2. Топливо

Топливо подразделяется:

а) по агрегатному состоянию- на твердое, жидкое и газообразное;

б) по происхождению- на естественное и искусственное. К естест­венным относятся: уголь, нефть, природный газ. К искусственным от­носятся: кокс (получаемый нагревом каменных углей до температуры 1000 °С без доступа воздуха и обладающий большей прочностью, теп­лотой сгорания и чистотой от примесей серы), бензин, керосин, мазут, генераторный, доменный и коксовый газы.

Основной показатель топлива - его удельная теплота сгорания, то есть количество теплоты, выделяемое при полном сгорании единицы массы или объема топлива (Дж/кг и Дж/м³). Теплота сгорания тем вы­ше, чем выше содержание горючей массы (углерода и водорода) и ни­же содержание негорючей массы (кислорода, азота, золы и влаги). На­пример, удельная теплота сгорания (кДж/кг) нефти - 42000, антрацита

• 33000, каменного угля ~ 29300, бурого угля - от 15000 до 21000. Для сравнительного анализа топлив введено понятие «условное топливо» с теплотой сгорания 29300 кДж/кг. При пересчете оказывается, что одна тонна бурого угля эквивалентна по теплосодержанию 0,5 т условного топлива, 1т каменного угля эквивалентна

1 т условного топлива, 1 т нефти эквивалентна 1,4 т условного то­плива.

3. Основные технологические методы подготовки сырья

Подготовка сырья необходима для повышения производительно­сти и эффективности производства.

Основные методы подготовки:

1. Дробление и измельчение;

2. Сортировка;

3. Обогащение;

4. Укрупнение.

Дробление сырья может быть основной или подготовительной операцией. Основной операцией оно является тогда, когда дробленое сырье непосредственно используется в технологическом процессе. В качестве подготовительной операции дробление применяют перед обогащением или укрупнением материала. Дробление осуществляют в дробилках, а измельчение - в мельницах. Целесообразно сырье дро­бить до нужных размеров с многократной промежуточной сортиров­кой для отделения готовых по размеру кусков, чтобы не подвергать их повторному дроблению. Это обеспечивает экономию энергии, умень­шение износа оборудования, увеличение производительности и выхода годного продукта.

Сортировка дробленых и измельченных материалов по классам крупности материалов производится при помощи механических реше­ток или сит. Разделение в воде или в воздухе с использованием разно­сти скоростей осаждения частиц различной крупности называют клас­сификацией (гидравлической или воздушной).

Обогащение сырья производят с целью повышения относительного содержания в нем полезных элементов. Это обеспечивает более рацио­нальное использование оборудования, экономию транспортных средств и улучшение качества готовой продукции. Суть обогащения заключает­ся в частичном отделении и удалении из руды пустой породы. Продук­том обогащения являются концентраты, т.е. фракции с повышенным содержанием полезных компонентов. Методы обогащения сырья зави­сят от его агрегатного состояния и свойств основных компонентов. Они основаны на различии свойств полезных компонентов и пустой породы (плотность, магнитная проницаемость, смачиваемость и т.д.). Виды обо­гащения подразделяют на механические (гравитационное разделение, электромагнитная сепарация и др.), фгоико-химические (флотация, ад­сорбция, абсорбция, выпаривание) и химические.

Укрупнение сырья производится для превращения мелких мате­риалов в кусковые заданных размеров. Это повышает степень исполь­зования сырья и безотходность производства, обеспечивает и улучша­ет технологические показатели перерабатывающего оборудования. Различают три основных способа укрупнения сырья: 1) брикетирова­ние - изготовление брикетов определенных размеров и формы под избыточным давлением, 2) агломерация - спекание измельченного материала в слое смеси с измельченным углем, 3) производство ока­тышей путем окомкования измельченного сырья с добавками связую­щих веществ с последующим обжигом их.

4. Основные тенденции в решении сырьевой проблемы

На долю сырья в себестоимости продукции приходится значитель­ная часть (до 70%). Поэтому важен правильный выбор сырья и эконо­мически эффективное его использование. Это достигается следующим:

1. Применение более дешевых видов сырья, в том числе замена привозного сырья местным с учетом высокой стоимости транспорти­ровки;

2. Применение концентрированного (обогащенного) сырья;

3. Комплексное использование сырья, т е. максимальное извле­чение и использование всех ценных компонентов, содержащихся в сырье. Например, из одной горной породы возможно получение раз­личных металлов и неметаллов, солей и строительных материалов. При этом повышается экономическая эффективность производства и снижается себестоимость основных продуктов;

4. Использование отходов производства в качестве сырья;

5. Замена пищевого и растительного сырья минеральным.

   5. Вода в промышленности

Для промышленных и бытовых нужд применяется только пресная вода, составляющая около 3% ее запасов. Поэтому в промышленности широко используется повторное (оборотное) водоснабжение по замк­нутому циклу.

Для промышленных вод основными показателями являются: жест­кость, солесодержание, количество растворенных газов и механиче­ских примесей.

Жесткость воды обусловлена наличием в ней солей кальция и маг­ния. Различают три ввда жесткости воды: 1) временную, устраняемую кипячением; 2) постоянную, обусловленную наличием в воде более прочных соединений кальция и магния, которые при кипячении не удаляются; 3)общую (сумма временной и постоянной).

Вода с содержанием солей более 1 г/кг относится к соленой. Нали­чие в воде солей и механических примесей приводит к образованию накипи, ухудшающей работу теплообменных систем из-за уменьшения теплопроводности и проходного сечения.

Растворенные в воде газы вызывают коррозию труб.

Подготовка промышленной воды включает:

1. отстаивание с использованием коагулянтов для ускорения об­разования коллоидного осадка;

2. фильтрование в основном через песчаные фильтры;

3. обеззараживание: хлорирование, озонирование, кипячение, об­работка ультразвуковыми волнами и ультрафиолетовым облучением;

4. умягчение (удаление солей кальция и магния добавками соды, гашеной извести, едкого натра, кипячением, дистилляцией) и обессо- ливание (удаление всех солей).

5. Энергия в технологических процессах

Все технологические процессы являются потребителями энергии. В промышленности наиболее широко применяются электрическая, ядерная, тепловая и химическая энергии.

Электрическая энергия применяется для получения механической энергии, для осуществления различных физических и механических процессов, для нагревания, электрохимических, электростатических и др. процессов. Источником электрической энергии служат энергия воды рек, ядерные реакции и тепловая энергия, получаемая при сгора­нии топлива.

Ядерная энергия образуется при расщеплении урана, При распаде 1 кг урана выделяется количество теплоты, эквивалентное сгоранию 300 т каменного угля. Мировые запасы ядерного горючего обладают потенциальной энергией, превосходящей в десятки раз энергию разве­данных запасов угля, нефти и природного газа вместе взятых. Атом­ные электростанции обладают высоким коэффициентом полезного действия и являются эффективными поставщиками электроэнергии.

Тепловая энергия получается при сжигании топлива и применяется для отопления, проведения многих технологических процессов (нагре­вание, плавление, сушка, перегонка и т.д.) и для преобразования в электрическую.

Химическая энергия, выделяющаяся при экзотермических химиче­ских реакциях, служит источником теплоты для проведения эндотер­мических химических процессов. Она также применяется в гальвани­ческих элементах и аккумуляторах для преобразования в электриче­скую энергию. Эти источники энергии характеризуются высоким к.п.д.

К числу возобновляемых источников энергии относятся энергия ветра и Солнца, световая, геотермальная и энергия морских приливов.

6. ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1. Свойства металлов и сплавов

Различают механические, физические, технологические и эксплуа­тационные свойства материалов.

Механические свойства включают прочность, пластичность и твердость.

Прочность характеризует способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок. Она оценивается отношением максимальной нагрузки до разрушения образца к площади его попе­речного сечения. Различают предел прочности при растяжении, при изгибе и при сжатии (при статической нагрузке), а также ударную вяз­кость (при динамической нагрузке).

Пластичность характеризует способность материала деформиро­ваться под действием статической нагрузки без разрушения. Она оце­нивается относительным удлинением и сужением образца при растя­жении и относительным его укорочением при сжатии и выражается в процентах.

Твердость характеризует способность материала сопротивляться вдавливанию в него другого более твердого тела (стальной закаленный шарик, алмазный конус, алмазная пирамида). Оценивается отношени­ем приложенной нагрузки (на шарик, конус, пирамиду) к площади по­лученного отпечатка. Широко применяют методы оценки твердости по Бринеллю (для чугунов, цветных сплавов и мягких сталей), по Роквел­лу (для мягких и закаленных сталей), по Виккерсу (для твердых спла­вов). Существуют и другие методы оценки твердости (метод Шора, метод царапания и т.д.).

Физические свойства: плотность (отношение массы вещества к его объему), температура плавления, электро- и теплопроводность, коэффициенты линейного и объемного расширения (при изменении температуры материала на 1°С).

Технологические свойства: а) обрабатываемость давлением в хо­лодном и горячем состояниях (ковкой, штамповкой), б) обрабатывае­мость резанием (оценивается скоростью затупления резца), в) свари­ваемость (способность образовывать сварные соединения с требуемы­ми механическими свойствами), г) литейные свойства - оцениваются совокупностью показателей: жидкотекучесть, усадка, газопоглощение, ликвация (неравномерность распределения компонентов сплава по его объему) и др., д) упрочняемость - способность материала приобретать более высокую прочность после термической и механической обра­ботки.

Эксплуатационные свойства: жаропрочность (сохранение прочно­сти при нагреве), жаростойкость (сопротивление окислению поверхно­сти при нагреве), термостойкость (способность выдерживать опреде­ленное число циклов «нагрев-охлаждение»), коррозионная стойкость (в различных агрессивных средах), износостойкость (сопротивление поверхностному разрушению при трении) и др.

2. Классификация металлов и сплавов

Все металлы можно разделить на две большие группы: черные и цветные. К черным относят железо и его сплавы, а также марганец и хром.

Все остальные металлы цветные:

• легкие (алюминий, магний, титан);

• тяжелые (медь, свинец, цинк, олово, никель);

• благородные (золото, серебро, платина); редкоземельные (лантан, церий);

• радиоактивные (уран, радий) и др.

К сплавам на основе железа относятся сталь (содержание углерода до 2,14%) и чугун (более 2,14% углерода).

Стали классифицируют:

1. по способу производства - мартеновская, кислородноконвер­терная, электросталь и т.д.;

2. по назначению - конструкционные (детали машин и станков, металлоконструкции мостов и др.), инструментальные (резцы, фрезы, штампы, измерительный инструмент), специального назначения (не­ржавеющая, кислотоупорная, трансформаторная и др.);

3. по качеству - сталь обыкновенного качества (с содержанием серы и фосфора до 0,06%), качественная (до 0,04% серы и фосфора), высококачественная (до 0,03% серы и фосфора);

4. по химическому составу - углеродистые (низкоуглеродистые - до 0,25% углерода, углеродистые - от 0,26 до 0,6% углерода, высоко­углеродистые - от 0,6 до 1,5% углерода) и легированные (низколеги­рованные - до 2,5% легирующих элементов, среднелегированные -от 2,5 до 10% легирующих элементов и высоколегированные - более 10% легирующих элементов);

5. по степени раскисленности и характеру затвердевания - спо­койные, полуспокойные и кипящие.

Чугуны вследствие повышенного содержания углерода отличают­ся от стали наличием в структуре включений графита (продукт кри­сталлизации избыточного углерода). Включения графита ослабляют металлическую основу, что обусловливает пониженную прочность чугуна по сравнению со сталью. В зависимости от формы графитных включений различают следующие виды чугунов:

1. серый (СЧ)- с пластинчатыми включениями графита;

2. ковкий (КЧ) - с более компактными хлопьевидными включе­ниями графита, что определяет его повышенную прочность;

3. высокопрочный (ВЧ) - с шаровидными включениями графита и высокой прочностью, приближающейся к прочности стали.

Из числа цветных сплавов наибольшее применение имеют медные, алюминиевые и магниевые сплавы.

К медным промышленным сплавам относятся: латуни (Си + Zn), бронзы оловянные (Си + Sn) и безоловянные (Си + Fe, Al, Мп и др.), мельхиоры (Си + Ni). Обладают хорошими литейными, механически­ми, антифрикционными и антикоррозионными свойствами.

Алюминиевые и магниевые сплавы имеют достаточно высокие ме­ханические свойства и низкую плотность, что обусловливает их широ­кое применение в авиационной промышленности.

3. Производство чугуна

1. Технология производства чугуна

Исходными материалами служат: железные руды, кокс и флюсы. В рудах железо находится в виде оксидов. Содержание железа в рудах

• от 40 до 70%. Пустая порода состоит из оксвдов кремния, кальция и др. элементов. Руды содержат также примеси полезные (Mn, Ti, Ni, Си, Сг) и вредные (S,P.Zn, Pb,As). Кокс служит топливом процесса. Флюсы

• известняк (СаСОз), доломит (СаСОЗ MgC03) применяют для перево­да пустой породы и золы топлива в шлак и для десульфурации.

Заранее рассчитанную смесь компонетов (руда, топливо, флюсы) в определенном соотношении называют шихтой. Ее загружают в домен­ную печь сверху. Печь представляет собой вертикальную шахту со стенками из огнеупорного кирпича. В нижней части печи происходит горение кокса. При химическом взаимодействии углерода кокса с ки­слородом вдуваемого воздуха выделяется большое количество тепла. Для экономии кокса воздух подогревают до 1000-1200°С. Образую­щиеся продукты горения кокса, содержащие около 30% СО, поднима­ются вверх навстречу опускающейся сверху шихте. Шихта постепенно нагревается и расплавляется. Одновременно в результате химического взаимодействия СО с железной рудой происходит восстановление же­леза из его оксидов (основной составляющей железной руды). Восста­новленное железо насыщается углеродом из кокса, а также поглощает часть восстановленного кремния и марганца. В результате образуется жидкий чугун, который стекает по кускам раскаленного кокса, скапли­вается в нижней части печи и затем выпускается через специальное отверстие по желобу. Жидкий шлак выпускается через отверстие, рас­положенное несколько выше.

В доменной печи получают чугун передельный (около 90%), пред­назначенный для дальнейшего передела в сталь, и литейный, исполь­зуемый в качестве компонента при выплавке марочных чугунов в ли­тейных цехах на машиностроительных заводах. Шлак обычно подвер­гают грануляции и используют для производства строительных мате­риалов. Доменный газ, выходящий из печи, имеет относительно высо­кую теплоту сгорания (около 4000 кДж/м³) и используется для нагрева подаваемого в печь воздуха, коксовых батарей, стальных слитков, для отопления котлов и др.

2. Технико-экономические показатели и интенсификация доменного процесса

Основные показатели доменной плавки:

1. Среднесуточная производительность. Для сравнительной оценки производительности печей разного объема применяют коэф­фициент использования полезного объема печи: К.И.П.0.= V/Р, где V

• полезный объем печи в м³, Р - суточная производительность печи в т/сутки.

2. Удельный расход кокса: отношение суточного расхода кокса к полезному объему печи или расход кокса в кг на 1 т чугуна (360-400 кг/т).

3. Расход руды (уменьшается при ее обогащении) и вынос пыли.

4. Себестоимость выплавляемого чугуна.

Способы интенсификации процесса:

1. Обогащение воздушного дутья кислородом (до 25-30%) - по­вышает производительность (на 50%) и снижает расход кокса (на 15%).

2. Повышение давления газов в печи увеличивает производи­тельность (на 9%), снижает расход кокса на 6-7% и уменьшает вынос пыли.

3. Комбинированное дутье (воздух + природный газ + угольная пыль) обеспечивает прирост производительности печи и экономию кокса до 30%.

4. Производство стали

1. Производство стали в конвертерах

Суть процесса заключается в удалении из жидкого чугуна избы­точного углерода путем его окисления при продувке воздухом или кислородом.

При бессемеровском процессе осуществляют продувку жидкого чу­гуна воздухом через отверстия в днище конвертера, который представ­ляет собой сосуд грушевидной формы со стенками из огнеупорного кирпича с преобладанием кремнезема - БЮг (кислая футеровка). Кислая футеровка обусловливает наличие кислого шлака, который не способст­вует удалению вредных примесей серы и фосфора из расплава.

Томасовский конвертер имеет футеровку из основного огнеупор­ного кирпича с преобладанием СаО. Это позволяет использовать ос­новной шлак, способствующий удалению серы и фосфора. В обоих процессах происходит насыщение расплава азотом, что приводит к повышению хрупкости стали. Ввиду указанных недостатков бессеме­ровский и томассовский процессы не находят широкого применения, но послужили прототипом кислородно-конвертерного процесса, кото­рый в настоящее время обеспечивает более половины всей выплавляе­мой в мире стали.

Кислородный конвертер имеет основную футеровку, что обеспе­чивает проведение процесса под основным шлаком с активным удале­нием серы и фосфора из металла в шлак. В конвертер загружают скрап (стальной лом) и заливают чугун, затем конвертер поворачивают в вертикальное рабочее положение и опускают в него фурму (специаль­ную трубу), через которую подают кислород. В процессе продувки интенсивно окисляются компоненты чугуна (железо, углерод, крем­ний, марганец) с выделением тепла, что способствует повышению температуры расплава с 1250 до 1650°С. Выделяющиеся пузырьки СО обеспечивают удаление из металла азота и водорода и интенсивное перемешивание металла и шлака. Это способствует улучшению де- фосфорации с образованием стойкого соединения (Са0)₄Р₂0₅ и де­сульфурации с образованием и удалением в шлак CaS. Длительность продувки 16-45 мин. в зависимости от заданного содержания углерода и емкости конвертера (до 500 т). Затем металл выпускают в ковш (пу­тем наклона конвертера). Под струю металла подают раскислители (сплавы марганца, кремния и алюминия) для восстановления закиси железа FeO, снижающей прочность и пластичность стали. По степени раскисления различают кипящую, полуспокойную и спокойную сталь. Чем полнее раскислена сталь, тем спокойнее она кристаллизуется (без газовых включений).

Кислородно-конвертерный процесс отличается высокой произво­дительностью (до 500 т /ч). В себестоимости выплавляемой стали 80- 86% приходится на стоимость металлической шихты, 3,5% - на доба­вочные материалы и 10 -19% на расходы по переделу (чугуна в сталь). Стоимость стального лома ниже стоимости жидкого чугуна, поэтому целесообразно увеличение его доли в шихте.