Производство черных и цветных металлов

В результате электрошлакового переплава содержание кислорода в металле снижается в 1,5 - 2 раза, понижается концентрация серы и соответственно уменьшается в 2 - 3 раза загрязненность металла неметаллическими включениями, причем они становятся мельче и равномерно распределяются в объеме слитка.

Слиток отличается большой плотностью, однородностью, его поверхность -- хороший качеством благодаря наличию шлаковой корочки 5. Все это обусловливает высокие механические и эксплуатационные свойства сталей и сплавов электрошлакового переплава.Слитки выплавляют круглого, квадратного, прямоугольного сечений массой до 110 т.

Вакуумно-дуговой переплав. Такой переплав применяют для удаления из металла газов и неметаллических включений. Сущность процесса заключается в снижении растворимости газов в стали при снижении давления и устранении взаимодействия ее с огнеупорными материалами футеровки печи, так как процесс ВДП осуществляется в водоохлаждаемых медных изложницах. Для осуществления процесса используют вакуумные дуговые печи с расходуемым электродом.

Рис. 14. Схема вакуумно - дугового переплава

В зависимости от требований, предъявляемых к металлу, расходуемый электрод может быть получен механической обработкой слитка, выплавленного в электропечах. Расходуемый электрод (3) закрепляют на водоохлаждаемом штоке (2) и помещают в корпус (1) печи и далее в медную водоохлаждаемую изложницу (6). Из корпуса печи вакуум-насосами откачивают воздух до остаточного давления 1,33 Н/м². При подаче напряжения между расходуемым электродом-катодом и затравкой-анодом (8), помещенной на дно изложницы, возникает дуговой разряд. Теплотой, выделяющейся в зоне разряда, расплавляется конец электрода; капли (4) жидкого металла, проходя зону дугового разряда, дегазируются, постепенно заполняют изложницу и затвердевают, образуя слиток (7).Дуга горит между расходуемым электродом и ванной (5) жидкого металла, находящейся в верхней части слитка, на протяжении всей плавки. Благодаря сильному охлаждению нижней части слитка и разогреву дугой ванны жидкого металла в верхней его части создаются условия для направленного затвердевания слитка. В результате направленного затвердевания неметаллические включения сосредоточиваются в верхней части слитка, а усадочная раковина в слитке мала. Слитки, полученные в вакуумных дуговых печах, содержат очень небольшое количество газов, неметаллических включений, отличаются высокой равномерностью химического состава, имеют хорошую макроструктуру. Поэтому металл, полученный ВДП, отличается повышенными механическими свойствами и пластичностью. Из слитков ВДП изготовляют ответственные детали турбин, двигателей, авиационных конструкций. Емкость дуговых вакуумных печей -- до 50 т.

Производство чугуна.

Материалы для доменного производства

Чугуном называется сплав железа с углеродом, который содержит более 2,14 % углерода. Около 80 % всего количества выплавляемого чугуна составляет передельный чугун, являющийся исходным продуктом для производства стали. Для производства фасонного литья на машиностроительных заводах используют литейный чугун (15-20 %), а в качестве легирующих добавок и раскислителей при выплавке стали - ферросплавы: ферромарганец и ферросилиций (1-2 %).

Для производства чугуна и стали используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.

Руда. В природе большинство металлов находится в виде химических соединений (окислов, силикатов, карбонатов, сернистых соединений), входящих в состав различных минералов, образующих, горные породы.

Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения. Этот уровень определяется содержанием добываемого металла в руде. Например, для железа он составляет не менее 30 - 50 %, для меди 3 - 5 %, для молибдена 0,005 - 0,02 %. Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, и пустой породы, в состав которой входят различные примеси. Например, железная руда содержит окислы железа Fe₃О₄, Fе₂О₃, FеСО₃, Fе₂О₃Н₂О, а также пустую породу, состоящую в основном из SiO₂, А1₂О₃, СаО, МgО. Руды обычно называют по одному или нескольким металлам, которые в них содержатся. Например, железные, медные, алюминиевые, марганцевые, медно-никелевые, железомарганцевые и т. д. В зависимости от содержания добываемого материала, руды бывают богатые и бедные. Богатые железные руды содержат 45 - 50 % железа и более. Бедные руды (с малым содержанием добываемого металла) специально обрабатывают - обогащают. Обогащение состоит в удалении из руды части пустой породы. В результате получают концентрат - продукт с повышенным содержанием добываемого металла по сравнению с рудой. Использование концентрата позволяет улучшить технико-экономические показатели работы металлургических печей.

Железные руды содержат железо в различных соединениях.

Магнитный железняк (магнетит), содержащий магнитную окись железа Fе₃О₄, добывают в виде плотных кусковых пород (55 - 60 % железа). Пустая порода - SiO₂. Наиболее крупные месторождения этой руды в нашей стране - Соколовское и Курская магнитная аномалия и др. Из стран СНГ добывают магнитный железняк в Казахстане (Сарбайское месторождение).

Красный железняк (гематит) содержит Fе₂О₃ и имеет красноватый цвет (55 - 60 % Fе). В нем пустая порода содержится в виде SiO₂ и известняка СаСО₃ Крупные месторождения этой руды в нашей стране - Криворожское, Курская магнитная аномалия, Атасуйское и др.

Бурый железняк содержит гидраты окислов железа 2Fе₂О_{3 ·} ЗН₂О и Fе₂О_3·Н₂О (37 - 55 % Fе). Бурый железняк широко распространен в земной коре. Богатые месторождения его в нашей стране - Керченское, Аятское, Лисаковское.

Шпатовые железняки содержат FеСО₃ (~ 30 - 40 % Fе). Богатые залежи шпатового железняка в нашей стране находятся в Бакальском месторождении. Мы располагаем богатейшими в мире месторождениями железных руд. Более 48 % мировых разведанных запасов железных руд приходится па долю бывшего СССР.

Марганцевые руды применяют для выплавки ферросплавов с 10 - 82 % Мn, а также передельных чугунов, содержащих до 1 % Мn. Марганец в рудах содержится в виде окислов и карбонатов: МnО₂, Мn₂О₃, Мn₃О₄, МnСО₃ и др. В рудах обычно содержится не более 22 - 45 % Мn. Наиболее крупные месторождения марганцевых руд в нашей стране - Чиатурское и Никопольское. По запасам марганцевых руд бывшего СССР занимает первое место в мире.

Бурый железняк (лимониты) представляет собой водную окись железа n Fe₂O₃ · mH₂O c содержанием железа Fе до 20 - 50 %. Из бурого железняка добывается до 3 % чугуна. Пустая порода - разнообразная по составу, содержит серу и фосфор. Чаще встречается лимонит - 2 Fe₂O₃ · 3H₂O с содержанием 57,14 железа и 25,3 % воды. Месторождение - Керченское (Крым), Лисаковское (Кустанайская область Казахстана), Алапаевское (Свердловская область).

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железа до 30 - 40 % в виде карбоната FеСО₃ (углекислая соль). Сидерит разрабатывается на Бакальском меторождении в Челябинской области (г. Бакал) с середины 18 века. Разведенные запасы сидеритов 904 млн. т. (1976 г) с содержанием железа 29 - 33 % .

Хромовые руды используют для производства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов - хромомагнезитов. Хромовые руды содержат сложные соединения хрома - хромит (FеО, Сг₂О₃), магнохромит (Мg, Fе) Сг₂О₄ и др. В рудах обычно содержится около 40% Сг₂О₃ . Наша страна располагает богатейшими в мире запасами хромовых руд.

Комплексные руды используют для выплавки природно-легированных чугунов. Это железомарганцевые руды, содержащие, кроме железа, до 20% Мn (Атасуйское месторождение), хромоникелевые руды с 37 - 47% Fе, до 2% Сг, до 1% Ni (Халиловское месторождение), железованадиевые руды, содержащие до 0,17 - 0,35% V.

Топливо. Основными видами топлива, применяемого в металлургических печах, являются кокс, природный газ, мазут, а так - же доменный или колошниковый газ. Для доменного процесса требуется прочное, неспекающееся твердое топливо, которое служит не только горючим для нагрева шахты и ее расплавления, но и химическим реагентом для восстановления железа из руды. Естественные виды топлива не обладают необходимыми свойствами, так как они спекаются и недостаточно прочны. Поэтому для доменной плавки применяют твердое топливо - кокс. В коксе содержится 80 - 88 % С; 8 - 12 % золы; 2- 5 % влаги; 0,5- 1,8 % S; 0,02 - 0,2 % Р и до 1,2 % летучих продуктов. Важными для доменной плавки показателями качества кокса являются зольность и содержание серы, которые должны быть минимальными. Сера - вредная примесь. В процессе плавки она может переходить в металл и ухудшать его свойства. Важное значение для хода плавки имеет размер кусков кокса - кусковатость. Размер кусков кокса должен быть 25 - 60 мм. Кокс должен обладать также высокой механической прочностью, чтобы не разрушаться в доменной печи под действием массы шихтовых материалов. Теплота сгорания кокса составляет обычно 29,3 МДж/кг.

При доменной плавке часть кокса заменяют природным газом, мазутом или пылевидным топливом.

Природный газ содержит 90 - 98 % углеводородов (СН₄ и С₂Н₆) и до 1 % азота. Теплота его сгорания 33 - 50 МДж/кг. Мазут - тяжелый остаток, крекинга нефти. Он содержит 84 - 88 % С, 10 - 12 % Н₂, небольшое количество серы и кислорода. Эти виды топлива создают восстановительную атмосферу в доменной печи и улучшают восстановление окислов железа из руды, что приводит к экономии кокса. Кроме этого, используют доменный или колошниковый газ, который является побочным продуктом доменного процесса.

Флюсы. Пустая порода железных руд содержит окислы, температура плавления которых значительно выше развиваемых в доменной печи (А1₂О₃ 2040°С, СаО - 2570°С, МgО - 2800°С). Однако при определенном количественном соотношении этих окислов образуются легкоплавкие соединения - шлаки, имеющие температуру плавления ниже 1300°С и обладающие хорошей текучестью при 1450 - 1600°С. Для перевода пустой породы руды и золы кокса в шлаки требуемого химического состава с определенными химическими свойствами в доменную печь при плавке загружают флюсы. Рекомендуется, чтобы в шлаке отношение содержания (СаО + МgО)/(SiO₂ - А1₂О₃) 1. Обычно пустая порода руды состоит в основном из SiО₂ и А1₂О₃. Суммарное содержание этих оксидов не должно превышать 1 %. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные окислы (SiO₂, Р₂Оз), и основным, если в его составе преобладают основные окислы (СаО, МgО, FеO и т. д.).

Шлаки, образующиеся к процессе планки в металлургических печах, играют большую роль для получения металла с требуемыми химическим составом и свойствами.

Огнеупорные материалы. В современных металлургических агрегатах процессы плавки происходят при высоких температурах. Поэтому внутреннюю облицовку (футеровку) металлургических печей и ковшей для разливки металла делают из огнеупорных материалов, способных выдерживать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температур, химическому воздействию шлака и печных газов. Огнеупорными называют материалы, способные противостоять высоким температурам, не расплавляясь при определенных условиях испытания. Огнеупорность материала определяется в °С.

Огнеупорные материалы применяют в виде кирпичей разных размеров и форм, а также порошков и растворов, необходимых для заполнения швов между кирпичами при кладке печей.

По химическим свойствам огнеупорные материалы подразделяют на кислые, основные и нейтральные. Материалы, содержащие большое количество кремнезема SiO₂, называют кислыми (динасовые, кварцеглинистые); содержащие основные окислы (СаО, Mg0) - основными (магнезитовые, магнезитохромитовые, доломитовые); содержащие большое количество Аl₂О₃ и Сг₂0₃ - нейтральными (хромомагнезитовые, высоко глиноземные, шамотные).

Если рабочее пространство плавильной печи выложено из кислых огнеупорных материалов, то печь называют кислой, а если из основных - основной.

Кварцевый песок (не менее 95 % SiO₂) - кислый огнеупорный материал. Его применяют для набивки и наварки подин кислых сталеплавильных печей. Из кварцевого песка и кварцита изготовляют динасовый кирпич, содержащий 93 - 95 %. SiO₂.

Огнеупорность динаса составляет 169 - 01720 °С. Этим кирпичом футеруют кислые мартеновские и электросталеплавильные печи.

Магнезитовый металлургический порошок содержит 85 - 88 % МgO. Его применяют для набивки и наварки подин основных сталеплавильных печей. Из него изготовляют магнезитовый кирпич (86 - 90 % МgO). Огнеупорность такого кирпича более 2000°С. Его применяют для кладки пода и стен основных мартеновских и электросталеплавильных печей. Он обладает высокой термостойкостью. Магнезитохромитовый кирпич содержит 60 % МgО и 8 - 13 % Сг₂О₃. Обладает огнеупорностью (более 2000°С), термостойкостью и шлакоустойчивостью. Применяется для кладки сводов мартеновских печей.

Доломитовый кирпич содержит 32 - 36 % МgО и 50 - 56 % СаО; применяют вместе с магнезитовым порошком для наварки подин и откосов основных сталеплавильных печей. Смолодоломитовый кирпич изготовляют из доломитового порошка с каменноугольной смолой, используют для футеровки кислородных конвертеров. Смолодоломитомагнезитовый кирпич содержит 32 - 50 % МgО, 38 - 54 % СаО и до 4 % SiO₂; применяют для футеровок кислородных конвертеров. Хромомагнезитовый кирпич содержит 42 % МgО и 15 - 20 % Сг₂О₃. Огнеупорность его более 2000°С, применяют в мартеновских печах для кладки шлаковиков.

Шамотный кирпич - нейтральный материал. Содержит 50 - 60 % SiO₂ и 30 - 42 % А1₂О₃. Огнеупорность его 1580 - 1730°С, применяют для футеровки доменных печей, воздухонагревателей, различных ковшей и т. д.

Высокоглиноземистый кирпич содержит 72 - 95 % А1₂О₃ и имеет огнеупорность 1820 - 1920 °С.

Углеродистый кирпич и блоки содержат до 92 % С. Обладают высокой огнеупорностью. Применяют для кладки лещади доменных печей, электролизных ванн для получения алюминия, тиглей для плавки и разливки медных сплавов.

Подготовка руд к доменной плавке.

Производительность доменной печи, расход кокса и качество получаемого чугуна зависят от состава исходных материалов для плавки - железной руды, кокса и флюсов. При увеличении содержания железа в руде, применении кокса определенной и равномерной кусковатости повышается производительность доменной печи, снижается расход кокса. Установлено, что в шихтовых материалах для доменной плавки оптимальное содержание железа должно быть 60 - 61%. Однако содержание железа в добываемых рудах значительно ниже; кроме того, многие из них содержат вредные примеси, ухудшающие качество чугуна и стали, например серу, фосфор. Поэтому перед плавкой железные руды подвергают специальной подготовке, цель которой состоит в увеличении содержания железа в шихте, повышении ее однородности по кусковатости и химическому составу. Основные методы подготовки руды к плавке следующие: дробление и сортировка по крупности; обогащение; окускование. Метод подготовки добываемой руды зависит от со качества.

Дробление и сортировка руд по крупности необходимы для получения кусков руды определенной величины, оптимальной для плавки. Куски руды дробят и сортируют по крупности на специальных агрегатах - дробилках и классификаторах.

Руды обогащают для повышения содержания железа в шихте. В результате обогащения руду подразделяют на концентрат с высоким (более 60 %) содержанием железа и хвосты - отходы с небольшим содержанием металла. Способы обогащения руд основаны на использовании различия физических свойств минералов, входящих в состав руды: плотностей ее составляющие, магнитной восприимчивости, физико - химических свойств поверхностей минералов.

Промывка руды водой позволяет отделить плотные составляющие рудных минералов от пустой рыхлой породы (песка, глины).

Гравитация (отсадка) основана на отделении руды от легкой пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита, на котором лежит руда. При этом легкие зерна пустой породы вытесняются в верхний слой и уносятся водой, а тяжелые, содержащие рудные минералы, опускаются вниз. Применяют также гравитационное обогащение в тяжелых средах: руду погружают в жидкость, плотность которой выше плотности пустой породы. Рудный минерал осаждается на дно, а пустая порода всплывает и удаляется.

Магнитная сепарация основана на различии магнитных свойств железосодержащих минералов и частиц пустой породы. Измельченную руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы, отделяя их от пустой породы. Этим способом обогащают магнетитовые руды. Для обогащения бурых железняков их подвергают магнетизирующему обжигу при 600 - 800°С в печах с слабовосстановительной атмосферой. В результате слабомагнитная окись железа Fе₂О₃ переходит в магнитную закись - окись. После такого обжига руду направляют на магнитную сепарацию.

Окускование производят для переработки концентратов, полученных после обогащения, в кусковые материалы необходимых размеров. Используют два способа окускования: агломерацию и окатывание.

Агломерация заключается в спекании шихты, состоящей из железной руды мелких фракций (40 - 50 %), известняка (15 20 %), возврата мелкого агломерата (20 - 30 %), коксовой мелочи (4 - 6 %), влаги (6 - 9 %) на специальной машине для улучшения их металлургических свойств. Эти материалы смешиваются с измельченным твердым топливом (коксом, углем), увлажняются и подаются в агломерационную машину. Спекание выполняют на агломерационных машинах при 1300 - 1500°С. В процессе спекания из руды удаляются вредные примеси (сера, частично мышьяк), карбонаты разлагаются и получается кусковой пористый офлюсованный материал - агломерат.

Агломерационная машина ленточного типа состоит из большого числа паллетспекательных тележек с отверстиями в днище, двигающихся по направляющим рельсам (рис. 15). В загруженной паллете после зажигания газовыми горелками начинается горение топлива, причем фронт горения распространяется сверху вниз. Воздух просасывается сквозь пой шихты благодаря действию специальных вакуумных устройств, называемых эксгаустерами. Температура в слое шихты достигает 1300 - 1600 °С.



Рис. 15. Схема агломерационной машины.

1 - паллеты, 2 - шихтовый материал, 3 - горелка, 4 - вакуум - камеры (эксгаустер), 5 - агломерат.

В результате восстановления оксидов железа в присутствии кремнезема образуется фаялит Fе₂SiO₄ по реакции

2Fе₃0₄ + 3Si0₂ + 2СО = ЗFе₂SiO₄ + 2СO₂.

В зоне горения фаялит, имеющий температуру плавления 1209°С, плавится и смачивает зерна шихты, благодаря чему при охлаждении образуется твердая пористая масса -- агломерат. Агломерат имеет высокую пористость (до 50 %) и хорошую восстановимость. Кроме того, в процессе спекания почти полностью выжигается сера, которая удаляется в виде сернистого газа. В металлургии обычно используют офлюсованный агломерат, для чего в шихту дополнительно вводят известняк.

Окатывание применяют для обработки тонко измельченных концентратов. Шихта, состоящая из измельченных концентратов, флюса, топлива, увлажняется и при обработке во вращающихся барабанах, тарельчатых чашах (грануляторах) приобретает форму шариков-окатышей диаметром до 30 мм. Окатыши высушивают и обжигают при 1200 - 1350°С на специальных машинах.



Рис.16. Схема образования окатышей в грануляторе

1 - чаша, 2 - скребки, 3 - механизм изменения угла наклона чаши

После обжига окатыши приобретают высокую прочность при достаточной пористости. Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса - известняка в доменную печь при плавке, так как флюс в необходимом количестве входит в их состав. Это улучшает работу доменной печи, повышает ее производительность, снижает расход кокса. Шихта состоит из тонкоизмельченного концентрата (меньше 0,5мм), из известняка (флюса) и возврата (отбракованных окатышей). Для лучшего окатывания шихту увлажняют (8 - 10 %) и в ее состав добавляют связующее - бентонитовую глину (до 1,5 %). Образование окатышей диаметром 25 - 30 мм происходит в грануляторе - вращающейся со скоростью 6 - 9 об/мин неглубокой чаше. Далее окатыши подвергают сушке при температуре 200 - 400°С, а затем обжигу при 1300 - 1400°С, после чего они приобретают высокую прочность.

Выплавка чугуна.

Чугун выплавляют в вертикальных печах шахтного типа - доменных печах. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении окислов железа, входящих в состав руды, которую загружают в печь, окисью углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимися при сгорании топлива в печи.

Устройство и работа доменной печи.



Рис. 17. Схема доменной печи

Стенки печи выкладывают из огнеупорных материалов - в основном из шамота. Нижнюю часть горна и его основание (лещадь) выполняют из особо огнеупорных материалов - углеродистых (графитизированных) блоков. Для повышения стойкости огнеупорной кладки в ней устанавливают (примерно на ? высоты печи) металлические холодильники, по которым циркулирует вода. Для уменьшения расхода воды (для крупных печей до 70000м³ в сутки) применяют испарительное охлаждение, основанное на том, что поглощаемое тепло используется для парообразования. Кладка печи снаружи заключена в стальной кожух толщиной до 40мм. Для уменьшения нагрузки на нижнюю часть печи ее верхнюю часть (шахту) сооружают на стальном кольце, опирающемся на колонны. С увеличением полезного объема (рабочего пространства) доменных печей повышается их экономичность. Современные крупные доменные печи имеют объем 2000 - 3000м³. На Криворожском заводе с 1974 г. работает печь объемом 5000 м³.

Воздух для горения топлива вдувается через 14 - 36 фурм в верхнюю часть горна печи. В современную доменную печь для выплавки 1т чугуна вдувается около 3000м³ воздуха; его расход на крупных печах достигает 6000 7000 м³/мин, что обеспечивается быстроходными турбовоздуходувными машинами (3500 - 4500 об/мин). Воздух нагревается в специальных воздухонагревателях. Каждую доменную печь обслуживают три-четыре автоматически переключающихся воздухонагревателя.

Применение высокотемпературного дутья привело к значительной интенсификации плавки. За последние годы температура воздушного дутья была повышена до 1200 - 1300С.

Значительный эффект дало повышение давления под колошником примерно до 2,5 атм., приводящее к уменьшению скорости газа, улучшению теплообмена и интенсификации физико-химических процессов. Крупнейшим усовершенствованием явилось обогащение дутья кислородом (до 30%). Наибольший эффект дало комплексное использование этих мер при применении природного газа. Производительность печей повысилась примерно на 50%, а расход кокса снизился на 25 - 30%.

Доменная печь работает непрерывно в течение 5 - 10 лет. Для этого по мере необходимости в нее загружают отдельными порциями (колошами) шихтовые материалы, периодически выпускают чугун и шлак, непрерывно удаляют доменные газы.

Для выплавки 1т передельного (мартеновского) чугуна в среднем расходуется около 1,8 т офлюсованного агломерата, 550 кг кокса. Таким образом, печь объемом 3000м³ в сутки потребляет примерно 8500т шихтовых материалов и выплавляет около 5000 - 5500т чугуна.

В современных доменных печах все процессы по подготовке и загрузке шихтовых материалов полностью механизированы. К вспомогательным устройствам, обеспечивающим работу печи, относятся: шихтовые дворы, оборудованные погрузочно-разгрузочными устройствами; бункерные эстакады с вагон - весами для автоматического взвешивания шихтовых материалов, подъемные механизмы, доставляющие самоопрокидывающиеся тележки-скипы с шихтой к загрузочному аппарату доменной печи. Для нормальной работы печи необходимы также воздухонагреватели и другие устройства для осуществления горячего дутья, литейный двор, ковши - чугуновозы и шлаковозы, разливочные машины и т.д.

Шихтовые материалы поступают в бункера, расположенные на рудном дворе: офлюсованный агломерат с агломерационной фабрики, а кокс - от коксовых батарей коксохимического завода. Из бункеров шихтовые материалы подаются в вагон-весы, на которых взвешивают определенные порции шихты. Из вагона-весов кокс и агломерат передаются в вагонетку скипового подъемника. Скиповой подъемник представляет собой наклонный рельсовый мост, по которому движутся две вагонетки. Скип поднимается стальным канатом до верхней точки рельсового моста и опрокидывается. Через загрузочное устройство (засыпной аппарат) шихта попадает в доменную печь. Две скиповые вагонетки с помощью лебедки передвигаются по наклонному мосту к засыпному аппарату и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку распределителя шихты. При опускании малого конуса засыпного аппарата шихта попадает в чашу а при опускании большого конуса - в доменную печь. Такая последовательность работы механизмов засыпного аппарата необходима для предотвращения выхода газов из доменной печи в атмосферу.

Для равномерного распределения шихты в доменной печи малый конус и приемная воронка после загрузки очередной порции материалов поворачиваются на угол, кратный 60°. Все механизмы засыпного аппарата и скипового подъемника Агломерат, руду, флюс и кокс, поступающие в печь в определенном соотношении, называют шихтой.

Доменные печи, как и все шахтные печи, работают по принципу противотока. Сверху сходят шихтовые материалы, а снизу им навстречу движутся газы, образующиеся в процессе горения топлива.

Вблизи фурм углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорает

С + О₂ = СО₂ + 393,51 кДж

При высоких температурах и в присутствии твердого углерода кокса двуокись углерода неустойчива и частично переходит и окись углерода;

СО₂ + С = 2СО - 171,88 кДж.

Одновременно, на некотором расстоянии от фурм, идет реакция неполного горения углерода кокса

С - ¹/₂О₂ = СО + 110,5 к Дж

В результате горения кокса в доменной печи выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий СО, СО₂ и другие газы. При этом в печи немного выше уровня фурм температура становится более 2000°С. Горячие газы, поднимаясь вверх, отдают свою теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до 400 - 300°С у колошника. В зоне печи, где температура газон достигает 700 - 450°С, часть окиси углерода разлагается с образованием сажистого углерода, оседающего на шихтовых материалах

2СО = СО₂ + Сv

Остальная часть газа, состоящего в основном из СО, СО₂, N₂, Н₂, СН₄ (колошниковый газ), отводится из печи по трубам и после очистки используется как топливо для воздухонагревателей.

Шихтовые материалы (агломерат, кокс) опускаются навстречу потоку газов и нагреваются. В результате в них происходит целый ряд химических превращений: удаляется влага, из топлива выделяются летучие вещества, а при прогреве шихты до температуры ~ 570°С начинается основной процесс - восстановление окислов железа, содержащихся в агломерате.

Восстановление окислов железа в доменной печи. Этот процесс протекает в результате взаимодействия окислов железа с окисью углерода и твердым углеродом кокса, а также водородом. Восстановление твердым углеродом называют прямым, а газами - косвенным.

При температурах до 570°С восстановление окиси железа протекает по реакциям

ЗFe₂О₃ + СО = 2Ге₃О₄ + СО₂;

Fе₃О₄ + 4СО = ЗFе + 4СО₂.

При более высоких температурах (750 - 900°С) окислы железа восстанавливаются наиболее интенсивно:

ЗFе₂Оз + СО = 2Fе₃О₄ + СО₂;

Fе₃О₄ + СО = ЗFеО + СО₂;

FeО+СО = Fе + СО₂.

При этих температурах из руды, находящейся в нижней зоне шахты доменной печи, образуется твердое губчатое железо. Некоторая часть закиси железа опускается до уровня распара и заплечиков, где восстанавливается твердым углеродом кокса в результате двух одновременно протекающих реакций: СО₂ + С = 2СО;

FеО + СО = Fе + СО₃

FеО + C = Fe + CO

В реакциях восстановления железа участвуют также сажистый углерод и водород, особенно при введении в доменную печь природного газа.

По мере опускания шихта достигает зоны в печи, где температура составляет 1000 - 1100°С. При этих температурах восстановленное из руды твердое железо, взаимодействуя с окисью углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно науглероживается благодаря способности железа в твердом состоянии растворять углерод:

ЗFе + 2СО = Ге₃С + СО₂;

ЗFe + С = Fе₃С.

При насыщении углеродом температура плавления железа понижается и на уровне распара и заплечиков оно расплавляется. Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4 % и более), марганцем, кремнием, фосфором, которые восстанавливаются из руды, а также серой, содержащейся в коксе. Эти процессы протекают следующим образом.

Марганец содержится в руде в виде МnО₂, Мn₂О₃, Мп₃О₄. Эти соединения легко восстанавливаются до МnО. При температуре более 1000°С часть МnО восстанавливается твердым углеродом по реакциям

МnО+СО = Мn + СО₂;

СО₂ + С=2СО

МnО + С = Мn + СО

Одновременно марганец взаимодействует с твердым углеродом и образует карбид Мn₃С, повышая содержание углерода в сплаве. Другая часть МnО входит в состав шлака.

Кремний, содержащийся в пустой породе руды в виде SiO₂, температуре выше 1100⁰С также частично восстанавливается твердым углеродом: SiO₂ + С = SiO + СО;

SiO + С = Si + СО

SiO₂ + 2С = Si + 2СО

Образовавшийся кремний растворяется в железе. Другая часть SiO₂ также входит в состав шлака.

Фосфор содержится в рудо в виде соединений (FеО)₃Р₂О₅ и (СаО)₃Р₂О₅. Частично фосфат железа восстанавливается окисью углерода:

2Fе₃ (РО₄)₂ + 16СО = 2Fе₃Р + 2Р + 16СО₂.

При температурах более 1000°С восстановление идет за счет твердого углерода

2Fе₃(РО₄)₂ + 16С = ЗFе₃Р + 2Р + 16СО.

При температурах выше 1300°С фосфор восстанавливается из фосфата кальция

(СаО)₃Р₂О₅ + 5С = ЗСаО + 2Р + 5СО.

Образовавшийся фосфид железа (Fе₃Р) и фосфор полностью растворяются в железе и входят в состав чугуна.

Сера присутствует в коксе и руде в виде органической серы и соединений FeS₂, FеS, СаSО₄. Сера летуча и поэтому часть ее удаляется с газом при нагреве шихты в печи. Сера из кокса окисляется у фурм кислородом дутья до SО₂ и, поднимаясь с газами, восстанавливается твердым углеродом:SО₂₊2С = S + 2СО.

При этом часть серы растворяется в чугуне. Сера является вредной примесью и ухудшает качество чугуна. Для удаления серы стремятся повысит ь содержание СаО в шлаке. При этом часть серы удаляется в шлак по реакциям

FеS + СаО=СаS + FеО

FеО + С = Fе + СО

Таким образом, в результате процессов восстановления окислов железа, части окислов марганца и кремния, фосфатов и сернистых соединений, растворения в железе С, Мn, Si, Р, S в печи образуется чугун. По мере скопления чугуна и шлака их выпускают из печи. Чугун выпускают через 3 - 4 ч, а шлак через 1,0 - 1,5 ч. Чугун выпускают через чугунную летку (отверстие в кладке, расположенное выше лещади), а шлак - через шлаковую летку. Чугунную летку открывают бурильной машиной, а после выпуска чугуна закрывают огнеупорной массой. Чугун и шлак сливают по желобам, проложенным по литейному двору, в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши, установленные на железнодорожных платформах. Емкость чугуновозных ковшей 90 - 140 т. В них чугун транспортируют в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи для передела в сталь. Чугун, не используемый в жидком виде, поступает на разливочные машины. Из ковша чугун через передаточный желоб заполняет металлические формы-изложницы разливочной машины и затвердевает в них в виде чушек-слитков массой 45кг. Часто жидкий шлак из доменной печи не сливают в шлаковозные чаши, а для удобства дальнейшего использования подвергают мокрой грануляции: на него направляют струю воды, сод действием которой он рассыпается на мелкие гранулы.

Продукты доменной плавки.

В доменных печах получают два жидких продукта - чугун и шлак, а также колошниковый газ.

Чугун - основной продукт доменной плавки. В доменных печах получают чугун различного химического состава в зависимости от его назначения.

Передельный чугун выплавляют для передела его в сталь в конвертерах или мартеновских печах.

Он содержит 4,0 - 4,4 % С; до 0,6 - 0,8 % Si; до 0,25 - 1,0 % Мn; 0,15 - 0,3 % Р и 0,03 - 0,07 % S. Передельный чугун некоторых марок, предназначенный для передела в сталь в конвертерах, имеет пониженное содержание фосфора (до 0,07 %).

Литейный чугун используют для переплава его на машиностроительных заводах при производстве фасонных отливок. Он содержит повышенное количество кремния (до 2,75 - 3,25 %). Кроме чугуна, в доменной печи выплавляют ферросплавы.

Доменные ферросплавы - сплавы железа с кремнием, марганцем и другими металлами. Их применяют для раскисления и легирования стали. К ним относятся: доменный ферросилиций с 9 - 13 % Si и до 3 % Мn; доменный ферромарганец с 70 - 75 % Мn и до 2 % Si; зеркальный чугун с 10 - 25 % Мn и до 2 % Si.

Побочными продуктами доменной плавки являются шлак и колошниковый газ, также используемые в производстве. Из шлака производят шлаковату, шлакоблоки, цемент, а колошниковый газ после очистки от пыли используют как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь, а также в цехах металлургических заводов.

Важнейшие технико-экономические показатели. Такими показателями работы доменных печей являются коэффициент использования полезного объема доменной печи (К. И. II. О) и удельный расход кокса. Коэффициент использования полезного объема печи (К. И. П. О. в м³/т) определяется как отношение полезного объема печи V (в м³) к ее среднесуточной производительности Р и тоннах выплавленного передельного чугуна.

К. И. П. O. = V/P

Чем выше производительность доменной печи, тем ниже К.И.П.О., который для большинства доменных печей в нашей стране составляет 0,5 - 0,7.

Удельный расход кокса K - отношение расхода А кокса за сутки к количеству Р в тоннах передельного чугуна, выплавленного за то же время:

Улучшение технико-экономических показателей работы доменных печей является одной из важнейших задач металлургического производства. Эта задача решается повышением производительности доменных печей путем улучшения их конструкций, способов подготовки шихты, интенсификации доменного процесса.

2. Производство цветных металлов

Около 70 элементов таблицы Д. И. Менделеева составляют цветные металлы, без которых немыслимо развитие отраслей промышленности. Цветные металлы широко различаются как по свойствам, так и по способам получения. Так, галлий и цезий имеют температуры плавления 29,8 и 28,5 °С соответственно, т. е. их можно расплавить в руке, а вольфрам плавится при температуре 3400 °С. Литий, имея плотность 0,53 г/см³, не тонет ни в бензине, ни в керосине, а плотность тантала составляет 26,6 г/см³. Для производства цветных металлов применяются пирометаллургия, гидрометаллургия, электролиз, как водных растворов, так и расплавленных солей.

Все цветные металлы делят на 5 групп:

1. Тяжёлые цветные металлы - это металлы, плотность которых превышает 7 г/см³. Типичные представители: медь (8,94 г/см³), никель (8,92 г/см³), свинец (11,34 г/см³), цинк (7,14 г/см³), олово (7,3 г/см³) и др.

2. Легкие цветные металлы - алюминий (2,7 г/см³), магний (1,74 г/см³), кальций (1,55 г/см³), барий (3,75 г/см³), натрий (0,97 г/см³), и др.

3. Благородные металлы - золото, серебро, платина,металлы платиновой группы.

4. Редкие металлы. Типичные представители этой группы металлов: титан, индий, рений, галлий, вольфрам, литий, молибден и др.

5. Полупроводниковые металлы: селен, мышьяк, германий и др.

Следует отметить, что приведенное деление условное. Так, например, титан и литий могут быть отнесены к легким металлам, а практически все полупроводниковые металлы - к редким.

Производство меди.

Медь -- один из важнейших металлов, относится к I - й группе Периодической системы; порядковый номер 29; атомная масса - 63,546; плотность - 8,92 г/см³. температура плавления - 1083°С; температура кипения - 2595°С. По электропроводности она несколько уступает лишь серебру и является главным проводниковым материалом в электро- и радиотехнике, потребляющих 40 - 50 % всей меди. Почти во всех областях машиностроения используются медные сплавы -- латуни и бронзы. Медь как легирующий элемент входит в состав многих алюминиевых и других сплавов.

Мировое производство меди в капиталистических странах около 6--7 млн. т, в том числе вторичной меди около 2 млн. т. В СССР выплавка меди за каждое пятилетие увеличивался на 30 - 40 %.

Медные руды. Медь встречается в природе главным образом в виде сернистых соединений CuS (ковеллин), Cu₂S (халькозин) в составе сульфидных руд (85 - 95 % запасов), реже в виде окисных соединений Сu₂О (куприт), углекислых соединений СuСО₃ · Сu(ОН)₂ - малахит 2СuСО₃ · Сu(ОН)₂ - азурит и самородной металлической меди (очень редко). Окисные и углекислые соединения трудно поддаются обогащению и перерабатываются гидрометаллургическим способом.

Все медные руды являются бедными и обычно содержат 1 - 2 %, иногда меньше 1 % меди. Пустая порода, как правило, состоит из песчаников, глины, известняка, сульфидов железа и т.п. Многие руды являются комплексными -- полиметаллическими и содержат, кроме меди, никель, цинк, свинец и другие ценные элементы в виде окислов и соединений.

Примерно 90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом; около 10 %--гидрометаллургическим способом.

Гидрометаллургический способ состоит в извлечении меди путем ее выщелачивания (например, слабыми растворами серной кислоты) и последующего выделения металлической меди из раствора. Этот способ, применяемый для переработки бедных окисленных руд, не получил широкого распространения в нашей промышленности.

Пирометаллургический способ состоит в получении меди путем ее выплавки из медных руд. Он включает обогащение руды, ее обжиг, плавку на полупродукт -- штейн, выплавку из штейна черной меди, ее рафинирование, т. е. очистку от примесей.

Рис. 18. Упрощенная схема пирометаллургического производства меди

Медь извлекают из руд различными способами и в различных аппаратах. Для получения меди можно использовать пирометаллургические способы (плавка на штейн, восстановительная плавка), но некоторые руды успешно перерабатывают и гидрометаллургическими способами, например, выщелачиванием серной кислотой или нашатырным спиртом.

Рассмотрим способы извлечения меди, получивший наибольшее распространение -- плавку на штейн и плавку в жидкой ванне. Разновидности этого метода применяются во многих странах, а в нашей стране этим способом получается почти вся первичная медь. Однако бывают случаи, когда руды, богатые серой (свыше 35 %), плавят и без обогащения для извлечения из них не только меди, но и серы (например, медно - серная плавка). Однако основная масса добываемой из недр земли сульфидной медной руды подвергается флотационному обогащению.

Обогащение руд флотацией.

Флотацию редко применяют к железным рудам. Обычно ее применяют при обогащении бедных руд цветных металлов и обязательно при обогащении комплексных руд, содержащих несколько цветных металлов, а также сульфидных или смешанных медных руд, содержащих около одного процента меди, непосредственно плавить которые очень дорого.

Сущность флотации состоит в избирательном прилипании некоторых минеральных частиц, взвешенных в водной среде, к поверхности пузырьков воздуха, с помощью которых эти минеральные частицы поднимаются на поверхность. Через пульпу (смесь жидкости и мелких твердых частиц) пропускают пузырьки воздуха. Вследствие различной смачиваемости частицы одних минералов, плохо смачиваемые водой (или другой жидкостью, в которой протекает обогащение), прикрепляются к пузырькам воздуха и, поднимаясь с ними на поверхность, образуют минерализированную пену и тем самым отделяются от других, хорошо смачиваемых минералов, остающихся в пульпе.

Для успешного осуществления этого метода обогащения необходимо:

а) тонко измельчить руду до размеров частиц, меньших 0,1мм, что дает возможность получить кусочки руды, состоящие из одного минерала, а не из сростков нескольких, и облегчает мелким пузырькам воздуха поднимать тяжелые минералы;

б) получить в пульпе много мелких пузырьков воздуха и создать условия для образования на поверхности пульпы устойчивой пены.

Различают следующие флотационные реагенты:

вспениватели, делающие пузырьки пены устойчивыми, не лопающимися, препятствующие их коолисценсии (сосновое масло и другие вещества, получаемые при перегонке древесины и каменного угля);

коллекторы (собиратели), уменьшающие смачиваемость определенной группы минералов водой и облегчающие их сцепление с пузырьками воздуха.

При флотации часто применяют также депрессоры (подавители), предотвращающие действие коллектора на некоторые минералы. Подавителями служат неорганические электролиты, например цианистый натрий NaCN, известь СаО, которую применяют при флотации медно-цинково-пиритных руд, так как на халькопирит CuFeS₂ известь не действует, но подавляет флотируемость цинковой обманки ZnS и пирита FeS₂.

А Б

Рис. 19. Схема флотации:

а - принципиальная схема механической флотационной машины (вариант); б - схема всплывания частиц; 1 - мешалка с лопастями; 2 - перегородка; 3 - схема минерализованной пены; 4 - отверстие для удаления хвосты (пустой породы); I - зона перемешивания и аэрации

В ванну флотационной машины подают пульпу -- суспензию из воды, тонкоизмельченной руды (0,05 - 0,5мм) и специальных реагентов, образующих на поверхности металлсодержащих частиц пленки, не смачиваемые водой.

В результате энергичного перемешивания и аэрации вокруг этих частиц возникают пузырьки воздуха. Они всплывают, извлекая с собой металлсодержащие частицы, и образуют на поверхности ванны слой пены. Частицы пустой породы, смачиваемые водой, не всплывают и оседают на дно ванны.

Из пены фильтруют частицы руды, сушат их и получают рудный концентрат, содержащий 10 - 35 % меди. Обжиг. Рудные концентраты, достаточно богатые медью, плавят на штейн «сырыми» -- без предварительного обжига, что снижает потери меди (в шлаке -- при плавке, унос -- с пылью при обжиге); основной недостаток: при плавке сырых концентратов не утилизируется сернистый газ SO₂, загрязняющий атмосферу. При обжиге более бедных концентратов удаляется избыток серы в виде SO₂, который используется для производства серной кислоты.

При плавке получают достаточно богатый медью штейн, производительность плавильных печей увеличивается в 1,5 - 2 раза.

Обжиг производят в вертикальных многоподовых цилиндрических печах (диаметр 6,5 - 7,5 м, высота 9 - 11 м), в которых измельченные материалы постепенно перемещаются механическими гребками с верхнего первого пода на второй -- ниже расположенный, затем на третий и т. д.

Производительность печей невысокая -- до 300 т шихты в сутки, безвозвратный унос меди с пылью около 0,5 %.

Новым, прогрессивным способом является обжиг в кипящем слое.

порошковый металлургия доменный плавка



Рис. 20. Схема обжига в кипящем слое

1 - транспортер, 2 - бункер, 3 - дозатор, 4 - камера печи, 5 - газораспределительная подина, 6 - воздушная коробка, 7 - пылеуловитель

Сущность этого способа состоит в том, что мелкоизмельченные частицы сульфидов окисляются при 600 - 700 °С кислородом воздуха, поступающего через отверстия в подине печи. Под давлением воздуха частицы обжигаемого материала находятся во взвешенном состоянии, совершая непрерывное движение и образуя «кипящий» слой. Обожженный материал «переливается» через порог печи. Отходящие сернистые газы очищают от пыли и направляют в сернокислотное производство. При таком обжиге резко повышается интенсивность окисления; производительность в несколько раз больше, чем в многоподовых печах.

Полученный после флотационного обогащения медный порошкообразный концентрат, содержащий 11 - 35% меди, 15 - 35% серы, 15 - 37% железа, а также немного кремнезема, окиси алюминия, окиси кальция, небольшие примеси цинка, никеля и некоторых других соединений, направляют на дальнейшую переработку.

Плавка на штейн.

Важнейшей операцией переработки медной руды является плавка на штейн. Штейном называют сплав сульфидов, образующийся при плавке медной руды, главным образом меди и железа (обычно 80 - 90%), остальное составляют сульфиды цинка, свинца, никеля, а также окислы железа, кремния, алюминия и кальция, концентрирующиеся главным образом в шлаке, но частично растворяющиеся и в штейне. Жидкие штейны хорошо растворяют в себе золото и серебро, и если эти ценные металлы есть в руде, они почти полностью концентрируются в штейне.

Целью плавки на штейн является отделение сернистых соединений меди и железа от содержащихся в руде примесей, присутствующих в ней в виде окисленных соединений. Получаемый штейн не должен содержать слишком мало меди, так как это делает непроизводительными последующие переделы, но и очень богатые медью штейны получать нельзя, так как при этом значительное количество меди теряется в шлаках.

В зависимости от химического состава руды и ее физического состояния штейн получают либо в шахтных печах, если сырьем служит кусковая медная руда, содержащая много серы, либо в отражательных или дуговых электрических печах, если исходным продуктом являются порошкообразные флотационные концентраты.

Отражательные печи отапливают мазутом, угольной пылью или газом, вдувая топливо форсунками (4 - 10 шт.) через окна, имеющиеся в торце печи. Максимальная температура в головной части печи 1550С и, постепенно снижаясь, к хвостовой части обычно бывает 1250 - 1300С. Шихту в эти печи загружают через отверстия в своде, расположенные вдоль печи у боковых стенок. При загрузке шихта ложится откосами вдоль стен, предохраняя кладку от прямого воздействия шлаков и газов. По мере нагревания шихты начинаются реакции частичного восстановления высших окислов железа и меди, окисления серы и шлакообразования.

Плавка медных концентратов в электрических печах из-за дефицита электроэнергии и возможности использования в этой операции низкосортных сернистых топлив пока не нашла широкого применения. Но для плавки кусковой медной руды еще широко применяют шахтные ватержакетные печи. Нередки случаи, когда даже богатые серой концентраты предварительно агломерируют, чтобы подвергнуть их плавке в шахтных печах. Печь эта имеет в плане прямоугольное сечение шириной около 1м и несколько метров в длину.

Основные рабочие стенки печи выполняют из полых стальных коробок, охлаждаемых изнутри водой, называемых кессонами, так как известные технические огнеупоры оказываются в этих условиях недостаточно стойкими. Во время плавки на холодные стенки настывает оплавленная шихта, предохраняющая кессон от разрушения. Шихту загружают с площадки, расположенной на уровне верхнего края кессона, подача воздуха для горения проводится через фурмы, расположенные вдоль продольных стенок в нижней части кессонов.

Выпуск штейна и шлака из печи производится совместно и непрерывно через спускной желоб, имеющий гидравлический затвор. Жидкая вязкая смесь стекает в большой овальный отстойник, называемый передним горном, футерованный хромомагнезитовым кирпичом. В нем происходит медленное расслоение штейна и шлака. Избыточный шлак сливается по желобу в противоположном конце переднего горна, а штейн по мере необходимости выпускают через летки, расположенные у лещади горна. Над печью делают футерованный огнеупорными материалами, так называемый шатер для сбора и отвода отходящих газов и направления их на пылеулавливание и газоочистку.

Переработка медного штейна

Наиболее распространены теперь цилиндрические бочкообразные конверторы. Наружный диаметр конвертора обычно 2,3 - 4 м, длина 4,3 - 10 м. Наиболее крупные конверторы выдают за один цикл процесса до 100 т меди. Воздух в конвертор подается через ряд фурм, расположенных по образующей цилиндра. Цилиндр опирается двумя прочными бандажами на четыре пары роликов. Поворот конвертора на роликах на необходимый угол для заливки штейна в горловину и выливки продуктов плавки проводится зубчатой передачей и зубчатым ободом, закрепленными на стальном кожухе. Внутри конвертор футеруется магнезитовым и хромомагнезитовым кирпичом.

Переработка штейна в конверторе протекает в два периода. В конвертор загружают кусковой кварц, заливают расплавленный штейн и продувают его воздухом. Образующийся шлак периодически сливают и в конвертор добавляют свежие порции медного штейна и кускового кварца. Температура заливаемого штейна обычно около 1200С, но за время продувки, за счет большего выделения тепла при окислении сульфидов температура повышается до 1350С. Продолжительность первого периода зависит от количества меди в штейне и составляет 6 - 20 ч. Введение в воздушное дутье добавки кислорода повышает температуру в конверторе и позволяет загружать в него холодный концентрат, заменив им некоторую часть расплавленного штейна.

Первый период заканчивается, когда в продуваемом штейне окислено сернистое железо. После этого тщательно удаляют шлак и продолжают продувку без добавки штейна и кварца. Второй период начинается, когда в конверторе остается только Cu₂S, называемый белым штейном, а на некоторых заводах «белым маттом».