Технологические процессы в машиностроении

Технологические процессы в машиностроении

Министерство общего и профессионального образования  Российской Федерации.

Брянский государственный технический университет

Предмет: Технологические процессы

машиностроительного производства.

Контрольная работа №1.

Вариант 1.

Студент группы З-04 ТМ1                 Малашенко Д.В.

Преподаватель                                         Давыдов С.В.

Брянск 2005 г.

1.ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

1.1Исходные материалы

Железо в чистом виде находят в земной коре редко из-за боль­шой склонности к окислению. Насчитывается около 200 различных минералов, содержащих железо. Ведущие геологи считают, что в зем­ной коре содержится примерно 5 % железа в виде окислов, карбо­натов, сульфидов и других соединений. Наиболее крупные и бога­тые окисленными соединениями железа местные скопления минера­лов называют месторождениями железных руд. Рудами называют горные породы, которые технически возможно и экономически целе­сообразно перерабатывать для извлечения содержащихся  в них металлов.                                                                                                                                                                                                                        К железным рудам относят красный, бурый, магнитный и шпа­товый железняки. Эти руды содержат много рудного вещества или соединений железа, из которого его извлекают, и относительно мало пустой породы, легко отделяющейся при переработке. Пустой поро­дой руды называют такие минералы, которые не вносят серьезных технологических осложнений в металлургическую переработку и легко отделяются от рудных минералов в процессе обогащения (см. ниже) или переходят в шлаки при плавке. В рудах обычно выделяют вредные примеси, которые осложняют металлургические процессы и, загрязняя основной металл, снижают его свойства. В железных рудах к вредным примесям относят серу, мышьяк и фосфор. Основные рудообразующие минералы железа—гематит, лимонит, магнетит.

Красный железняк (гематит) содержит железо главным обра­зом в виде Fе2О3 — безводной окиси железа. Содержание железа в крас­ных железняках составляет 45—65 % при малом содержании вред­ных примесей.

Бурый железняк (лимонит) содержит железо в форме водных окислов типа nFе2О3*mН2О с переменным количеством гидратной влаги. Обычно бурый железняк содержит 25—50 % Fе, но гидратная влага, легко удаляемая при плавке, делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению.

Магнитный железняк (магнетит) содержит железо главным обра­зом в виде Fе3О4 (закись-окись железа), обладающей хорошо выра­женными магнитными свойствами. Магнетиты—наиболее богатые железные руды _ содержит 40—70 % железа, но восстанавливаются труднее других руд, так как являются плотными горными породами.

Для производства чугуна, кроме железных руд, требуются и дру­гие материалы. К ним в первую очередь следует отнести флюсы и кокс.

Флюсы вводят в доменную печь для того, чтобы и не допустить «зарастания» рабочего пространства печи и обеспечить плавку пу­стой породы руды и золы топлива при необходимой температуре: не слишком высокой, чтобы не тратить много топлива, и не слишком низкой, при которой окислы железа еще не успевают восстановиться. Количество и характер добавляемых флюсов зависят от количества и химического состава пустой породы и определяются расчетным путем. Так как пустая порода железных руд обычно содержит крем­незем, в качестве флюса в доменных печах часто применяют извест­няк СаСО3, содержащий минимальное количество вредных примесей. Каменноугольный кокс в современном доменном производстве играет двоякую роль. Во-первых, служит топливом и обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры, и, во-вторых, обеспечивает восстановление окислов железа (см. ниже). Каменноугольный кокс содержит 82—88 % твердого углерода, 5—10 % золы, однако всегда содержит и серу (0,5—2 %).

1.2Обогащение руд

Обогащением называют предварительную обработку руды, не из­меняющую химического состава основных минералов и их агрегат­ного состояния. Обогащением из руды отделяют часть пустой породы, в результате в оставшейся части, называемой концентратом, содержа­ние рудной массы увеличивается: Отделенную от руды пустую поро­ду, называют хвостами; если она не представляет никакой ценности, при обогащении ее отбрасывают. Обога­щением иногда удается выделить. Из руды несколько концентратов с пре­обладанием в каждом разных метал­лов. Однако не все минералы под­даются обогащению в равной степе­ни, а некоторые пока еще не удается обогащать. В технике в зависимости от характера рудных минералов при­меняют много различных способов обогащения. Наиболее известны и ши­роко применяются рудоразборка, магнитное, гравитационное и фло­тационное обогащение.

Простую рудоразборку применяют очень давно; в некоторых местах еще можно встретить рудоразборку на конвейере: по цвету, блеску или форме кусков (иногда при специальном освещении) отбирают либо крупные куски богатой руды, либо пустую породу.

Магнитное обогащение применяют к минералам, имеющим большую магнитную восприимчивость. Такие минералы отделяют магнитом или электромагнитом от других минералов.

Аппараты, применяемые для магнитного обогащения, называют магнитными сепараторами. Если необходимо обогащение крупных кусков (120—150 мм), используют магнитные сепараторы, работаю­щие в воздушной среде. Для мелких кусков (менее 8 мм) применяют как сухую, так и мокрую магнитную сепарацию. Магнитные сепара­торы, работающие в водной среде, часто дают лучшие результаты. Во вращающемся барабане размещен непод­вижный электромагнит. Куски немагнитного материала, попав на поверхность барабана, падают с него в первой четверти оборота, а магнитные минералы  задерживаются до выхода их из поля маг­нитного сердечника. Материал, упавший в промежутке, обычно подвергают переочистке.

Магнитную сепарацию с успехом применяют для обогащения бедных железных руд, имеющих вкрапления магнетита, а также для очистки или сортировки металлических отходов (стружки, опил­ки, лом).

Гравитационное обогащение основано на различии в плотности и скорости падения зерен минералов в жидкостях и на воздухе. Про­стейший его вид — промывка водой железных: руд для отделения песчано-глинистой пустой породы. Однако большего эффекта можно достичь, применяя отсадочные машины, концентрационные столы и другие аппараты.

Отсадочная машина  — это сосуд с жидкостью, ниже уровня, которой установлено металличе­ское решето; на него и подается пульпа, смесь жидкости и мелких твердых частиц, содержащая обога­щаемую породу. Действием диафраг­мы, а иногда и перемещением ре­шета  в его отверстиях и между кусочков руды создается пульсирую­щий поток воды, изменяющий на­правления 100—4000 раз в минуту с амплитудой 0,5—8 см. При этом зер­на тяжелого минерала оседают на дно решета и, проваливаясь через его от­верстия, собираются в бункере, а куски легкого минерала уносятся го­ризонтальным потоком жидкости. От­садка бывает эффективнее, если раз­меры кусков руды одинаковы. Обыч­но отсадку руды ведут в серии по­следовательно включенных машин с решетками, расположенными каска­дом, что обеспечивает перемещение пульпы из одной машины в дру­гую самотеком. Эти машины успешно применяют при обогащении руд цветных металлов.

 Обогащение флотацией для железных руд пока применяют редко, но чаще  для бедных руд цветных металлов и обязательно для комплексных руд, содержащих несколько металлов, а также суль­фидных руд, содержащих ~ 1 % меди, непосредственно плавить которые очень дорого.

Сущность флотации состоит в избирательном прилипании неко­торых минеральных частиц, взвешенных в водной среде, к поверх­ности пузырьков воздуха, с помощью которых эти минеральные ча­стицы поднимаются на поверхность. Через пульпу пропускают пу­зырьки воздуха. Вследствие различной смачиваемости частицы одних минералов, плохо смачиваемые водой (или другой жидкостью, в кото­рой протекает обогащение), прикрепляются к пузырькам воздуха и, поднимаясь с ними на поверхность, образуют минерализованную пену и тем самым отделяются от других, хорошо смачиваемых мине­ралов, которые тонут и остаются в пульпе.

Для флотационного обогащения необходимо: а) тонко измельчить руду до размеров частиц, меньших 0,1 мм, что дает возможность полу­чить кусочки руды, состоящие из одного минерала, и значительно уменьшить количество сростков нескольких минералов, а также позволяет мелким пузырькам воздуха поднимать на поверхность тяжелые минералы; б) получить в пульпе много мелких пузырьков воздуха и создать условия для образования на поверхности пульпы устойчивой пены.

Для флотации применяют комплекс машин, позволяю­щих быстро и многократно повторять процесс флотации, и разные реагенты, вводи­мые в пульпу, для усиления или подавления отдельных физических свойств ее эле­ментов. Различают следующие флотационные реагенты: вспениватели, делающие пузырьки пены устойчивыми, не лопающимися, препятст­вующие их коалисценции, т. е. объединению мелких пу­зырьков в крупные (сосновое масло и другие вещества, по­лучаемые при перегонке дре­весины и каменного угля); коллекторы (собиратели), уменьшающие смачиваемость определенной группы минералов водой и облегчающие их сцепление с пузырьками воздуха. В качестве коллекторов используют слож­ные органические вещества.

При флотации часто применяют также депрессоры (подаватели), предотвращающие действие коллектора на некоторые минералы. По­давателями служат неорганические электролиты, например цианистый натрий NаСN, известь СаО, которую применяют при флотации медно-цинково-пиритных руд. При так называемой селективной флотации, когда из руды необходимо выделить концентраты нескольких метал­лов, применяют и многие другие химические вещества. Общий расход флотационных реагентов невелик, он составляет 50—300 г на 1 т руды. Для механизации отдельных трудоемких подготовительных и вспомогательных этапов флотационного обогащения используют раз­личные машины, облегчающие эти операции, например для измельче­ния руды (дробилки и мельницы), разделения ее на мелкие и круп­ные фракции (грохоты и классификаторы), аппараты для разделения пульпы на жидкость и твердые частицы (сгустители и фильтры), собственно флотационные машины и многие другие. Рассмотрим лишь один из типов машин, в которых проводится собственно флотация. В машины непрерывно подается пульпа, состоящая из воды, мелких частиц руды и уже внесенных в пульпу необходимых флотационных реагентов. Сверху по трубам  нагнетается воздух, который обеспечивает хорошее перемешивание пульпы благодаря аэролифтным трубам. Циркулирующая пульпа в смеси с пузырьками воздуха собирает в верхней части машины пену, непрерывно удаляемую через боковые пороги, высоту кото­рых можно регулировать накладными планками. Оставшаяся пульпа сливается через отверстие в боковой стенке машины и попадает в ее соседнюю секцию, так как флотационная машина состоит из 4-20 камер (секций).

                                                  1.3 Подготовка материалов к доменной плавке.

Доменная печь  работает нормально, если она за­гружена кусковым материалом оптимального размера. Слишком крупные куски руды и других материалов не успевают за время их опускания в печи прореагировать, и часть материала расходуется бесполезно; слишком мелкие куски плотно прилегают друг к другу, не оставляя необходимых проходов для газов, что вызывает различ­ные затруднения в работе печи. Эксперименты и практический опыт показали, что наиболее удобны для доменной плавки куски разме­ром 30—80 мм в поперечнике. Поэтому добываемые на рудниках куски руды просеивают через так называемые грохоты, и куски более 100 мм в поперечнике подвергают дроблению до необходимых раз­меров. При дроблении материалов и при добыче руды в рудни­ках, наряду с крупными кусками образуется и мелочь, тоже не при­годная к плавке в шахтных печах. Возникает необходимость окускования этих материалов до нужных размеров.

В металлургии наиболее широко применяют агломерацию (спе­кание), проводимую на больших ленточных агломерационных маши­нах непрерывного действия. Исходными материалами для агломерации служат рудная мелочь и колошниковая пыль — отход доменного производства. Эти материалы смешивают с небольшим количеством (8—12 %) мелкого кокса, так называемым кокситом, имеющим в поперечнике менее 3 мм, или каменноуголь­ной мелочью. Часто в шихту добавляют мелкий, недостаточно спек­шийся агломерат.

 Слегка увлажненную (5—6 % влаги) и хорошо перемешанную шихту загружают на колосниковую решетку машины слоем 200— 300 мм и затем поджигают с поверхности под камерой зажигания, расположенной над лентой. Под колосниковой решеткой имеются камеры, в которых создается небольшой вакуум, обеспечивающий просасывание воздуха через слой агломерационной шихты и пере­мещение зоны горения коксита с поверхности шихты в ее нижние слои. В зоне горения развивается высокая температура (до 1500 °С), вследствие чего образуется небольшое количество жидкой фазы, которая  склеивает   куски   руды   после   перемещения   зоны   горения и охлаждения материала.

В результате образуется ноздревато-пористый черно-серый про­дукт спекания - агломерат. Производительность крупных агломера­ционных машин достигает 2,5 тыс. т агломерата в сутки.

В последнее десятилетие часто производят так называемый офлю­сованный агломерат, получаемый путем дополнения в агломерацион­ную шихту мелких кусочков флюса (обычно известняка). В процессе агломерации известняк СаСО3 разлагается, выделяя СО2 и участвуя в образовании агломерата. Офлюсованный агломерат еще в боль­шей степени, чем обычный, увеличивает производительность домен­ных печей (на 10—25 %) и уменьшает расход кокса на доменную плавку (на 7—20 %).

Окускование рудной мелочи проводят и другими способами. В ме­таллургии нередки случаи брикетирования — простейшего способа окускования порошковых материалов путем прессования их смеси с какими-либо связующими материалами (глиной, жидким стеклом, смолой и т. п.). Вынутые из прессов брикеты в зависимости от харак­тера связующего сушат на воздухе или обжигают для придания им необходимой прочности.

С 50-х годов в черной металлургии применяют метод окускова­ния — производство окатышей. Суть этого способа заключается в перемешивании рудной мелочи и пыли с небольшим количеством дешевого тонкоизмельченного связующего, обычно глины или извести. После небольшого увлажнения (до 8—10 %) эту смесь помещают в смеситель типа пустотелого барабана или наклонной неглубокой чаши. Рудная шихта, вращаясь в барабане (чаше), пересыпается с места на место, слипается, образуя круглые окатыши размером 25—30 мм.

Затем окатыши сушат или обжигают, чтобы сделать их доста­точно прочными для применения в крупных доменных печах. Обжиг в восстановительной атмосфере позволяет частично восстановить окислы железа и повысить тем самым производительность доменных печей.

1.4  Выплавка чугуна

Получение чугуна из железных руд осуществляется в доменных печах. Доменные печи являются крупнейшими современными  шахт­ными печами Большинство действующих доменных печей имеет полезный объем 1300—2300 м3 —объем, занятый загруженными в нее материалами и продуктами плавки. Эти печи имеют высоту примерно 30 м и выплавляют в сутки до 2000 т чугуна.

В России работает несколько доменных печей с полез­ным объемом 2700 м3 и 3200 м3. В мире работает пока немного печей объемом более 2600 м3. В 1974 г. в нашей стране вступила в строй первая доменная печь объемом 5000 м3. Эта печь существенно отли­чается от печей, построенных ранее. В ней выпуск продуктов плавки производится через четыре летки, повышена температура дутья, предусмотрены подача шихты наклонными ленточными транспорте рамп, а также другие конструктивные изменения, облегчающие труд доменщиков и повышающие производительность печи.

Сущность доменной плавки сводится к раздельной загрузке в верх­нюю часть печи, называемой колошником, агломерата, кокса и флю­сов, располагающихся в шахте печи слоями. При нагревании шихты за счет горения кокса, которое обеспечивает вдуваемый в горн горя­чий воздух, в печи идут сложные физико-химические процессы, и шихта постепенно опускается навстречу поднимающимся горячим газам. В результате взаимодействия компонентов шихты и газов в нижней части печи, называемой горном, образуются два несмеши­вающихся жидких слоя _ чугун и шлак.

На рисунке показана схема доменной печи объемом 2700 м3. Два наклонных подъемника с опрокидывающимися скипами вместимостью до 17 м3 доставляют агломерат, кокс и другие добавки на высоту 50 м к засыпному устройству доменной печи, состоящему из двух поочередно опускающихся конусов.

В верхней части горна расположены фурменные отверстия (16— 20 шт.), через которые в печь под давлением ≈ 300 кПа (3 ат) подается обогащенный кислородом воздух при температуре 900—1200 °С.

Жидкий чугун выпускают каждые 3—2 ч (а в крупных печах ежечасно) поочередно через две или три летки, которые для этого вскры­вают с помощью электробура. Выливающийся из печи чугун выносит с собой и шлак, находящийся над ним в печи. Чугун направляется по желобам литейного двора в чугуновозные ковши, расположенные на железнодорожных платформах. Шлак, выливающийся с чугуном, предварительно отделяют от чугуна в желобах с помощью перекры­вающих затворов и направляют в шлаковозы. Кроме того, часть шлака иногда выпускают из доменной печи до выпуска чугуна через шлаковую летку. После выпуска чугуна летку забивают пробкой из огнеупорной глины с помощью электромагнитной пушки.

1.5Физико-химические процессы, протекающие в доменной печи, очень сложны и многообразны. Советские ученые, академики А. А. Банков, М. А. Павлов и другие обстоятельно занимались их изучением и создали капитальные труды по этим вопросам.
 

Условно процесс, протекающий в доменной печи, можно разде­лить на следующие этапы: горение углерода топлива; разложение компонентов шихты; восстановление окислов; науглероживание же­леза; шлакообразование.                                                                                                                        Горение углерода топлива происходит главным образом возле фурм, где основная масса кокса, нагреваясь, встречается с нагретым до температуры 900—1200 °С кислородом воздуха, поступаю­щим через фурмы. Образовавшаяся при этом углекислота вместе с азотом воздуха, поднимаясь, встречается с раскаленным коксом и взаимодействует с ним по реакции СО2 + С 5↔ 2СО.

Эта реакция обратима, причем ее равновесие сдвигается вправо при повышении температуры и влево при понижении.

Иногда в фурмы вводят еще природный газ или пар, который, встречаясь с раскаленным коксом, окисляет его при высоких темпе­ратурах: Н2Опар + Ств = СО + Н2.

Разложение компонентов шихты протекает различно — в зави­симости от ее состава. При работе на шихте, содержащей флюсы и часть сырой руды, важнейшими процессами в верхней части печи являются разрушение гидратов окиси железа, окиси алюминия и разложение известняка флюса по реакции СаСО3 = СаО + СО2. Если в печь подается уже офлюсованный агломерат, эти процессы протекают при агломерации и в доменной печи почти не идут.

Восстановление окислов может происходить окисью углерода, углеродом и водородом. Главная цель доменного процесса вос­становление железа из его окислов. Согласно теории академика А. А. Байкова восстановление окислов железа идет ступенчато по следующей схеме: Fе2О3  →Fе3О4 →FеО  →Fе.

Главную роль в восстановлении окислов играет окись углерода:

ЗFе 2O3 + СО = 2Fе304 + СО2 + <2.

Эта реакция практически необратима, протекает легко при очень низкой концентрации СО в газовой фазе. Для развития следующей реакции вправо необходимы температура не ниже 570 °С и значи­тельный избыток СО в газах: Fе3О4 + СО ↔ЗFеО + СО2 + Q.

Затем происходит образование твердой железной губки по реакции

FеО тB + С О ↔ FетВ + С O2 + Q.

Ее развитие вправо требует еще более высокой температуры и высокой концентрации СО в газовой фазе. Но, как показывают ис­следования, в печи для этого есть необходимые условия, так как выше температуры 950 °С в газовой фазе присутствует только СО. Наряду с СО в процессах восстановления железа из окислов значи­тельную роль играет и твердый углерод. Это взаимодействие проис­ходит за счет непосредственных контактов окислов руды с восстано­вителем во время перемещения руды в печи, а также в горячей зоне печи за счет соприкосновения кусков кокса с жидкими шлаками, содержащими закись железа.

Восстановление окислов марганца происходит также ступенчато, главным образом за счет СО: Мn02→Мn2О3→Мn3О4→МnО; восстановление закиси марганца происходит почти исключительно за счет твердого углерода, видимо, при его соприкосновении с рас­плавленным шлаком по схеме                       МnО + Ств = Мn+ СО — Q, так как количество марганца в шлаке доменной печи бывает значительно больше, чем в металле. Эта реакция требует и в 2 раза больше тепла, чем восстановление железа, а поэтому повышенного расхода топлива.

Восстановление кремния в доменной печи происходит преимуще­ственно твердым углеродом с образованием силицида железа условно по следующей схеме:

SiO2+ 2С + Fе = FeSi + 2СО — Q,

но требует еще более высокой температуры и тугоплавких шлаков. Образовавшиеся силициды железа растворяются в чугуне.

Фосфор вносится в доменную печь с рудой в виде минералов                                                                                                

ЗСаО*F2О3    и    ЗFеО*F2О6-8Н2О.

При высокой температуре эти соединения восстанавливаются, фосфор взаимодействует с железом, а образующийся фосфид пере­ходит в чугун:

Р+ЗFе = Ре3Р.

Сера находится в руде и коксе в виде пирита и других устой­чивых сульфидов. Часть серы окисляется и удаляется с газами в виде 5О2, а часть — растворяется в чугуне и шлаке.

Науглероживание железа происходит за счет взаимодействия твердого губчатого железа с печными газами, содержащими значи­тельное количество СО:

3Fe+2CO=Fe3C+CO2

Образование сплава железа с углеродом, имеющего температуру плавления ниже, чем чистое железо, приводит к формированию ка­пель жидкого чугуна, которые, стекая в нижнюю часть печи через слой раскаленного кокса, еще более насыщаются углеродом.

Страницы: 1, 2, 3