Сырье для производства чугуна и его подготовка

Место металлургии в народном хозяйстве страны

За годы Советской власти в СССР создано крупное металлур­гическое производство. По объему выплавки чугуна и стали, произ­водству проката, стальных труб, кокса и ферросплавов, добыче железных, марганцевых и хромитовых руд наша страна занимала первое место в мире.

Достижения науки и техники, развитие всех отраслей промыш­ленности и сельского хозяйства непосредственно связаны с произ­водством и использованием черных металлов. Они по своим свой­ствам, экономичности использования в народном хозяйстве не имеют себе равных в большинстве сфер применения. Основными потребителями черных металлов являются машиностроение, строи­тельство, транспорт. Указанные отрасли потребляют около 90 % производимых в стране черных металлов.

Значительно расширилось производство цветных металлов и особенно алюминия, меди, цинка, никеля, кобальта, титана, воль­фрама и др. В промышленности применяется более 50 различных видов цветных металлов, без которых немыслимо развитие ряда отраслей. В этих условиях металлургия (производство металлов) является одной из ведущих отраслей промышленности, способствуя ускорению научно-технического прогресса в других отраслях на­родного хозяйства страны. От обеспеченности металлом, качества металлопродукции зависят темпы роста экономики и эффектив­ность общественного производства.

В свою очередь в условиях научно-технического прогресса по­вышаются требования к качеству металлов, рациональному их ис­пользованию при расширении производства новых конструкцион­ных материалов. Предусматривается дальнейшее улучшение качества конструкционных материалов исходя из задач создания новой прогрессивной техники и реализации ресурсосберегающего направления в экономике.

Чугун – это сплав железа с углеродом (содержание углерода 2 – 4,5%) и другими элементами (марганцем, фосфором, серой и т.д.).

Исходными материалами для производства чугуна являются руды, топливо и флюсы (минеральные вещества, добавляемые в шихту для снижения температуры плавления пустой породы и удаления в виде шлака ненужных компонентов). Основным видом сырья являются желез­ные руды, которые представляют горные породы, содержащие глав­ным образом химические соединения железа с кислородом, и пус­тые породы, состоящие из кремнезема (SiО₂), глинозема (Аl₂Оз), оксидов кальция (СаО), магния (MgO) и др.

Ценность железной руды определяется содержанием в ней же­леза, степенью восстановимости, видом и составом пустых пород, содержанием вредных примесей. С повышением содержания железа в исходном сырье снижаются затраты на подготовку руды, увеличи­вается производительность доменных печей, уменьшается расход кокса. Это в конечном итоге ведет к снижению стоимости выплавки чугуна.

Экономичность процесса плавки зависит также от степени вос­становимости оксидов железа, содержащихся в руде. При исполь­зовании трудновосстановимых руд возрастает удельный расход топлива и увеличивается длительность плавки.

Наличие в рудах вредных примесей (серы, фосфора и др.) обус­ловливает ухудшение качества получаемого чугуна, необходимость дополнительных затрат по их удалению.

Промышленное значение имеют следующие виды железных руд:

1) магнитный железняк, содержащий 45...70% железа в виде оксидов двух- и трехвалентного железа Fe₂O₃, Fe₃O₄. В руде мало вредных примесей, она обладает магнитными свойствами, трудно восстанавливается. Цвет руды темный: от серого до черного. Место­рождения этих руд находятся на Урале, в Сибири и Казахстане;

2) красный железняк с 55...60 % железа в виде оксида F₂Оз, практически без вредных примесей, легко восстанавливаемый. Цвет руды от вишнево-красного до темно-серого. Основные место­рождения этих руд расположены на Украине (Криворожское), в Курской и Белгородской областях;

3) бурый железняк, 35...50 % железа в виде кристаллогидрата оксида 2Fe₂O₃•3H₂O. Руда бурого цвета, характеризуется значи­тельным содержанием вредных примесей, легко восстанавливается. Основные месторождения расположены на Украине, в Казахстане и на Урале;

4) шпатовый железняк, содержание железа в котором в виде его карбоната (FeCO₃) составляет 30...45 %. Цвет руды желтовато-бурый, сероватый, иногда с бурым или зеленоватым оттенком. Месторождения этих руд расположены на Урале и в Кировской области.

Железные руды, кроме основного компонента, содержат никель, ванадий, кобальт и другие элементы. При доменной плавке они переходят в чугун, легируют его и улучшают физико-химические свойства (легирование – добавление химических элементов (хром, никель, вольфрам и др.) для получения нужных свойств чугуна или стали). При значительном содержании указанных элементов ста­новится возможным и экономически целесообразным их попутное извлечение. Указанные руды называют комплексными. К ним отно­сятся хромоникелевая железная руда, ванадистые титаномагнетитовые руды и хромистый железняк.

Кроме железных руд, для выплавки чугуна используются желе­зосодержащие отходы мартеновского производства, а также мар­ганцевые руды (при выплавке ферросплавов).

Источником тепла для расплавления руды служит топливо. Оно участвует также и в химических реакциях, протекающих в доменной печи. В качестве топлива при производстве чугуна используются кокс и природный газ. Кокс получают из коксующихся углей путем их нагрева в специальных печах до 1000...1100 °С без доступа воз­духа. Удельная теплота сгорания каменноугольного кокса дости­гает 27,2...31,4 МДж/кг.

Эффективным заменителем кокса является природный газ. Расширение его применения способствует более рациональному использованию кокса, уменьшению его расхода. Последнее суще­ственно сказывается на снижении себестоимости чугуна, так как стоимость газа значительно ниже стоимости кокса.

В число сырых материалов при выплавке чугуна входят флюсы, представляющие минеральные вещества, добавляемые в шихту для снижения температуры плавления пустой породы и удаления в виде шлака ненужных компонентов (золы, серы, пустой породы). Пустые породы железных руд в основном состоят из кислых оксидов. Поэтому в качестве флюсов применяется известняк (СаСОз), доло­мит (CaCO₃·MgCO₃), основной мартеновский шлак и др. Если пустая порода железных руд содержит больше основных оксидов, то в качестве флюсов используются кремнезем, кварц и др.

Руда, топливо и флюсы, взятые в определенных дозах (по массе), называются шихтой. Для обеспечения более полного использования полезного объема доменных печей, сокращения расхода топлива и флюсов, а следовательно, получения высококачественного чугуна наиболее низкой себестоимости необходима подготовка шихтовых материалов к плавке.

Прежде всего, подготовке подвергают руду. Она должна иметь требуемый состав и определенный размер кусков (20...40 мм). С этой целью на железорудных предприятиях и металлургических заводах проводится усреднение руд по химическому составу. В свою очередь мелкие и пылевидные фракции подвергаются окускованию, а крупные — дроблению.

Переработка железных руд с небольшим содержанием железа (40...46 %) характеризуется значительным увеличением расхода топлива, флюсов, снижением производительности доменных печей и в конечном итоге увеличением себестоимости чугуна. Поэтому бедные руды подвергают обогащению, в процессе чего удаляется значительная часть пустой породы, а в получаемом концентрате значительно возрастает содержание основного компонента — железа.

В зависимости от характера и свойств руды применяют и соот­ветствующий способ ее обогащения (гравитационный, магнитный, флотационный и др.). Например, для руд, содержащих песчано-глинистые породы, применяются промывка, для окисленных желез­ных руд — обжиг с целью перевода немагнитного оксида Fe₂O₃ в магнитное соединение Fe₃O₄ и последующая магнитная сепара­ция. В основном бедные железные руды подвергают магнитной сепарации или в целях наилучшего обогащения руды ее сочетают с обжигом и флотацией.

В результате обогащения руд получают тонкодисперсные кон­центраты с содержанием железа до 65...67 %, которые с силу своих физических свойств не могут использоваться в доменном про­цессе. Поэтому следующим этапом подготовки руды является агломерация (окускование). На горнообогатительных комбинатах или металлургических заводах мелочь, колошниковую пыль, коксик (кокс с крупностью частиц до 3 мм), известняк увлажняют и пере­мешивают в смесительных устройствах. После этого шихтой загру­жают (толщина слоя 200...300 мм) колосниковые решетки агло­мерационных машин и снаружи поджигают газовой горелкой. Под колосниковой решеткой расположены вакуумные камеры, с по­мощью которых создается необходимое разрежение, обеспечиваю­щее просачивание воздуха через слой агломерационной шихты. За счет сгорания коксика создается температура 1100...1450°С, обеспечивающая спекание шихты и образование пористого продук­та — офлюсованного агломерата. При использовании офлюсован­ного агломерата снижается расход кокса и известняка, улучшаются условия плавки и технико-экономические показатели работы домен­ных печей.

С развитием способов обогащения руд и увеличением удельного веса концентрата в общем объеме железорудного сырья начал при­меняться новый процесс подготовки руды — окомкование. Сущность процесса состоит в скатывании частиц исходной шихты и после­дующем обжиге полученных окатышей (размером 25...30 мм). Обожженные окатыши по сравнению с агломератом обладают более высокой механической прочностью, хорошей восстановимостью, однородны по составу и характеризуются высоким содер­жанием железа (70...95%).

Одним из весьма перспективных направлений развития метал­лургического производства является использование частично вос­становленных (металлизированных) материалов, в частности окатышей. Они используются для прямого восстановления железа, минуя доменный процесс.

Подвергаются подготовке также и другие шихтовые материалы. Например, кокс перед загрузкой в печь подвергается грохочению с целью удаления мелочи и снижения его потерь в процессе плавки за счет выноса мелких фракций. Флюсы подвергаются дроблению, а затем грохочению для отсеивания мелочи. Подготовленные таким образом шихтовые материалы послойно загружаются в доменную печь в определенных взвешенных дозах, называемых калошами.

Дата добавления: 2014-10-22