мартеновской плавки,

принцип работы двухваннового мартена.

Разливка стали (в изложницы сверху и снизу, непрерывная раз-

ливка); строение стального слитка спокойной и кипящей стали.

Пути повышения качества стального слитка (обработка синтети-

ческими шлаками, вакуумная дегазация; электрошлаковый, вакуумно-

дуговой, электронно-лучевой, плазменно-дуговой переплавы).

1.3.1. Основные способы производства стали

Сталь - сплав железа с углеродом, содержание которого в спла-

ве не превышает 2,14%. Сталь, основными компонентами которой яв-

ляются железо и углерод, носит название углеродистой. Содержание в

ней сопутствующих химических элементов (Si, Mn, S, P) не должно пре-

вышать определенных значений (рис.1.14).

Рис.1.14. Химический состав углеродистой (нелегированной) стали

В отличие от углеродистой, легированная сталь обладает более

высокими механическими свойствами (после термической обработки).

Легирование стали – процесс введения в ее состав химических

элементов (Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Ti и др.) с целью придания ей определен-

ных химических и механических свойств.

Способы производства стали представлены на рис.1.15. Основной

метод получения стали –

передел чугуна на сталь. Лишь незначитель-

ный процент всей получаемой стали производят, используя способ

прямого восстановления железа из руды.

Рис.1.15. Структура сталеплавильного производства (принципи-

альная схема)

В печах шахтного типа, работающих по принципу противотока,

происходит восстановление железорудных окатышей до твердого губ-

чатого железа (рис.1.16). Восстановителями являются водород и окись

углерода – продукты конверсии природного и доменного газа. На

рис.1.17 представлен алгоритм данного технологического процесса.

Углеродистая сталь

Железо

Углерод

С<2,14%

Кремний

Si<1%

Марганец

Mn<1%

Сера

S<0,05%

Фосфор

Р<0,06%

Прямое

восстановление

железа из руды

Передел чугуна на сталь

Последующая

плавка на сталь

в электропечах

Получение

стали в

кислородных

конвертерах

Получение

стали в

мартеновских

печах

Получение

стали в

электропечах

Способы производства стали