Прямое получение железа

ОБЩАЯ СХЕМА ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ.

2. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Металлургия – область науки и техники и отрасль промышленности, охватывающая процессы получения металлов изруд или других металлов, а также процессы, связанные с изменением химического состава, структуры и свойств металлических сплавов.

Черная металлургия (ч.м.)

Главными продуктами ч. м. являются черные металлы (чугун, сталь). Они имеют наибольшее применение в отраслях народного хозяйства. Их потребление во много раз превышает всех других вместе взятых.

Черные металлы – это сплавы в основном железа и углерода; они содержат также Si; Mn; P; S. В зависимости от содержания углерода (в основном) делятся на чугун и сталь.

Сталь – углерод не более 2%;

Чугун – углерод не более 2 – 6%

В далеком прошлом сталь выплавлялась из железной руды. С развитием техники металлургии оказалось выгодным выплавка из железных руд чугуна с последующей переработкой чугуна в сталь. Эта схема лежит в основе современного производства.

Основным способом производства чугуна является получение его путем восстановительной плавки железной руды в доменных печах, где одновременно с восстановлением железа из его окислов, содержащихся железной руде, происходит процесс науглероживания железа и превращения его в чугун.

Среди металлургических предприятий различают заводы полного цикла (комбинаты), производящие чугун, сталь, прокат, кокс и др. и заводы неполного цикла, или передельные, производящие только сталь, или доменные, производящие – чугун.

Для производства чугуна в доменных печах применяют железные руды, топливо и флюсы. Все они непосредственно участвуют в технологическом процессе.

Наиболее употребляемыми в современном металлургическом производстве являются следующие железные руды:

Магнитный железняк – минерал черного цвета, обладающий магнитными свойствами. Содержание в нем железа достигает 72% (в виде окиси Fe₂О₃ и закиси Fе₃О₄ ), отличается тугоплавкостью. Расход топлива высок.

Разновидностью магнитного железняка является титаномагнетиты (содержащие титан, ванадий), железа в нем 15 – 25%.

Красный железняк (гематит), содержит железа до 65%.

Бурый железняк – минерал бурого цвета с содержанием железа

30 – 40% (в виде Fе₂О₃).

Шпатовый железняк – бедная руда, содержащая до 45% железа (в виде FеСО₃ )_. Отсутствие вредных примесей (особенно фосфора) и содержание марганца делает эту руду ценной для получения стали.

Исходным материалом могут служить (для получения чугуна) железосодержащие отходы, например, отходы обогащения и плавки некоторых руд цветных металлов (40-45% Fе).

Извлеченную из недр руду до плавки предварительно отрабатывают, чтобы ускорить последующую плавку (сокращается расход топлива и повышается качество чугуна).

Крупную руду – дробят до получения кусков 30-100 мм, пыль - спекают. Спекание, или агломерацию, производят на агломерационных фабриках, где пыль в смеси с мелким коксом и молотым известняком спекают при температуре порядка 1000⁰С в пористые куски, получая офлюсованный агломерат.

Кусковую руду обжигают (удаляют воду, углекислоту, выжигается сера). Промывается водой для удаления пустой породы. Этим достигается повышение содержания железа в руде..

Применяют на многих предприятиях (горнообогатительных) обогащение руды при помощи магнитов (магнитная сепарация) повышают Fе с 1% до 2-3%.

Топливо для домн должно быть высокотеплотворное и малозольное. Активизирует горение. Должно иметь пористость и большую механическую прочность при высоких температурах.

Содержание серы должно быть минимально, т.к. при плавке переходит в чугун, снижая его качество.

Каменноугольный кокс или кокс, легкое и пористое топливо, пористость способствует циркуляции воздуха и газов, что активизирует горение, достаточно прочный, чтобы выдерживать тяжесть шихты в больших доменных печах. Теплотворная способность кокса 7000 ккал/кг, содержание углерода 85%, серы 2% (можно применять древесный уголь (дорогой), антрацит (россыпучий).

Флюсы. После обогащения руды в ней еще остается пустая порода. Чтобы сделать тугоплавкую, пустую породу более легкоплавкой и тем самым ускорить доменный процесс добавляют флюсы, реагируя с которыми пустая порода делается более легкоплавкой. После плавки флюсы образуют вместе с золой кокса и пустой породой – шлак, который удаляется из доменной печи. Для нормального хода доменной плавки требуется строго определенное соотношение руды, топлива, флюса – смесь называется шихта.

Загрузка доменной печи производится следующим образом: руду и флюс смешивают в нужной пропорции. Затем определенными порциями (калошами) в печь загружают топливо и смесь руды с флюсом, которые распологаются в ней слоями.

Доменное производство отличается высокой материалоемкостью. На 1т. чугуна расходуется 3-4т. расходных материалов (руды, топлива и флюса).

Стоимость этих материалов составляет 85-90% себестоимости чугуна, из них 50% - топливо, 30% - руда.

Металлургические предприятия потребляют много воды на охлаждение печей и механизмов, тушение кокса, очистку газов и другие процессы. Расход воды может достигать 200 м³ на тонну металла.

Доменная печь имеет следующие части: колошник, шахту, распор, заплечики и горн.

Печь заключена в металлический кожух (цельносварный) 25-30мм. в верхней части; 35-50мм. – в нижней; внутри обложена огнеупорным кирпичом.

Через калошник производят загрузку шихты в печь. Форма шахты обеспечивает свободное опускание шихты по мере плавки ее в нижней части. Горн служит для накопления чугуна и шлака. Имеются летки (отверстия для выпуска чугуна и шлака). В верхней части горна имеются (по окружности) воздушные фурмы, через которые в печь подается нагретый до 1100-1350 ^оС воздух, природный газ и другие топливные добавки.

Сущность доменного процесса заключается в восстановлении оксидов железа, что обеспечивается непрерывным взаимодействием опускающихся шихтовых материалов и восходящего потока горячих газов, образующих при горении кокса в горне. При нагревании шихты происходит удаление влаги и разложение карбонатов, а оксиды железа под воздействием восстановленных газов СО, Н₂ и твердого углерода кокса постепенно превращаются в железо по схеме:

Fe₂O₃ Fe₃O₄ FeO Fe

Постоянно контактируя с доменным газом и раскаленным коксом, губчатое железо, восстановленное из руды, постепенно насыщается углеродом. Углерод хорошо растворяется в железе. При температуре равной 1135⁰ С в железе может раствориться 4,3% углерода. Науглероживание Fe, т.е. насыщение его углеродом, происходит в области заплечиков печи. Здесь образуются капли сплава Fe – С, который стекает в горн. При движении вниз жидкий металл соприкасается с раскаленным коксом, происходит прямое растворение углерода в металле и концентрация его достигает 3,5–4,5%.

Все чугуны, выплавляемые в доменных печах, подразделяются на 3 основных вида:

а) Передельный чугун является исходным материалом для выплавки стали (содержит 3,8-4,5% С; 0,3-1,2 Si; 0,2-1,0% Mn; 0,15-0,2% P;

0,02-0,07% S.)

б) Литейный чугун предназначен для получения чугунных отливок, отличающийся от передельного лишь повышенным содержанием кремния.

в) Доменные ферросплавы используются в сталеплавительном производстве в качестве раскислителей или добавок.

Современная доменная печь – мощный автоматизированный и высокопроизводственный агрегат. Печь объемом 5000м³ ежесуточно расходует 23 т. шихты, 18 тыс. т. дутья, 1,7 тыс. т. природного газа. Может выдать около 12тыс. т. чугуна, 4 тыс. т шлака, и 27тыс. т. колошникового газа.

Оскольский электрометаллический комбинат высококачественную сталь выплавляет в электропечах из металлизированных окатышей, полученных методом прямого восстановления в верхней части печи под воздействием восстановительного газа (30% СО, 70% Н₂), при t=800 – 900 ^оС происходит восстановление Fe из оксидов. В нижней части печи проводится охлаждение окатышей, где они хранятся в атмосфере инертного газа. В окатышах 90 – 93% металлического железа.

Дата добавления: 2013-12-13