Технологические процессы в машиностроении

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Государственное образовательное  бюджетное учреждение

высшего профессионального  образования

Пермский национальный исследовательский

политехнический университет

Аэрокосмический факультет

Кафедра «Технология, конструирование и автоматизация

в специальном машиностроении»

направление 151900 «Конструкторско-технологическое  обеспечение машиностроительных

производств»».

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

На тему: Производство металлических конструкционных материалов

 

по курсу «Технологические процессы в машиностроении»

 

 

 

 

 

 

Составил: студент группы ТКА___________________(Д.Л. Старостин)

                                                                                                                 подпись, инициалы, фамилия

 

Принял: преподаватель ___________________(С.Г. Ярушин)

                                                                подпись, инициалы, фамилия

 

 

 

 

 

 

Пермь 2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Бездоменное получение чугуна	3
Процесс Корекс	3
Процесс Ромелт	6
Производство чугуна в  электропечах	7
Производство стали. Непрерывная разливка стали	11
Вакуумирование стали  в ковше	11
Получение меди. Пирометаллургический метод	20
Рафинирование меди	24
Получение алюминия. Метод дистилляции и электротермический метод	26
Используемые источники	27

 

 

Бездоменное получение  чугуна

 

Среди разнообразных способов бездоменного получения чугуна в  промышленных масштабах до настоящего времени используется только лишь процесс  Корекс (Corex). Находится на пути к промышленной реализации Российский процесс Ромелт, прошедший многолетние промышленные испытания. Проектными организациями России для металлургических предприятий Индии разработаны промышленные модули процесса Ромелт производительностью 100 – 150 (А), 250 – 300 (В) и 450 – 500 тыс. т /год (С), рассчитанные на использование индийских руд с содержанием железа 63 – 65% и смеси бедных индийских (50%) и богатых африканских (50%) углей. В настоящее время Национальной горной компанией Индии ведется строительство завода полного металлургического цикла, на котором чугун будут получать с использованием модулей Ромелт производительностью 0,3 млн. т в год.

 

Процесс Корекс

 

Процесс Корекс разработан фирмами «Фёст-Альпине» (Австрия) и ДФАИ (Германия). Технологическая схема процесса Корекс представлена на рисунке 1.

В основе процесса лежит  газификация угля кислородом в кипящем  слое, осуществляемая в плавильном агрегате-газификаторе. Полученный восстановительный  газ используется для восстановления железорудных материалов до степени  металлизации около 96% в шахтной  печи. ГЖ из шахтной печи поступают  в плавильный агрегат-газификатор, где для его расплавления используется тепло реакций газификации угля. Продуктом плавки является жидкий чугун  с температурой 1450 – 1550^оС.

Экономичность процесса обусловлена  возможностью использования широкого диапазона коксующихся и некоксующихся  углей и получением большого количества избыточного газа, который может  быть использован как энергоноситель или в металлургических целях (например, комбинация процессов Корекс и Мидрекс). Процесс позволяет использовать в качестве железорудных материалов кусковую руду, окатыши или агломерат.

Рисунок 1. Технологическая схема процесса Корекс:

1 – восстановительная  шахтная печь; 2 – плавильный агрегат-газификатор; 3 – бункер для угля; 4 – шнеки; 5 – циклон; 6 – холодильник с  впрыскиванием воды; 7 – нагнетатель  охлаждающего газа; 8 – нагнетатель  рабочего газа; 9 – скруббер колошникового  газа; 10 – сгуститель

 

В качестве топлива может  использоваться неподготовленный уголь  крупностью 0 – 50 мм. Уголь загружается  в бункер при помощи двухконусного  устройства, а оттуда вращающимися шнеками подается в плавильный агрегат-газификатор.

В качестве шлакообразующих  добавок используют известняк, доломит  или кварцевый песок, которые могут подаваться вместе с углем в плавильный агрегат-газификатор или в шахтную печь.

Рабочее давление в плавильном агрегате-газификаторе поддерживается на уровне 0,5 МПа.

В нижней части плавильного  агрегата-газификатора протекают процессы газификации угля в кипящем слое. Для создания стабильного кипящего слоя угля в нижней части газификатора радиально установлены фурмы, которые  обеспечивают равномерное распределение  по сечению агрегата вдуваемого через  них кислорода. В этой части газификатора образовавшийся в вышележащей зоне кокс (полукокс) газифицируется в результате протекания экзотермических реакций  неполного его сгорания при температурах более 2500^оС. В зависимости от состава и качества угля кислород расходуется в количестве 500 – 600 м³/т чугуна. При этом расход электроэнергии на производство кислорода может быть компенсирован за счет одной трети энергии избыточного восстановительного газа.

Горячий газ, который состоит  в основном из моноокиси углерода, поднимается из кипящего слоя в вышележащую часть газификатора, вступая в контакт с углем, который подается сверху. При этом происходит обезвоживание и дегазация угля с образованием кокса (полукокса). Летучие компоненты угля обогащают газ водородом. Одновременно увеличивается восстановительный потенциал газа в результате частичной газификации угля по реакциям

C + CO₂ = 2CO

C + H₂O = CO + H₂

Верхняя часть плавильного  агрегата-газификатора выполняет роль камеры осаждения, в которой оседают мелкие частицы кокса, выносимые из кипящего слоя.

Из 1 т угля в зависимости  от его состава образуется 1800 – 2000 м³восстановительного газа. Температура газа на выходе из плавильного агрегата-газификатора в зависимости от качества и влажности исходного угля составляет 900 – 1300оС. Восстановительный газ, содержащий 90 – 95% СО и Н₂ и 1 – 5% СО₂и N₂ отводится из агрегата через две трубы и охлаждается в смесителе до температуры 850^оС путем разбавления его частью охлажденного восстановительного газа. После этого газ очищается в горячем циклоне от коксовой пыли и подается в шахтную печь для восстановления железорудных материалов. Уловленная в циклоне пыль возвращается в плавильный агрегат-газификатор.

Восстановительная печь представляет собой футерованную цилиндрическую шахту с гладким профилем. Загрузка железорудной шихты ведется сверху при помощи двухконусного засыпного  аппарата. Могут также быть использованы предназначенные для доменных печей  загрузочные устройства других типов, которые обеспечивают работу в условиях повышенного давления в рабочем  пространстве. В нижней части шахты  находится зона вдувания восстановительного газа, несколько ниже ее радиально  расположены шесть разгрузочных шнеков. Путем регулирования скорости разгрузки обеспечивается оптимальный  режим дозирования ГЖ в плавильный агрегат. Длительность пребывания шихтовых материалов в печи составляет 7 – 9 часов.

ГЖ, которое выгружается из шахтной печи, через загрузочные трубы подается в осаждающую камеру плавильного агрегата-газификатора. Нагрев губчатого железа в этой зоне из-за высокой скорости его падения незначителен. При вхождении в кипящий слой кокса скорость движения ГЖ быстро уменьшается, что приводит к дальнейшему поглощению им тепла и повышению температуры. Расплавление ГЖ происходит в нижней части кипящего слоя, вблизи кислородных фурм.

Жидкие чугун и шлак стекают вниз, накапливаются на подине и выпускаются через летку, как  в доменной печи. Полученный чугун содержит около 4% С, 0,4 – 2,5% Si (его содержание можно регулировать), 0,02 – 0,1% S. Содержание фосфора в чугуне зависит от химического состава угля и руды.

Опыт использования процесса Корекс показывает, что с его помощью  можно получать высококачественный чугун с использованием неподготовленного некоксующегося угля без загрязнения окружающей среды.

 

Процесс Ромелт

 

Разработанный в Московском государственном институте стали  и сплавов под руководством профессора В.А. Роменца одностадийный процесс жидкофазного восстановления неподготовленных железорудных материалов с использованием в качестве восстановителя энергетических углей осуществляется в плавильно-восстановительной печи прямоугольного сечения (рисунок 2), работающем с небольшим разряжением в рабочем пространстве, исключающем выбросы газов в атмосферу.

 

 

Рисунок 2. Схема плавильного агрегата процесса Ромелт:

а – продольный разрез; б  – поперечный разрез; 1 – барботируемый  слой шлака; 2 – металлический сифон; 3 – шлаковый сифон (отстойник); 4 –  горн с подиной; 5 – переток; 6 – загрузочная воронка; 7 - дымоотводящий патрубок; 8 – фурмы нижнего ряда (барботажные); 9 – фурмы верхнего ряда (для дожигания); 10 – слой спокойного шлака; 11 – слой металла; 12 – водоохлаждаемые кессоны

 

Исходным железорудным сырьем в процессе Ромелт является железная руда, в том числе пылеобразная, с широким диапазоном содержания железа. В качестве восстановителя и энергоносителя применяется энергетический уголь в виде пыли.

Железорудная шихта и  уголь подаются в агрегат из расходных  бункеров с помощью системы весовых  дозаторов и конвейеров без специального смешивания. Загрузка осуществляется через специальное отверстие  в своде на шлаковую ванну.

В ванне при температуре 1500 – 1600^оС происходит быстрое плавление железосодержащего сырья и замешивание угля в барботируемый слой шлака, который образуется при подаче дутья через фурмы нижнего ряда.

Дутье обеспечивает необходимое  барботирование ванны и генерирование тепла в результате неполного сжигания углерода до СО. Образовавшийся восстановительный газ, который содержит СО и Н₂, используется для восстановления оксидов железа шлака, а остаток его дожигается над ванной до СО₂ и Н₂О в кислороде, который вдувается в рабочее пространство печи с помощью второго ряда фурм. При этом обеспечивается дополнительный приход тепла в расплавленную ванну.

Капли восстановленного в  шлаковой ванне железа науглероживаются, укрупняются и опускаются на подину агрегата через зону спокойного шлака, образуя металлическую ванну  с температурой 1375 – 1450^оС. Полученный металл содержит, % мас.: 4,0 – 4,8 С, 0,05 – 0,15 Mn, 0,01 – 0,1 Si, 0,05 – 0,12 P, 0,025 – 0,060 S.

Металл и шлак удаляются  из печи через раздельные сифонные устройства с отстойниками безнапорным  способом, что обеспечивает поддержание  в печи необходимого постоянного  уровня металла и шлака. Металлические  и шлаковые сифонные устройства и  рабочее пространство печи являются системой сообщающихся сосудов.

Газы в зависимости  от степени их дожигания удаляются  из рабочего пространства печи с температурой 1500 – 1800^оС через дымоотводящий патрубок, проходят котел-утилизатор, мокрую и сухую очистку.

В условиях Индии процесс Ромелт обеспечивает меньшие затраты энергии на производство чугуна в сравнении с процессом Корекс, приближаясь к затратам энергии на выплавку чугуна в минидоменных печах.

 

Производство  чугуна в электропечах

 

В настоящее время в  электропечах выплавляется 1 – 2% чугуна. Главным недостатком этих процессов  является высокий расход электроэнергии, который при использовании неподготовленной шихты составляет более 2000 кВт•час/т жидкого чугуна.

Поэтому выплавка чугуна в  электропечах обычно ведется с использованием предварительного нагрева шихтовых материалов и частично восстановленной  металлической шихты. При использовании  богатых руд и окатышей расход электроэнергии на плавку нагретой и  восстановленной на 50% шихты снижается  до 700 – 1300 кВт•час/т. При переработке бедных кремнеземистых руд он составляет 1500 – 1800 кВт•час/т чугуна.

Примером предприятия, использующего  технологию выплавки чугуна в руднотермических электропечах, является Побужский ферроникелевый комбинат (Кировоградская область, Украина). Технологическая схема этого предприятия показана на рисунке 3.

 

Рисунок 3. Технологическая схема Побужского ферроникелевого комбината:

1 – трубчатая вращающаяся  печь; 2 – вагон-кюбель; 3 – руднотермическая электропечь; 4 – чугуновозный ковш; 5 – шлаковая чаша; 6 – кислородный конвертер с кислой футеровкой; 7 – кислородный конвертер с основной футеровкой; 8 – разливочная машина.

 

В состав завода входят: рудник с добычей руды открытым способом, склад руды, цех подготовки руды и обжига, плавильный цех, кислородная  станция, ремонтно-механический и железнодорожный  цех.

После доставки с рудника  руду взвешивают на автомобильных весах  и разгружают на складе завода. Кранами  перегружателями из этой руды формируют  три штабеля массой 40 – 50 тыс. т  каждый. При этом один штабель отрабатывают, один формируют и один находится  в запасе. На заводской склад поступает  также используемый в качестве восстановителя антрацитовый штыб, известняк и железная руда.