Исходное сырье для выплавки чугуна

Основным промышленным способом получения чу­гунов является доменный процесс, где в качестве сы­рья применяются руды, кокс, их заменители, а также флюсы.

Рудами называют минеральные массы, из которых экономически целесообразно извлечение металла или не­обходимого элемента. Наиболее крупные и богатые по­лезными компонентами скопления руд называются мес­торождениями, а их скопления, которые экономически "целесообразно разрабатывать, — промышленными место­рождениями. Минимальное содержание металла, при ко­тором целесообразно промышленное использование руд, называется кондиционным.

Металлические руды, добытые из недр, называются сырыми. Из них посредством проведения подготови­тельных операций получают товарную руду.

К подготовительным операциям относятся дробление (измельчение), грохочение (классификация), окускова­ние, обогащение, обжиг и усреднение химического со­става.

Дробление производят для придания кускам минера­ла определенной крупности и раскрытия (освобождения)

зерен рудного минерала, грохочение — для разделения руды по крупности кусков.

Окускование представляет собой искусственное полу­чение кусков руды более крупных размеров. Оно осуще­ствляется посредством агломерации, или брикетирования. Агломерация — это процесс спекания мелких руд­ных частиц с целью получения агломерата. Если в состав агломерационной шихты вводится вещество, способству­ющее лучшему ведению металлургического процесса (флюсы), то получаемый агломерат называется офлюсо­ванным. Если агломерации подвергается тонкоизмель­ченная руда, то прежде всего во вращающихся бараба­нах ее превращают в окатыши.

Исходным сырьем для агломерации служат рудная мелочь и колошниковая пыль (отход доменного произ­водства), мелкий кокс, имеющий куски размером менее 3 мм (8—12 % по массе), или каменноугольная мелочь. Брикетирование представляет собой прессование руд­ной массы в брикеты с добавлением связующих или без них.

Обогащение проводят с целью повышения содержа­ния железа в руде посредством отделения от нее пустой породы. Отделенную от руды пустую породу называют хвостами. При глубоком обогащении руд с низким со­держанием железа получают продукт, называемый кон­центратом. Основными методами обогащения являются рудоразборка, а также гравитационное, электромагнит­ное, флотационное и химическое обогащение.

Обжиг — подготовительная операция для руд, содер­жащих воду в связанном состоянии, а также углекислоту и серу. Его проводят в рудообжиговых печах при темпе­ратуре 600—800°C.

Усреднение химического состава — это приведение ру­ды к однородному составу по процентному содержанию компонентов.

Наибольшее значение в металлургии черных метал­лов имеют железные, марганцевые и хромовые руды.

Руда состоит из рудного минерала, пустой породы и примесей. Рудные минералы железных руд представляют собой окислы, карбонаты, сульфиды и некоторые другие соединения. Главными из них являются магнетит, гема­тит, лимонит, сидерит, ильменит и пирит.

Магнетит (магнитный железняк) FeO₄ — минерал черного цвета с металлическим блеском и содержанием железа 40—70 %. Обладает высокими магнитными свой­ствами.

Гематит (красный железняк) Fe₂O₃ представляет со­бой минерал от буровато-красного до черного цвета с металлическим блеском и содержанием железа 45— 65 %. Кроме железа в гематите присутствует большое количество примесей других металлов (титана — до 11 %, алюминия — до 14, марганца — до 17% и др.).

Лимонит (бурый железняк) nFe₂O₃·mH₂O содержит до 63 % железа. Обладает высокой восстановимостью и качеством. Цвет — от желтого до темно-бурого.

Минерал от светло-желтого до бурого цвета с содер­жанием железа до 48 % называется сидеритом (желез­ным шпатом) FeCO₃.

В ильмените (титанистом железняке) FeTiO₃ содер­жится до 37 % железа и 32 % титана. Цвет черный. В связи с трудновосстановимостью и высоким содержа­нием титана он используется как титановая руда (источ­ник получения ферротитана и др.).

Пирит (серный колчедан, железный колчедан) FeS₂ — минерал латунно-желтого цвета, содержащий до 47 % железа. В связи с высоким содержанием серы и других примесей используется для получения серной кислоты, меди, золота и кобальта.

Кондиционное содержание железа для магнетитовых и гематитовых руд — не менее 46—50 %, для лимонито­вых — 37—45%, для сидеритовых — 30—35%. Разница в минимальном содержании железа объясняется его не­одинаковой восстанавливаемостью. Руды с содержанием железа менее 25—30 % относятся к забалансовым, обогащению не подвергаются и в металлургии не исполь­зуются.

Показатели качества железных руд отражают их хи­мический состав, физические и физико-химические свой­ства. При этом основными являются требования, предъ­являемые к химическому составу. К ним относятся:

§ высокое содержание железа (в богатых рудах — 60— 67%, в средних — 50—60, в бедных — 40—50 %);

§ минимальное содержание вредных примесей — серы, фосфора, мышьяка, цинка и свинца (предельно допус­тимое содержание серы в доменных железных рудах — не более 0,005 % на 1 % железа, фосфора — 0,00075— 0,003, цинка и свинца — 0,05 %);

§ низкая температура плавления пустой породы;

§ постоянство химического состава.

Требования к физико-химическим свойствам желез­ных руд сводятся к возможно более высокой восстанови-мости. Она оценивается количеством топлива, которое необходимо затратить для восстановления металла из руды. Важными физическими свойствами железных руд являются пористость и высокая газопроницаемость на­сыпной массы, которая определяется кусковатостью, от­сутствием мелких фракций, высокой прочностью и сла­бой истираемостью.

Основной потребитель марганцевых руд — черная ме­таллургия (90—95 % добычи). Поскольку марганец яв­ляется одним из основных легирующих элементов, мар­ганцевые руды почти всегда входят в шихту доменных печей при выплавке передельных чугунов и ферросплавов.

Важнейшие рудные минералы марганцевых руд — пиролюзит (63,2 % Mn), псиломелан (45—60 % Mn), браунит (9,5 % Mn), гаусманит (72 % Mn), манганит (62,5% Mn), родохрозит (около 48% Mn) и др. По внешнему виду они представляют собой темные (черные, серые или бурые) плотные землистые массы.

При оценке качества металлургической марганцевой руды основными показателями являются содержание марганца, чистота по вредным примесям, кусковатость, твердость и содержание влаги. Наиболее богатые руды содержат более 50 % марганца. Основной вредной при­месью в марганцевых рудах является фосфор. В высокосортных рудах допустимое его содержание не более 0.003 % на 1 % содержащегося марганца. Сера в марганцевых рудах не является вредной примесью, посколь­ку при плавке легко ухолит в шлак.

В зависимости от количественного соотношения мар­ганца и железа руды подразделяются на марганцевые (марганца более 30 %, железа 10—40 %) и марганцевые-железистые (марганца 4—10%, железа более 40%).

Хромовые руды используются для получения хрома являющегося одним из наиболее эффективных легирую­щих элементов. Используемые в металлургической про­мышленности хромовые руды называются хромитами. Наиболее распространенным из них является хромитовый железняк, содержащий 68 % Cr₂O₃, что в пересчете на чистый хром составляет 45,6 %.

Качество хромитов оценивается по содержанию в них окиси хрома. По этому признаку они подразделяются на высокосортные (более 48 % Cr₂O₃), среднесортные (40—46 % Cr₂O₃) и низкосортные (менее 40 % Сr₂О₃).

Кроме того, важнейшими показателями качества хро­митов является соотношение Cr₂O₃ и FeO, а также коли­чество вредных примесей — серы и фосфора.

Основными правилами хранения и перевозки руд яв­ляются предохранение их от возможности загрязнения нежелательными примесями, смешивания различных руд и одинаковых руд различных партий, минимизация коли­чественных потерь и защита от смерзания в монолит.

Поэтому наиболее ценные руды перевозят навалом в чистых крытых железнодорожных вагонах, а концентра­ты — в прочной, гарантирующей от увлажнения, засоре­ния, потерь таре (деревянных, выложенных бумагой боч­ках, стальных барабанах, бумажно-тканевых мешках). На каждом упаковочном месте указывается товарный знак предприятия-изготовителя, марка концентрата, но­мера партии и места, масса брутто и нетто, номер стан­дарта. Их необходимо хранить в сухих закрытых поме­щениях, предохраненными от засорения и смешивания.

Менее ценные руды (например, железную) транспор­тируют навалом в большегрузных полувагонах или обычных товарных вагонах, а хранят сложенными в шта­беля высотой до 6—8 м на открытых площадках.

На каждую отправляемую партию руды или концен­трата выписывается сертификат, в котором указываются наименование предприятия-изготовителя, номер партии, масса, номер стандарта, а также результаты химичес­кого анализа, процентное содержание влаги и другие сведения (количество мест, дата отправления и т. д.).

Для предохранения руд от смерзания применяют суш­ку центрифугированием, предварительное заморажива­ние при постоянном перелопачивании, введение гигро­скопических прослоек (опилок, соломы), специальных веществ, поглощающих влагу (негашеной извести) или водных растворов с низкой температурой замерзания (растворов поваренной соли), обмасливание минераль­ными маслами и др.

Для определения качества руды при ее приемке вы­бирают среднюю пробу, что осуществляется счетным, вы­борочным или щуповым методом. При счетном методе пробу навалочного груза берут при погрузочно-разгру­зочных работах через равное количество порций (ковшей, лопат и др.) или через равные промежутки времени. При выборочном методе пробы берут равными порциями из разных мест партии. Щуповый метод заключается в за­борке проб сыпучего груза из разных мест партии с по­мощью щупа.

Основные процессы получения чугуна, восстановление окислов и плавление чугуна и шлака могут проходить только при достаточно высоких температурах. Это до­стигается посредством сжигания топлива, которым явля­ется кокс. На 1 т выплавляемого чугуна расходуется 400—600 кг кокса, а его стоимость составляет 40—50 % себестоимости чугуна.

Кокс, используемый в металлургии, должен соответ­ствовать ряду требований. В их числе механическая проч­ность, сохраняющаяся при высоких температурах, отсут­ствие мелких фракций, снижающих газопроницаемость шихты, высокая пористость и теплота сгорания, низкое содержание вредных примесей (фосфора и серы), золы и летучих веществ, а также невысокая стоимость.

Флюсами называют добавки, вводимые в доменную и агломерационную шихту для снижения температуры плавления пустой породы и придания доменному шлаку необходимого состава и физических свойств, обеспечи­вающих очистку чугуна от серы и нормальную работу печи.

В зависимости от состава вносимой в печь пустой по­роды флюсы бывают основные (обычный или доломити­зированный известняк), кислые (бедная железная руда с кремнистой пустой породой) и глиноземистые (бок­ситы).

В качестве заменителей руд и флюсов используются мартеновский, конвертерный, доменный или сварочный шлаки, колошниковая пыль, окалина (окислы железа, образующиеся на поверхности слитков при нагреве перед прокаткой), пиритные или колчеданные огарки (отходы производства серной кислоты), чугунный скрап и др.

Заменителями кокса являются природный и коксовый газ, мазут, пылевидное топливо и угольно-мазутная сус­пензия.