Исходное сырье для доменной плавки

Для производства чугуна 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.

Взависимости от содержания необходимого металла, 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 (по сравнению с рудой) содержанием добываемого металла. Использование концентрата позволяет улучшить технико-экономические показатели работы доменных печей.

Железные руды содержат железо в различных соединениях.

В Украине (и СНГ) наиболее крупным месторождением железых руд является Криворожское.

Криворожский железорудный бассейн (Кривбасс) - второй в Европе после КМА по ресурсам руд, содержит крупные запасы железа в месторождениях двух генетических групп - с одной стороны, метаморфических, включая подгруппы метаморфизованных (железистые кварциты или, по альтернативной терминологии, железистые роговики и джеспилиты) и метаморфогенные (богатые магнетитовые и магнетит-железнослюдковые руды), с другой - руды коры выветривания, тесно ассоциированные с метаморфическими.

Кривбасс расположен на правобережье р. Днепр вдоль нижнего течения р. Ингулец и ее притоков Саксагани и Жёлтой, вытянут в северо-северо-восточном направлении на протяжении около 100 км. Бассейн входит в состав Украинского кристаллического массива и является частью докембрийской геосинклинали. Архейский её этаж сложен гнейсами, гранитами, мигматитами, амфиболитами, кристаллическими сланцами, распространёнными к западу и востоку от Кривбасса. Вышележащий этаж образован криворожской геосинклинальной серией протерозойского возраста, которую делят на три отдела: 1) нижний - аркозово-кварцитовый и филлитовый, с горизонтом тальковых сланцев; 2) средний - собственно рудоносный, железисто-кварцитовый сланцевый; 3) верхний кварцито-песчанико-сланцевый с линзами мраморизованных известняков. Полный разрез среднего отдела включает девять горизонтов железистых кварцитов. Они перемежаются с кварц-серицитовыми, хлорит-серицитовыми и другими сланцами и микрокварцитами.

Криворожская серия образует сложный синклинорий, состоящий из синклинальных и антиклинальных складок с падением крыльев под углами 45-80°, большей частью с килевидным замыканием синклиналей. Шарниры синклиналей погружаются под углом до 40° на север. Обычно крылья складок в той или иной мере срезаны продольными сбросами или надвигами, крупнейшим из которых является Саксаганский надвиг. В результате этих дислокаций на общем простирании бассейна обособлены рудоносные структуры (с юга на север): Ингулецкая (Южное рудное поле), Саксаганская (Главное, или Саксаганское, рудное поле), Первомайская, Анновская, Желтореченская (Северное рудное поле), Попельнастовская. В Северном рудном поле осадочные породы жестоко прорваны протерозойскими гранитными интрузиями.

Железистые кварциты представлены во всех рудных полях, их запасы в Кривбассе огромны. Различаются магнетитовые, магнетит-гематитовые и гематитовые типы и их в той или иной мере окисленные в коре выветривания разности. Основное промышленное значение имеют неокисленные магнетитовые и магнетит-гематитовые разности. Горно-обогатительные комбинаты (ГОКи) Кривбасса разрабатывают железистые кварциты крупными карьерами и получают из кварцитов высокосортный магнетитовый концентрат.

Наибольшие запасы богатых руд, основная часть которых относится к группе коры выветривания, сосредоточены в саксаганской части бассейна. Рудоносный средний отдел имеет здесь мощность до 2000 м. и содержит до восьми пластов железистых кварцитов.

Богатые руды, состоящие в основном из окислов и гидроокислов железа, слагают пласто-, столбо-, штоко- и линзообразные залежи и тела среди железистых кварцитов. Условия залегания богатых руд несколько различны в различных частях бассейна. В главном Саксаганском рудном поле залежи богатых руд локализованы полностью в пластах железистых кварцитов, на крыльях и в шарнирных частях синклиналей. Особенно благоприятны для локализации рудных тел на крыльях складок зоны поперечных смятий типа пологих складок и флексур, сопровождаемых развитием кливажа и межслоевыми подвижками, а также зоны разломов по простиранию слоистости и узлы разрывных нарушений с дроблением и трещиноватостыо. В результате рудные тела располагаются в пластах железистых кварцитов группами и цепочками с бОльшими или меньшими перерывами. Отдельные рудные тела на глубине как бы сливаются в шарнирных частях синклиналей, образуя крупные рудные столбы, часто с килевидной подошвой, совпадающие по простиранию и падению с шарнирами складок.

Наибольшая насыщенность рудными телами в Саксаганском районе наблюдается в пятом и шестом железистых горизонтах, что связано с более высоким содержанием в них железа и с более тонкой их слоистостью, способствовавшей развитию деформаций.

В Южном рудном поле богатые руды пластообразного характера залегают в зоне стратиграфического несогласия между отложениями среднего и верхнего отделов криворожской серии.

Богатые руды такого стратиграфического положения отмечены и в ряде пунктов Саксаганского и Желтореченского районов.

В Северном рудном поле развиты силикатно-магнетитовые и силикатно-магнетит-железнослюдковые руды. Формы рудных тел преобладающе столбообразнме, в меньшем числе штоко- и линзообразные, редко пластообразные. Залегают они как согласно с замещаемыми породами, так нередко и секут их слоистость или сланцеватость. Контролируются рудные тела зонами дробления, смятия, тектоническими швами, узлами разрывных нарушений. Формы и размеры сечений рудных тел весьма изменчивы.

Некоторые особо красивые сорта криворожского джеспилита отличаются причудливым чередованием красных и синих полос и используются как поделочный камень. Криворожский джеспилит был использован при оформлении парадных залов Петергофского дворца. Кроме того, в Кривом Роге встречаются поделочные камни: "тигровый глаз" и "соколиный глаз", а также редкие по чистоте мономинеральные скопления параллельно-волокнистого или спутанно-волокнистого синего амфибола (рибекита), в небольших количествах извлекаемого попутно для технических и иных целей.

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 СНГ – Соколовское, Курская магнитная аномалия и др. Добывают магнитный железняк также в Казахстане.

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 СНГ - 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 - Керченское, Аятское, Лисаковское.

Шпатовые железняки содержат FеСО₃ (~ 30 … 40 % Fе). Богатые залежи шпатового железняка находятся в Бакальском месторождении. СНГ располагает богатейшими в мире месторождениями железных руд. Более 48 % мировых разведанных запасов железных руд приходится на 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.

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 и природный газ, а также доменный (колошниковый) газ. В доменном производстве в последние годы стали широко применять пылеугольное топливо (ПУТ) в качестве заменителя кокса.

Для доменного процесса требуется прочное кусковое топливо, которое служит не только источником тепла для нагрева шихты и ее расплавления, но и химическим реагентом для восстановления железа из руды. Кокс получают в коксовых печах сухой перегонкой при температуре 1000…1200 °С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. Для коксования используют смесь углей, взятую в определенном соотношении. В процессе коксования угольная масса размягчается и из нее начинают выделяться газообразные продукты, после чего она спекается в пористую массу. Газообразные продукты удаляются из печи и направляются в химическое отделение, где из них извлекают бензол, фенолы, каменноугольную смолу и другие ценные продукты. Процесс коксования длится 15 …20 ч. Затем кокс удаляют из печи и тушат водой или инертным газом. 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. К сожалению, в углях, добываемых в Украине, содержание серы достаточно высокое (что обуславливает и последующее ее содержание в коксе, т.к. при коксовании она переходит в кокс).

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, в т.ч. в горячем состоянии, чтобы не разрушаться в доменной печи под действием массы шихтовых материалов. Теплота сгорания кокса составляет порядка 29,3 МДж/кг.

Природный газ (ПГ)содержит 90 … 98 % углеводородов (СН₄ и С₂Н₆) и до 1 % азота. Теплота его сгорания 33 … 50 МДж/кг. Природный газ, вдуваемый в доменную печь, позволяет экономить кокс (коэфф. замены – 0,7…1,0). Кроме этого, используют доменный (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. Шлаки, образующиеся в доменной печи, должны содержать определенное количество основных окислов (СаО, МgО). Это необходимо для удаления серы из металла, в который она может переходить из кокса и железной руды при плавке. Поэтому при выплавке чугуна в доменных печах в качестве флюса используют известняк СаСО₃ или доломитизированиый известняк, содержащий СаСО₃ и МgСО₃.

Отношение (СаО)/(SiO₂) называют основностью шлака. Рекомендуется, чтобы в шлаке отношение содержания (СаО + МgО)/(SiO₂ + А1₂О₃) 1. Обычно пустая порода руды состоит в основном из SiО₂ и А1₂О₃.

Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные окислы (SiO₂, Р₂О₃), и основным, если в его составе преобладают основные окислы (СаО, МgО, FеO и т.д.).

При высоких температурах рабочего пространства плавильных печей шлаки могут взаимодействовать с футеровкой печи. Если в печь, выложенную огнеупорным материалом, в состав которого входят основные окислы (основная футеровка), вводить кислые флюсы, то взаимодействие шлака и огнеупорного материала футеровки печи приведет к ее разрушению. То же произойдет, если в печь, выложенную огнеупорными материалами, в состав которых входят кислотные окислы (кислая футеровка), вводить основные шлаки. Поэтому в печах с кислой футеровкой применяют кислые шлаки, а в печах с основной футеровкой - основные.

При плавке в печах с кислой футеровкой используют в качестве флюса кварцевый песок, состоящий в основном из SiO₂, а в печах с основной футеровкой - известняк (СаСО₃) или доломитизированный известняк, содержащий СаСО₃ или МgСО₃.

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

В процессе плавки образуются расплавленный металл и шлак, которые практически не смешиваются. В соответствии с законом распределения, если какое - либо вещество растворяется в двух соприкасающихся, но не смешивающихся жидкостях, то распределение вещества между этими жидкостями происходит до установления определенного соотношения, постоянного для данной температуры. Поэтому, изменяя состав шлака, можно менять соотношение между количеством примесей, входящих в состав металла и шлака, таким образом, что нежелательные примеси будут удаляться в шлак. Удаляя шлак с поверхности металла, и, наводя новый путем подачи флюса нужного состава, можно управлять процессами удаления вредных примесей из металла (серы, фосфора и т. д.). Регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управления металлургическими процессами.

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.

Для кладки особо ответственных элементов (например – лещадь доменной печи) применяют углеродистые блоки или спец. керамику.

Чугунвозные ковши в последние годы футеруют методом торкретирования (покрытие стенок огнеупорной торкрет-массой). Ковши для шлака (шлаковозы) не футеруют, т.к. попадающий в них шлак застывает на стенках, выполняя роль «футеровки».

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

Доломитовый кирпич содержит 32 … 36 % МgО и 50 … 56 % СаО; применяют вместе с магнезитовым порошком для наварки подин и откосов основных сталеплавильных печей. Смолодоломитовый кирпичизготовляют из доломитового порошка с каменноугольной смолой, используют для футеровки кислородных конвертеров. Смолодоломитомагнезитовый кирпичсодержит 32 … 50 % МgО, 38 … 54 % СаО и до 4 % SiO₂; применяют для футеровок кислородных конвертеров. Хромомагнезитовый кирпичсодержит 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.