Шпаргалка по "Металлургии"

По сравнению с дуговыми электропечами индукционные печи имеют ряд преимуществ: отсутствие электродов и электрических дуг позволяет получать стали и сплавы с низким содержанием углерода и газов; плавка характеризуется низким угаром легирующих элементов, высоким техническим КПД и возможностью точного регулирования температуры металла.

Индукционная печь состоит из огнеупорного тигля, помещенного в индуктор. Индуктор представляет собой соленоид, выполненный из медной водоохлаждаемой трубки. Ток к индуктору подается гибкими кабелями. Воду для охлаждения подводят резиновыми шлангами. Вся печь заключена в металлический кожух. Сверху тигель закрывается сводом. Для слива металла печь может наклоняться в сторону сливного носка.

Тигель печи изготавливается набивкой или выкладывается кирпичом. Для набивки используют молотые огнеупорные материалы - основные (магнезит) или кислые (кварцит).

Поскольку плавка в индукционной печи происходит очень быстро, шихта для нее используется, как правило, из высококачественного металлолома известного состава. Перед плавкой происходит точный расчет шихты по содержанию углерода, серы и фосфора, а также легирующих элементов. Шихту загружают в тигель таким образом, чтобы она плотно заполняла весь объем тигля. После загрузки шихты включают ток на полную мощность. По мере проплавления шихты загружают оставшуюся часть. Затем на поверхность металла загружают шлакообразующую смесь, состоящую из извести, магнезитового порошка и плавикового шпата. В процессе плавки шлак раскисляют добавками порошка кокса и молотого раскислителя. По ходу плавки добавляют легирующие материалы. Металл раскисляют кусковыми ферросплавами и в конце плавки алюминием.

В индукционных печах выплавляют, как правило, стали и сплавы сложного химического состава.

БИЛЕТ 17

Из сталеплавильного агрегата сталь выпускается в сталеразливочный ковш, предназначенный для кратковременного хранения и разливки стали. Сталеразливочный ковш (рис. 8) имеет форму усеченного конуса с большим основанием вверху. Ковш имеет сварной кожух, изнутри футеруется огнеупорным шамотным кирпичом. Перемещают ковш с помощью мостового крана или на специальной железнодорожной тележке.

Сталь из ковша разливают через один или два стакана, расположенных в днище ковша. Отверстие закрывают или открывают изнутри огнеупорной пробкой при помощи стопора.

Емкость сталеразливочных ковшей достигает 480 т.

В сталеплавильных цехах сталь из ковша разливают либо в изложницы, либо на машинах непрерывной разливки.

Сталь разливают в изложницы или кристаллизаторы установок для непрерывной разливки.

Изложницы представляют собой чугунные формы для получения слитков различного сечения. Масса слитков для прокатки обычно составляет 10...12 т (реже --до 25 т), а для поковок достигает 250...300 т. Легированные стали иногда разливают в слитки массой в несколько сотен килограммов.

Применяют два способа разливки стали в изложницы: сверху и сифоном.

При разливке сверху (рис.10,а) сталь заливают из ковша 2 в каждую изложницу 1 отдельно. При такой разливке поверхность

слитков вследствие попадания брызг жидкого металла на стенки изложницы может быть загрязненной пленками оксидов.

При сифонной разливке (рис. 10 ,б) сталью заполняют одновременно от 2 до 60 установленных на поддоне 5 изложниц через центровой литник 3 и каналы в поддоне. В этом случае сталь поступает в изложницы снизу, что обеспечивает плавное, без разбрызгивания их заполнение, поверхность слитка получается чистой, сокращается время разливки. Сталь в надставке 4 сохраняется в жидком состоянии, благодаря чему уменьшаются раковина и отходы слитка при обрезке.

Разливку сверху обычно применяют для углеродистых, а разливку сифоном -- для легированных сталей.

Непрерывная разливка стали производится на специальных установках -- УНРС (рис. 11). Жидкую сталь из ковша 6 через промежуточное устройство 5 непрерывно заливают сверху в водоохлаждаемую изложницу без дна -- кристаллизатор 4, а из нижней его части вытягивают со скоростью 1...2,5 м/мин с помощью валков 3 затвердевающий слиток. На выходе из кристаллизатора слиток охлаждается водой, окончательно затвердевает и попадает в зону резки, где его разрезают газовым резаком 2 на слитки определенной длины. Полученные слитки с помощью кантователя / опускаются на роликовый конвейер и подаются на прокатные станы.

На УНРС получают слитки прямоугольного сечения размерами от 150 Х 500 до 300 Х 200 мм, квадратного со стороной от 150 до 400 мм, а также круглые в виде толстостенных труб.

Благодаря непрерывному питанию и направленному затвердеванию в слитках., полученных на УНРС, отсутствуют усадочные раковины. Поэтому выход годных заготовок может достигать 96... 98 % массы разливаемой стали, поверхность получаемых слитков отличается хорошим качеством, а металл слитка -- плотным и однородным строением

БИЛЕТ 18

После выпуска стали из печи в ковш производят выдержку ме­талла в ковше, необходимую для всплывания неметаллических вклю­чений.

Температура металла в ковше снижается на 5—10 °С. Начинают разливку при температуре стали на 90—120 °С выше температуры плавления при сифонной разливке и на 60—100 °С при разливке сверху. Температура стали при разливке влияет на качество слитка. Слишком горячая сталь дольше затвердевает в изложнице н это ве­дет к развитию химической неоднородности слитка, появлению тре­щин на поверхности слитка, увеличению содержания газов, которые сталь поглощает из атмосферы. Слишком холодный металл более вязок, что затрудняет всплыванне неметаллических включений в слит­ке и вызывает развитие осевой пористости и рыхлости. При сифон­ной разливке холодной стали на поверхности слитка возникают за­вороты корочки.

Температура стали определяет скорость разливки; горячую сталь необходимо разливать медленно, холодную — быстро.

Разливка в атмосфере нейтрального газа — аргона. Это дорогой, но и наиболее эффективный метод защиты стали. Он может быть использован при отливке дорогих, легированных сталей. При этом либо всю изложницу помещают в камере, наполняемой аргоном, либо струю аргона подают так, чтобы она окружала струю стали и на­полняла внутреннюю полость изложницы.

Разливка с деревянными рамками. На дно изложницы перед раз­ливкой укладывают деревянную рамку. При заполнении изложницы сталью рамка всплывает и постепенно сгорает. Образующиеся при горении дерева газы предохраняют поверхность стали от окисления.

Разливка под слоем жидкого шлака. Это очень эффективный спо­соб защиты стали. Перед разливкой в изложницу кладут брикет или порцию порошка, состоящую из марганцевой руды, селитры, алю­миния, магния, плавикового шпата, силикатного стекла, доменного шлака. При заполнении изложниц сталью брикет плавится, а его го­рючие составляющие возгораются. При этом поверхность слитка сверху и по стенкам изложницы покрывается слоем жидкого шлака, а газообразные продукты сгорания оттесняют воздух из изложницы. Кроме того, сгорание смеси дает дополнительное тепло, которое обес­печивает необходимую скорость затвердевания прибыльной части. Этот способ значительно улучшает качество поверхности слитка, уменьшается брак слитка и проката, отходы стали при зачистке слитков.

БИЛЕТ 19

Для производства меди применяют медные руды, содержащие 1-6 %
Cu, а также отходы меди и ее сплавов. В рудах медь обычно находится в виде
сернистых соединений (CuFeS2, Cu2S, CuS), оксидов (Cu2O, CuO) или гидро-
карбонатов (CuCO3·Cu(OH)2, 2CuCO3·Cu(OH)2). Перед плавкой медные руды
обогащают и получают концентрат. Для уменьшения содержания серы в кон-
центрате его подвергают окислительному обжигу при температуре 750-800
°С.

При  пирометаллургическим  способе  полученный  концентрат  пере-
плавляют в отражательных или электрических печах. При температуре 1250-
1300 °С восстанавливаются оксид меди (CuO) и высшие оксиды железа. Об-
разующийся оксид меди (Cu2O), реагируя с FeS, дает Cu2S. Сульфиды меди и
железа сплавляются и образуют штейн, а расплавленные силикаты железа
растворяют другие оксиды и образуют шлак. Затем расплавленный медный
штейн заливают в конвертеры и продувают воздухом  (конвертируют) для
окисления сульфидов меди и железа, перевода образующихся оксидов железа
в шлак, а серы в SO2 и получения черновой меди. Черновая медь содержит
98,4-99,4 % Cu и небольшое количество примесей. Эту медь разливают в из-
ложницы.

Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей и газов.
Сначала производят огневое рафинирование в отражательных печах. Приме-
си S, Fe, Ni, As, Sb и другие окисляются кислородом воздуха, подаваемым по
стальным трубкам, погруженным в расплавленную черновую медь. Затем
удаляют газы, для чего снимают шлак и погружают в медь сырое дерево.
Пары воды перемешивают медь и способствуют удалению SO2 и других га-
зов. При этом медь окисляется и для освобождения ее от Cu2O ванну жидкой
меди покрывают древесным углем и погружают в нее деревянные жерди.

При сухой перегонке древесины, погруженной в медь, образуются углеводороды, которые восстанавливают Cu2O.

После огневого рафинирования получают медь чистотой 99-99,5 %. Из нее отливают чушки для выплавки сплавов меди (бронзы и латуни) или плиты для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от
примесей меди (99,95 % Cu). Электролиз ведут в ваннах, покрытых изнутри
винипластом или свинцом. Аноды делают из меди огневого рафинирования,
а катоды  - из листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор
CuSO4 (10-16 %) и H2SO4 (10-16 %). При пропускании постоянного тока анод
растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы
меди:

Cu2+ + 2е- → Cu

Примеси (мышьяк, сурьма, висмут и др.) осаждаются на дно ванны, их удаляют и перерабатывают для извлечения этих металлов. Катоды выгружают, промывают и переплавляют в электропечах.

БИЛЕТ 20

Основное сырье для производства алюминия  - алюминиевые руды: бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Наибольшее значение имеют бокситы. Алюминий в них содержится в виде минералов - гидроокисей Al(ОН)3, АlOOН, корунда Аl2O3 и каолинита Аl2O3·2SiO2·2H2O. Алюминий получают электролизом глинозема - окиси алюминия (Аl2O3) в расплавленном криолите (Na3AlF6)  с  добавлением  фтористых  алюминия  и  натрия  (AlF3,  NaF). Производство алюминия включает получение безводного, свободного от примесей оксида алюминия  (глинозема); получение криолита из плавикового шпата; электролиз глинозема в расплавленном криолите.

Глинозем получают из бокситов путем их обработки щелочью:

Аl2O3 · n H2O + 2NaOH = 2NaAlO2 + (n+1) H2O

Полученный алюминат натрия NaAlO2 подвергают гидролизу:

NaAlO2 + 2Н20 = NaOH + Al(ОН)3↓

В  результате  в  осадок  выпадают  кристаллы  гидроксида  алюминия Al(ОН)3. Гидроксид алюминия обезвоживают во вращающихся вечах при температуре 1150-1200 °С и получают обезвоженный глинозем Аl2O3.

Для производства криолита сначала из плавикового шпата получают
фтористый водород, а затем плавиковую кислоту. В раствор плавиковой кис-
лоты вводят Al(ОН)3, в результате чего образуется фторалюминиевая кисло-
та, которую нейтрализуют содой и получают криолит, выпадающий в осадок:

2H3AlF6 + 3Na2CO3 = 2Na3AlF6↓ + 3CO2 + 3H2O

Его отфильтровывают и просушивают в сушильных барабанах.

Электролиз глинозема Аl2O3 проводят в электролизере, в котором имеется ванна из углеродистого материала. В ванне слоем 250-300 мм находится расплавленный алюминий, служащий катодом, и жидкий криолит.

Анодное устройство состоит из угольного анода, погруженного в электролит. Постоянный ток силой 70-75 кА и напряжением 4-4,5 В подводится для электролиза и разогрева электролита до температуры 1000 °С.

Электролит состоит из криолита, глинозема, AlF3 и NaF. Криолит и глинозем в электролите диссоциируют; на катоде разряжается ион Аl3+ и образуется алюминий, а на аноде - ион О2-, который окисляет углерод анода до СО и СO2, удаляющихся из ванны через вентиляционную систему. Алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его периодически извлекают, используя специальное устройство. Для нормальной работы ванны на ее дне оставляют немного алюминия.

Алюминий, полученный электролизом, называют алюминием-сырцом. В нем содержатся металлические и неметаллические примеси, газы. Примеси удаляют рафинированием, для чего продувают хлор через расплав алюминия. Образующийся парообразный хлористый алюминий, проходя через расплавленный металл, обволакивает частички примесей, которые всплывают на поверхность металла, и их удаляют. Хлорирование алюминия способствует также удалению Na, Са, Mg и газов, растворенных в алюминии.

Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше или электропечи в течение 30-45 мин при температуре 690-730 °С для всплывания неметаллических включений и выделения газов из металла. После рафинирования чистота первичного алюминия составляет 99,5- 99,85 %.

БИЛЕТ 21

Подобно алюминию магний получают электролизом из его расплавленных солей.

Основным   сырьем   для   получения   магния   являются   карналлит (MgCl2·KCl·6HaO),  магнезит  (MgCO3),  доломит  (СаСО3·MgСО3),  бишофит (MgCl2·6H2O). Наибольшее количество магния получают из карналлита. Сначала   карналлит   обогащают   и   обезвоживают.   Безводный   карналлит (MgCl2·KCl) используют для приготовления электролита.