Процесс десульфурации чугуна в доменной плавке.

Контрольное задание №1

1. Процесс десульфурации чугуна в доменной плавке.

Десульфурация – обессеривание –физико-химические процессы способствующие удалению серы из расплавленного металла

Как известно, получение в доменной печи чистых по сере чугунов затруднительно и требует значительных затрат, что  связано с необходимостью иметь  доменные шлаки повышенной основности и большей массы (соответственно с увеличенным расходом добавочных материалов) и более высокий расход чистого по сере кокса.

Магний

Магний является сильным  десульфуратором. При расходе магния в количестве 0,2% от массы чугуна можно добиться снижения содержания серы в чугуне от 0,150 до 0,003%. В процессе обессеривания чугуна магнием определенную технологическую сложность представляет присадка магния к металлу. Магний плавится при температуре около 650 °С, а при температуре 1107 °С кипит.

Температура жидкого чугуна находится в пределах 1380-1440 °С. При такой температуре погруженный в чугун магний мгновенно испаряется, устремляясь в виде паров из слоя металла, часто образуя выбросы чугуна, а пары магния окисляются (сгорают) в кислороде воздуха.

При внепечной десульфурации чугуна на металлургических предприятиях наибольшее распространение получил способ обработки чугуна в чугуновозных и заливочных ковшах реагентами, вводимыми в металл через погружные фурмы. Эффективность этого способа определяется стойкостью фурм, которые в процессе эксплуатации подвергаются резким тепловым ударам, эрозионному и химическому воздействию жидких чугуна и шлака в ковше, а также механическим нагрузкам при вибрации и толчках фурм во время обработки металла. При десульфурации чугуна порошкообразным или гранулированным магнием механические нагрузки на фурмы особенно велики в связи с бурно протекающим процессом испарения магния в чугуне. Поэтому для этих фурм разработана, в первую очередь, усиленная конструкция каркаса, состоящая из толстостенной несущей трубы с испарительной камерой и арматурой, обеспечивающей дополнительное увеличение жесткости каркаса и надежности удержания на нем огнеупорной футеровки.

Сода

Сода Na2CO3 – активное обессеривающее вещество, благодаря чему присадка ее к чугуну осуществляется наиболее простыми методами, чаще всего подачей на желоб или в ковш во время выпуска чугуна из доменной печи. При соприкосновении с жидким чугуном сода плавится, образуя на поверхности металла слой активного по отношению к сере шлака. При плавлении соды часть ее разлагается по реакции: Na2CО3 = Na2О + CО2. Количество разложившейся соды зависит от ее температуры и условий перемешивания соды с металлом. Оксид натрия взаимодействует с сульфидом железа по реакции: Na2O + FeS=Na2S + FeO. Железо из образовавшейся закиси железа восстанавливается растворенным в чугуне углеродом: FeO + С = Fe + CO. Эта реакция предупреждает развитие реакции восстановления железа растворенным в чугуне кремнием с образованием оксида кремния 2FeO + Si = 2Fe + SiO2, который может активно взаимодействовать с оксидом и карбонатом натрия, образуя при этом силикат натрия и снижая обессеривающую способность соды: Na2CO3 + SiO2 = Na2SiО3 + СО2. По этой же причине недопустимо попадание печного шлака в ковш, где идет обессеривание чугуна содой. В присутствии железа может идти и восстановление натрия из соды. Большая часть металлического натрия не успевает прореагировать с серой и, превращаясь в пар, сгорает над поверхностью чугуна, образуя ослепительное желтое пламя. Образующийся при обессеривании сульфид натрия частично улетучивается с газами, а частично переходит в шлак.

При обессеривании чугуна содой нельзя допускать длительного контакта содового шлака с чугуном в ковше – содовый шлак активно взаимодействует с футеровкой ковша, разрушая ее. Повышение же концентрации SiO2 в шлаке над чугуном может вызвать обратный процесс перехода серы из шлака в чугун. Этому способствует также понижение температуры шлака и чугуна при остывании в ковше. Обессеривание чугуна содой в желобе и в ковше, будучи наиболее простым, является и самым неэкономичным. Большое количество соды теряется от распыливания, выносится из ковша и желобов восходящими тепловыми потоками, а при восстановлении натрия значительная часть его сгорает без всякой пользы в кислороде воздуха. Кроме того, процесс обессеривания содой сопровождается выделением вредных испарений, ухудшающих условия труда и затрудняющих выполнение операций по выпуску чугуна. При расходе соды 12-16 кг/т чугуна описанным способом обессеривание составляет 45-55%.

Для лучшего использования  обессеривающей способности соды в  разное время были предложены различные  способы присадки соды к чугуну, однако, все эти способы не нашли  широкого промышленного применения вследствие сложности и недостаточной  стойкости приспособлений для ввода  соды в чугун и высокой стоимости  соды.

 

 

 

 

 

 

 

3.Обжиг – плавка  во взвешенном состоянии.

Обжиг руды или рудных концентратов — операция подготовки рудных материалов к последующему переделу (обогащению, окускованию, плавке), осуществляемая в целях изменения их физических свойств и химического состава, перевода полезных компонентов в извлекаемую форму, удаления примесей. Заключается в нагреве до определённой температуры, зависящей от обжигаемого материала и целей обжига.

В основе любого металлургического  процесса лежит принцип перевода обрабатываемого сырья в гетерогенную систему, состоящую из двух, трех, а  иногда и более фаз, которые должны отличаться друг от друга составом и физическими свойствами. При  этом одна из фаз должна обогащаться извлекаемым металлом обедняться примесями, а другие фазы, наоборот, обедняться основными компонентами. Одним из таких процессов является плавка во взвешенном состоянии.

Плавкой во взвешенном состоянии  называются процессы, при осуществлении  которых мелкие сульфидные концентраты  сжигают в факеле, образующемся при  горении сульфидов шихты, подаваемое в раскаленное пространство печи через специальные горелки вместе с дутьем. За счет теплоты, выделяющейся при горении сульфидов, распыленная шихта нагревается и плавится. Образовавшиеся капли падают на поверхность шлакового расплава, находящегося в отстойной камере, где происходит расслаивание штейна и шлака.

Принципиальное единство технологических  основ двух разновидностей плавки во взвешенном состоянии порождает  общность их достоинств и недостатков [1].

Достоинства:

1. Использование тепла сжигания сульфидов;
2. Высокое извлечение серы в газы (70 – 80 %);
3. Богатые по содержанию SO₂ газы;
4. Высокая удельная производительность агрегата;
5. Возможность полной автоматизации процесса.

Недостатки:

1. Высокое содержание меди в шлаках (до 2 %);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольное задание №2

1.Охарактеризуйте особенности металлического типа связи и основные свойства металлов.

Металлическая связь— связь между положительными ионами в кристаллах металлов, осуществляемая за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу. В соответствии с положением в периодической системе атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов. Эти электроны достаточно слабо связаны со своими ядрами и могут легко отрываться от них. В результате в кристаллической решетке металла появляются положительно заряженные ионы и свободные электроны. Поэтому в кристаллической решетке металлов существует большая свобода перемещения электронов: одни из атомов будут терять свои электроны, а образующиеся ионы могут принимать эти электроны из «электронного газа». Как следствие, металл представляет собой ряд положительных ионов, локализованных в определенных положениях кристаллической решетки, и большое количество электронов, сравнительно свободно перемещающихся в поле положительных центров. В этом состоит важное отличие металлических связей от ковалентных, которые имеют строгую направленность в пространстве.

Металлическая связь отличается от ковалентной также и по прочности: ее энергия в 3-4 раза меньше энергии  ковалентной связи.

Энергия связи — энергия, необходимая  для разрыва химической связи во всех молекулах, составляющих один моль вещества. Энергии ковалентных и ионных связей обычно велики и составляют величины порядка 100-800 кДж/моль.

Все металлы обладают рядом свойств, которые различаются как физические, механические, химические и технологические.

К физическим свойствам  металлов относят удельный вес, температуру плавления, цвет, электропроводность, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании, магнитные свойства и некоторые другие. В зависимости от условий работы или эксплуатации деталей некоторые из этих свойств приобретают решающее значение и служат основанием для выбора материала при изготовлении и использовании детали. Например, удельный вес и прочность — важные качества для материала в самолетостроении, где нужны легкие и прочные детали. Температура плавления имеет большое значение для деталей, работающих при высоких температурах, например нити накаливания в электрических лампах, футеровка плавильных печей и т. п. Поэтому детали самолета изготовляют из сплавов алюминия и магния, а для изготовления нитей накаливания употребляется вольфрам и т. д.

Из химических свойств  металлов главным образом важна коррозионная стойкость, а также окисляемость и растворимость.

Очень важную роль в определении  пригодности металла как материала  для деталей машин и механизмов играют его механические свойства. К механическим свойствам относятся прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость и хрупкость.

Прочность — способность материала сопротивляться воздействию сил, не разрушаясь и не изменяя допустимой формы.  
Примером прочного материала служит сталь. Стальные изделия с трудом разрушаются и изменяют форму. В противоположность стали ртуть не обладает прочностью. При обычной температуре она находится в жидком состоянии и не сохраняет формы.

Твердость — способность материала противостоять проникновению в него другого, более твердого тела. Самым твердым из известных нам веществ является алмаз. Высокой твердостью обладают различные сорта стали и так называемые твердые сплавы. Твердость — главнейшее свойство материалов, из которых изготовляют режущие инструменты. .

Упругость — способность тела восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия сил, вызвавших это изменение. Примером упругого тела может служить стальная пружина, которая после прекращения сил воздействия восстанавливает свою прежнюю форму.

Пластичность — способность материала изменять свою форму под воздействием сил не разрушаясь и не восстанавливать прежней формы после прекращения действия сил. Примером пластичного металла может служить свинец. Это качество по . своей сущности противоположно упругости.

Вязкость — способность материала выдерживать механические воздействия (удары) не разрушаясь. Очень вязка, например, малоуглеродистая сталь, употребляемая для неответственных деталей.

Хрупкость — качество, противоположное вязкости, способность тела легко разрушаться при механических воздействиях (ударах). Примером хрупкого металла является чугун.

Технологические свойства металлов и сплавов представляют собой сочетание различных механических и физических свойств, проявляющихся в процессах изготовления деталей машин.

К технологическим свойствам  металла относятся возможность обработки резанием, литьем, прокаткой, ковкой, волочением, способность свариваться и подвергаться термообработке.

Для определения свойств металлов и сплавов пользуются:

 

• механическими испытаниями, которыми устанавливают их прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость и хрупкость;
• физическими измерениями удельного веса, температуры плавления, тепла и электропроводности;
• химическим анализом, который определяет качественный и количественный состав сплава;
• металлографическим анализом, позволяющим получить данные о структуре и свойствах металла с помощью микроскопа и рентгеновского аппарата;
• технологическими пробами, дающими возможность определить пригодность металла для данного вида обработки.

 

Металлы в твердом  и отчасти в жидком состоянии  обладают рядом характерных свойств:

– высокими теплопроводностью и электрической проводимостью;

– положительным температурным  коэффициентом электрического сопротивления; с повышением температуры электрическое  сопротивление чистых металлов возрастает; большое число металлов обладают сверхпроводимостью (у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному  нулю, электрическое сопротивление  падает скачкообразно, практически  до нуля);

– термоэлектронной эмиссией, т. е. способностью испускать электроны  при нагреве;

– хорошей отражательной  способностью: металлы непрозрачны  и обладают металлическим блеском;

– повышенной способностью к пластической деформации.

 

 

2. Опишите условия получения мелкозернистой структуры металла при самопроизвольно развивающейся кристаллизации.

Переход металла из жидкого  состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Т_п. Разность между температурами Т_п и Т_к, при которых может протекать процесс кристаллизации, носит название степени переохлаждения:

ΔT=T_п-Т_к.

Термические кривые, характеризующие  процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью  , показаны на рисунке

при кристаллизации ( ₁< ₂< ₃)

При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и  процесс кристаллизации протекает  при температуре близкой к равновесной Т_п. На термической кривой при температуре кристаллизации отмечается горизонтальная площадка (остановка в падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, несмотря на отвод теплоты при охлаждении.

С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (кривые ₂, ₃) и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации.

Чем больше скорость образования  зародышей и меньше скорость роста  их, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура  металла.

При небольшой скорости переохлаждения ΔT (малой скорости охлаждения) число  зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С  увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей  возрастает, количество их увеличивается и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.