Доменная печь сообщение 7 класс

Обновлено: 17.05.2024

Ключевые слова конспекта: производство чугуна, производство стали, железная руда, чугун, сталь, руда, кокс, силикат кальция, пирит, доменная печь.

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА. ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ

По объёму производства и потребления железо является важнейшим металлом. Обычно железо используется в виде сплавов. Отрасль промышленности, производящая железо и его сплавы, – чёрная металлургия.

Источником получения железа является железная руда. В руде основными компонентами являются соединения железа:

Fe₃O₄ – магнетит (магнитный железняк),
Fe₂O₃ – гематит (красный железняк),
Fe₂O₃nH₂O – лимонит (бурый железняк),
FeS₂ – пирит (железный колчедан, серный колчедан).

Пирит сначала обжигают (в ходе производства серной кислоты), а огарок (Fe₂O₃) используют в производстве чугуна.

Продуктами производства являются чугун и сталь.

Чугун – сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет более 2%, а также имеются примеси кремния, фосфора, серы и марганца.

Производство чугуна осуществляют в доменных печах (см. рис). Сырьём для производства являются железная руда, кокс, известняк и горячий воздух.

Руда последовательно претерпевает превращения:

В руде присутствует также пустая порода, которую образует главным образом кремнезём – SiO₂. Это тугоплавкое вещество. Для превращения его в легкоплавкие соединения к руде добавляется флюс. Обычно это известняк. При взаимодействии его с кремнезёмом (SiO₂) образуется силикат кальция:

СаСO₃ + SiO₂ = CaSiO₃ + CO₂↑ (800 °С)

Образующийся силикат легко отделяется в виде шлака.

При восстановлении руды железо получается в твёрдом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи – распар – и растворяет в себе углерод. Образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть домны, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки периодически выпускают через особые отверстия.

Когда металлическое железо выделяется в жидком состоянии, в нём сравнительно хорошо растворяется углерод. При кристаллизации такого раствора образуется чугун – сплав железа с углеродом. Он обладает высокой хрупкостью из-за большого содержания в нём карбида железа Fe₃C (цементита), который образуется в результате побочных реакций:

3Fe + С = Fe₃C
3Fe + 2СО = Fe₃C + СO₂

В чугуне содержатся примеси фосфора, серы. Сера ухудшает текучесть чугуна и вызывает красноломкость стали – хрупкость при нагревании до температуры красного каления. Фосфор вызывает хладноломкость стали – хрупкость при обычной температуре.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сталь – сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет менее 2%.

Сущность получения стали из чугуна заключается в уменьшении содержания углерода в металле и возможно более полном удалении примесей – серы и фосфора, а также в доведении содержания кремния, марганца и других элементов до требуемых пределов.

Существует несколько способов переработки чугуна в сталь : мартеновский, бессемеровский и томасовский. Они различаются методами окисления.

В бессемеровском и томасовском способах окисление осуществляется кислородом воздуха, продуваемого через расплавленный металл. Во всех процессах углерод, содержащийся в металле, окисляется до СО и СO₂, удаляемых из реакционной зоны. Кремний Si, марганец Мn, хром Сг и другие металлы, окисляясь, переходят в шлак в виде SiO₂, МnО и т. д.

Механизм процесса окисления может быть представлен следующим образом. В первую очередь окисляется часть железа. Часть образующихся оксидов растворяется в металле и взаимодействует с примесями:

С + FeO ⇆ Fe + СО
Si + 2FeO ⇆ 2Fe + SiO₂
2P + 5FeO ⇆ 5Fe + P₂O₅

Для максимального удаления примесей серы и фосфора необходимо, чтобы в процессе передела чугуна получались основные шлаки; это достигается путём добавления известняка или извести. Сера, содержащаяся в чугуне в виде FeS, реагирует с оксидом кальция СаО:

FeS + СаО = CaS + FeO

Образующийся сульфид кальция переходит в шлак. Образовавшийся P₂O₅ также взаимодействует с известью, образуя фосфат кальция, переходящий в шлак:

3СаО + P₂O₅ = Са₃(РO₄)₂

Бессемеровский и томасовский способы осуществляют в конвертерах. Конвертеры – аппараты грушевидной формы, изготовленные из специальной котельной стали (кожух) и футерованные изнутри огнеупорными материалами.

Еще в древние времена человек научился добывать железо в сыродутных печах. Такой способ применялся в течение многих веков и полностью удовлетворял потребности производства. Для этих целей вполне хватало легкоплавких руд, в изобилии встречающихся на поверхности земли. Однако уже в средние века потребность в железе стремительно возросла и возникла необходимость в использовании тугоплавких руд. Чтобы извлечь железо из такой руды, необходима была очень высокая температура плавки. Повысить температуру можно было путем увеличения высоты печи либо за счет усиления дутья.

Таким образом, на смену сыродутной печи пришла новая плавильная печь, названная штукофена. Более высокая и значительно более усовершенствованная штукофена стала началом на пути к созданию доменной печи. Несмотря на то, что не изменился процесс добычи железа из руды, наблюдался явный прогресс. Закрытая шахта в штукофенах позволяла концентрировать тепло, а благодаря высоте, достигающей 3,5 м, плавка стала равномернее и полнее, увеличился коэффициент использования руды.

В штукофенах получали три вида железного сырья: сталь, ковкое железо и чугун. Все три вида представляют собой сплав химического железа и углерода. Различие между ними состоит в количестве содержащегося в них углерода. Так, содержание углерода в стали составляет до 1,7%, в ковком железе — менее 0,04%, в чугуне — более 1,7%. Количество углерода в металле оказывает огромное влияние на их свойства. Например, железо является мягким, хорошо поддающимся ковке металлом, а чугун, напротив, хрупкий и твердый, не поддается ковке. Сталь — очень твердая, имеет отличные режущие качества.

Тугоплавким рудам необходимо было более сильное дутье. К концу XIV века плавильные печи были усовершенствованы гидравлическими двигателями, которые приводили в действие кожаные меха. Благодаря этому усилилось дутье, что отразилось на всем процессе. Температура в печи стала настолько высокой, что при восстановлении железа из руды большая его часть стала превращаться в чугун. Вначале это неприятно поразило мастеров, так как новый металл не поддавался ковке, не сваривался, был хрупкий и не пригоден для изготовления из него прочных инструментов, острого оружия.

Доменная печь

Чтобы не выбрасывать негодный материал, чугун стали выбирать из шлака, добавлять к руде и пускать на повторную плавку. Так было положено начало величайшему открытию в металлургии — переделочному процессу. Неожиданно мастера обнаружили, что после усиленного дутья чугун превращается в кричное железо, причем, по своим свойствам и качеству он нисколько не уступал железу, полученному из руды, но был даже лучше. На плавку чугуна уходило меньше времени и требовалось меньше топлива. Расплавленный чугун проще выпустить из печи, чем твердую крицу. Благодаря отличным литейным качествам из чугуна стали отливать ядра, отдельные части пушек, печные котлы, молоты и другую продукцию. Так было положено начало величайшему открытию в металлургии — переделочному процессу. Правда, широчайшее применение он получил в XVI веке с появлением доменных печей.

Важным шагом к доменной печи стало появление блауофен — поддувных печей. Они были значительно выше штукофены (5-6 м) и позволяли совершать непрерывный процесс плавки при довольно высокой температуре. Они позволяли одновременно получать железо и чугун. Наконец появилась идея сделать процесс плавки двухступенчатым. Блауофены были усовершенствованы, они превратились в доменную печь, или как ее часто называют, домну, предназначенную для получения чугуна. Переделочный процесс получил окончательное признание.

Двухступенчатый процесс плавки начал быстро вытеснять сыродутный процесс. На первой стадии, называвшейся доменным процессом, из руды выплавляли чугун. Вторая стадия, получившая название кричного передела, заключалась в переплавке чугуна в железо. Первые домны появились в Вестфалии примерно во второй половине пятнадцатого века. Они отличались от блауофенов большей высотой шахты, большим объемом верхней части шахты и более мощным воздуходувным аппаратом. Вначале домны были с закрытой грудью, позже стали строить домны с открытой грудью. Производительность домны высотой 4,5 м достигала 1600 кг в день. Процесс переработки чугуна происходил в кричном горне. Вначале загружали древесный уголь и подавалось дутье. Когда древесный уголь разгорался, возле сопла ложили чугунные чушки. Чугун плавился и стекал вниз. Проходя против фурм, он терял часть углерода. В результате получали малоуглеродистое железо тестообразной консистенции. Это железо подавали к соплу. Под действием дутья выгорала большая часть углерода, а мягкий, легко сваривающийся металл оседал на дно горна. Образовавшуюся на дне горна крицу, весом от 50 до 100 и больше килограмм, извлекали и проковывали под молотом для уплотнения и удаления жидкого шлака. Коэффициент извлечения готового кричного железа достигал 90-92% от веса чугуна. Кричное железо было более высокого качества, чем сыродутное из-за меньшего содержания шлака.

Доменная печь

Благодаря двухступенчатому процессу в несколько раз возросла производительность труда, что позволило удовлетворить возросший спрос на металл. Однако вскоре в металлургии наметилась проблема нехватки топлива. В результате использования древесного угля вырубались десятки тысяч гектаров леса. Остро встал вопрос поиска и применения в плавке нового вида топлива. В 1619 году Додлей первым заменил древесный уголь на каменный. Большим недостатком каменного угля было наличие в нем серы, что мешало хорошей выделке железа. Лишь в 1735 году Дерби предложил поглощать серу, используя негашеную известь во время термической обработки каменного угля в закрытых тиглях. Таким образом был получен кокс. С этого момента каменный уголь нашел широкое применение.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Описание презентации по отдельным слайдам:

Презентацию выполнил Дроздов Евгений группа 2ТОР9-5 Преподаватель Ильясов К.З. ГБПОУ КС№54 Устройство доменной печи

До́менная печь, до́мна — большая металлургическая, вертикально расположенная плавильная печь шахтного типа для выплавки чугуна и ферросплавов из железорудного сырья.

История создания Первые доменные печи появились в Европе в середине XIV века, в России — около 1630 года. 11 сентября 1828 г. Джеймс Бомон Нилсон получил патент на использование горячего дутья и в 1829 г. осуществил нагрев дутья на заводе Клайд в Шотландии. Использование в доменной печи нагретого только до 150°С дутья вместо холодного привело к снижению удельного расхода каменного угля, применяемого в доменной плавке, на 36 %. 19 мая 1857 года Э. А. Каупер запатентовал воздухонагреватели)], также называемые регенераторами или кауперами, для доменного производства, позволяющие сэкономить значительные количества кокса.

Схима доменной печи: 1 – загрузочная воронка; 2– загрузочный конвейер; 3 – шахта; 4 – шлаковая лётка; 5 – фурма; 6 – шлаковоз; 7 – чугунная лётка; 8 – чугуновоз; 9 – отходящий газ; 10 – газоочистка; 11 – воздухонагреватели

Схема доменного производства: 1 : железная руда + известняк 2 : кокс 3 : лента конвейера 4 : колошник с аппаратом, предотвращающим уход доменного газа в атмосферу 5 : слой кокса 6 : слои известняка, оксида железа, руды 7 : горячий воздух (с температурой около 1200 °C) 8 : шлак 9 : жидкий передельный чугун 10 : шлаковый ковш 11 : чугуновоз 12 : циклон для очистки доменного газа от пыли перед сжиганием его в регенераторах 13 13 : регенераторы (кауперы) 14 : дымовая труба 15 : подача воздуха в регенераторы (кауперы) 16 : порошок угля 17 : коксовая печь 18 : резервуар для кокса 19 : газоотвод для горячего колошникового газа

Сырые материалы и подготовка их к доменной плавке

Топливо доменной плавки В качестве топлива в современной доменной плавке применяют кокс, мазут, природный и коксовый газы и каменноугольную пыль. Основным видом топлива является кокс. Коксом называется пористое спекшееся вещество, остающееся после удаления из каменного угля летучих веществ при нагревании его до 950-1200° С без доступа воздуха. Это единственный материал, который сохраняет форму куска в доменной печи на всем пути движения от колошника к горну. Благодаря этому обстоятельству обеспечивается прохождение газового потока через слой жидких, полужидких и твердых материалов в доменной печи. В нижней части печи раскаленный кокс образует своеобразную дренажную решетку, через которую в горн стекают жидкие продукты плавки. Высота столба шихты в современной доменной печи достигает 30 м, поэтому кокс, особенно в нижней части печи, воспринимает большие нагрузки. Отсюда вытекает основное требование, предъявляемое к коксу: высокая механическая прочность как в холодном, так и в нагретом состоянии.

Черная металлургия России

С развитием промышленности требовалось всё больше железа. Запас легкоплавких руд иссяк, и пришлось из глубин земли извлекать тугоплавкие руды, требующие высокотемпературной переработки. Совершенствование плавильных печей в XIII-XVI вв. привело к появлению доменной печи. Попутно металлурги открыли ещё неизвестные свойства железа и новый способ его выплавки — кричный передел.

Штукофен — первый шаг

Негодный чугун

При высоких температурах плавления рудное железо быстрее избавляется от окислявших его атомов кислорода и соединяется с атомами углерода (из угля). В штукофене железо обогащалось углеродом раньше, чем от него успевал отделиться шлак (иные примеси). Шлак выплавлялся, когда в печи уже образовывался не только комок крицы — железа с небольшим содержанием углерода, но и расплавленный чугун — переобогащённое углеродом железо.

Высокое содержание углерода делало чугун хрупким, не поддающимся ни ковке, ни сварке. Что было делать с таким металлом? А чугуна при выплавке тугоплавких руд получалось много, и он смешивался с жидким шлаком. Поначалу эту смесь выбрасывали, но в XIV в. стали извлекать из раздробленного шлака корольки — однородные кусочки чугуна и отливать из него грубые изделия.

Шаг второй — блауофен

Для переплавки чугуна стали строить ещё более высокие (до 6 м) печи с гидравлическим поддувом — блауофены. Плавка 70 кг руды в блауофене длилась 15 часов. После плавки печь охлаждали, извлекали крицу (до 40 кг) и чугун (до 20 кг), который вручную очищали от шлака для повторной переплавки в крицу.

Домна и кричный горн

Остывание печи, извлечение из неё крицы, чугуна и шлака, подготовка печи к новой плавке занимали до 10 часов, и очистка чугуна от шлака требовала много труда. Поэтому переделочный процесс в металлургии закрепился только в конце XV в., когда была изобретена доменная печь (домна) и найден двухступенчатый способ изготовления железа. В доменной печи руда плавилась долго и при высокой температуре и вся переплавлялась в переобогащённый углеродом чугун (крицу уже не извлекали). Выплавка в печи шла непрерывно — через колошник загружали шихту и уголь, они плавились в шахте печи и стекали вниз. Лёгкий шлак образовывал верхний слой расплава и вытекал через верхнюю лётку (отверстие), а тяжёлый чугун со дна стекал по нижней лётке. Домна была выше блауофена (высота современных доменных печей до 35 м), и для поддува в неё подавался не сырой, а горячий воздух, что позволяло увеличить нагрев до 2000 °С.

Чугун плавится при более низких температурах, чем руда, и его перерабатывали в железо в кричных горнах, сходных с сыродутными печами. За 1-2 часа плавки с углём углерод выгорал из чугуна, и на дне горна оседала мягкая масса кричного железа с низким содержанием шлака, который потом удаляли ковкой. В средневековых горнах за сутки из тонны чугуна получали около 920 кг железа. Процесс восстановления железа из чугуна называется кричный передел.

Развитие идеи

Усовершенствованные и механизированные доменные печи используются и по сей день. А на смену кричным печам в 1856 г. англичанин Г Бессемер предложил особый аппарат — конвертер, перерабатывающий расплавленный чугун в сталь путём продувки через него сжатого воздуха. Кислород из воздуха соединяется с углеродом из чугуна, образуя летучий углекислый газ и освобождая металл от избытка углерода. Бессемеровский процесс, экономя уголь, удешевил производство стали.

В 1864 г. француз П. Мартен для передела чугуна сконструировал печь с низким потолком, раскаляемую смесью горючего газа и воздуха. Мартеновские печи использовали больше 100 лет.

С 1970-х гг. сталь выплавляется преимущественно конвертерным способом (близким к бессемеровскому) и электроплавкой (с помощью электрического тока).

Читайте также: