Современное металлургическое производство и его продукция. Производство чугуна.

 

Металлургия (от греч. “добываю руду”) – область науки и техники, охватывающая получение металлов и сплавов из руд. Современное металлургическое производство представляет собой комплекс различных производств, базирующихся на месторождениях руд и коксующихся углей, энергетических комплексах. К таким производствам можно отнести:

– горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды, подготавливая их к плавке;

– коксохимические заводы (подготовка 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 и металлизированных окатышей;

– заводы для производства ферросплавов;

– сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные);

– прокатные цехи (слиток в сортовой прокат);

Основная продукция черной металлургии:

– чугуны: передельный, используемый для передела на сталь, и литейный, для производства фасонных отливок;

– железорудные металлизированные окатыши для выплавки стали;

– ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и т.д.) для легированных сталей;

– стальные слитки для производства проката;

– стальные слитки для производства крупных кованых валов, дисков (кузнечные слитки).

Основная продукция цветной металлургии:

– слитки цветных металлов для производства проката;

– слитки для изготовления отливок на машиностроительных заводах;

–лигатуры – сплавы цветных металлов с легирующими элементами для производства сложных легированных сплавов;

– слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения и электротехники.

Материалы для производства металлов и сплавов

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо, огнеупорные материалы.

Промышленная руда – горная порода, из которой целесообразно извлекать металлы и их соединения. Содержание металла в руде должно быть не менее 30 – 60% для железа, 3 – 5% для меди, 0,005 - 0,02% для молибдена и т.д. Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, и пустой породы. Называют руду по одному или нескольким металлам, входящим в их состав, например: железные, медно-никелевые и т.д. В зависимости от содержания добываемого элемента различают руды богатые и бедные. Бедные руды обогащают – удаляют часть пустой породы.

Флюсы – материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентратом и золой топлива. Такое соединение называют шлаком. Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому, он располагается над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (), и основным, если в его составе больше основных оксидов (). Флюсывводят в виде агломерата и окатышей.

В качестве топливав металлургических печах используются кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ. Кокс получают сухой перегонкой при температуре 1000°С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80 - 88% углерода, 8 - 12% золы, 2 - 5% влаги. Куски кокса должны иметь размеры 25 - 60 мм. Это прочное, неспекающееся топливо служит не только горючим для нагрева, но и химическим реагентом для восстановления железа из руды.

Огнеупорные материалыприменяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. Они способны выдерживать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температуры, химическому воздействию шлака и печных газов. В зависимости от химических свойств огнеупорные материалы разделяют на следующие группы:

– кислые (кварцевый песок, динасовый кирпич);

– основные (магнезитовый кирпич, магнезитохромитовый кирпич);

– нейтральные (шамотный кирпич).

Взаимодействие основных огнеупорных материалов и кислых шлаков, и наоборот, может привести к разрушению печи. Углеродистый кирпич и блоки содержат до 92% углерода в виде графита, обладают повышенной огнеупорностью, применяются для кладки лещади доменных печей, электролизных ванн для получения алюминия, тиглей для плавки и разливки медных сплавов.

Производство чугуна

 

Чугун – это сплав железа и углерода с сопутствующими элементами (содержание углерода более 2,14%). Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы.

К железным рудам относятся:

– магнитный железняк – магнетит () – с содержанием железа 55 - 60%;

– красный железняк – гематит () - с содержанием железа 55 - 60%;

– бурый железняк – лимонит (гидраты оксидов железа ) - с содержанием железа 37 - 55%.

Марганцевые руды применяются для выплавки сплава железа с марганцем – ферромарганца (10 - 82% Mn), а также передельных чугунов, содержащих до 1% марганца. Марганец в рудах содержится в виде окислов и карбонатов: и др.

Хромовые руды применяются для производства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов – хромомагнезитов.

Топливомдля доменной плавки служит кокс; возможна частичная замена кокса газом или мазутом.

Флюсомявляется известняк или доломитизированный известняк, содержащий и , так как в шлак должны входить основные оксиды (, ), которые необходимы для удаления серы из металла.

Подготовка руд к доменной плавкеосуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Метод подготовки зависит от качества руды.

Дробление и сортировкаруд по крупности служат для получения кусков оптимальной величины; она осуществляются с помощью дробилок и классификаторов.

Обогащениеруды основано на различии физических свойств минералов, входящих в её состав. Оно включает в себя:

- промывку – отделение плотных составляющих от пустой рыхлой породы;

- гравитацию (отсадку) – отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы опускаются;

- магнитную сепарацию – измельчённую руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы и отделяющего их от пустой породы.

Окусковываниепроизводят для переработки концентратов в кусковые материалы необходимых размеров. Применяют два способа окусковывания: 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 агломерат.

При окатывании шихту из измельченных концентратов, флюса и топлива увлажняют, и при обработке во вращающихся барабанах она приобретает форму шариков-окатышей диаметром до 30 мм. Их высушивают и обжигают при температуре 1200 – 1350 °С.

Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса – известняка в доменную печь при плавке.

Выплавка чугуна

Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды оксидом углерода, водородом и твёрдым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива.

При выплавке чугуна решаются следующие задачи:

1. Восстановление железа из окислов руды, науглероживание его и удаление в виде жидкого чугуна определённого химического состава.

2. Оплавление пустой породы руды, образование шлака, растворение в нём золы кокса и удаление его из печи.

Устройство и работа доменной печи (рис.1.1).

Доменная печь имеет стальной кожух, выложенный огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту. Шихту подают в вагонетки 9 подъёмника, которые передвигаются по мосту 12к засыпному аппарату и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13– в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу.

При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство подают новые порции шихты, чтобы весь полезный объём был заполнен.

 

Рис.1.1. Устройство доменной печи

 

В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух поступает из воздухонагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка из огнеупорного кирпича, в которой имеются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный доменный газ, который, сгорая, образует горячие газы. Проходя через насадку, газы нагревают её и удаляются через дымовую трубу. Через насадку пропускается воздух, он нагревается до температуры 1000 – 1200°С и поступает к фурменному устройству, а оттуда через фурмы 2 – в рабочее пространство печи. После охлаждения насадок нагреватели переключаются.

Полезный объём печи – объём, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании.

Полезная высота доменной печи (H)достигает 35 м, а полезный объём – 2000 - 5000м³,

Горение топлива

Вблизи фурм природный газ и углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорают:

В результате горения выделяется большое количество теплоты. В печи выше уровня фурм развивается температура выше 2000°С. При этом продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным коксом по реакциям:

;

.

При этом образуется смесь восстановительных газов, в которой окись углерода является главным восстановителем железа из его оксидов. Для увеличения производительности подаваемый в доменную печь воздух увлажняется, что приводитк увеличению содержания восстановителя. Горячие газы_; поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до 300...400°С у колошника. Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре около 570°С начинается восстановление оксидов железа.

Восстановление железа в доменной печи

Закономерности восстановления железа выявлены академиком Байковым А.А. Восстановление железа происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте и повышения температуры от высшего оксида к низшему. Оно проходит в несколько стадий:

.

Температура определяет характер протекания химических реакций. Восстановителями оксидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород.

Восстановление твердым углеродом (коксом) называется прямым восстановлением. Онопротекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры:

.

Восстановление газами называется косвенным восстановлением. Онопротекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах:

,

,

.

За счёт восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40...60% металлического железа.

При температуре 1000 - 1100°С восстановленное из руды твёрдое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод. При насыщении углеродом температура плавления понижается и на уровне распара и заплечиков железо расплавляется (при температуре около 1300°С). Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4%), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1200°С восстанавливаются из руды, и серой, содержащейся в коксе.

В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. Шлаки содержат . Шлак образуется постепенно, его состав меняется по мере стекания в горн, где он скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Состав шлака зависит от состава применяемых шихтовых материалов и выплавляемого чугуна.

Чугун выпускают из печи каждые 3 - 4 часа через чугунную летку 16 (рис.1.1),а шлак – каждые 1 - 1,5 часа через шлаковую летку 17(летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади). Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши.

Чугун поступает в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи, или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде «чушек» – слитков массой 45 кг.

 

Продукты доменной плавки

Основным продуктом доменной плавки является чугун.

Передельный чугун предназначается для дальнейшего передела в сталь. На его долю приходится 90% общего производства чугуна. Обычно такой чугун содержит 3,8 - 4,4% углерода, 0,3 - 1,2% кремния, 0,2 - 1% марганца, 0,15 - 0,20% фосфора, 0,03 - 0,07% серы.

Литейный чугун применяется после переплава на машиностроительных заводах для получения фасонных отливок.

Кроме чугуна в доменных печах выплавляют ферросплавы – сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Их применяют для раскисления и легирования стали.

Побочными продуктами доменной плавки являются шлаки доменный газ. Из шлака изготавливают шлаковату, цемент, удобрения. Доменный газ после очистки используется как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в печь.

Важнейшие технико-экономические показатели работы

доменных печей

1. Коэффициент использования полезного объёма доменной печи (КИПО) – это отношение полезного объёма печи V(м³) к её среднесуточной производительности P(т) выплавленного чугуна.

, м³/т

Чем ниже КИПО, тем выше производительность печи. Для большинства доменных печей КИПО = 0,5 - 0,7 (для передовых – 0,45).

2.Удельный расход кокса, K – это отношение расхода кокса за сутки А(т) к количеству чугуна, выплавленного за это же время Р(т).

Удельный расход кокса в доменных печах составляет 0,5 - 0,7 (для передовых – 0,36 - 0,4). K - важный показатель, так как стоимость кокса составляет более 50% стоимости чугуна.

 

 

Лекция 2