Раздел I Основы металлургического производства

В земной коре металлы находятся в виде руд (горных пород с высоким содержанием соединений ценного металла). Только благородные металлы (золото, серебро, платина) встречаются в виде самородков. Для их извлечения из сопутствующих пород применяют физические методы, основанные на разной плотности. Активные металлы (железо, алюминий, титан, олово, цинк и др.) в природе встречаются только в виде соединений, из которых их извлекают различными химическими способами:

1) восстановлением неметаллами (железо восстанавливается углеродом, вольфрам – водородом);

2) восстановлением металлами (титан восстанавливают более активным магнием или бериллием);

3) электролизом растворов и расплавов (так получают алюминий и магний).

Природные руды зачастую бедные, поэтому перед выплавкой их обогащают. В цикле любого металлургического производства происходит постепенное повышение концентрации нужного металла:

Итак, задача металлургического производства – восстановление металлов из оксидов и других соединений.

Наиболее значимыми в технике являются черные металлы: чугун и сталь. Их получением занимается черная металлургия.

Цветная металлургия получает медь, алюминий, титан, другие цветные металлы и сплавы на их основе. Руды цветных металлов беднее железных: в медной руде содержится от 1 до 5 % меди, в молибденовых – сотые доли процента Mo. Для их обогащения применяется больше операций; плавка идет в несколько этапов.

Структура металлургического производства

Предприятия черной металлургии базируются на месторождениях руд и коксующихся углей, а также энергетических комплексах (см. рис.1).

Сырьем для черной металлургии являются железная руда, кокс, флюсы.

Продукция черной металлургии: стальные и чугунные отливки (литые заготовки), стальной прокат (рельсы, балки, листы, проволока, трубы), чугун передельный и литейный (в чушках), ферросплавы.

Важнейший из этих продуктов – сталь, «хлеб промышленности».

Отсюда основная задача черной металлургии:

1) получение чугуна из руды путем восстановления железа из оксидов; производится в доменной печи;

2) получение стали из чугуна и скрапа (металлолома) путем окисления избытка примесей; производится в сталеплавильных агрегатах (конверторе, мартеновской печи и др.).

Рис. 1. Схема металлургического производства (чёрная металлургия)

Получение чугуна

Домна – вертикальная плавильная печь шахтного типа, работает по принципу противотока: шихта загружается сверху, проплавляется и опускается, а горячий воздух и газы поднимаются вверх (см. рис. 2). Шихтой называют все материалы, загружаемые в печь. В доменном производстве это руда, кокс и флюсы. Все эти материалы проходят предварительную обработку: дробление крупных кусков, спекание мелких, обогащение. В домну загружается не природная руда, а обогащенный концентрат, причем в виде кусков определенной величины (10-80 мм), полученных агломерацией (спеканием) или окатыванием (из мелких фракций увлажненной шихты делаются шарики диаметром 30 мм и обжигаются).

Домна вмещает до 7 тыс. т шихты (5 железнодорожных составов). Это печь непрерывного действия, она работает в течение 5-8 лет круглосуточно, без ремонта. Снаружи домна одета стальным кожухом толщиной 40-50 мм, шамотная кладка печи имеет толщину от 70 см в верхней части до 1,5 м в районе гор на. Подогретое дутьё (воздух для горения топлива, обогащенный кислородом) подается из воздухонагревателей через фурмы. Температура дутья достигает 1200 °C, что позволяет экономить кокс и повышает производительность. У каждой домны есть несколько воздухонагревателей, которые поочередно работают то на нагрев кирпичной насадки отходящими газами (рис. 3), то на подогрев воздуха.

Кокс сгорает с выделением большого количества тепла: температура в заплечиках достигает 2000 °C. Продукты сгорания – газы CO и CO₂ – отдают тепло шихте. На выходе их температура составляет всего 300 °C.

В домне идет косвенное (газами CO и H₂) и прямое (твердым углеродом кокса) восстановление железа, последовательно от старших оксидов к младшим:

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe.

Кроме того, восстанавливаются примеси – кремний, марганец, фосфор; железо активно растворяет углерод и серу. Сплав, насыщенный углеродом до ≈4 %, плавится, стекает в горн, и дальнейшее науглероживание становится невозможным: слой жидкого чугуна прикрыт сверху слоем жидкого шлака, состоящего из оксидов и более легкого, чем металл.

Выпуск чугуна и шлака производится периодически через чугунную и шлаковую лётки соответственно.

Сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой называется доменным чугуном. Он подразделяется на литейный чугун, который разливают в слитки весом 45 кг (чушки) или получают из него отливки, и передельный чугун, который идет на передел в сталь. Передельный чугун из чугуновозных ковшей сливают в миксер – огнеупорную емкость, обогреваемую горючим газом, вместимостью до 2 тыс. т жидкого чугуна. В миксере происходит усреднение состава чугуна из разных плавок, что важно для правильной работы сталеплавильных агрегатов.

Чугун и доменные ферросплавы, применяемые для раскисления и легирования стали, – это основная продукция доменного производства, а шлак и доменный газ – побочная.

Технико-экономические показатели работы домны:

1) коэффициент использования полезного объема КИПО = V/P [м³/т],

где V – полезный объем, P – суточная производительность;

2) удельный расход кокса K = A/P, где A – расход кокса в сутки.

Понятно, что чем меньше эти показатели, тем эффективнее работает доменная печь. У лучших печей оба эти показателя имеют величину ≈0,4.

Лекция 2

Получение стали

Исходные материалы для получения стали – передельный чугун и скрап (металлолом).

Состав чугуна: 4 % C, 1 % Mn, 1 % Si, 0,3 % P, ≤ 0,1 % S.

Состав стали 40: 0,4 % C, 0,5 % Mn, 0,3 % Si, ≤ 0,05 % P, ≤ 0,03 % S.

Следовательно, чтобы получить сталь, содержание всех примесей в чугуне надо уменьшить примерно в 10 раз. Для этого примеси окисляют и переводят в шлак.

Выплавку стали производят в сталеплавильных печах различной конструкции, ёмкости и производительности.