Основы металлургического производства

Металлургическое производ­ство - это сложная система различных производств, базирующихся на место­нахождении руд, коксующихся углей, энергетических комплексах. Оно вклю­чает: шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей; горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды, подготавливая их к плавке; коксохими­ческие заводы, где осуществляют под­готовку углей, их коксование и извлече­ние из них полезных химических проду­ктов; энергетические цехи для получе­ния сжатого воздуха (для дутья домен­ных печей), кислорода, очистки метал­лургических газов; доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов или цехи для производства железорудных металлизованных окатышей; заводы для производства ферросплавов; ста­леплавильные цехи (конвертерные, мар­теновские, электросталеплавильные) для производства стали; прокатные це­хи, в которых слитки стали перерабаты­вают в сортовой прокат - балки, рель­сы, прутки, проволоку, лист.

Основная продукция черной метал­лургии: чугуны; железорудные металлизованные окатыши для выплавки стали; ферросплавы (сплавы железа с повы­шенным содержанием Mn, Si, V, Ti и т. д.) для выплавки легированных сталей; стальные слитки для производ­ства сортового проката, листа, труб и т. д.; стальные слитки для изготов­ления крупных кованых валов, роторов турбин, дисков и т. д., называемые кузнечными слитками.

Продукция цветной металлургии: слитки цветных металлов для произ­водства сортового проката (уголка, по­лосы, прутков); слитки (чушки) цветных металлов для изготовления отливок на машиностроительных заводах; лигату­ры - сплавы цветных металлов с ле­гирующими элементами, необходимые для производства сложных легирован­ных сплавов для отливок; слитки чис­тых и особо чистых металлов для приборостроения, электронной техники и других отраслей машиностроения.

Производство чугуна

Для выплавки чугуна необходимо: 1) исходные материалы; 2) топливо; 3) оборудование

Промышленной рудой называют гор­ную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения

Например, в настоящее время целесо­образно извлекать металлы из руд, если содержание их в руде составляет не менее 30-60% Fe, 3-5% Сu, 0,005-0,02% Мо.

Руда состоит из минералов, содер­жащих металл или его соединения, и пустой породы (т. е. различных при­месей). Руды называют по одному или нескольким металлам, которые входят в их состав.

Железные руды содержат железо в различных соединениях: в виде ок­сидов Fе304, Fе2О3; гидроксидов Fе₂О₃xН₂О, карбонатов FеСО₃ и др., а также пустую породу, состоящую в основном из SiO₂, Аl₂О₃, CaO, MgO и др. К железным рудам относятся магнитный железняк Fе₃0₄ (55-60% Fe), красный железняк Fе₂О₃ (55-60% Fe), бурый железняк, содержащий гидраты оксидов железа 2Fе₂0₃-ЗН₂0 и Fе₂О₃-Н₂О (37-55% Fe).

Марганцевые руды применяют для выплавки сплава железа с марганцем - ферромарганца (10-82% Мn), а также передельных чугунов, содержащих до 1% Мn. Марганец в рудах содержится в виде оксидов и карбонатов.

Хромовые руды используют для про­изводства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов. Хромовые руды со­держат хромит (FeO • Сr₂О₃), магнохромит.

Комплексныеруды используют для выплавки природно-легированных чугу­нов. Это железомарганцевые руды (до 20% Мn), хромоникелевые руды (37-47% Fe, до 2% Cr, до 1% Ni), железованадиевые руды (до 0,17-0,35% V).

Шихта: железная руда + шлакообразующие соединения (известняк СаСО₃) и раскислители (ферросилициум, ферромарганец)

Топливом для доменной плавки слу­жит кокс, который получают из каменного угля. При высокотемпературной обработке каменного угля сгорают легковоспламеняемые компоненты, уменьшается содержание влаги и через 14-18 часов конечным продуктом является кокс; в целях экономии часть кокса заменяют природным газом, мазутом. Куски кокса должны иметь размеры 25-60 мм. Кокс должен об­ладать достаточной прочностью, чтобы не разрушаться под действием ших­товых материалов.

В качестве оборудования для выплавки чугуна применяется доменная печь.

Подготовка руд к доменной плавке

Осуществляется для повышения производительности доменной печи, сни­жения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Цель этой подготов­ки - увеличение содержания железа в шихте и уменьшение в ней вредных примесей - серы, фосфора, повышение ее однородности по кусковатости и хи­мическому составу.

Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной для плавки величины. Куски руды дробят и сортируют в дробилках и классификаторах.

Обогащение руды. В результате руда освобождается от пустой породы. Промывка руды водой позволяет отделить плот­ные составляющие руды от песка, глины. Гравитация (от­садка) - это отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита, на ко­тором лежит руда: пустая порода вы­тесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы опускаются. 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.

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

При агломерации шихту, состоящую из железной руды (40-50%), извест­няка (15-20%), возврата мелкого аг­ломерата (20-30%), коксовой мелочи (4-6%), влаги (6-9%), спекают на агломерационных машинах при тем­пературе 1300-1500°С. При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера, мышьяк), разлагаются карбона­ты, и получается кусковой пористый офлюсованный материал - агломерат.

При скатывании шихту из измель­ченных концентратов, флюса, топлива увлажняют, и при обработке во враща­ющихся барабанах, тарельчатых чашах (грануляторах) она приобретает форму шариков-окатышей диаметром до 30 мм. Окатыши высушивают и обжигают при температуре 1200-1350°С на об­жиговых машинах, после чего они становятся прочными и пористыми. Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса-известняка в доменную печь при плавке, так как флюс в необходимом ко­личестве входит в их состав.

Выплавка чугуна

Сущность про­цесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива в печи. В доменную печь загружают кокс и выполняют его горение. В процессе горения кокса протекают следующие реакции:

С_кокс + О₂ ®СО₂

СО₂ + С ® 2СО – восстановитель железа и железной руды

По мере горения кокса в доменную печь загружают шихту, которая подвергается расплавлению и претерпевает следующие превращения, в результате которых восстанавливается железо.

Т=400-500 С

Fe₂O₃ + CО ® Fe₃O₄ + СО₂

Fe₃O₄ + CО ® FeO + СО_{2 +} C®CO

FeO + CО ® Fe + СО₂

Завершающая стадия: получение сплава железа с углеродом

Т=1000-1100 С

Fe + СО ®Fe₃C + CO₂

Так же присутствуют: Si ≤3%, Mn ≤5%, S ≤0,5%, P ≤0,5%. Выплавленный чугун частично используется для изготовления изделий (прессы, станины станков) - литей­ный, а основная часть (около 80%) используется для передела на сталь – передельный.