Виробництво чавуну. Доменний процес. Робота та будова доменної печі. Залізні руди (багата, бідна.)

Тема: Виробництво чавуну. Доменний процес. Робота та будова доменної печі. Залізні руди (багата, бідна.) Мета: 1.Ознайомлення учнів з виробництвом чавуну, доменним процесом. Робота та будова доменної печі. Залізні руди (багата, бідна). 2. Виховувати в учнів інтерес до навчання. 3. Розвивати пізнавальну діяльність учнів. Література наочності: Плакати, підручники, роздатковий матеріал. Об’єкт роботи: Практична робота. Ознайомлення з Виробництво чавуну. Доменний процес. Робота та будова доменної печі. Залізні руди (багата, бідна. Хід роботи. Організаційний момент. Перевіряю готовність учнів до занять, вхід в майстерня, підготовка робочого місця, наявність спецодягу, шкільного приладдя; видаю інструменти та матеріали, відмічаю відсутніх. Актуалізація опорних знань учнів. Які типи різців ви знаєте? Яке їх призначення? Які металорізальні верстати ви знаєте? 3. Мотивація навчальної діяльності. Сформувати в учнів позитивне ставлення до діяльності на уроках трудового навчання, користуючись теоретичними та практичними знаннями з основ наук. Вивчення нового матеріалу. ВИРОБНИЦТВО ЧАВУНУ Чавун виплавляють у доменних печах відновленням з руди заліза з наступним насиченням його вуглецем та іншими домішками. Вихідні матеріали для виплавлення чавуну Для виплавлення чавуну в доменних печах використовують залізні, марганцеві і комплексні руди, паливо і флюси. Руди. У залізних рудах залізо перебуває у вигляді безводного оксиду Fе2Оз (червоний залізняк, в якому міститься до 65% заліза), водних оксидів Fe2O3 • ЗН2О (бурий залізняк, що містить до 60% заліза), магнітного оксиду Fe3O4 (магнітний залізняк, який містить 50—70% заліза) або у вигляді вуглезалізної солі FeCO3 (шпатовий залізняк, в якому заліза 30 - 45%). У руді є також пуста порода, основні складові якої — глинозем, кремнезем та ін. Залізні руди містять і деяку кількість шкідли­вих домішок — сірчисті, фосфористі, миш'яковисті сполуки. Марганцеві руди складаються з оксидів марганцю і пустої породи. Вміст марганцю в них досягає 57%. Застосо­вують ці руди для підвищення вмісту марганцю в чавунах, що виплавляються, а також для вироблення спеціальних чавунів. Комплексні руди, крім заліза, містять у собі й інші метали (хром, нікель, ванадій), які відновлюються в доменному плавленні і поліпшують властивості чавуну. Паливо в доменній печі виконує дві важливі функції: при згорянні виділяє багато тепла; вуглець палива безпосередньо бере участь в реакціях відновлення руди. В наш час у доменному виробництві близько 98% чавуну ви­плавляють на кам'яновугільному коксі, а решту — на деревному вугіллі. Деревне вугілля застосовується тільки при потребі виплавити чистий від сірки чавун для виготовлення високоякісної сталі. Флюси в доменному виробництві застосовують для сплавляння в шлак пустої породи руди, золи палива і видаляння їх з доменної печі. Як флюси використовують звичайний вапняк СаСО3 і доломітизований вапняк СаСО3 MgCO3. З такими складовими пустої породи, як кремнезем і глинозем, а також з зо­лою палива вони утворюють легкоплавкі хімічні сполуки. Підготовка сировинних матеріалів до плавки. Виробництво чавуну потребує певної підготовки сировинних матеріалів як за якістю, так і за величиною їх кусків, розміри яких за­лежно від фізико-хімічних властивостей матеріалів мають бути 30 - 80 мм. Найпростішою є підготовка коксу, від якого лише відсіваєть­ся дрібняк. Флюси подрібнюються в щокових або валкових дро­барках і сортуються за величиною кусків на спеціальних гро­хотах. Підготовка залізних руд полягає в їх подрібненні, сортуванні за розміром кусків на грохотах, усередненні і агломерації. Бідні руди спочатку збагачують, а потім окусковують методом спі­кання. Усереднення руд є операцією, за допомогою якої заліз­на руда, що надходить у піч, вирівнюється за якістю і складом. Збагачення залізних руд здійснюється зменшенням вмі­сту в них пустої породи. В результаті збагачення дістають кон­центрати — продукти з підвищеним вмістом заліза. Агломерація являє собою процес окусковування рудного дрібняку і концентратів за допомогою спікання їх у великі пори­сті куски, що називаються агломератом. Спікання руд провадять різними способами. Найбільш поширене спікання рудного дріб­няку на машинах безперервної дії. Цим способом рудний дрібняк і концентрати змішують з пиловидним паливом, зволожують І по­дають на конвейєрну стрічку, що складається з коробок з ґрат­частим дном. Під час руху конвейєрної стрічки суміш у коробках запалюється газовим пальником. Щоб підтримати горіння, крізь запалену суміш просмоктується повітря. Паливо, що є в суміші, при згорянні дає температуру до 1300—1500°С. Внаслідок цього руда спікається і утворюється міцний пористий агломерат. При спіканні в агломерат вводять і флюси, які застосовуються при доменному плавленні. Доменне устаткування Будова доменної печі (рис. 34). Доменна піч є піччю шахт­ного типу. Внутрішній обрис стін, які обмежують робочий про­стір доменної печі, називають її профілем. Верхня частина печі називається колошником 3. У колошнику є засипний апарат, до якого підводять газовідвідні труби 2. Засипний апарат при­значений для завантаження в піч сировинних матеріалів, що подаються на колошник за допомогою похилого скіпового під­йомника, а газовідводи - для відведення колошникового (домен­ного) газу. Нижче колошника розміщено шахту 4. Це найбільша за об'є­мом частина печі, яка має форму зрізаного конуса, що розши­рюється донизу. Така форма дає змогу сировинним матеріалам опускатися до низу печі і одночасно розпушуватись. У шахті відбувається підготовка сировинних матеріалів до плавки, відновлення заліза та інших елементів з оксидів руди, навуглецьовування заліза і плавлення утвореного сплаву (чавуну). У нижній частині шахта закінчується циліндричним розпа­ром 5. Тут плавляться і перетворюються на шлак порода руди, флюси і зола палива. Під розпаром містяться заплечики 6, які мають форму зрі­заного конуса, що розширюється догори. Тут об'єм завантаже­них у піч сировинних матеріалів різко зменшується, оскільки утворюються рідкі продукти плавлення. У твердому стані зали­шається тільки паливо і частина флюсу. У заплечиках закінчу­ється процес шлакоутворення. Нижня частина доменної печі називається горном 7. У верх­ній частині його по обводу розміщено фурми 8, через які в піч вдувається повітря, попередньо нагріте в повітронагрівниках. Нижче фурмених отворів є шлакова льотка 9 для випускання шлаку. Дно горна називається подом 10. Під спирається на фундамент 11 печі. На рівні поду є чавунна льотка 12, через яку випускають рідкий чавун. Отже, верхня частина горна призначе­на для спалювання в ній палива, а нижня—для збирання ча­вуну і шлаку. Відстань від осі чавунної льотки до граничного рівня заси­пання сировинних матеріалів на колошнику називається корис­ною висотою печі, а відповідний об'єм робочого простору — корисним об'ємом печі. Для кладки доменної печі застосовують вогнетривку шамот­ну цеглу 14, а також вуглецеві вогнетриви. Кладка печі вміщена в стальний кожух 15 і охолоджується водою за допомогою спе­ціальних холодильників 13., Повітронагрівники. Для зменшення витрати палива і збіль­шення продуктивності доменної печі повітря (дуття), що по­дається до неї, спочатку нагрівається в спеціальних повітрона­грівниках. На рис. 35 показано схему найбільш поширеного повітронагрівника. Він являє собою башту діаметром 6 -9 м і заввишки до 40 м, яка закінчується сферичним куполом. Кожух 5 повітронагрівника виготовляють з листової сталі і обкладають зсередини шамотною цеглою 4. У середині повітронагрівник по­ділений вертикальною стінкою на камеру згоряння 3 і простір з вогнетривкою насадкою 2, яка має ряд каналів. У камеру зго­ряння крізь пальник 6 подаються очищений колошниковий газ і потрібна для його спалювання кількість повітря. Газоподібна суміш згоряє в камері і частково під куполом повітронагрівника. Продукти згоряння проходять крізь насадку донизу, нагрівають її до 1100—1200° С і видаляються каналом 8 у димову трубу. Насадка нагрівається протягом 2 год, після чого подачу газу і повітря в камеру припиняють, перекривають канал 8 шибером і від турбоповітродувки каналом 7 подають холодне повітря, призначене для нагрівання. Холодне повітря проходить знизу вгору каналами розжареної насадки, нагрівається за рахунок її тепла до 1000—1100°С і через трубопровід / подається до фурм доменної печі під тиском 0,25—0,30 Мн/м2 (2,5—3,0 аг). Повітря нагрівається протягом 1 год, після чого повітронагрівник знову переключається для нагрівання газом. Для безперебійного забезпечення доменної печі гарячим дут­тям треба, щоб одночасно працювали три повітронагрівники (два — на газі, один— на дутті). Тепер розроблено устаткування для підвищення температури дуття до 1200—1250° С. На 1 т ча­вуну, що виплавляється, витрачається 3000—4000 ж3 підігрітого повітря. Доменний процес Рух сировинних матеріалів і газів у доменній печі. У до­менній печі відбувається зустрічний рух двох потоків: згори до­низу - потік сировинних матеріалів (шихти) і знизу вгору - потік газів, які утворюються в результаті згоряння палива. Гарячі гази, проходячи навколо сировинних матеріалів, нагрівають їх і відновлюють залізо та деякі інші елементи з їх сполук, а потім відводяться через колошник. Відновлене залізо навуглецьовується, плавиться і перетворюється на чавун, в якому розчиняються інші відновлені елементи: кремній, марганець і фос­фор. Частково в чавуні розчиняються і сірчисті сполуки. Невідновлені оксиди пустої породи руди, золи палива і флюсу роз­плавляються і утворюють шлак. Відновлення заліза з руди. Завдяки кисню повітря, який вдувається крізь фурми доменної печі, відбувається спалювання вуглецю палива за реакцією Температура в горні доменної печі в зоні фурм досягає 1800° С, а в міру наближення до колошника поступово знижуєть­ся до 150—200° С (температура відхідних газів). Під час руху димових газів угору вуглекислий газ СО2 натрапляє на вільний вуглець розжареного палива і при температурі 1000° С утворює окис вуглецю за реакцією СО2 + С = 2СО - Q. Відновлення заліза з руди відбувається від дії на неї окису вуглецю (непряме відновлення) і частково водню, що утворюєть­ся від розкладання вологи дуття. Окис вуглецю є сильним від­новником і тому, натрапляючи на оксиди заліза, ще у верхніх горизонтах печі, де температура невисока, починає відновлювати їх. З підвищенням температури, в нижчих зонах печі, відновні реакції посилюються і відбуваються в такій послідовності: 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + СО2 + Q; Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 — Q; FeO + CO = Fe + CO2 + Q Вуглекислота, що утворилася в результаті непрямого відновлен­ня, виноситься з колошниковим газом. Пряме відновлення заліза з руди відбувається за допомогою твердого вуглецю і проходить особливо активно в більш низьких і гарячих зонах доменної печі (при температурі 950—1000° С). Передусім за реакцією 2СО → СО2 + С + Q, що проходить при низьких і помірних температурах, утворюється твердий вуглець. У вигляді сажі він осідає в порах і тріщинах руди або агломерату, а при температурі, вищій за 950° С (при опусканні сировинних матеріалів у нижню зону печі), відновлює залізо за реакцією FeO + C = Fe + CO — Q. Відновлення кремнію. Кремній міститься в пустій породі руди у вигляді кремнезему. Відновлюється кремній за допомо­гою твердого вуглецю при температурі 1450° С за реакцією SiO2 + 2С = Si + 2CO — Q. Отже, при відновленні кремнію поглинається тепло. Відновлення марганцю з його вищих оксидів до закису від­бувається під дією окису вуглецю при помірних температурах (500—900° С) за реакціями 2MnO2 + CO = Mn2O3 + СО2 + Q; 3Mn2O3 + CO = 2Мп3О4 + СО2 + Q; Mn3O4 + CO = ЗМпО + СО2 + Q. Відновлення марганцю з закису проходить за рахунок твер­дого вуглецю при високих температурах (таких, що переви­щують 1100°С) за реакцією МпО + С = Mn + CO — Q. Відновлення фосфору. Фосфор, що надходить у плавку разом з шихтовими матеріалами, є шкідливою домішкою. При високих температурах (близько 1500°С) фосфорно-кальцієва сіль розпадається за реакцією (СаО)3 • Р2О5 + 3SiO2 + 5С = ЗСаО . SiO2 + 5СО + 2Р — Q. Відновлений фосфор майже весь переходить у чавун і тільки незначна його частина — в шлак. Вміст фосфору в переробних чавунах допускається такий: до 0,07% —у бесемерівських (див. далі); 0,15—0,30%—у мартенівських і 1,6—2,0%—у томасів­ських. Видалення сірки. Сірка надходить у плавку також з ших­товими матеріалами. Частина сірки окислюється при згорянні палива в зоні фурм. У верхній частині доменної печі сірка пере­ходить у газ SO2. Залізо з FeS відновлюється за допомогою вапна і твердого вуглецю за реакцією FeS + СаО + С = Fe + CO + CaS — Q. Таким чином, при достатній кількості вапна і високій темпе­ратурі в горні більша частина сірки, що є шкідливою домішкою, видаляється з металу і переводиться в шлак. Деяка частина її переходить у чавун у вигляді сірчистого заліза. Вміст сірки в ча­вунах допускається до 0,03—0,05%. У доменній печі можуть відновлюватися також хром, титан, кобальт, ванадій та інші елементи в разі наявності їх у шихті. Навуглецьовування заліза і утворення чавуну. Відновлене в доменній печі залізо являє собою твердий і пористий про­дукт— так зване губчасте залізо. Внаслідок взаємодії з окисом вуглецю губчасте залізо навуглецьовується і утворюється кар­бід заліза (цементит): 3Fe + 2СО = Fe3C + СО2. Утворення цементиту можливе також внаслідок взаємодії губчастого заліза з твердим вуглецем у зоні високих темпе­ратур: 3Fe + С = Fe3C. Вуглець, потрапляючи в метал, знижує температуру його плавлення. Тому навуглецьоване залізо при температурі 1150— 1200° С переходить у рідкий стан і краплинами стікає до горна печі. На шляху переміщення краплинок заліза відбувається до­даткове насичення його вуглецем і розчинення в ньому віднов­лених марганцю, кремнію, фосфору та інших елементів. У резуль­таті на поді горна доменної печі збирається рідкий чавун. Шлакоутворення в доменній печі відбувається в дві стадії. Первинний шлак (найбільш легкоплавкий) утворюється при тем­пературі близько 1200° С і являє собою евтектику з глинозему, кремнезему і вапна. У другій стадії процесу шлакоутворення пер­винний шлак, стікаючи до горна доменної печі і попутно підігрі­ваючись потоком висхідних гарячих газів, поступово змінює свій хімічний склад до заданого внаслідок розчинення в ньому золи коксу, флюсів і решток пустої породи залізної руди. Вибір відповідного процесу шлакоутворення і хімічного скла­ду шлаку істотно впливає на якість виплавлюваного чавуну. Склад шлаку вибирають залежно від складу останнього. 5. Практична робота. Виробництво чавуну. Доменний процес. Робота та будова доменної печі. Залізні руди (багата, бідна.) Мета: Ознайомити дітей з токарно-гвинторізним верстатом, а також з прийомами роботи на ньому. Хід роботи: Виробництво чавуну. Доменний процес. Робота та будова доменної печі. 6. Дотримання правил т/б при виконанні практичної роботи. На цьому етапі пояснюю, що основною умовою успішного виконання практичної роботи є обов’язкове дотримання внутрішнього розпорядку і правил техніки безпеки. 7. Самоконтроль виконання учнями завдань. Під час виконання лаболаторно-практичної роботи учень самостійно оцінює свою роботу на підставі технічних вимог сформульованим вчителем. 8. Контроль вчителя за виконанням учнями завдання. Під час практичної роботи перевіряю знання, вміння та навички учнів. 9. Поточний інструктаж. Під час виконання лабораторно-практичної роботи обхожу робочі місця і при необхідності провожу індивідуальний, а якщо потрібно то і колективний. Під час обходу слідкую щоб учні правильно організовували свою роботу. 10. Заключний інструктаж. Проводжу загальний підсумок всього уроку, перевіряю знання за допомогою бесіди. 11. Домашнє завдання: Вивчити про виробництво чавуну. Доменний процес. Робота та будова доменної печі. Залізні руди (багата, бідна.)

Схожі: