Контрольная работа по "Теория металлургических процессов"

Заключенный в баллоны чистый Кислород используют для дыхания на больших высотах, при космических полетах, при подводном плавании и других В медицине Кислород дают для вдыхания тяжело больным, применяют для приготовления кислородных, водяных и воздушных (в кислородных палатках) ванн, для внутримышечного введения и т. п.

Кислород в металлургии широко применяется для интенсификации ряда пирометаллургических процессов. Полная или частичная замена поступающего в металлургические агрегаты воздуха кислородом изменила химизм процессов, их теплотехнические параметры и технико-экономические показатели. Кислородное дутье позволило сократить потери тепла с уходящими газами, значительная часть которых при воздушном дутье составлял азот. Не принимая существенного участия в химических процессах, азот замедлял течение реакций, уменьшая концентрацию активных реагентов окислительно-восстановительной среды. При продувке Кислородом снижается расход топлива, улучшается качество металла, в металлургических агрегатах возможно получение новых видов продукции (например, шлаков и газов необычного для данного процесса состава, находящих специальное техническое применение) и др.

Первые опыты по применению дутья, обогащенного Кислородом, в доменном производстве для выплавки передельного чугуна и ферромарганца были проведены одновременно в СССР и Германии в 1932-33. Повышенное содержание Кислорода в доменном дутье сопровождается большим сокращением расхода последнего, при этом увеличивается содержание в доменном газе оксида углерода и повышается его теплота сгорания. Обогащение дутья Кислородом позволяет повысить производительность доменной печи, а в сочетании с газообразным и жидким топливом, подаваемым в горн, приводит к снижению расхода кокса. В этом случае на каждый дополнительный процент Кислорода в дутье производительность увеличивается примерно на 2,5%, а расход кокса снижается на 1%.

Кислород в мартеновском производстве в СССР сначала использовали для интенсификации сжигания топлива (в промышленном масштабе Кислород для этой цели впервые применили на заводах "Серп и молот" и "Красное Сормово" в 1932-33). В 1933 начали вдувать Кислород непосредственно в жидкую ванну с целью окисления примесей в период доводки. С повышением интенсивности продувки расплава на 1 м3/т за 1 ч производительность печи возрастает на 5-10%, расход топлива сокращается на 4-5%. Однако при продувке увеличиваются потери металла. При расходе Кислорода до 10 м3/т за 1 ч выход стали снижается незначительно (до 1%). В мартеновском производстве Кислород находит все большее распространение. Так, если в 1965 году с применением Кислорода в мартеновских печах было выплавлено 52,1% стали, то в 1970 уже 71%.

Опыты по применению Кислорода в электросталеплавильных печах в СССР были начаты в 1946 на заводе "Электросталь". Внедрение кислородного дутья позволило увеличить производительность печей на 25-30%, снизить удельный расход электроэнергии на 20-30%, повысить качество стали, сократить расход электродов и некоторых дефицитных легирующих добавок. Особенно эффективной оказалась подача Кислорода в электропечи при производстве нержавеющих сталей с низким содержанием углерода, выплавка которых сильно затрудняется вследствие науглероживающего действия электродов. Доля электростали, получаемой в СССР с использованием Кислорода, непрерывно росла и в 1970 составила 74,6% от общего производства стали.

В ваграночной плавке обогащенное Кислородом дутье применяется главным образом для высокого перегрева чугуна, что необходимо при производстве высококачественного, в частности высоколегированного, литья (кремнистого, хромистого и т. д.). В зависимости от степени обогащения Кислородом ваграночного дутья на 30-50% снижается расход топлива, на 30-40% уменьшается содержание серы в металле, на 80-100% увеличивается производительность вагранки и существенно (до 1500°С) повышается температура выпускаемого из нее чугуна.

Кислород в цветной металлургии получил распространение несколько позже, чем в черной. Обогащенное Кислородом дутье используется при конвертировании штейнов, в процессах шлаковозгонки, вельцевания, агломерации и при отражательной плавке медных концентратов. В свинцовом, медном и никелевом производстве кислородное дутье интенсифицировало процессы шахтной плавки, позволило снизить расход кокса на 10-20%, увеличить проплав на 15-20% и сократить количество флюсов в отдельных случаях в 2-3 раза. Обогащение Кислородом воздушного дутья до 30% при обжиге цинковых сульфидных концентратов увеличило производительность процесса на 70% и уменьшило объем отходящих газов на 30%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       2. Молекулярная теория шлаков и ее недостатки.

 

Шлак, представляющий собой сплав оксидов с незначительным содержанием сульфидов, является неизбежным побочным продуктом любого современного способа производства стали в открытых агрегатах. Неизбежность образования шлака связана, во-первых, с обязательным окислением элементов металлической фазы во время плавки и образованием при этом различных нелетучих (шлакообразующих) оксидов, имеющих меньшую плотность, чем металл, и собирающихся на поверхности металла; во-вторых, с неизбежным разрушением футеровки в условиях высоких температур под действием оксидов, образующихся в результате окисления компонентов металлической фазы. В образовании шлака могут принимать участие также оксиды, вносимые в ванну в виде неметаллических шихтовых материалов (флюсов и твердых окислителей), загрязнения (мусора) лома и миксерного или доменного шлака, поступающего с жидким чугуном.

Положительное значение шлаков состоит в способности поглощать фосфор (дефосфорации) и серу (десульфурация) из металла. Такими свойствами обладают только основные шлаки, в которых преобладает содержание основных оксидов, прежде всего СаО. Способность основных шлаков поглощать фосфор и серу позволяет в сталеплавильных процессах перерабатывать чугуны с высоким содержанием фосфора и серы.

В подовых процессах, т. е. в процессах, осуществляемых в мартеновских и электродуговых печах, положительная роль шлаков выражается также в защите металла от поступающих из атмосферы печи вредных примесей, главным образом газов.

        Отрицательное значение шлаков.

Отрицательное значение шлаков в основном выражается в следующем: 1) разрушающем действии на футеровку агрегата; 2) увеличении потери (угара) полезных примесей в процессе окислительного рафинирования, а также раскисления и легирования; 3) увеличении потери железа в виде оксидов и корольков, содержащихся в шлаке. Указанные отрицательные действия шлаков на ход и результаты плавки в той или иной степени проявляются в любых сталеплавильных процессах. Установление оптимального шлакового режима плавки должно означать обеспечение возможно большего проявления положительной их роли и меньшего — отрицательной.

Проявление той или иной роли шлаков главным образом зависит от их химического состава, физического состояния (вязкости) и количества, поэтому для установления рационального шлакового режима плавки необходимо, прежде всего, знать закономерности изменения химического состава, физико-химических свойств и количества шлака.

Основные компоненты шлаков.

Химический состав шлаков является их важнейшей характеристикой, так как он определяет основные физико-химические свойства шлаков. Любой сталеплавильный шлак обычно представляет собой сложный расплав, состоящий из большого числа (десятков) оксидов различных металлов и металлоидов. Эти оксиды образуют между собой еще большее число различных двойных, тройных и даже более сложных соединений (солей). Однако основные физико-химические свойства шлаков определяются содержанием в них ограниченного количества оксидов и их соединений между собой. Оксидами, обычно оказывающими решающее влияние на свойства шлака, являются СаО, FeO, МnО, MgO (основные), Si02, Р205 (кислотные), А1203, Fe203 (амфотерные).

Сульфиды, хотя и содержатся сравнительно в небольших количествах в основных сталеплавильных шлаках, являются важной их составной частью, так как десульфурация металла в процессе плавки заключается в переводе серы из металла в шлак. В шлаках сера преимущественно находится в виде CaS, но частично может находиться в виде MnS и FeS. При благоприяных условиях часть серы в шлаке может находиться и в виде сульфатов, например CaS04.

Минералогический шлак

Для установления состава обычно используют два метода: 1) петрографический — изучение строения твердых шлаков; 2) физико-химический — изучение диаграмм состояния (плавкости) двойных или тройных систем, на которых образованию прочных соединений соответствует появление характерных (острых и открытых) максимумов. В настоящее время при изучении строения шлаков широко применяют и методы рентгенографии.

Наибольший вклад в изучение минералогического состава металлургических шлаков внесен советскими учеными Д. С. Белянкиным и В. В. Лапиным. По их данным, в сталеплавильных шлаках силикаты и алюмосиликаты обычно составляют 65—75 %, шпинели 10—15 %, свободные оксиды 5—10%, прочие минералы (фосфаты*, сульфиды и др.1 — до 10%)

Обычные (химические и физические) методы анализа шлаков позволяют определять содержание отдельных элементов. Для управления плавкой (регулирования химического состава шлака) удобно под компонентами шлака понимать содержание оксидов, поэтому в производственной практике принято под составом шлака понимать содержание в нем тех или иных оксидов, а не соединений между ними. Представление шлаков как расплавов, состоящих из силикатов, фосфатов и других сложных соединений, удобно при составлении уравнений химических реакций, протекающих в сталеплавильных ваннах. В действительности главными элементарными частицами, из которых состоят шлаки, являются не свободные оксиды и не соединения между ними, а ионы — продукты электролитической диссоциации.

Строение жидких шлаков.

В начале развития теории сталеплавильных процессов шлаки рассматривались как сплавы, состоящие из электрически нейтральных молекул свободных оксидов и соединений между ними. Такое представление о шлаках, называемое молекулярной теорией, например, было использовано в фундаментальных трудах В. Е. Грум-Гржимайло, М.М. Карнаухова и Г. Шенка, опубликованных в 20-х и 30-х годах XX в. Молекулярная теория дает простые и вполне удовлетворительные качественные объяснения большинства процессов, протекающих между металлом и шлаком. Однако попытки использовать ее для количественной характеристики сталеплавильных реакций оказались безуспешными. В результате более глубокой разработки теории строения возникло новое представление, названное ионной теорией строения шлаков. Впервые предположения об ионном строении шлаков были высказаны в 1912—1916 гг. русским исследователем В. А. Ванюковым, несколько позже — в работах Г. Таммана, П. Герасименко. Стройная теория ионного строения шлака разработана в 50-х и 60-х годах XX в. главным образом советскими учеными А. И. Самариным, О. А. Есиным, М. И. Темкиным, Л. А. Шварцманом и В. А. Кожеуровым.

Позиции ионной теории шлаков

Позиции ионной теории шлаков в значительной степени упрочились благодаря разработке и широкому применению рентгеноструктурного метода исследований, методов статистической термодинамики и методов изучения физических свойств расплавленных шлаков. Электрическая проводимость расплавленных шлаков, возможность их электролиза, наличие электрических зарядов в пограничных слоях металла и шлака, высокие значения поверхностного натяжения шлаков и т. д. служат доказательством ионного строения шлаковых расплавов.

Четкое представление о строении шлаков дает теория совершенных ионных растворов, разработанная А. М. Самариным, М. И. Темкиным и Л. А. Шварцманом. Согласно основным положениям ее, шлак состоит из положительно и отрицательно заряженных ионов. Положительно заряженные ноны представлены катионами металлов Са2+, Fe2+, Mn2+, Mg2+, отрицательно заряженные — простыми или сложными анионами О2-, S2-, FeO, AlO и др. Катионы металлов и анионы кислорода образуются при электролитической диссоциации оксидов, обладающих основными свойствами; при образовании сложных анионов расходуется часть ранее содержащихся в расплаве анионов кислорода. Реакции образования различных ионов в шлаке можно представить в виде следующих уравнений: СаО = Са2 + О2; МnО = Мn2 + О2; MgO = Mg2 + О2; Р205 + ЗО2  = 2РОЗ-; Fe203 + О2 = 2FeO; CaS = Са2+ S2.

Совершенный ионный раствор.

Положениями, в определенной степени идеализирующими совершенный ионный раствор, являются следующие: 1) все ионы одного знака равноценны, смешение их происходит без выделения или поглощения тепла; 2) ионы распределены в шлаке без какого-либо упорядочения и любой катион имеет одинаковое окружение из анионов, и наоборот. Теория совершенных ионных растворов позволяет просто и достаточно надежно характеризовать шлаки (например, определять активности компонентов) с высоким содержанием оксидов, обладающих основными свойствами, и низким содержанием (до 10—12%) кремнезема. Однако, когда в шлаке появляются в больших количествах другие анионы, кроме О2, свойства его начинают заметно отличаться от свойств совершенных ионных растворов. Причина этого заключается в энергетической неравноценности ионов одного знака.

 

Теория регулярных ионных растворов

Для определения активностей компонентов (оксидов) шлака используют и другой метод, разработанный В. А. Кожеуровым и называемый теорией регулярных ионных растворов. Им принята несколько другая структурная модель шлака: все элементы (Fe, Mn, Са, Si п др.) представляют собой простейшие катионы, связанные с общим анионом кислорода; различием сил связи аниона с разными катионами вызвано появление неодинаковой энергии смешения. Исходя из этих основных допущений, В. А. Кожеуров предложил уравнения, в которых активности оксидов выражены в виде функции от концентрации и энергии смешения оксидов. При этом значения энергии смешения подбирают, исходя из экспериментальных данных, и таким образом, чтобы полученные расчетом данные об активности оксидов согласовались с соответствующими экспериментальными данными. Такой подход имеет некоторые преимущества перед теорией совершенных ионных растворов, поэтому им пользуются чаще.