Технологические основы производства чугуна

 

 

                                                  ПЛАН

 

1. Технологические основы  производства чугуна.

2. Производство чугуна  в доменной печи.

3. Специальные способы  литья.

Заключение.

Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                 1. Технологические основы производства чугуна

 

Чугун - сплав железа с углеродом(2-6)%, содержащий вредные примеси серы, фосфора, кремния.

Различают чугуны белые (передельные) - сырье для передела в сталь, серые (литейные) и специальные (ферромарганец - Mn - до 70%, ферросилициум - Sn - до 12%) - используются для раскисления стали. Чугун получают в результате доменного процесса. Исходным сырьем служат железная руда (магнитный железняк, красный железняк, бурый железняк), кокс, флюсы. Подготовленные специальным образом к доменному процессу, эти компоненты называются шихтой. Подготовка сырья к доменному процессу обусловлена во многом экономической, а не технологической необходимостью.

Исходным сырьем для получения чугуна являются железные руды, металлический лом и флюсы.

Железная руда - порода, содержащая различные количества железа в виде химических соединений с кислородом, серой и другими веществами.

Чаще всего чугун получают из магнитного железняка Fe304, содержащего до 72% железа, и красного железняка 2Fe203-3H20, содержащего до 70% железа в виде Fе2О3.

Кроме того, чугун получают также из руд, содержащих, помимо железа, легирующие примеси - хром, никель, титан, марганец и др.

К руде в процессе плавки для понижения температуры плавления пустой породы с целью отделения ее от металла прибавляют флюсы или плавни.

Флюсы бывают основными и кислыми. В качестве флюсующих материалов, образующих сплав с кремнеземом и глиноземом, служат породы, содержащие СаС03 и MgC03, Если пустой породой в руде является известняк, флюсом служат кремнеземистые породы (кислый флюс). Введенные в шихту доменной печи флюсы, образуя с пустой породой руды сплав, отделяются от металла в виде шлаков. В среднем выход шлаков составляет 60-80% от выплавленного чугуна.

При производстве чугуна топливом служат в основном кокс, термоантрацит, природный газ. Чугун представляет собой сплав железа с углеродом (более 2%). В чугун входят полезные (Si, Мл) и вредные (Р, S) примеси. Выплавляют чугун в доменных печах, представляющих собой вертикальную металлическую шахту, футерованную внутри огнеупорным кирпичом с высоким содержанием глинозема.

Доменная печь состоит из колошника, шахты, распара, горна с подом. Внизу горна имеется летка для выпуска чугуна, над ней - отверстие для выпуска шлаков. Топливо горит у фурм, подающих воздух, нагретый в воздухонагревателях. В начале горения выделяется С02, который затем переходит в СО, расходуемый частично на восстановление железа. Выйдя из домны, СО проходит газоочиститель и используется в качестве горючего газа для нужд завода и для подогрева воздуха, поступающего в фурмы через специальные воздухонагреватели (кауперы).

Загружают домну шихтой (рудой, флюсом, топливом) чередующимися слоями - колошами. В настоящее время шихта доменных печей на три четверти состоит из агломерата, а на некоторых заводах в домны загружают офлюсованный агломерат. Применение офлюсованного агломерата вместо обычного - важное средство увеличения производительности домен и снижения удельного расхода кокса. В процессе работы шихта внутри печи опускается вниз, а домну сверху наполняют новыми порциями шихты. Горячие газы из горна движутся по шахте вверх, нагревают сырье и удаляют из него влагу. Руда, опускаясь вниз, восстанавливается окисью углерода и твердым углеродом до закиси железа FeO, а в дальнейшем - в железо. Железо, насыщаясь углеродом, переходит в карбид железа, который, растворяясь в железе, понижает температуру сплава.

Одновременно с восстановлением железа восстанавливаются кремний, фосфор, марганец и другие примеси, которые частично входят в состав чугуна. Шлак, благодаря тому, что он легче чугуна (плотность чугуна (7,8)103 кг/м3, шлаков от 2,3 o 103 до 3 o 103 кг/м3), образует слой над чугуном, предохраняющий его от окисления и охлаждения, так как он нагрет до более высокой температуры, чем металл.

Жидкий чугун выпускают в ковши, откуда его выливают в формы или миксеры (сборники-смесители, где сплав сохраняется некоторое время в жидком состоянии).

Полученные в печах чугуны разделяют на литейные и передельные. Литейные чугуны применяют для производства чугунных отливок, передельные - для производства стали.

Помимо обычных чугунов, в доменных печах выплавляют также ферросплавы. К доменным ферросплавам относят: ферросилиций, ферромарганец и др.

Для отливки изделий чугун плавят в вагранках, пламенных и электрических печах. Вагранка представляет собой печь шахтного типа, футерованную огнеупорным кирпичом. Она состоит из колошника для загрузки шихты, шахты, формы для дутья, горна, копильника (в некоторых типах печей). В вагранку подают чушковый чугун, а также частично чугунный и стальной лом. Топливом служит кокс, который слоями загружают в вагранку. Чтобы часть серы не перешла в чугун, в шихту добавляют известняк, связывающий серу в CaS.

Расплавленный при температуре 1380-1420° С жидкий чугун выпускают через летку в футерованные огнеупором литейные ковши для разливки чугуна по формам, изготовляемым из формовочного песка со связками.

В последние годы применяют прогрессивные способы литья чугуна: под давлением, центробежным способом в оболочковые формы. Залитый в форму чугун находится в ней до момента полного перехода в твердое состояние, вначале расширяясь, а впоследствии давая усадку около 1 %.

Отливку под давлением производят на специальных установках, состоящих из котла с расплавленным металлом, разъемных форм, механизма давления и раскрытия форм.

Центробежный способ литья основан на принципе действия центробежных сил на металл, залитый во вращающуюся форму. Таким способом можно отливать различные изделия -трубы, кольца, втулки, сплошные и биметаллические.

Отечественными учеными и практиками разработан способ бесслитковой прокатки тонкого чугунного листа. Чугун, расплавленный в вагранках, прокатывают в ленту между валками с последующим отжигом в течение 2-3 ч при температуре 980-1050° С. При этих условиях чугунный лист приобретает некоторую пластичность, позволяющую пробивать в нем отверстия, разрезать ножницами, загибать и др.

 

                          2. Производство чугуна в доменной печи

 

Выплавка чугуна производится в огромных доменных печах, выложенных из огнеупорных кирпичей достигающих 30 м высоты при внутреннем диаметре около 12 м.

Доменную печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом и коксом.

Агломерат – это определенным образом подготовленная руда, спеченная с флюсом. Горение и необходимая для выплавки чугуна температура поддерживаются вдуванием в горн подогретого воздуха или кислорода. Последний поступает в кольцевую трубу, расположенную вокруг нижней части печи, а из нее по изогнутым трубкам через фурмы в горн. В горне кокс сгорает, образуя СО2, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои наколенного кокса, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся оксид углерода и восстонавливает большую часть руды, переходя снова в СО2.

Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части шахты.

Пустую породу в руде образуют, главным образом диоксид кремния SiO2. 
Это – тугоплавкое вещество. Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляются флюс. Обычно в качестве флюса используют CaCo3. При взаимодействии его с SiO2 образуется CaSiO2, легко отделяющийся в виде шлака.

При восстановлении руды железо получается в твердом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи – распар - и растворяет в себе углерод; образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки выпускают по мере накопления через особые отверстия, забитые в остальное время глиной.

Выходящие из отверстия печи газы содержат до 25% СО. Их сжигают в особых аппаратах-кауперах, предназначенных для предварительного нагревания вдуваемого в печь воздуха. Доменная печь работает непрерывно. По мере того как верхние слои руды и кокса опускаются, в печь добавляют новые их порции. Смесь руды и кокса доставляется подъемниками на верхнюю площадку печи и загружается в чугунную воронку, закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает в печь. Работа печи продолжается в течение нескольких лет, пока печь не потребует капитального ремонта.

Процесс выплавки может быть ускорен путем применения в доменных печах кислорода. При вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха предварительный подогрев его становится излишним, а значит, отпадает необходимость в громоздких и сложных кауперах и весь процесс упрощается. Вместе с тем производительность печи повышается и уменьшается расход топлива. Такая доменная печь дает в 1,5 раза больше железа и требует кокса на ¼ меньше чем обычная.

Технологические мероприятия подготовки шихты. Железную руду после добычи измельчают и подвергают богащению, т.е. отделяют пустую породу от основной. Различают следующие способы обогащения:

- магнитный, основанный  на ферромагнитных свойствах основной породы магнитного железняка.

- флотационный, основанный на различной смачиваемости основной и пустой породы водой, в которую добавлено поверхностно-активное вещество(например пенообразователи).

- гравитационный, основанный  на различной скорости осаждения основной породы и пустой в воде из-за различия в плотностях.

После обогащения руду подвергают агломерации, т.е. обжигу в присутствии коксовой пыли (коксик). В ходе агломерации из руды удаляется большая часть вредных примесей (в виде газообразных и летучих оксидов) и частичное восстановление железа. Спекшийся агломерат дробят на куски около 60 - 80 мм в поперечнике. В случае проведения агломерации в присутствии флюсов получается офлюсованный агломерат. Технологически, для проведения доменного процесса удобен агломерат в виде окатышей.

 

                                3. Специальные способы литья

 

Из специальных способов литья в настоящее время распространены литье в металлические формы, центробежное литье, литье под давлением, точное литье по выплавляемым моделям, литье методом вакуумного всасывания и литье в оболочковые формы.

Усовершенствование и внедрение специальных видов литья дает возможность получить отливки настолько близкие к окончательному виду изделия, что механическую обработку можно ограничить лишь чистовой и шлифованием.

Литее в металлические формы (кокильное литье).

При литее в металлические формы получаются отливки с хорошими механическими качествами благодаря мелкозернистому строению металла вследствие быстрого остывания. Отливки имеют довольно точные очертания, почти не требующие обработки, а если в них и предусматривается припуск на обработку, то в несколько раз меньше, чем при отливке в песок. При литье в металлические формы отпадают земельное хозяйство, опоки, сушильные печи, а условия работы становятся более гигиеничными (нет пыли от формовочной земли). Из-за массивности металлической формы вес отливаемых деталей ограничен.

В настоящее время с успехом применяют автоматические литейные машины, в которых закрывание и открывание металлической формы механизировано. Удаление газов из газонепроницаемых форм производиться через выпоры, через трехгранные щели и вентиляционные нитяные каналы в плоскости разъема формы, достаточные по сечению для выхода газов, но недостаточные для утечки металла.

Материал для изготовления металлической формы берется в зависимости от заливаемого в него сплава; обычно применяют серый чугун, реже - малоуглеродистую сталь. Температура формы перед заливкой должна быть не ниже 200oC для стали; для чугуна - 200-300oC; для алюминиевых сплавов - 250-350oC; для медных сплавов - 150-200oC (при массивных отливках - 120-150oC).

Формы для продления срока их службы смазывают одним из следующих огнеупорных материалов: SiO2 (кварцевый мукой или маршалитом), MgO (магнезитом), Al2O3 (глиноземом, огнеупорной глиной или бетонитом). FeO · Cr2O3 (хромистым железняком). Связующим веществом при этом обычно служит жидкое стекло.

Перед заливкой медных сплавов металлическую форму не обмазывают, а окрашивают специальной краской из варенного масла с графитом (4%) или просто смазочным маслом с парафином (по 50%) и др. Для алюминиевых сплавов формы смазывают составом из 30 г окиси цинка и 30 г жидкого стекла на 1 л воды или 200 г мела и 30 г жидкого стекла на 1 л воды.

Центробежное литье.

При центробежном литье во вращающуюся форму заливают расплавленный металл, который под действием центробежных сил прижимает ее к стенкам и, застывая, принимает желаемую форму. Отливки получаются плотными, так как посторонние включения, равно как и газы, будучи легче металла, оттесняются центробежной силой к внутренней поверхности формы, а основное тело отливки приобретает плотное здоровое строение.

При центробежном литье формы делают из чугуна и хромоникелевой стали. С внутренней стороны поверхности смазываю тих слоем огнеупорного материала.