VII. 2. Сырьевая база черной металлургии

Для получения чугуна требуются железные и марганцевые руды, топливо, флюсы и кислород, которые непосредственно участвуют в технологическом процессе.

¹ Твердость металла — это сопротивление металла изменению формы или разрушению. Хрупкость — это способность металла разрушаться при механи­ческом воздействии без заметной пластической деформации. Хрупкость явля­ется противоположностью пластичности.

В черной металлургии применяются следующие виды железных руд: красный железняк, магнитный железняк, бурый железняк, шпа­товый железняк и др.

Красный железняк, или гематит,—окись железа красного цвета. 13 руде содержатся кварц и кальцит, реже глинистые примеси. В крупных месторождениях гематитовых руд содержание железа со­ставляет 51—69%, а примеси серы и фосфора незначительны. Крас­ный железняк — легкоплавкая руда.

Магнитный железняк," или магнетит, по химическому составу представляет собой смесь окиси и закиси железа. Он обладает магнит­ными свойствами. Содержание железа в нем обычно достигает 50—• (Ю%. Пустая порода представлена нолевыми шпатами, гранитами, кальцитами и др. Руда имеет черный цвет, тугоплавкая, что требует повышенного расхода топлива при получении чугуна.

Бурый железняк, или лимонит, представляет собой водную окись железа. Содержание железа.в лимоните — 35—40%. Пустые породы те же, что и в красном железняке. Бурый железняк относится к чи­слу легкоплавких руд.

Шпатовый железняк, или сидерит, представляет собой углекислое соединение железа. Руды имеют светло-серый и желтовато-белый цвет. Содержание железа достигает 40%. Перед использованием в доменном процессе руда обжигается, при этом железо переходит в окись. Руда легкоплавка.

Подготовка руды к плавке. Перед использованием в доменном про­цессе железные руды проходят ряд предварительных обработок, с тем чтобы они отвечали необходимым требованиям. От качества под­готовленной руды зависит интенсивность плавки и в определенной степени качество металла. При этом удаляется часть вредных приме­сей, таких, как сера, фосфор и др., наличие которых придает металлу ломкость. Это способствует повышению качества металла. К подгото­вительной обработке руды относятся дробление, обжиг, обогащение и агломерация.

Дробление имеет целью придать руде единое физическое состоя­ние. Оно производится на дробилках различных конструкций. При дроблении получают куски руды от 8 до 300 мм. После дробления иногда производят измельчение руды на специальных шаровых мель­ницах. После дробления и измельчения руды производят ее сорти­ровку по величине кусков и отделение мелочи. Сортировка произво­дится на специальных машинах — грохотах или ситах.

Обжиг руды производится для удаления из руды химически свя­занной воды, углекислоты, частичного удаления серы и фосфора. Обжиг руды осуществляется в специальных печах, работающих на низкосортном топливе, при температуре 700—800°.

Обогащение руды преследует цель повысить в руде содержание железа за счет удаления пустой породы. Применяются несколько ви­дов обогащения — гравитационное, промывка водой, магнитное, фло­тация. Промывка происходит во вращающихся барабанах, через ко­торые под давлением пропускается вода. Пустая порода, имеющая меньший удельный вес, уносится водой. Уносится при этом в отходы

и часть измельченной руды, называемая хвостами. Этому виду обога­щения подвергаются в основном руды, которые непригодны для маг­нитного обогащения. Гравитационное обогащение по своему техно­логическому принципу близко промывке.

Магнитное обогащение (сепарация) осуществляется во вращаю­щихся латунных барабанах, в которых неподвижно закреплены элект­ромагниты. Для обогащения используются руды, обладающие магне­тизмом (магнетиты, титаномагнетиты). Руда притягивается магни­тами к поверхности барабана и затем подается в специальное отделение. Пустая порода под воздействием центробежной силы от­брасывается в сторону от барабана, и происходит отделение пустой породы от окислов железа.

Агломерация — это процесс спекания рудной мелочи, процесс окускования порошкообразных руд, рудной и колошниковой пыли и огарков. Для спекания в рудную мелочь добавляют до 5% кокса, перемешивают и слегка увлажняют. Образовавшаяся шихта поступа­ет в специальные печи. Погруженная на движущуюся решетку, ших­та проходит через печь, где спекается под действием высокой темпе­ратуры, образуя агломерат. Он имеет пористое строение, что благо­приятствует доменной плавке.

'Для улучшения доменного процесса получают офлюсованный агломерат. Он получается при добавке к рудной мелочи определен­ного количества флюса — известняка. Применение офлюсованного агломерата дает возможность сократить до 5% расход кокса в домен­ном процессе, а также увеличить производительность доменной печи па 6—7%- Подготовка и применение офлюсованного агломерата явля­ется одним из направлений технического прогресса в доменном про­изводстве.

Для производства чугуна, кроме подготовленной руды, требуются технологическое топливо, флюсы, огнеупорные материалы, вода, а также легирующие материалы.

В качестве технологического топлива в доменном процессе приме­няют кокс, реже древесный уголь и торфяной кокс, а также газ. На угольном коксе осуществляется 99% мировой выплавки чугуна и лишь 1% — па прочих видах топлива.

Черная металлургия предъявляет высокие требования к топливу. Оно должно быть высококалорийным, малозольным, малосернистым, пористым и высокопрочным. Всем этим требованиям наилучшим об­разом отвечает каменноугольный кокс, имеющий предел прочности 100—150 кг/см² и теплотворность 7000 ккал/кг. В коксе находятся примеси: влага — до 6%, сера — до 2% и зола — до 19%. Чем меньше этих примесей, тем выше качество кокса. Наличие примесей не толь­ко отрицательно действует на качество металла, но и требует боль­шего расхода топлива. Так, повышение на 1% содержания серы в коксе увеличивает расход кокса на 8—15% (за счет увеличения рас­ходов флюсов), а каждый процент золы — на 1 —1,5%. Поэтому уменьшение серы и золы в коксе является важной экономической за­дачей.

Флюс ы. Несмотря на ряд процессов предварительной обработка

руды, в ней все-таки остается определенное количество пустой поро­ды. Для того чтобы в процессе производства чугуна удалить ее, а также образовавшуюся золу, в доменную шихту вводят флюсы, в од­них случаях известняк, а в других — кремнезем. Флюсы вступают в реакцию с пустой породой и образуют легкоплавкие соединения — шлак. Выбор флюса зависит от примесей в руде. Если в руде имеются примеси кремнезема (кислая руда), то применяют известняк, если же в руде содержится известняк и другая основная порода, то приме­няют кварцевый песок.

Огнеупорные материалы в черной металлургии применяются в большом количестве. Ими выкладывается внутренняя часть доменной нечи, конвертеров и других сооружений, предназначенных для про­ведения плавки, разливки металла. Огнеупорные материалы должны обладать такими свойствами, как термическая и химическая стой­кость и небольшая линейная расширяемость при нагревании. От стойкости огнеупорных материалов зависит продолжительность рабо­ты доменных печей, конвертеров и другого оборудования.

По химическим свойствам огнеупоры делят на три вида: основ-II ы е, нейтраль н ы е и к и с л ы е. Основными огнеупорами явля­ются магнезит, доломит и хромомагнезит. Магнезит содержит 75— 95% окиси магния и имеет температуру плавления 2000°. Хромомаг­незит является наиболее прочным огнеупором. По своей стойкости он превосходит другие виды огнеупоров.

Нейтральными огнеупорами являются шамот и хромистый желез­няк. Шамот производят из обожженной огнеупорной глины, или као­лина. Шамот является наиболее дешевым огнеупором. Температура плавления — около 1700°. Он применяется для внутренней кладки доменных печей, вагранок, разливочных ковшей и т. п. Для этих це­лей используется и хромистый железняк.

Кислые огнеупоры — динас и кварцит. Динас содержит до 90% окиси кремния, имеет температуру плавления 1750°. Использу­ется для выкладки мартеновских печей, конвертеров и др. Примерна такие же свойства и применение имеет кварцит.

В металлургическом производстве в качестве легирующих мате­риалов используется марганец (1% к весу стали), никель, вольфрам, нпнадий и другие, придающие металлу те или иные качества.

Металлургическое производство является крупным потребителем воды, которая используется для охлаждения агрегатов и других це­лей. Расход воды достигает 150—200 м³ на тонну металла.

VII. 3. Доменное производство

Доменный цех металлургического завода имеет одну или несколь­ко (до 10) доменных печей, рудный двор, подъемные, и загрузочные механизмы, воздухонагреватели (кауперы) и газоочистители. Про­изводство чугуна осуществляется в доменных печах, в которых про­исходит процесс восстановления железа и образования чугуна.

Доменная печь представляет собой вертикальное сооружение, до­стигающее 30—40 м высоты. Внутренняя часть доменной печи выло-

Жена огнеупорным материалом — шамотом, а наружная представле­на сварным стальным кожухом.

Основным видом доменных пе­чей являются доменные печи объ­емом 3000, 3200 м³. В Кривом Ро­ге введена в строй доменная печь объемом" 5000 м³ (1975 г.), произ­водительностью 4 млн. т чугуна в год.

с

Рис. 4. Размер доменной печи: / — фундамент; 2 — лещадь; 3 —горн; 4 — заплечики; 5 — распар; 7 — колошник

6 — шахта;

В доменной печи различают следующие основные части: ко­лошник, шахту, распар, заплечики,_ горн, лещадь (рис. 4). Верхняя часть доменной печи —| колошник снабжен загрузочно-распредели-тельпым устройством. Через ко­лошник происходит периодическая автоматизированная загрузка ших­ты и ее равномерное распределение а""' внутри доменной печи. В колошни­ке имеются газоотводы для домен­ного, или колошникового, газа. Температура шихты в колошнике достигает 150—300°. Самая большая часть доменной печи — шахта имеет форму усечен­ного конуса, расширяющегося книзу. Такая форма) шахты| обеспечи­вает опускание шихты вниз. Температура в верхней части шахты со­ставляет 300—400°, а в нижней — до 1200°. В верхней части шахты происходит удаление влаги из шихты, а в средней и нижней ча­стях — восстановление железа из руды. Распар.' имеет цилиндриче­скую форму. Здесь температура достигает 1400° и происходит про­цесс образования чугуна. Заплечики [имеют форму усеченного конуса, сужающегося книзу. Они удерживают шихту, находящуюся в шахте и распаре. В заплечиках температура достигает 1800—1900°.

Нижняя часть доменной печи называется горном, а днище гор­на— лещадью. В горне скапливается расплавленный чугун, посту­пающий сюда из заплечиков, а также шлак. Поскольку расплавлен­ный чугун тяжелее шлака, то он скапливается на дне горна — леща­ди. Поверх его располагается шлак. В горне имеется несколько от­верстий —; летки. Верхние летки предназначены для выпуска шлака, а нижние — для слива чугуна. В самой верхней части горна вокруг всей окружности доменной печи расположены]фурмы, предназначен­ные для подачи горячего воздуха в нижнюю часть доменной печи, чтобы поддерживать горение. Воздух проходит над поверхностью шлака в горне. Шлак предохраняет расплавленный чугун от сопри­косновения с воздухом и окисления. Количество фурм может быть 12—16 и более. Нижняя часть доменной печи, а также фурмы охлаж­даются водой, циркулирующей по полой части фурм.

Вспомогательные приспособления доменной печи — воздухонагре­ватели и газоочистители. В воздухонагревателях нагревают воздух за счет сжигания доменных газов, а в газоочистителях происходит очистка колошникового газа от рудной пыли и частиц кокса. Очищен­ный газ направляется для сжигания в воздухонагреватели.

Доменный процесс. Работа доменных печей происходит непрерыв­но в течение нескольких лет, Пока не потребуется капитальный ре­монт. Во время ее работы постоянно осуществляются химические про­цессы, сущность которых сводится к восстановлению железа из руды (окислов) и образованию чугуна и шлака.

Регулярная загрузка доменной печи происходит в определенной последовательности — засыпаются кокс, железная руда и флюсы. Рудная часть шихты может засыпаться и одновременно с коксом. Во время работы доменной печи в верхней ее части — колошнике — про­исходит просушивание руды и других составных частей шихты за счет поступления горячих газообразных продуктов из нижней части доменной печи. Горение топлива в доменной печи начинается в об­ласти горна, куда подается через фурмы нагретый воздух, как пра­вило, обогащенный кислородом. В результате горения кокса образу­ется углекислый газ, который, проходя через раскаленный кокс, об­разует окись углерода: СОг + С = 2СО. Последняя, поднимаясь вверх, лступает во взаимодействие с рудой и восстанавливает железо. Этот процесс происходит в шахтной части печи в виде следующих реакций:

3Fe₂O₃ + СО = 2Fe₃O₄ + СО₃ + Q Fe₃O₄ + СО = 3FeO + СО₂ + Q FeO -|- СО = Fe + СО₂ + Q

Восстановление железа происходит и за счет углерода с поглощением тепла: FeO -f- С = Fe + СО 4- Q- Одновременно с восстановлением железа восстанавливаются и другие окислы, входящие в состав ру­ды,— марганца, кремния и др. Они вместе с железом и углеродом участвуют в образовании чугуна в области распара. Чугун каплями стекает в горн.

В доменном процессе топливо выполняет две функции: а) служит источником тепла и б) является источником углерода, необходимого дли восстановления железа. Такой вид топлива, непосредственно участвующий в производственном процессе, называется технологи­ческим.

В доменной печи также происходит образование шлака. Он обра­зуется в области распара за счет соединения пустой породы, золы, серы, кокса и флюса. За счет образования шлака из шихты удаляют­ся вредные примеси и уменьшается их содержание в чугуне. Шлак стекает в горн и с помощью верхних леток каждые 1—1,5 часа вы­пускается наружу. Его вес составляет от 45 до 75% от веса выплав­ленного чугуна. Чугун выпускается в ковши через нижние летки 4 —8 раз в сутки и поступает в разливочные машины.

Для производства одной тонны чугуна расходуется до 1,5—3 т железной руды, 0,5—0,7 т кокса, 0,25—0,4 т флюсов и 2500—3000 м³ воздуха.

В связи с большим расходом железной руды металлургические предприятия полного цикла размещаются, как правило, в районах добычи железных руд, хотя имеются и иные варианты их размещения (в районах добычи топлива, потребления металла).

Основным показателем работы доменной печи является коэф­фициент использования полезного объема доменной печи (КИПО). Он представляет собой отношение полезного объема печи (в м³) (О) к величине суточной выплавки металла (в тоннах) (т):

КИПО = -|-

Например, доменная печь объемом 3000 м³ дает в сутки 6000 т чугуна. Коэффициент использования ее объема будет равен:

= 0,5.

КИПО =

Чем меньше коэффициент, тем выше производительность домен­ной печи.

Увеличение производительности доменной печи может быть достигнуто за счет: а) применения, кислородного дутья (с дове­дением концентрации кислорода в дутье до 35% и более). Каж­дый дополнительный процент содержания кислорода в дутье повышает производительность печи на 25%; б) повышения давле­ния газов под колошником с 0,1 до 0,7—1,5 атм. При этом произ­водительность доменных печей повышается на 3—5% и сокра­щается расход кокса на 2—6%; в) применения высоконагретого дутья постоянной влажности, что ускоряет процесс плавки; г) применения глубоко обогащенной руды и офлюсованного агло­мерата, Что сокращает процесс плавки и экономит кокс; д) при­менения природного газа. В нашей стране природный газ стал применяться в доменном производстве впервые в мировой прак­тике.

Средний состав чугуна следующий: железа — до 92%, углеро­да — 2% и более, кремния — 0,5—4,5%, марганца — 0,2—1,5%, серы —0,02^—0,08%, фосфора — 0,1—1,8%. Входящие в состав чу­гуна различные примеси оказывают на его свойства определенное влияние. Углерод придает чугуну хрупкость. В составе чугуна угле­род находится в двух состояниях: в соединениях с железом (в виде карбида железа) или в виде графита (в свободном состоянии). Чугун, в котором углерод находится в химическом соединении, на­зывается белым чугуном. Это название исходит от того, что на изломе такой чугун имеет белый цвет. Если углерод находится в свободном состоянии в виде графита, то этот чугун называют се­рым. В общем производстве чугуна в стране белый чугун состав­ляет более 90%.

Серый чугун имеет высокие литейные качества, хорошо от­ливается в формах, относительно мягкий, имет хорошую сопро­тивляемость износу. Все эти качества серого чугуна обусловили его применение для отливки деталей машин, отдельных изделий, он широко применяется как литейный материал на машиностро-

ительных заводах. Кроме этих двух видов чугуна, производится еще легированный чугун, который получают в результате добавки в доменную шихту различных легирующих металлов. К числу последних относятся хром, никель, медь, молибден и др. Легиру­ющие металлы облагораживают чугун, улучшают его физические свойства и делают возможным широко использовать этот вид чу­гуна в машиностроении. Легированные чугуны применяются для изготовления поршневых колец, штампов, коленчатых валов, зуб­чатых колес, двигателей автомобилей и т. д.

Продуктом доменного процесса являются также ферроспла-в ы, или специальные чугупы. Наиболее распространенными явля­ются ферромарганец, ферросилиций, феррохром и др. Ферро­марганец содержит 90% марганца, ферросилиций — 10—95% кремния, феррохром —не менее 65% хрома. Ферросплавы, как правило, применяются в качестве добавок, или присадок, при полу­чении стали.

Шлак, доменный газ и колошниковая пыль также применяют­ся в народном хозяйстве. Основные шлаки используются в произ­водстве цемента и прочих стройматериалов, а кислые — для полу­чения шлаковой ваты, которая является хорошим изолятором. До­менный газ, состоящий из окиси углерода '(25—34%), водорода (1—8%), метана (0,5%), азота (56—59%), углекислого газа (4— 20%), используется в качестве топлива. Его теплотворная способ­ность— 850—1100 ккал/м³. Доменная печь средней мощности вы­деляет в сутки до 100 ту. т. в виде доменного газа. Он использует­ся для нагрева кауперов, мартеновских печей, коксовых батарей, котлов. Колошниковая пыль используется при получении железо­содержащего агломерата.

Получает развитие принципиально новая технологическая схе­ма получения металла — бездоменная металлургия. В районе г. Старый Оскол создается первый в нашей стране электрометаллур-гнческий комбинат, на котором будет отсутствовать доменное и коксохимическое производства.

Технологический процесс получения металла начинается с про­изводства окатышей из концентрата железной руды (шариков ди­аметром 10—12 мм). Из окисленных окатышей с помощью природ­ного газа получают металлизованные окатыши с содержанием 90— 95% железа. Из металлизованных окатышей, содержащих значи­тельно меньше, чем чугун, углерода (около 1%), фосфора, крем­ния, в ^дуговых электропечах получается качественная сталь. Для производства 1 т металлизованных окатышей (губчатого железа) рас­ходуется 500—600 м³ природного газа. Завод прямого восстановле­ния в Осколе, следовательно, потребует 2—3 млрд. м³ природного газа в год.

Процесс получения стали в электропечах будет рассмотрен ни­же, а сейчас кратко остановимся на получении окатышей. В измель­ченный железный концентрат добавляют глину, с тем чтобы он лучше окомтсовывался при обжиге, и известняк, выступающий в дальнейшем в качестве флюса. Эту смесь помещают во вращаю-

щиеся барабаны — грануляторы. При этом образуются окисленные окатыши. Последние обжигают, а затем обрабатывают природным Газом в шахтных печах. Первоначально природный газ подвергают конверсии путем добавления углекислого газа. При этом образуется угарный газ и водород:

СН₄ + СО₂ = 2СО + 2Н₂

Угарный газ и водород, нагретые до температуры 1000—11000°, вдувают в шахтную печь, где они взаимодействуют с окисленными окатышами, восстанавливая железо:

Fe₂O₃ Fe₂O₃

ЗСО = 2Fe + ЗСО₂ ЗН₂ = 2Fe + ЗН₂О

В результате указанных процессов образуется губчатое железо — металлизованпые окатыши, имеющие высокое содержание чистого железа, что позволяет получать из них сталь в электропечах.

Новая технология производства металла окажет сильное влия­ние на размещение металлургических заводов. Существенно ослаб­нет влияние топливного фактора на размещение металлургических заводов полного цикла. Главным фактором в размещении станет тяготение к железорудному сырью.

Дата добавления: 2014-10-31