Билет №1
Основные физико-химические процессы получения чугуна в современных доменных печах. Продукция доменного производства.
Чугун выплавляется из железной руды в доменных печах. Доменная печь имеет стальной кожух толщиной до 40 мм., выложенный изнутри огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник, шахту, распар, заплечики и горн.
Стенки колошника выложены литыми стальными сегментами, защищающими огнеупорную футеровку от разрушения при ударах загружаемой в печь шихты.
В верхней части печи имеется засыпной аппарат, состоящий из приемной воронки, малого конуса, распределительного устройства и большого конуса с воронкой.
При опускании малого конуса шихта попадает на большой конус. После этого малый конус подымается вверх, а большой опускается и шихта попадает в доменную печь. Такая последовательность работы механизмов засыпного аппарата необходима для предотвращения выхода колошниковых газов из доменной печи в атмосферу.
Чугун и шлак непрерывно стекают вниз, в горн и периодически выпускаются через чугунную летку и шлаковую летку. Чугунную летку открывают бурильной машиной, а после выпуска чугуна закрывают огнеупорной массой. Чугун выпускают через 3-4 часа, А шлак через 1-1.5 часа. Чугун и шлак сливают по желобам, проложенным по литейному двору, в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши.
В нижней части печи находятся фурмы, через которые вдувают в печь нагретый воздух, иногда обогащенный кислородом, а также газообразное, жидкое или пылевидное топливо. Для выплавки одной тонны чугуна вдувается около 3 тысяч метров кубических нагретого воздуха. Воздух нагревается в воздухонагревателях при сгорании колошникового газа.
Колошниковый газ (доменный газ)из доменной печи поступает в газоочиститель, после чего сгорает в камере сгорания воздухонагревателя. Обычно воздухонагреватель работает на нагрев дутья около 1часа и на разогрев огнеупорной кладки 2 часа. Поэтому для бесперебойного обслуживания доменной печи необходимо иметь три воздухонагревателя.
Физико – химические процессы, происходящие в доменной печи.
Доменная печь работает по принципу противотока. Шихтовые материалы – руд, агломерат, кокс и др. – загружаются сверху при помощи засыпного аппарата. Навстречу опускающимся материалам снизу вверх движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива (кокса).
В доменной печи протекают следующие основные процессы.
1. Горение топлива. В районе фурм под воздействием горячего воздушного дутья (1000°С) кокс воспламеняется и сгорает, воздействуя с кислородом воздуха по реакции
C+O2→CO2+Qкал.
В результате этой реакции выделяется большое количество пепла и развивается температура до 1900°С.
2. При контакте с раскаленным коксом образовавшаяся двуокись углерода почти полностью разлагается по реакции
CO2+C→2CO
Поэтому газовая фаза приобретает резко восстановительные свойства.
3. Восстановление железа из руды окисью углерода (косвенное восстановление). Этот процесс протекает последовательно от высших окислов к низшим и далее к чистому металлу:
Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe
Эти реакции протекают при сравнительно низких температурах (600-900°С) в верхней части печи без расплавления железа. В результате образуется пористое железо (губчатое) с включениями жидкого шлака.
4. Восстановление железа из руды твердым углеродом (прямое восстановление). Происходит при температурах выше 950-1000°С (зона распара печи) по реакции
FeO+C→Fe+CO-Q.
получается твердое губчатое железо.
Науглероживание железа и образование чугуна.
Образующееся в печи железо сначала в твердом состоянии (губчатое железо), поскольку оно имеет высокую температуру плавления (1539°С). Сповышением содержания углерода температура плавления сплава понижается и достигает минимального значения 1147°С при 4,3% углерода. Сплав переходит в жидкое состояние. Это обычное содержание углерода в жидком чугуне.
6. Шлакообразование начинается в распаре в результате сплавления извести CaO и пустой пароды SiO2 и AI2O3. Стекая вниз, шлак растворяет FeS, MnS.
Виды и конструкции полимерных изоляционных материалов (на основе ПЭ и ПВХ) для защиты магистральных и технологических трубопроводов транспорта нефти и газа от коррозии.
ПВХ
Поливинилхлоридные трубы изготовляют на основе непластифицированного поливинилхлорида (полимера винилхлорида или хлорвинила).
Поливинилхлорид (полихлорвинил) получают полимеризацией газа хлористого винила (хлорвинила или винилхлорида СН2 = СНС1). Исходный продукт (мономер) — хлористый винил получают из ацетилена и хлористого водорода. Молекула хлористого винила похожа на молекулу этилена, атом водорода в которой замещен атомом хлора.
Поливинилхлорид, образующийся при полимеризации в виде мелкодисперсного порошка белого или слабо-желтого цвета, является смолой.
Поливинилхлорид - винипласт. Стабилизаторы добавляют также для предотвращения деструкции смолы, возможной в процессе переработки (меламин, соли свинца и др.). Поливинилхлорид — один из наиболее технически ценных материалов. Он представляет собой достаточно прочный и пластичный непластифицированный поливинилхлорид, имеющий аморфную структуру, степень его кристалличности не более 10 %. Поливинилхлорид химически устойчив к воздействию почти всех кислот, щелочей и растворов солей любых концентраций, за исключением азотной кислоты концентрацией выше 50 % и олеума. Растворяется он в дихлорэтане и метилэтилкетоне, набухает в бензоле и толуоле. Спирт, бензин и другие нефтепродукты на него не действуют. Он обладает хорошими электроизоляционными свойствами, мало изменяющимися при увлажнении. Однако при температуре ниже минус 15°С Поливинилхлорид становится хрупким. Он подвержен хладнотекучести (ползучести при комнатной температуре), т.е. нарастанию деформации во времени при постоянном воздействии даже небольших нагрузок, и очень чувствителен к температуре.
Поливинилхлоридные трубы по сравнению с полиэтиленовыми имеют несколько большую плотность, меньшую морозостойкость, такую же теплостойкость и высокую химическую стойкость по отношению к транспортируемым по ним газу, нефти и другим нефтепродуктам. Теплопроводность труб примерно в 300 раз меньше, чем теплопроводность стальных. Поливинилхлоридные трубы склонны к старению от воздействия ультрафиолетовых лучей, несмотря на присутствие стабилизаторов. С понижением температуры повышается хрупкость труб из ПВХ: предел текучести повышается, а относительное удлинение уменьшается. При температуре минус 8—10°С относительное удлинение ПВХ близко к нулю.
Трубы из ПВХ чувствительны к надрезам, царапинам и требуют бережного к ним отношения. При длительном действии постоянного напряжения, особенно при нагреве, трубы из ПВХ обладают склонностью к нарастанию деформации, поэтому они имеют ограниченный предел применения по рабочим давлениям и температуре. Повышение температуры приводит к увеличению пластичности и уменьшению прочности труб.
Трубы из ПВХ используют для технологических трубопроводов с агрессивными средами, если температура жидкости или газа не больше 40°С, а также для систем водоснабжения, канализации и ирригационных систем.
ПЭ
Полиэтиленовые трубы
Полиэтилен - продукт полимеризации газа этилена СН2-СН2. Он имеет линейное молекулярное строение и относится к термопластичным материалам. По внешнему виду полиэтилен представляет собой твердый высокоупругий белый материал, жирный на ощупь, режущийся ножом. Плотность его меньше единицы. По плотности полиэтилен подразделяется на полиэтилен низкой плотности — ПЭНП (молекулярная масса 80 000-500 000, плотность 0,92-0,93 г/см3), средней плотности -ПЭСП (молекулярная масса 300000-400000,. плотность 0,93-
0,94 г/см3) и высокой плотности - ПЭВП (молекулярная масса до 3 000 000, плотность 0,94-0,96 г/см3). Полиэтилен низкой плотности получают при высоком давлении (100—300 МПа), температуре 200 —300°С и небольших количествах кислорода в качестве инициатора полимеризации. Полиэтилен средней плотности получают при средних давлениях 3,5-7 МПа и температуре 150-190°С в среде растворителя с катализатором. Полиэтилен высокой плотности получают при атмосферном или низком давлении 0,2-0,6 МПа в присутствии катализатора в среде растворителя (полиэтилен низкого давления - ПЭНД). Зависимость свойств полиэтилена от температуры наблюдается как и у других полимеров. При температуре выше 60°С полиэтилен становится высокоэластичным материалом. Полиэтилен обладает высокими диэлектрическими свойствами, морозостойкостью (ниже —70°С), химической стойкостью в растворах щелочей, солей, кислот (в том числе плавиковой) и водостойкостью. Разрушается он лишь в присутствии окислителей (растворы азотной кислоты, перекисей). При обычной температуре полиэтилен нерастворим в органических растворителях, но набухает в диэтиловом эфире, бензине, бензоле, толуоле, ксилоле, хлороформе и четыреххлористом углероде. Растворимость ПЭВД несколько больше, чем ПЭНД. Набухание полимера сопровождается снижением прочности. С повышением температуры набухаемость полиэтилена возрастает. Выше температуры 60 — 80 С, по мере снижения степени кристалличности полиэтилена, он начинает растворяться в перечисленных растворителях. По отношению к нефти, газу и нефтепродуктам полиэтилен считают достаточно устойчивым. Набухание полиэтилена в нефтяных средах хотя и происходит в течение длительного времени, вызывает незначительное его разупрочнение.
Опыт эксплуатации газопроводов показал, что полиэтиленовые трубы имеют высокую стойкость к природному углеводородному газу (СН4) и меньшую устойчивость к сниженной и газообразной пропан-бутановой смеси.
Полиэтилен подвержен старению в процессе эксплуатации под действием тепла, кислорода воздуха, ультрафиолетовых лучей. При старении происходит ухудшение физико-механических свойств: уменьшаются морозостойкость, текучесть, относительное удлинение, ударная вязкость, повышается хрупкость. Поэтому при изготовлении полиэтилена вводят противостарители (например, фенолы). Полиэтилен - горючий материал. Для уменьшения его горючести вводят специальные добавки (оксид сурьмы III, хлорированные углеводороды и др.).
Полиэтиленовые трубы обладают некоторыми преимуществами, благодаря которым они получили наиболее широкое применение для изготовления как газонефтепроводов, так и трубопроводов различного назначения во всех отраслях промышленности. Основные из них -эластичность, морозостойкость, малое водопоглощение (менее 0,03 %), большая химическая стойкость, высокие диэлектрические и теплоизоляционные свойства, простота переработки в изделия и небольшая себестоимость. Применению полиэтилена способствует также его легкость, прекрасная сопротивляемость ударным нагрузкам и способность выдерживать напряжения, возникающие в случае замерзания воды в трубах. Благодаря хорошим электроизоляционным свойствам полиэтиленовые трубы не подвергаются воздействию блуждающих токов.
К недостаткам полиэтиленовых труб относят их небольшую теплостойкость, высокий коэффициент линейного расширения, подверженность тепловому и световому старению, воспламеняемость и горючесть. Большой недостаток полиэтилена, как и других термопластов - полипропилена (ПП), поливинилхлорида (ПВХ), - ползучесть, т.е. медленная деформация при действии нагрузок.
Билет №2
Основные физико-химические процессы получения стали. Способы повышения качества стали: обработка стали синтетическими шлаками в ковше, вакууммирование жидкой стали, электрошлаковый и вакуумно-дуговой переплавы.
В настоящее время сталь производится в двух типах плавления агрегатов – конверторах, мартеновских печах. При этом за последнее время доля конверторной стали непрерывно возрастает (40%),а доля мартеновской стали сокращается (40%). Доля качественной и дорогой электростали (20%)-непрерывно растет.
Первые опыты по разработке этого осуществил в 1933-1934гг. А. И. Мозговой. В промышленности кислородно- конверторный способ впервые появился в 1952-1953гг. на заводах Австрии.
Сущность процесса. 1. Во всем мире основными исходными материалами для производства стали являются предельный чугун и стальной лом (скрап). 2. Сталь отличается от чугуна более низким содержанием углерода (практически менее 1.5%, теоретически менее 2.14%) и примесей Mn, Si, S, P. 3. Поэтому сущностью металлургического процесса передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.
Устройство конвертора показано на Его грушевидный корпус (кожух) сварены из листовой стали толщиной до 110мм; внутри он футерован огнеупорным материалом (смолодоломитовыми кирпичами CaCO3 и MnCO3) толщиной до 1 метра. Емкость конверторов от 70 до 400т., высота 9м., диаметр горловины 3.5м.
Шихтовые материалы для конверторной плавки – предельный жидкий чугун, стальной скрап (до 25-50% от массы чугуна), шлакообразующие (флюс) – известь CaO (5-8%)
Технология плавки.
1. Конвертор наклоняют и через горловину с помощью завалочной машины загружают скрап.
2. Затем в конвертор заливают чугун при температуре 1250-1400°С, доставленный в ковшах из миксера.
3. После этого конвертор поворачивают в вертикальное положение, вводят фурму и подают кислород. Одновременно с началом продувки в конвертор загружают флюс (известь, боксит), железную руду.
4. При выпуске стали из конвертора ее раскисляют вначале ферромарганцем, затем ферросилицием и алюминием. Готовую сталь выпускают в сталеразливочной ковке, куда сливают небольшое количество шлака.
5. Слив шлака в шлаковозную чашу.
ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В КИСЛОРОДНОМ КОНВЕРТОРЕ.
Происходит интенсивное выгорание углерода и вредных примесей серы и фосфора. окислительный период
C+O→CO
Fe+O→ FeO растворяется в стали
C+ FeO→Fe + CO
Mn + O → MnO в шлак
Удаление серы
FeS+CaO→CaS+FeO известь в шлак в сталь