Продукция цветной металлургии

· слитки цветных металлов;

· лигатуры (сплавы цветных металлов с легирующими компонентами);

· слитки чистых и особо чистых металлов, для электронной и радиотехнической промышленности.

Исходные материалы для производства металлов и сплавов

Для производства металла используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.

Промышленной рудой является горная порода, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металл или его соединения (железа, если его в руде содержится 30 – 60 %; меди, если ее содержание в руде составляет 3 – 5 %, молибдена – 0,005 – 0,02%). Сама руда состоит из минералов и пустой породы.

Минерал – это сам металл или его соединения.

Пустая порода – различные примеси.

Сами руды бывают богатыми и бедными. Бедные руды подвергают обогащению, после чего из них получают концентрат. Использование концентрата улучшает технико-экономический показатель металлургических печей.

Флюсы – материалы, загружаемые в плавильные печи для образования легкоплавких соединений с пустой породой руды или концентрата. Такое соединение называют шлаком, то есть

Флюс -> печь с высокой температурой обработки -> шлак.

Шлак имеет меньшую плотность по сравнению с основным металлом, он всплывает в процессе плавки и защищает металл от печных газов и воздуха.

Шлак бывает двух видов: кислый и основной.

В кислом шлаке преобладают такие элементы как кремний, кислород, оксид фосфора.

В основном шлаке – оксид кальция, оксид магния, оксид железа и др.

Топливо используется для доменного процесса (кокс, природный газ, мазут, колошниковый газ).

Огнеупорные материалы используют для изготовления внутренней облицовки слоя печи и ковшей для расплавленного металла.

Физико-химическая сущность процесса получения стали

Стальной лом (скраб) и передельный чугун – основные материалы для получения стали. Эти перечисленные материалы называются шихтой.

Сущностью любого металлургического процесса является переделка чугуна в сталь и снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак или в газы в процессе плавки.

Состав передельного чугуна низкоуглеродистой стали

Таблица 1

Примеси отличаются по своим физико-химическим свойствам, следовательно для удаления каждой из них в плавильном агрегате создают определенные условия, используя основные законы физической химии.

1 закон. В соответствии с законом “Действующих масс” скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Так как в чугуне содержится наибольшее количество железа (Fe), то оно окисляется в первую очередь, при взаимодействии с кислородом (О₂).

Fe + ½ O₂ = FeO + 264 кДж(выделение тепла – экзотермическая реакция) (1)

Одновременно с железом будут окисляться Si, P, Mn и другие примеси. Образующийся FeO при повышении температуры растворяется в Fe и отдаёт свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их.

2FeO + SiO = SiO₂ + 2Fe + 330.5 кДж (2)

5FeO + 2P = P₂O₅ + 5Fe + 226кДж (3)

FeO + Mn = MnO + Fe + 123кДж (4)

FeO + C = CO + Fe – 154 кДж (поглощение тепла – эндотермическая реакция) (5)

Чем больше содержания FeO в жидком металле, тем активнее будут окисляться примеси, следовательно для ускорения окисления примесей в расплав добавляют железную руду или окалины.

2 закон. Скорость окисления примеси зависит не только от концентрации, но и от температуры, и подчиняется закону Ле Шателье – химические реакции выделяющие теплоту интенсивно протекают при низких температурах, а реакции с поглощением тепла протекают активно при более высоких температурах.

3 закон. После расплшавления шихты образуются две несмешивающиеся жидкости (среды) – это жидкий шлак и металл, которые разделены. В соответствии с законом распределения Нернста “Если какое-либо вещество растворяется в двух соприкасающихся но не смешивающихся жидкостях, то распределение вещества между ними происходит до установления определенного соотношения при данной температуре (характеризуется константой распределения)”.

Следовательно, большинство компонентов и их соединения будут распределяться между шлаком и металлом. Нерастворимые соединения в зависимости от плотности будут либо в шлаке, либо в металле.

Изменяя состав шлака можно менять соотношение между количеством примесей в металле и шлаке так, что нежелательные примеси будут удаляться из металла в шлак. Удаляя шлак с поверхности металла и наводя новый при подаче флюса требуемого состава, можно удалять вредные примеси такие как фосфор (P), сера (S). Следовательно регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из путей управления металлургическим процессом.

Весь процесс плавки происходит в три этапа:

1 этап. Расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. Так как на этом этапе температура невелика, то интенсивно происходит окисление железа с образованием оксида и окислов примесей (по реакциям 2 и 4 указанных выше). Выделяющийся фосфорный ангидрид P₂O₅ (реакция 3) образует с оксидом железа FeO нестойкое соединение (FeO)₃P₂O₅. Так как у CaO сильнее основные свойства, чем у FeO, то он связывает фосфорный ангидрид, переводя его в шлак.

2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (4CaOP₂O₅) + 5[Fe], (6)

здесь [] – в металле;

() – в шлаке.

Для удаления фосфора из металла необходимо достаточное содержание FeO , для этого в период плавки добавляют железную окалину или руду, наводя железистый шлак.

По мере удаления фосфора из металла его содержание в шлаке увеличивается, следовательно согласно закону распределения удаление фосфора из металла будет замедляться. Для ускорения процесса удаления фосфора старый шлак сливают и наводят новый со свежими добавками CaO.

2 этап. “Кипение” ванны жидкого металла. Процесс начинается по мере прогрева при более высокой температуре, чем на первом этапе. При повышенной температуре в соответствии с принципом Ле Шателье начинает более интенсивно протекать реакция окисления углерода (реакция 5) так как в металле содержится углерода С₂ больше чем всех других примесей, то в соответствии с законом действующих масс для его окисления в металл вводят значительное количество руды, окалины или вдувают кислород (протекает реакция 1). При этотм образующийся оксид железа реагирует (согласно реакции 5) с С₂, а пузырьки углекислого газа СО₂ выделяются из жидкого металла, вызывая его “кипение”. При “кипении” уменьшается содержание углерода до требуемого количества, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам углекислого газа. Всё это способствует качеству металла, следовательно, процесс “кипения” металла является основным в плавке сталей. В этот же период создаются условия для удаления серы из металла, которая находится в нем в виде сульфида, а также в шлаке ((FeS) и [FeS] ). Чем выше температура, тем дольше количество FeS растворяется в шлаке, происходит процесс перехода серы из металла в шлак, при этом сульфид железа растворяется в шлаке, взаимодействуя с СаО.

(FeS) + (CaO) = (CaS) + [FeO] (7)

Как видно из реакции (7) , чем больше (СаО) и меньше (FeS), тем полнее удаляется сера в шлак.

Вывод:

при плавке в основных печах можно снизить содержание угленрода и серы в стали, при этом выплавлять металл из шихты любого химического состава;

в печах с кислой футеровкой нет условий для уменьшения количества фосфора и серы в стали, так как нельзя использовать основной шлак с повышенным содержанием СаО из-за разрушения футеровки печи, следовательно, в “кислых” печах выплавляют метел с низким содержанием серы и фосфора.

3 этап. Раскисление стали. Это процесс восстановления оксида железа в жидком металле.

(FeS) + (CaO) = [FeO] +CaS (8)

При плавке высокое содержание кислорода необходимо для окисления примесей, но в готовой стали – это очень вредная примесь, сильно снижающая механические свойства металла при высокой температуре. Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным.

Осаждающее раскисление – введение в жидкую сталь растворимых раскислителей (FeMn, FeSi, Al), которые в данных условиях обладают большим родством к кислороду, чем железо. Происходит восстановление железа и образуются оксид магния, оксид кремния и алюминия, имеющие малую плотность и удаляющиеся в шлак. При нарушении режима раскисления некоторые примеси могут остаться в металле, что снизит его механические свойства.

Диффузионное раскисление – раскисление шлака. Мелко размельченный раскислитель загружают на поверхность шлака, который восстанавливает оксид железа, уменьшая его содержание в шлаке. Согласно закону распределения растворенный оксид железа в стали, начинает переходить в шлак. При этом способе все образующиеся оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, что уменьшает содержание в ней неметаллических включений и повышает качество. При плавке в кислой печи процесс протекает при кислом шлаке (55-58% SiO₂), что создает благоприятные условия для полного раскисления стали. Кремнеземные сильные свойства связывающие оксид железа с оксидом кремния при долгой выдержке под кислым шлаком приводят к резкому уменьшению процентного содержания оксида железа в стали.

По степени раскисления различают следующие виды сталей: спокойные, кипящие, полуспокойные. Спокойные стали – при полном раскислении в печи и ковше, кипящие стали – здесь раскисление в печи происходит не полностью, её раскисление продолжается в изложнице, при затвердевании слитка.

FeO + C = Fe +CO (9)

CО способствует удалению водорода и азота в виде пузырьков, вызывая “кипение”. “Кипящая” сталь почти не содержит неметаллических включений (продуктов раскисления). Такая сталь обладает высокой пластичностью.

Разливка высококачественной стали.

Выплавленную сталь разливают в изложницы, где происходит ее кристаллизация, то есть образуется слиток. Слиток по своему кристаллическому строению не однороден. Обычно слиток спокойной стали имеет следующие зоны:

1. поверхностный слой мелких кристаллов;

2. зона столбчатых кристаллов;

3. внутренняя зона крупных различно ориентированных кристаллов;

4. конус осаждения из более мелких неориентированных кристаллов;

5. мост плотного металла верхней части слитка из хорошо сформировавшихся неориентированных кристаллов;

6. усадочная раковина.

В слитке могут появляться продольные и поперечные трещины. Все пустоты, включая усадочную раковину – это следствие неравномерности теплообмена в изложнице во время кристаллизации.

Для устранения дефекта необходимо:

1. чтобы футеровка изложницы была без дефектов;

2. поверхность изложницы должна быть достаточно чистой;

3. изложница должна быть хорошо теплоизолирована.

При кристаллизации слитка создаются не равные условия теплообмена в верхней и нижней части слитка, т.к. через верхнюю поверхность (свободную) металла осуществляется несоизмеримо меньший отвод тепла, чем стенками и дном изложницы. То сокращение объёма слитка сопровождается нижним уровням жидкого металла и образуется в итоге усадочная раковина, глубоко распространяющаяся в тело слитка. Усадочная раковина выводится с помощью прибыльной надставки – это сужающаяся часть в верхней части изложницы.

Чтобы сохранить металл в прибыльной части слитка, в течение всего времени затвердевания, применяют специальные способы обогрева прибыли сверху. Это делается с помощью люнкеритных смесей, которые содержат 20% Al, 10%FeSiO₂, 20% древесного угля, 20% кокса + шамотный порошок и боксит. Или используются экзотермические смеси, которые засыпаются в прибыльную часть надставки на поверхность металла.

Использование смесей уменьшает скорость снижения температуры металла в прибыльной части слитка (в 4 раза по сравнению с открытым зеркалом металла). Жидкую сталь разливают в изложницы на установках непрерывной разливки. Сама разливка металла в изложницы осуществляется двумя способами: разливка осуществляется сверху или производится сифоном.

При разливке сверху, металл поступает в изложницу (2) непосредственно из сталеразливочного ковша (1) или через промежуточное устройство в виде воронки (3). При сифонной разливке жидкая сталь из ковша попадает в центровую (2), затем по сифонной проводке (3) поступает в изложницу (4) через поддонник (количество изложниц 2 - 6).

Разливка сверху часто встречается в цехах с большой производительностью при выплавке больших слитков. Разливка сифоном даёт возможность разлить единовременно сталь на несколько малых слитков, удобно наблюдать за поверхностью поднимающегося металла, а также улучшается поверхность металла в слитках. К недостаткам можно отнести увеличение расхода огнеупора, трудозатраты по зачистке сифонов.

ВНЕПЕЧНОЕ РАФИНИРОВАНИЕ СТАЛИ (ВРС)

Особенности внепечного рафинирования:

При увеличение удельной мощности дуговых печей и мощности трансформатора. Нерациональное проведения процессов рафинирования (очистка от примесей) в сталеплавильных печах, особенно с восстановительным периодом. Рафинирование стали в крупных сталеплавильных печах в следствие малой удельной поверхности ванны, низкой скорости процесса взаимодействия металла и шлака, а также сложности смены шлака весьма затруднительно, при этом очень низкое использование мощности. Все это приводит к снижению производительности, а также к увеличению расходов раскислителей и легирующих элементов. Сказывается на качестве стали, приводит к снижению. Все эти показатели значительно повышаются при внепечном рафинирование стали.

При внепечном рафинирование, используется вакуум, кислород, инертный газ, синтетический шлак и др.

Достоинства внепечного рафинирования:

1. Увеличение скорости взаимодействия металла со шлаком, из-за увеличения контактной поверхности в результате перемешивания.

2. Повышение интенсивной массы переноса, из-за увеличения градиента концентрации с уменьшением объема.

3. 3.Улучшение термодинамических условий удаления примесей, из-за изменения состава газовой атмосферы или создания вакуума.

4. Глубокое обезуглероживание стали.

5. Глубокое рафинирование стали от серы, в результате добавки синтетического шлака.

6. Возможность глубокой очистки от водорода.

Внепечное рафинирование осуществляется различными методами и их использование превращает сталеплавильную дуговую печь в агрегат для расплавления жидкостей и получения полупродукта.

Основные способы: