Файл: Технология металлов и конструкционные материалы учебное пособие..pdf

Печи работают на трехфазном токе при напряжении ~200—400 В, ток измеряется десятками тысяч ампер.

Плавка в дуговой печи состоит из следующих основ­ ных периодов: завалка шихты, плавление, окислитель­ ный и восстановительный периоды и выпуск.

Как правило, печи работают на твердой шихте, в со­ став которой в основном входят стальной лом и легиро­ ванные ртходы. В окислительный период происходит вы­

удаление серы и легирование.

Современные дуговые печи строят емкостью до 400 т. Длительность плавки 4— 6 ч. Для интенсификации про­ цесса плавки применяют продувку металла кислородом. Расход электроэнергии на выплавку 1 т стали составля­ ет 600—1000,кВт-ч.

Индукционная печь состоит из огнеупорного тигля, вокруг которого устроена водоохлаждаемая индукцион­ ная обмотка. При прохождении по обмотке тока высокой частоты (до 10000 Гц и больше) возникает магнитный поток, который, пронизывая металлошихту, наводит в ней вихревые токи (токи Фуко); одновременно происхо­ дит интенсивный напрев металла в тигле.

Индукционные печи имеют определенные преимуще­ ства перед дуговыми печами: отсутствие электродов и дуг позволяет выплавлять металл с низким содержанием углерода и газов; металл в тигле постоянно подвергает­ ся перемешиванию под воздействием электромагнитного поля. Процесс плавки в индукционной печи длится 1— 2 ч. Плавка сводится в основном к расплавлению леги­ рованных отходов, раскислению и легированию. Очень важно для плавки в индукционной печи точно рассчи­ тать шихту, так как в процессе самой плавки корректи­ ровать состав металла практически не представляется возможным. Индукционные печи имеют тигли емкостью от нескольких килограммов до нескольких тонн.

§ И. Раскисление стали

При выплавке стали в открытых сталеплавильных агре­ гатах к концу плавки металл в значительной мере на­ сыщается кислородом. Для того чтобы исключить влия­ ние этого кислорода на последующее окисление приме­

сей, сталь раскисляют. Для этого в металл вводят эле* менты-.раскислители, соединяющиеся с кислородом зна­ чительно легче, чем углерод и железо. В качестве раскислителей наибольшее распространение получили крем­ ний, марганец и алюминий. По степени раскисленное™ стали подразделяют на спокойные, кипящие и полуспо-

койные.

Спокойная сталь — это сталь полностью .раскислен­ ная. При последующей разливке в изложницы эта сталь кристаллизуется спокойно, без видимого бурления.

такой стали начинает протекать реакция FeO +C ='C O + +Fe, в результате которой образуются пузырьки газа СО. Эти пузырьки вырываются на поверхность, создают видимость кипения. Процесс застывания кипящей стали в изложницах протекаете бурлением.

Полуспокойная сталь занимает промежуточное поло­ жение между спокойной и кипящей сталью.

§ 12. Разливка стали

Из сталеплавильных печей полученную сталь выпуска­ ют в сталеразливочный ковш (рис. 9), предназначенный также для последующей разливки металла в слитки или заготовки. Кожух ковша выполняется из листовой ста­ ли. Изнутри ковш футеруется шамотным кирпичом. В днище ковша имеется отверстие, в которое для каж­ дой плавки вставляется огнеупорный сталеразливочный стакан; через отверстие стакана осуществляется разлив­ ка стали из ковша.

Для перекрытия отверстия в стакане и прекращения разливки стали в ковше на каждую плавку устанавли­ вается стопор, который через специальный механизм крепится к наружной стенке ковша. С помощью системы рычагов стопор может опускаться и подниматься; п,рн этом отверстие в стакане будет закрываться или откры­ ваться. ■^

В настоящее время существуют три способа разливки: разливка стали по изложницам сверху и сифоном и раз­ ливка стали в заготовки на машинах непрерывного литья.

36

При разливке сверху каждая изложница (чугунная форма для получения слитков) наполняется раздельно (рис. 1 0,а); при сифонной разливке происходит одновре­ менное наполнение нескольких изложниц; при этом

в каждую изложницу сталь поступает снизу, через от­ верстие в дне изложницы (рис. 1 0, б ).

При разливке стали на машинах непрерывного литья (рис. 1 1 ) металл из промежуточного ковша поступает в бездонную водоохлаждаемую изложницу — медный кри­ сталлизатор с двойными стенками, между которыми цир­ кулирует вода для охлаждения. Внутреннее сечение кри­ сталлизатора имеет форму формируемой непрерывной заготовки. В кристаллизаторе в результате быстрого охлаждения образуется наружная твердая коржа заго­ товки, внутри которой еще остается жидкий металл. По мере выхода из кристаллизатора слиток попадает в зону вторичного охлаждения, где он обильно снаружи поли­ вается водой. В результате этого происходит затвердева­ ние центральной части заготовки. Движение заготовки вниз осуществляется с помощью системы тянущих роликов. После роликов непрерывную заготовку с по­ мощью газового резака разрезают на мерные длины.

Образующиеся в результате разливки стали сталь­ ные слитки или заготовки определенной длины подвер­ гают последующей обработке путем прокатки или ковки.

Кристаллизация стали. В изложницах сталь затвер­ девает в форме кристаллов древовидной формы—дендрн- тов. Тепло от кристаллизующегося слитка отводится че­

37

рез стенки изложницы и поэтому затвердевание жидкой стали начинается у стенок изложницы. Толщина затвер­ девшего слоя непрерывно растет в направлении к цент­ ру слитка.

стали. Здесь можно отметить следующие зоны: / — кор­ ковый слой мелких кристаллов, образовавшийся непо­

столбчатых кристаллов, располагающихся перпендику­ лярно к стенке изложницы. Внутри слитка располагается зона 3 — зона крупных неориентированных кристаллов, образовавшаяся в результате примерно одинакового отвода тепла из этой части слитка во все стороны.

При остывании слитка спокойной стали металл дает усадку (уменьшается в объеме). В результате этого

38

надставки, в которых металл затвердевает в 'последнюю очередь, что способствует выводу сюда усадочной рако­ вины.

Слиток кипящей стали имеет следующие зоны: 1 ) плотная на/ружная корочка; 2 ) зона сотовых пузы­ рей, образующаяся в результате застревания между кристаллами газовых пузырей СО; .3) промежуточная плотная зона; 4) зона вторичных неориентированных пузырей и 5) срединная зона. Концентрированной уса­ дочной рановины в слитке кипящей стали не образует­ ся; усадка здесь рассредоточена по многочисленным га­ зовым полостям.

Слитки-заготовки, получаемые на машинах непре­ рывного литья, .имеют более однородную структуру.

Г л а в а IV

ПРОИЗВОДСТВО ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

§ 13. Производство меди

Наиболее ценным свойством меди является ее электро­ проводность, чем меньше металл содержит примесей, тем выше электропроводность. Поэтому для токопрово­ дящих элементов (проволока, шины) применяют медь высших марок М00, МО и Ml по ГОСТ 859—66 с содер­ жанием Си>99,9%. Менее чистая медь, содержащая больше примесей, идет на производство сплавов — лату­ ней и бронз.

Медь получают из руд с содержанием этого металла не ниже 0,5%. В природе встречаются около 30—40мед­ ных минералов. Из сульфидных минералов наиболее, распространен халькопирит CuFeS2.

Если для получения одной тонны чугуна перерабаты­ вается до 2,5 т железной руды, то для производства од­ ной тонны меди — до 2 0 0 т меднойфуды.

Получают медь из сульфидных руд по следующей схеме:

1. Дробление руды в дробилках с последующим из мельчением в шаровых мельницах.

39

2. Флотационное обогащение — флотация. Тонко из мельченную руду смешивают с небольшим количеством особого флотореагента, например ксантогената калия и извести, и подают в камеру флотационной машины. Ксантотенат калия покрывает тонкой пленкой частицы сульфидных минералов меди. Известь создает в пульпе определенную щелочность и предупреждает обволакива­ нием пленкой ксантогената частиц других минералов. В флотационной машине к частицам минералов меди прилипают пузырьки воздуха и выносят их на поверх­

щую частицы минералов меди.

Полученный таким образом концентрат с флотомашйны имеет большую .влажность. Поэтому его обезвожи­ вают последовательно сгущением в сгустителях и фильт­ рацией на фильтрах, затем сушат во вращающихся су­ шилках барабанного типа.

Примерно 90% всех добываемых медных руд подвер­ гают флотационному обогащению, а 1 0 % направляют не­ посредственно в металлургическую обработку — плавку или выщелачивание. Медные концентраты содержат

~.20—30% Си.

3. Обжиг. Высокосернистые руды и концентраты под­ вергают в многоподовых печах и в печах кипящего слоя обжигу при температуре до 850°С в окислительной атмо­

торый используют для производства серной кислоты. 4. Плавка в отражательной печи. Плавят сырую, под­

сушенную или обожженную шихту при температуре до 1500—1550°С. При этом атмосфера в печи должна быть нейтральная или слабоокисл'ительная. Цель плавки — сульфидирование меди и перевод ее в штейн (оплав суль­ фидов) при одновременном ошлаковании большей части железа кремнеземом:

СигО 4- FeS = CuaS -f- FeO; FeO 4- Si02 = 2FeO SiO z.

Окислы металлов и пустой породы, взаимодействуя, образуют шлак, который легче штейна и в ванне печи располагается над ним.

40

Медный штейн содержит 10—60% Си, 15—50% Fe, 20—30% S.

5. Конвертирование. Штейн в конверторе продувают воздухом в течение 16—24 ч в присутствии кварцевого флюса. В результате продувки сера выгорает, газы по­ ступают в сернокислотное производство, полученная черновая медь содержит 97,5—99,5% Си, остальное при­ меси. Черновую медь подвергают огневому рафинирова­ нию, а затем электролизу для очистки от примесей и из­ влечения из нее благородных металлов.

6 . Огневое рафинирование. Черновую медь расплав­ ляют в специальной печи (или заливают в нее жидкую медь) и рафинируют при температуре 1200°С.

Для удаления железа, цинка, серы и других приме­ сей вначале осуществляют окисление жидкой меди про­

всеми имеющимися в жидкой меди примесями. Образу­ ющиеся окислы примесей всплывают на поверхность ванны, где и ошлаковываются. После удаления приме­ сей закись меди восстанавливают (операция «дразне­ ние»), получая конечный продукт—анодную («красную») медь с содержанием 99—99,7% Си.

7. Электролитическое рафинирование. Этому подвер­ гают огневую и анодную медь для получения наиболее чистой меди с содержанием ее ^99,9% . Электролиз ведут в водном растворе сульфата меди CuSO*, содер­ жащем свободную серную кислоту. В результате электролиза чистая медь осаждается на катодах (тон­ ких листах электролитической меди), а на дне ванны собирается шлам, который в дальнейшем перерабаты­ вают для извлечения благородных металлов.

§ 14. Производство алюминия

Основными рудами для получения алюминия являются распространенные в СССР бокситы, каолины и некото­ рые глины, богатые А120з. Наиболее богаты алюми­ нием бокситы, состав которых: 30—57% А120 3; 3—13% Si,02; 2—4% ТЮ2; до 3% СаО; 10—18% Н20 ц д-р.

Для производства алюминия применяют двухсту­ пенчатый способ переработки сырья, содержащего алю­ миний: вначале получают глинозем А120 3, а затем из глинозема алюминий.

4i