Производство железа - конспект - Химия, Конспект из Химия
zaycev_ia
zaycev_ia20 June 2013

Производство железа - конспект - Химия, Конспект из Химия

PDF (363.9 KB)
8 страница
193количество посещений
Описание
I.M. Sechenov Moscow Medical Academy. Реферат по химии. Производство железа Получение железа из железной руды производится в две стадии. Оно начинается с подготовки руды-измельчения и нагревания. Руду измельчают на куск...
20очки
пункты необходимо загрузить
этот документ
скачать документ
предварительный показ3 страница / 8
это только предварительный показ
консультироваться и скачать документ
это только предварительный показ
консультироваться и скачать документ
предварительный показ закончен
консультироваться и скачать документ
это только предварительный показ
консультироваться и скачать документ
это только предварительный показ
консультироваться и скачать документ
предварительный показ закончен
консультироваться и скачать документ

Ковчегин Игорь 9б

ТЕМА: Производство стали и чугуна и их применение. Ковчегин Игорь 9б

Производство железа Получение железа из железной руды производится в две стадии. Оно начинается с

подготовки руды-измельчения и нагревания. Руду измельчают на куски диаметром не более 10 см. Затем измельченную руду прокаливают для удаления воды и летучих примесей.

На второй стадии железную руду восстанавливают до железа с помощью оксида углерода в доменной печи. Восстановление проводится при температурах порядка 700 °С:

Для повышения выхода железа этот процесс проводится в условиях избытка диоксида углерода СО2.

Моноксид углерода СО образуется в доменной печи из кокса и воздуха. Воздух сначала нагревают приблизительно до 600 °С и нагнетают в печь через особую трубу- фурму. Кокс сгорает в горячем сжатом воздухе, образуя диоксид углерода. Эта реакция экзотермична и вызывает повышение температуры выше 1700°С:

Диоксид углерода поднимается вверх в печи и реагирует с новыми порциями кокса, образуя моноксид углерода. Эта реакция эндотермична:

Железо, образующееся при восстановлении руды, загрязнено примесями песка и глинозема (см. выше). Для их удаления в печь добавляют известняк. При температу рах, существующих в печи, известняк подвергается термическому разложению с образованием оксида кальция и диоксида углерода:

Оксид кальция соединяется с примесями, образуя шлак. Шлак содержит силикат кальция и алюминат кальция:

Железо плавится при 1540 °С. Расплавленное железо вместе с расплавленным шлаком стекают в нижнюю часть печи. Расплавленный шлак плавает на поверхности расплавленного железа. Периодически из печи выпускают на соответст вующем уровне каждый из этих слоев.

Доменная печь работает круглосуточно, в непрерывном режиме. Сырьем для доменного процесса служат железная руда, кокс и известняк. Их постоянно загружают в печь через верхнюю часть. Железо выпускают из печи четыре раза в сутки, через равные промежутки времени. Оно выливается из печи огненным потоком при темпера туре порядка 1500°С. Доменные печи бывают разной величины и производительности (1000-3000 т в сутки). В США существуют некоторые печи новой конструкции с четырьмя

Доменная печь.: 1-железная руда, известняк, кокс, 2-загрузочный конус (колошник), 3-колошниковый газ, 4-кладка печи, 5-зона восстановления оксида железа, 6-зона образования шлака, 7-зона горения кокса, 8-вдувание нагретого воздуха через фурмы,

ТЕМА: Производство стали и чугуна и их применение. Ковчегин Игорь 9б

выпускными отверстиями и непрерывным выпуском расплавленного железа. Такие печи имеют производительность до 10000 т в сутки.

Железо, выплавленное в доменной печи, разливают в песочные изложницы. Такое железо называется чугун. Содержание железа в чугуне составляет около 95%. Чугун представляет собой твердое, но хрупкое вещество с температурой плавления около 1200°С.

Литое железо получают, сплавляя смесь чугуна, металлолома и стали с коксом. Расплавленное железо разливают в формы и охлаждают.

Сварочное железо представляет собой наиболее чистую форму технического железа. Его получают, нагревая неочищенное железо с гематитом и известняком в плавильной печи. Это повышает чистоту железа приблизительно до 99,5%. Его температура плавления повышается до 1400 °С. Сварочное железо имеет большую прочность, ковкость и тягучесть. Однако для многих применений его заменяют низкоуглеродистой сталью (см. ниже).

Химические реакции при выплавке чугуна из железной руды В основе производства чугуна лежит процесс восстановления железа из его окислов

окисью углерода. Известно, что окись углерода можно получить, действуя кисло родом воздуха на

раскалённый кокс. При этом сначала образуется двуокись углерода, которая при высокой температуре восстанав ливается углеродом кокса в окись углерода:

Восстановление железа из окиси железа происходит постепенно. Сначала окись железа восстанавливается до закиси-окиси железа:

Далее закись-окись железа восстанавливается в закись железа:

и, наконец, из закиси железа восстанавливается железо:

Скорость этих реакций растёт с повышением температуры, с уве личением в руде содержания железа и с уменьшением размеров кусков руды. Поэтому процесс ведут при высоких температурах, а руду предварительно обогащают, измельчают, и куски сортируют по крупности: в кусках одинаковой величины восстановление же леза происходит за одно и то же время. Оптимальные размеры кусков руды и кокса от 4 до 8—10 см. Мелкую руду предвари- тельно спекают (агломерируют) путём нагревания до высокой температуры. При этом из руды удаляется большая часть серы.

Железо восстанавливается окисью углерода практически пол ностью. Одновременно частично восстанавливаются кремний и мар ганец. Восстановленное железо образует сплав с углеродом кокса. кремнием, марганцем, и соединениями, серы и фосфора. Этот сплав—жидкий чугун. Температура плавления чугуна значительно ниже температуры плавления чистого железа.

Пустая порода и зола топлива также должны быть распла влены. Для понижения температуры плавления в состав «пла вильных» материалов вводят, кроме руды и кокса, флюсы (плав ни) — большей частью известняк СаСО3 и доломит CaCO3МgСО3. Продукты разложения флюсов при нагревании образуют с ве ществами, входящими в состав пустой породы и золы кокса, со единения с более низкими температурами плавления, преимущест- венно силикаты и алюмосиликаты кальция и магния, например, 2CaOAl2O3SiO2, 2CaOMg02Si02.

ТЕМА: Производство стали и чугуна и их применение. Ковчегин Игорь 9б

Химический состав сырья, поступающего на переработку, иног да колеблется в широких пределах. Чтобы вести процесс при посто янных и наилучших условиях, сырьё «усредняют» по химическому составу, т. е. смешивают руды различного химического состава в определённых весовых отношениях и получают смеси постоянного состава. Мелкие руды спекают вместе с флюсами, получая «офлю сованный агломерат». Применение офлюсованного агломерата даёт возможность значительно ускорить процесс.

Производство стали Стали подразделяются на два типа. Углеродистые стали содержат до 1,5% углерода.

Легированные стали содержат не только небольшие количества углерода, но также специально вводимые примеси (добавки) других металлов. Ниже подробно рассматри ваются различные типы сталей, их свойства и применения.

Кислородно-конвертерный процесс. В последние десятилетия производство стали революционизировалось в результате разработки кислородно-конвертерного процесса (известного также под названием процесса Линца-Донавица). Этот процесс начал применяться в 1953 г. на сталеплавильных заводах в двух австрийских металлургиче ских центрах-Линце и Донавице.

В кислородно-конвертерном процессе используется кислородный конвертер с основ ной футеровкой (кладкой). Конвертер загружают в наклонном положении расплавленным чугуном из плавильной печи и металлоломом, затем возвращают в вертикальное положение. После этого в конвертер сверху вводят медную трубку с водяным охлаждением и через нее направляют на поверхность расплавленного железа струю кислорода с примесью порошкообразной извести (СаО). Эта «кислородная продувка», которая длится 20 мин, приводит к интенсивному окислению примесей железа, причем содержимое конвертера сохраняет жидкое состояние благодаря выделе нию энергии при реакции окисления. Образующиеся оксиды соединяются с известью и превращаются в шлак. Затем медную трубку выдвигают и конвертер наклоняют, чтобы слить из него шлак. После повторной продувки расплавленную сталь выливают из конвертера (в наклонном положении) в ковш.

Кислородно-конвертерный процесс используется главным образом для получе ния углеродистых сталей. Он характеризуется большой производительностью. За 40-45 мин в одном конвертере может быть получено 300-350 т стали.

В настоящее время всю сталь в Великобритании и большую часть стали во всем мире получают с помощью этого процесса.

Электросталеплавильный процесс. Электрические печи используют главным обра зом для превращения стального и чугунного металлолома в высококачественные легированные стали, например в нержавеющую сталь. Электропечь представляет собой круглый глубокий резервуар, выложенный огнеупорным кирпичом. Через открытую крышку печь загружают металлоломом, затем крышку закрывают и через имеющиеся в ней отверстия опускают в печь электроды, пока они не придут в соприкосновение с металлоломом. После этого включают ток. Между электродами возникает дуга, в которой развивается температура выше 3000 °С. При такой температуре металл плавится и образуется новая сталь. Каждая загрузка печи позволяет получить 25-50 т стали.

Конвертер для выплавки стали: 1-кислород и СаО, 2-медная трубка с водяным охлаждением для кислородного дутья, 3-шлак, 4-ось, 5-расплавленная сталь, 7-стальной корпус.

ТЕМА: Производство стали и чугуна и их применение. Ковчегин Игорь 9б

Сталь получается из чугуна при удалении из него большей части углерода, кремния, марганца, фосфора и серы. Для этого чугун подвергают окислительной плавке. Продукты окисления выде ляются в газообразном состоянии и в виде шлака.

Так как концентрация железа в чугуне значительно выше, чем других веществ, то сначала интенсивно окисляется железо. Часть железа переходит в закись железа:

Реакция идёт с выделением тепла. Закись железа, перемешиваясь с расплавом, окисляет кремний марганец и углерод:

Si+2FeO=SiO2+2Fe Mn+FeO=MnO+Fe C+FeO=CO+Fe

Первые две реакции экзотермичны. Особенно много тепла выде ляется при окислении кремния.

Фосфор окисляется в фосфорный ангидрид, который образует с окислами металлов соединения, растворимые в шлаке. Но содер жание серы снижается незначительно, и поэтому важно чтобы в исходных материалах было мало серы.

После завершения окислительных реакций в жидком сплаве содержится ещё закись железа, от которой его необходимо осво бодить. Кроме того, необходимо довести до установленных норм со держание в стали углерода, кремния и марганца. Поэтому к концу плавки добавляют восстановители, например ферромарганец (сплав железа с марганцем) и другие так называемые «раскислители». Марганец реагирует с закисью железа и «сраскисляет» сталь:

Мп+FеО=МnО+Fe Передел чугуна в сталь осуществляется в настоящее время раз личными способами.

Более старым, применённым впервые в сере дине XIX в. является способ Бессемера. Способ Бессемера. По этому способу передел чугуна в

сталь проводится путём продувания воздуха через расплавленный горя чий чугун. Процесс протекает без затраты топлива за счёт тепла, выделяющегося при экзотермических реакциях окисления крем ния, марганца и других элементов.

Процесс проводится в аппарате, который называется по фами лии изобретателя конвертером Бессемера. Он пред- ставляет собой грушевидный стальной сосуд, футерованный внутри огнеупорным материалом. В дне конвертера имеются отверстия, через которые подаётся в аппарат воздух. Аппарат ра ботает периодически. Повернув аппарат в горизонтальное положе ние, заливают чугун и подают воздух. Затем поворачивают аппа рат в вертикальное положение. В начале процесса окисляются же лезо, кремний и марганец, затем углерод. Образующаяся окись углерода сгорает над конвертером ослепительно ярким пламенем длиной до 8 л. Пламя постепенно сменяется бурым ды мом. Начинается горение железа. Это указывает, что период интен сивного окисления углерода заканчивается. Тогда подачу воздуха прекращают, переводят конвер тер в горизонтальное положе ние и вносят раскислители.

Процесс Бессемера обладает рядом достоинств. Он протекает очень быстро (в течение 15 ми нут), поэтому производитель ность аппарата велика. Для проведения процесса не тре- буется расходовать топливо или электрическую энергию. Но этим способом можно переделы- вать в сталь не все, а только отдельные сорта чугуна. К тому же значительное количество железа в бессемеровском про цессе окисляется и теряется (велик «угар» железа).

ТЕМА: Производство стали и чугуна и их применение. Ковчегин Игорь 9б

Значительным усовершенст вованием в производстве стали в конвертерах Бессемера явля ется применение для продувкя вместо воздуха смеси его с чис тым кислородом («обогащённого воздуха»), что позволяет получать стали более высокого качества.

Мартеновский способ. Основным способом передела чугуна в сталь является в настоящее время мартеновский. Тепло, необходимое для проведения процесса, полу чается посредством сжигания газообраз ного или жидкого топлива. Процесс получения стали осуществляется в пламенной печи – мартеновской печи.

Примеси, содержащиеся в шихте, окисляются свободным, кислородом топочных газов и кислородом, входящим в состав железной руды, окалины и ржавчины.

Плавильное пространство мартеновской печи представляет собой ванну, перекрытую сводом из огнеупорного кирпича. В передней стенке печи находятся загрузочные окна, через которые завалочные машины загружают в печь шихту. В задней стенке на ходится отверстие для выпуска стали. С обеих сторон ванны распо ложены головки с каналами для подвода топлива и воздуха и от вода продуктов горения. Печь ёмкостью 350 т имеет длину 25 м и ширину 7 м.

Мартеновская печь работает периодически. После выпуска стали в горячую печь загружают в установленной последовательности лом, железную руду, чугун, а в качестве флюса — известняк или известь. Шихта плавится. При этом интенсивно окисляются: часть железа, кремний и марганец. Затем начинается период быстрого окисления углерода, называемый периодом «кипения», — движе ние пузырьков окиси углерода через слой расплавленного металла создаёт впечатление, что он кипит.

В конце процесса добавляют раскислители. За изменением состава сплава тщательно следят, руководствуясь данными экспресс-анализа, позволяющего дать ответ о составе стали в течение нескольких минут. Готовую сталь выливают в ковши. Для по вышения температуры пламени газообразное топливо и воздух предварительно подогревают в регенераторах. Принцип действия регенераторов тот же, что и воздухонагревателей доменного про изводства. Насадка регенератора нагревается отходящими из печи газами, и когда она достаточно нагреется, через регенератор на чинают подавать в печь воздух. В это время нагревается другой регенератор. Для регулирования теплового режима печь снабжается автоматическими приспособлениями.

В мартеновской печи, в отличие от конвертера Бессемера, можно перерабатывать не только жидкий чугун, но и твёрдый, а также отходы металлообрабатывающей промышленности и стальной лом. В шихту вводят также и железную руду. Состав шихты можно изменять в широких пределах и выплавлять стали разнообразного состава, как углеродистые, так и легированные.

ТЕМА: Производство стали и чугуна и их применение. Ковчегин Игорь 9б

Российскими учёными и сталеварами разработаны методы ско ростного сталеварения, повышающие производительность печей. Производительность печей выражается количеством стали, полу чаемым с одного квадратного метра площади пода печи в единицу времени.

Производство стали в элек тропечах. Применение электри ческой энергии в производстве стали даёт возможность дости гать более высокой температуры и точнее её регулировать. По этому в электропечах выплав- ляют любые марки сталей, в том числе содержащие тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден и др. Потери легирующих эле ментов в электропечах меньше, чем в других печах. При плавке с кислородом ускоряется плав- ление шихты и особенно окис ление углерода в жидкой шихте, Применение кислорода позволя ет ещё более повысить качество электростали, так как в ней остаётся меньше растворённых газов и неметаллических включений.

В промышленности применяют два типа электропечей: дуговые и индукционные. В дуговых печах тепло получается вслед ствие образования электрической дуги между электродами и шихтой. В индукционных печах тепло получается за счёт индуци руемого в металле электрического тока.

Сталеплавильные печи всех типов — бессемеровские конвер теры, мартеновские и электрические — представляют собой аппа раты периодического действия. К недостаткам периодических процессов относятся, как известно, затрата времени на загрузку и разгрузку аппаратов, необходимость изменять условия по мере течения процесса, трудность регулирования и др. Поэтому перед металлургами стоит задача создания нового непрерывного про цесса.

Применения в качестве конструкционных материалов сплавов железа. Некоторые d-элементы широко используются для изготовления конструкционных

материалов, главным образом в виде сплавов. Сплав-это смесь (или раствор) какого-либо металла с одним или несколькими другими элементами.

Сплавы, главной составной частью которых служит железо, называются сталями. Выше мы уже говорили, что все стали подразделяются на два типа: углеродистые и легированные.

Углеродистые стали Тип стали Содержание углерода, % Применения

Низкоуглеродистая 0,2 Общее машиностроение: корпуса авто машин, проволока, трубы, болты и гайки

Среднеуглеродистая 0,3-0,6 Балки и фермы, пружины Высокоуглеродистая 0,6-1,5 Сверла, ножи, молотки, резцы

Углеродистые стали. По содержанию углерода эти стали в свою очередь подразде- ляются на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую стали. Твердость углеродистых сталей возрастает с повышением содержания углерода. Например, низкоуглеродистая сталь является тягучей и ковкой. Ее используют в тех случаях, когда механическая нагрузка не имеет решающего значения. Различные применения углеродистых сталей указаны в таблице. На долю углеродистых сталей приходится до 90% всего объема производства стали.

ТЕМА: Производство стали и чугуна и их применение. Ковчегин Игорь 9б

Легированные стали. Такие стали содержат до 50% примеси одного или нескольких металлов, чаще всего алюминия, хрома, кобальта, молибдена, никеля, титана, воль фрама и ванадия.

Нержавеющие стали содержат в качестве примесей к железу хром и никель. Эти примеси повышают твердость стали и делают ее устойчивой к коррозии. Последнее свойство обусловлено образованием тонкого слоя оксида хрома (III) на поверхности стали.

Инструментальные стали подразделяются на вольфрамовые и марганцовистые. Добавление этих металлов повышает твердость, прочность и устойчивость при высоких температурах (жаропрочность) стали. Такие стали используются для бурения скважин, изготовления режущих кромок металлообрабатывающих инструментов и тех деталей машин, которые подвергаются большой механической нагрузке.

Кремнистые стали используются для изготовления различного электрооборудования: моторов, электрогенераторов и трансформаторов.

комментарии (0)
не были сделаны комментарии
Напиши ваш первый комментарий
это только предварительный показ
консультироваться и скачать документ
Docsity не оптимизирован для браузера, который вы используете. Войдите с помощью Google Chrome, Firefox, Internet Explorer 9+ или Safari! Скачать Google Chrome