Лекция 5. Материалы необходимые для ведения металлургических процессов.

Топливо.

Пылевидное топливо. Угольную пыль, измельченную до 0,25-0,05 мм, можно полу­чить из разных сортов каменного угля. Это топливо не получило распространения в мартеновских печах. Угольная пыль хорошо сгорает, создает ярко светящееся пламя. Но при горении из пыли попадает зола, которая осаждается в мартеновской печи, портит свод и головки, заносит шлаковики, осаждается в регенераторах и портит их керамику. В последнее время на отдельных заводах вдувают пыль в доменную печь, заменяя часть дорогостоящего и дефицитного кокса.

Мазут и смола. При сжигании мазута или смолы образуется сильно светящееся пламя, хорошо излучающее тепло в рабочем пространстве марте­новской печи. Мазут - высококалорийное топливо - 39776,6 кДж/кг (9500 ккал/кг).

Для хорошего сжигания мазут должен быть распылен на мелкие капли. Степень распыления определяется давлением рас­пылителя. При испарении мазута выделяются углеводороды, раз­ложение которых дает сажистый углерод, обеспечивающий хоро­шую светимость пламени. Высокая стоимость мазута заставляет переводить печи, отапливаемые мазутом, на более дешевое топливо, например природный газ.

Доменный и смешанный газы. На заводах полного металлургического цикла существенную долю в топливном балансе занимает доменный газ, который назы­вают колошниковым. Средний состав колошникового газа совре­менных доменных печей следующий: 9-13% СО₂; 28-30% СО; 56,5-58,5% N₂; 1,5-2,5% Н₂; 0,2-0,4% СН₄. Калорийность такого газа не более 3977 кДж/м³ (950 ккал/м.³). Чистый домен­ный газ используют для нагревательных печей прокатного цеха, а также для нагрева доменных воздухонагревателей. Мартенов­скую плавку нельзя осуществить, если применять только доменный газ, так как в этом случае из-за его низкой калорийности необхо­димы неприемлемые для практики огромные расходы газа, а сле­довательно, и воздуха. Смесь доменного и коксового газов оказа­лась наиболее выгодным топливом с точки зрения как общей эко­номики завода, так и теплотехники мартеновской печи. Обычно в смешанном газе содержится 40-50% коксового газа, что обеспечивает среднюю калорийность смеси 9629,6-10040 кДж/м³ (2300—2400 ккал/м³).

Кокс - топливо современных доменных печей - получают нагревом измельченных каменных углей до температур 1100-1200°С без доступа воздуха. По анализу органической массы устанавливают степень и качество выжига кокса. В выжженном коксе находится 82-90% С. Теплотворная способность горючей массы около 33075,7- 33494,4 кДж/кг (7900-8000 ккал/кг).

Коксовый газ - продукт высокотемпературной перегонки каменного угля, очищенный от влаги, смолы, бензольных угле­водородов и аммиака, - используется для отопления мартенов­ских печей. Состав газа современных коксовых печей примерно следующий: 2-2,5% СО₂, + Н₂S; 2,2-2,5% С_mН_n; 6-7% СО; 24-26% СН₄; 54-60% Н₂; 3-8% N₂. Это высококалорийный газ, его теплотворная способность 16667—17504,6 кДж/м³ (4000- 4200 ккал/м³) таквысока, что позволяет сжигать газ в холодном состоянии. Холодный коксовый газ горит бесцветным пламенем, так как при горении не успевает выделяться сажистый углерод. Для создания светимости необходимо расходовать большие коли­чества карбюратора (мазута или смолы).

Природный газ - самый высококалорийный. Калорийность 31401- 39774 кДж/м³ (7500-9500 ккал/м³)}, Применяют его для отопления мартеновских печей и вдувания в доменные печи. Со­став природного газа разных месторождений различается содержанием углеводородов и серы. После очистки концентрация серы может быть уменьшена до следов.

Газ нефтяных скважин называют попутным газом. Природный и попутный газы могут применяться в мартеновских печах без подогрева. Холодные природный и попутный газы горят несветя­щимся пламенем, поэтому без карбюрации их не применяют.

Огнеупорные материалы. Огнеупорами называют строительные материалы, способные выдерживать высокие температуры (900- 2000° С и выше) и воздействие расплавленных металла и шлака и горячих газов, не разрушаясь и не изменяя своего состояния. Огнеупорные материалы в виде кирпича различных форм и размеров применяют для кладки и футеровки металлургических печей и конвертеров, для футеровки сталеразливочных и чугуновозных ковшей, выкладки регенераторов, рекуператоров и дымоходов. Из порошкообразных огнеупорных материалов изго­товляют различные массы, применяемые при кладке пе­чей, а также жаропрочные бетоны. Основными потребителями огнеупоров являются ме­таллургические предприятия, расходующие более 70% всей продукции огнеупорного производства.

Огнеупорные изделия классифицируются по их хи­мическому составу. Основой огнеупорных изделий мо­гут быть окислы (SiO₂, MgO), соединения, образующие­ся при взаимодействии окислов (3Al₂O₃-2SiO₂ - мул­лит, 2MgO-SiO₂ форстерит, FeO-Cr₂O хромит), элементарные вещества и их соединения (углерод, SiC - карборунд). В зависимости от химического со­става огнеупорные изделия разделяются на три груп­пы - кислые, основные и нейтральные. К кислым отно­сится, например, динас, так как его основой служит кремнезем SiO₂, к основным - магнезит (основа - окись магния), к нейтральным - шамот (основа - глинозем А1₂Оз). Кроме этих трех групп, имеются еще специальные огнеупорные материалы.

Качество огнеупорных изделий определяется их фи­зическими свойствами (пористость, газопроницаемость, теплопроводность, электропроводность, теплоемкость) и рабочими свойствами (огнеупорность, термическая устойчивость, строительная прочность, постоянство объ­ема, шлакоустойчивость, правильность формы и точ­ность размеров).

Теплоизоляционные материалы. Теплоизоляционные материалы предназначаются для уменьшения передачи тепла от одного тела к другому. Они должны быть легкими и прочными. Теплоизоляци­онные материалы делятся на сыпучие (набивки и засып­ки) и штучные (кирпич, плиты и др.). Кроме того эти материалы различают по максимальной температуре, при которой допускается их эксплуатация: низкотемпе­ратурные до 125-150° С, среднетемпературные до 350- 600° С, высокотемпературные до 800-900° С и жароупор­ные свыше 900°С.

Применение теплоизоляционных материалов являет­ся важным фактором увеличения к. п. д. печей. Особен­но эффективно использование огнеупорных теплоизоля­ционных материалов для внутренней футеровки стен пе­чей в области высоких температур, так как оно дает воз­можность сократить продолжительность разогрева печи, уменьшить толщину ограждающих поверхностей, сни­зить удельный расход топлива.

Литература:8 осн. [11-46], 9 осн. [13-17].

Контрольные вопросы

1. Какие виды топлива применяют в металлургии?

2. В чем преимущество использования кокса по сравнению с применением угля?

3. Что такое огнеупор?

4. Каким образом классифицируются огнеупорные материалы?

5. Для чего используют теплоизоляционные материалы?

Лекция 6. Рудоподготовка. Обогащение полезных ископаемых

Обогащение полезных ископаемых яв­ляется отраслью промышленности, перерабатывающей твердые полезные ископа­емые с целью получения концентратов, т. е. продуктов, качество которых выше качества исходного сырья и удовлетворяет требованиям дальнейшего использования их в народном хозяйстве. Качество полезных ископаемых и продуктов обогащения опре­деляется содержанием ценного (полезного) компонента, примесей, элементов-спутников, а также крупностью, и влажностью материала.

Ценным компонентом называют тот элемент или при­родное соединение, для получения которого добывается полезное ископаемое. Например, медь, свинец, железо, асбест, в медных, свинцовых, железных, асбестовых рудах соответственно будут цен­ными компонентами. Примеси могут быть полезными и вредными.

Полезными примесями называют элементы или при­родные соединения, содержащиеся в небольших количествах в полезных ископаемых, которые, примешиваясь к ценному компоненту, улучшают его качество или облегчают его выделение. Ванадий, вольфрам, марганец, хром в железных рудах - полезные примеси, так как, попадая в выплавляемый из руды металл, улучшают его качество.

Вредными примесями называют элементы иди при­родные соединения, содержащиеся в небольших количествах в полез­ных ископаемых, которые, примешиваясь к ценному компоненту, ухудшают его качество или затрудняют его выделение. Например, сера и фосфор в железных рудах и коксующихся углях - вредные примеси.

Элементами-спутниками называют ценные эле­менты, которые содержатся в полезных ископаемых в небольших количествах, и их извлечение из данного полезного ископаемого становится экономически целесообразным только потому, чтоони добываются из недр земли попутно с основным ценнымкомпонентом. Например, благородные металлы в полиметаллических рудах, ко­бальт и другие цветные металлы в некоторых железных рудах являются элементами-спутниками. Элементы-спутники при обогащении выделяют в самостоятельные продукты или в один продукт с основным ценным компонентом и в дальнейшем извлекают в про­цессе металлургической или химической переработки.

Качество полезного ископаемого и выделяемого из них концен­трата тем выше, чем выше в нем содержание полезного компонента, элементов-спутников и полезных примесей и чем ниже содержание вредных примесей. Чем выше качество продукта, тем он богаче, так как содержит, больше полезного компонента. Поэтому обработка полезных ископаемых, приводящая к получению концентратов, продуктов более богатых, чем исходное сырье, и отрасль промышленности, осуществляющая такую обработку, называются обогащением полезных ископаемых. Включение обо­гащения в цикл переработки полезных ископаемых позволяет из до­бываемых полезных ископаемых выделить богатые продукты – концентраты и использовать сырье с большим экономическим эффектом.

Требования к качеству концентратов называют кондициями и устанавливают их исходя из технологии и экономики переработки данного сырья с обязательным учетом возможностей обогащения и свойств данного полезного ископаемого. Кондициями устанавливается ниж­ний предел для содержания полезного компонента и верхний предел для содержания вредных примесей, а также крупность и влажность концентрата.

Следует сразу подчеркнуть относительность понятий полезный минерал, вредная или полезная примесь, пустая порода. Отнесение минерала к одному из этих понятий имеет силу только для данного конкретного полезного ископаемого при современном уровне разви­тия техники обогащения и технологии последующей переработки с учетом потребности народного хозяйства в этом сырье.

Один и тот же минерал в исходном сырье может быть полезным, в другом - пустой породой. По мере развития техники обогащения и технологии дальнейшей переработки продуктов обогащения, а также при увеличении потреб­ности народного хозяйства в определенном сырье минералы в том или ином полезном ископаемом могут быть переведены ив разряда пустой породы в разряд полезных минералов.

Обогащение полезных ископаемых - механическая об­работка, не связанная с химическими превращениями минера­лов. Химический состав минералов до и после обогащения остается неизменным. Улучшение качества полезного ископаемого при обога­щении достигается разделением минералов. В продукты, называемые концентратами, выделяется боль­шая часть полезных минералов и полезных примесей, в хвосты, выделяется большая часть минералов пустой породы и вредных примесей. Хвосты выводятся из процесса обога­щения и складируются в хвостохранилища, а концентраты напра­вляются для дальнейшей переработки и использования.

Улучшение качества полезного ископаемого при обогащении достигается выделением пустой породы и концентрации полезных минералов в меньшем объеме. При этом увеличивается содержание цен­ного компонента, так как почти все его количество оказывается сосредоточенным в концентрате.

К основным технологическим показателям обогащения относятся: содержание компонентов в исходном сырье и продуктах обогащения, степень концентрации полезного компонента, выхода продуктов обо­гащения, извлечение компонентов в продукты обогащения и эффек­тивность операций разделения.

Содержанием компонента называется, отношение веса компонента в продукте к весу продукта. Содержание можно выражать в процентах, в долях единицы и в граммах на тонну.

Степенью концентрации, достигаемой при обога­щении полезных ископаемых, называется отношение содержания полезного компонента в концентрате к содержанию его в исходном сырье. Степень концентрации показывает, во сколько раз концентрат богаче исходного сырья.

Выходом продукта обогащения называется от­ношение веса продукта к весу переработанного исходного материала. Выход принято выражать в процентах или долях единицы. Величина, обратная выходу, выраженная в долях единицы, показы­вает число тонн исходного материала, из которых при обогащении получается одна тонна продукта.

Извлечением полезного компонента в про­дукт обогащения называется отношение веса компонента в продукте к весу того же компонента в исходном сырье. Извлечение принято выражать в процентах или в долях единицы. Извлечение полезного компонента в концентрат показывает, какая часть этого компонента перешла при обогащении из исходного материала в концентрат.

Эффективностью обогащения называется отно­шение приращения веса ценного компонента в концентрате в данном случае обогащения к приращению веса компонента в случае идеаль­ного обогащения, когда в концентрат выделяется только весь ценный компонент. Приращение веса ценного компонента в концентрате вычисляется как разность между весом компонента в концентрате и весом компонента в исходном материале, взятом в количестве, равном весу концентрата. Эффективность обогащения принято выра­жать в процентах или в долях единицы. Эффективность обогащения оценивает степень приближения действительного процесса обогаще­ния к идеальному.

Методы обогащения

При обогащении используются различия физических и физико-химических свойств разделяемых минералов. Методы обогащения разделяются на процессы обогащения. Процесс обогащения - это отделение одних минералов от других на основании опреде­ленным образом используемого различия в свойствах минералов.

1 - самоопрокидывающийся вагон; 2 - приемный бункер; 3 - пластинчатый питатель; 4 - колосниковый грохот; 5 - конусная дробилка крупного дробления; 6 и 9 - вибрацион­ные грохоты; 7 - конусная дробилка среднего дробления;

8 и 11 - ленточные конвейеры; 10 - конусная дробилка мелкого дробления; 12 - ленточный конвейер с разгрузочной тележной; 13 - бункер дробленой руды; 14 - питатели дробленой руды; 15 и 16 - сборные ленточные конвейеры;

17 - наклонный ленточный конвейер; 18 - конвейерные весы; 19 - шарован мельница; 20 - спиральный классификатор; 21, 25, 34, 35 - песковые насосы;

22 и 26 – пульподелители; 23 и 24 - флотационные машины; 27 - барабанный вакуум-фильтр с внутренней фильтрующей поверхностью; 28 - барабанная сушилка; 29 - батарей­ные циклоны; 30 - электрофильтр; 31 - пенный пылеуловитель; 32 - дымосос; 33 - сгу­ститель.

Рисунок 2- Схема цепи аппаратов флотационной обогатительной фабрики.

Свойства минералов и методы обогащения:

Свойства минералов	Методы обогащения
Удельный вес, плотность Физико-химические свойства поверхностей минеральных зерен Магнитная восприимчивость Электрические свойства Естественная или наведенная радиоактив­ность, светоотражательная способность минеральных поверхностей, сопротивление проникающему излучению, свечение в рентгеновских лучах и т. д. Цвет, блеск, форма, плотность Форма Коэффициент трения скольжения Твердость, прочность	Гравитационный Флотационный   Магнитный Электрический Механизированная рудоразборка   Ручная рудоразборка     По форме По трению Избирательное дроб­ление

Полезные ископаемые на обогатительных фабриках проходит ряд последовательных процессов обработки, которые по своему назначе­нию в технологическом цикле фабрики можно разделить на подготовительные, обогатительные и вспомогательные.

К подготовительным относятся процессы дробления, измельчения, грохочения и классификации, в которых достигается разъедине­ние минералов и разделение обрабатываемого полезного ископаемого на классы по крупности, что необходимо для успешного осуществления обогащения.

К обогатительным относятся процессы разделения минералов, позволяющие выделить из полезного ископаемого концентраты и хвосты.

К вспомогательным относятся процессы обезвоживания концен­тратов и складирования хвостов, в которых снижается влажность концентратов до установленного предела и очищаются сточные производственные воды фабрики перед сбросом в водоемы общего пользования или перед повторным использованием их на фабрике.

Последовательные операции обработки, которым подвергаются полезные ископаемые на обогатительных фабриках, составляют технологические схемы обогащения. Обычно на схемах указываются данные о качестве и количестве исходного материала и продуктов обогащения, а также приводится режим обработки в отдельных операциях. Такие схемы называются каче­ственно-количественными схемами. Схема обо­гащения, содержащая данные о количестве воды, добавляемой в от­дельные операции и продукты, и о количестве воды в отдель­ных операциях и продуктах, называется шламовой. Кроме технологической схемы обычно составляется еще схема цепи аппаратов, на которой графически изображены пути движения полезного ископаемого и продуктов обработки через аппараты. На схеме указываются тип, размер и число аппаратов.

Литература:10 осн.[258-298], 11 осн.[54-205]

Контрольные вопросы

1. Какие методы обогащения Вам известны?

2. Чем отличается дробление от измельчения?

3. Какие конструкции грохотов Вам известны?

4. Что собой представляет классификация?

5. Что собой представляют отсадочные машины?

Лекция 7. Оборудование цехов подготовки шихты

Концентрат, полученный на обогатительной фабрике, поступает в цех подготовки шихты, где подвергается усреднению, затем при необходимости окатываются и подвергаются обжигу.

Основное назначение всех этих процессов состоит в том, чтобы обеспечить наибольшую удельную производительность плавильной печи при возможно лучшем извлечении полезных металлов.

В металлургии тяжелых цветных металлов распространены два вида обжига: на порошок и агломерирующий обжиг со спеканием. Обжигу на порошок, продуктом которого является огарок, под­вергают цинковые, медные и никелевые концентраты Цинковый огарок направляют на выщелачивание, медный - на отражательную плавку, закись никеля - в электроплавильную печь.

Обжиг со спеканием используется в металлургии свинца. Продукт этого процесса - агломерат (куски спекшейся шихты) направляют на плавку в шахтные печи.

В зависимости от характера обжига используют то или иное оборудование: обжиговые печи, спекающие (агломерационные) машины, обжиговые машины, трубчатые вращающиеся печи.

Печи обжига в кипящем слое

Сущность процесса состоит в том, что горячий толстый слой обжигаемого материала непрерывно и равномерно продувается снизу вверх по всей площади сжатым воздухом или смесью воздуха с кислородом. При определенной скорости дутья, называемой критической, материал становится легкоподвижным, похожим на вязкую жидкость, совершает непрерывное движение, похожее на кипение Частицы концентрата легко перемешиваются, хорошо соединяются с кислородом воздуха и свободно без применения механизмов передвигаются в горизонтальной плоскости к разгрузочному отверстию. Процесс этот совершается в печах, называемых печами кипящего слоя (печами КС). Все печи имеют круглое поперечное сечение (Рисунок 3).

Рабочее пространство печи - цилиндрическая шахта, образованная подиной 1, боковыми стенками корпуса 4 и сводом 5. Подина отечественных печей изготовлена из жаропрочного бетона толщиной 250-300 мм, выложенного на стальном горизонтальном листе толщиной 14-30 мм. По всей площади подины Равномерно (с шагом около 200 мм) расположены воздухораспределительные сопла 10. Дутье к подине подводится от воздуходувной станции через воздушную коробку 11. В зарубежной практике применяют, подины, выложенные из нескольких слоев огнеупорного кирпича.

В печь шихта загружается через крутонаклонный патрубок 14, а выгружают огарок через порог разгрузочной камеры 3. Высоту порога, равную высоте кипящего слоя, принимают в пределах 1000-1200 мм. Разгрузочную камеру делают отъемной или же заодно с корпусом печи.

1 - подина; 2 - воздушный коллектор; 3 - разгрузочная камера; 4 - стена;

5 - свод; 6 - ленточный конвейер; 7 - шлюзовый затвор; 8 - тарельчатый питатель; 9 - загрузочная камера; 10 - сопло; 11 -воздушная камера; 12 - колонна; 13 - опора подины; 14 - загрузочная воронка; 15 - змеевик; 16 -газовая горелка

Рисунок 3 - Печь КС для обжига цинкового концентрата

Внутреннюю поверхность корпуса тщательно футеруют, обкладывают асбестовым листом, между которым и кладкой предусматривают компенсационный изоляционный слой.

Воздушная камера состоит из пяти отдельных секций (в некоторых печах камеру делают односекционной), предусмотренных для регулирования подачи воздуха по площади подины и в загрузочных камерах (форкамерах).

При обжиге высокосернистых концентратов (цинковых, медных) создаются чрезмерно высокие температуры, в зоне кипящего слоя. Для отвода избыточного тепла устанавливают водоохлаждаемые кессоны в виде стальных коробок, наполненных водой. Концы кессонов заходят в зону кипящего слоя.

В комплекс установки печи КС входит разнообразное оборудование: питатели, конвейеры, шнеки, эксгаустеры, воздуходувки, циклоны, стояки, газоходы-фильтры. В современных установках предусмотрены котлы-утилизаторы, как наиболее эффективные и экономичные средства для использования тепла газов и одновременного улавливания наиболее крупной фракции пыли. После тонкой очистки от пыли в электрофильтрах газы поступают в сборный коллектор сернокислотного цеха.

Трубчатые вращающиеся печи

Каждая печь состоит из следующих основных частей: барабана 3, (рисунок 4), приводного механизм с зубчатым венцом 5, закрепленным на барабане; опор с бандажами 4 и роликами опорными 7, верхней и нижней головок 2 и 6.

Основными параметрами печей являются: диаметр (в свету) и длина барабана. Между ними установлена определенная зависимость, обусловленная технологическим процессом и конструкцией. В печах вельцевания отношение D/L = 1/14-1/17, в печах спекания глиноземного производства это отношение колеблется от 1:20 до 1:36.

Для процесса вельцевания применяют печи диаметром 2,25; 2,5 и 3,6 м и длиной барабана 40-50 м. Наиболее крупные печи работают в глиноземном производстве. В последнее время введены в действие гигантские печи размером 5x185 м.

1 - загрузочная воронка; 2- верхняя головка; 3- барабан; 4- бандаж;

5- зубчатый венец; 6- нижняя головка; 7- опорный ролик; 8- люк;

9- электродвигатель; 10- редуктор.

Рисунок 4 - Общий вид трубчатой печи

Трубчатые печи устанавливают под углом 2-5° к горизонту, с наклоном в сторону разгрузки перерабатываемого материала. Скорость вращения барабана находится в пределах 0,5-1,5 об/мин. Печи обжига, спекания и вельцевания работают по противоточной схеме: с верхнего конца барабана перемещается материал, а навстречу ему с нижнего конца движутся горячие газы. Для вращения печи на корпусе установлен венец, которая зацеплена с подвенцовой шестерной, находящееся на выходном валу редуктора. Редуктор и электродвигатель 9 соединены между собой муфтой. Шихта загружается с одной стороны печи по круто наклонной трубе, а выгружается с противоположенной стороны. Отходящие газы выносятся из печи с температурой 500-600⁰ С.

Агломерационные машины.

Главный частью машины является кон­вейер (рисунок 5), состоящий из отдельных тележек 1 с колосниковой решет­кой. Тележки движутся по замкнутым направляющим путям. На верхнем и нижнем путях тележки движутся плотно прижатыми друг к другу, образуя рабочую и холостую ветви. Движение теле­жек по рабочей ветке осуществляется за счет их подъема с холос­той ветви и проталкивания приводными звездочками 7.

В начале рабочей ветки конвейера на движущиеся тележки укладывается питателем 2 постель (подстилочный материал), состоящая из крупных кусков шихты и затем основная шихта пи­тателем 3 (одним или двумя) слоем 150—500 мм. Слой постели толщиной 30—50 мм предохраняет колосники тележек от перегрева и уменьшает просыпь шихты через щели колосниковой решетки.Для зажигания входящего в шихту твердого топлива (коксика) установлен горн 4, работающий на газе или мазуте. Под слоем шихты в вакуум-камерах 5 создается разрежение, благодаря чему продукты сгорания проходят через шихту, зажигая частицы твердого топлива. Газы через вакуум-камеры, газовые тракты и пылеуловители 6 отводят в дымовую трубу 9. Необходимое для этого разрежение 10—25 кПа создается нагнетателем (эксгаусте­ром) 8.

Полученный агломерат после разгрузки с машины подвергают дроблению и сортировке по крупности (грохочению). Охлаждение агломерата до температуры 100—130°С осуществляют на удли­ненных агломерационных машинах, либо на установленных за ними линейных, кольцевых или чашевых охладителях за счет при­нудительной подачи холодного воздуха в слой агломерата.

Рисунок 5 - Схема установки для спекания шихты на агломерационной

конвейерной машине

Литература:10 осн.[298-330], 11 осн.[248-310]

Контрольные вопросы

1. Каким технологическим процессам подвергается концентрат в цехах подготовки шихты?

2. Какие иды обжига Вам известны?

3. В чем заключается сущность обжига в кипящем слое?

4. Что представляет собой трубчатая печь?

5. Что представляет собой агломерационная машина?