Виробництво чорних металів. Загальні положення

Залізо – твердий, світло-сріблястий метал, пластичний, ковкий. Метал має температуру плавлення 1539° С, температура кипіння – 3200 С.

Залізо поліморфне і в залежності від температури існує у чотирьох алотропічних модифікаціях (рис. 13.1)

Рис. 13.1 Алотропічні модифікації заліза

Зміна фазового складу і структури залізо-вуглецевих сплавів, тобто системи «ферум-карбон» в залежності від температури за різного вмісту компонентів у ній, представлена на діаграмі стану цієї системи (рис.13.2).

Рис. 13.2 Діаграма стану системи «ферум-карбон»

Ліва частина діаграми (до точки Д) описує перетворення, що відбуваються у сталях, тобто у сплавах із вмістом карбону до 2,14 %. Права частина – перетворення, що відбуваються в чавунах – сплавах із вмістом карбону від 2,14 до 6,67 %.

Лінії АВС та АДВЕ на діаграмі характеризують фазові перетворення в системі. Вище лінії АВС (лінії ліквідуса) всі сплави перебувають у рідкому стані; нижче лінії АДВЕ (лінія солідуса) – у твердому стані. Між лініями солідуса та ліквідуса знаходяться двофазні області: при охолодженні розплаву нижче лінії АВ із нього викристалізовуються аустеніт, а нижче лінії ВС – цементит, що називається первинним, так як виділяється із розплаву. У точці В затвердіває евтиктична суміш аустеніту і первинного цементиту – ледебурит із вмістом карбону 4,3 %.

Система описується правилом фаз Гібса:

С = К – Ф + 1

Де С – число ступенів свободи, К – число незалежних компонентів, Ф – число фаз.

Ф – частина термодинамічної системи, обмежена поверхнею розділу, в середині якої всі інтенсивні параметри однакові;

К – найменша кількість індивідуальних хімічних речовин, що здатна забезпечити будь-яку фазу в системі;

С – кількість параметрів, які можна змінювати довільно у межах діаграми без здійснення фазових переходів.

Виробництво чавуну

Виробництво чавуну – це перша станція двохступінчастого процесу переробки залізних руд на сталь. Чавун виготовляють із залізорудної сировини в доменних печах, в яких за рахунок згорання палива створюються високі температури, забезпечуються процеси відновлення оксидів заліза із руди, утворення рідкого чавуну і виділення пустої породи у вигляді шлаків.

В якості сировини використовують:

1) залізні руди (підготовлені певним чином – агломерат і окатиші)

FeS₂ – пірит, залізний або сірчаний колчедан;

Fe₃O₄ – магнітний залізняк (50-60 % Fe)

Fe₂O₃ – червоний залізняк (51-66 % Fe)

FeCO₃ – шпатовий залізняк (30-40 % Fe)

Родовища: Кривий Ріг, Керч, Кременчук, Білозірське родовище у Запорізькій області.

2) паливо – кокс, природній газ, коксовий газ, мазут, вугільний пил.

3) флюси – (від. німецького рідина) утворюють з пустою породою легкоплавкий сплав-шлак. У якості флюсів використовують CaCO₃(вапняк), CaCO₃· MgCO₃(доломіт).

4) марганцеві руди – MnO₂, Mn₂O₃,MnCO₃.

5) повітря, збагачене киснем (забезпечує горіння палива і утворення газоподібних відновників).

 

 

Підготовка сировини

І стадія. Подрібнення сировини – здійснюється на шнекових, конусних та валкових дробилках.

ІІ стадія. Збагаченя здійснюється шляхом промивки, флотації, гравітації та магнітної сепарації (до 90%).

ІІІ стадія. Окускування руди: це процес перетворення залізнорудного матеріалу в кусковий матеріал, що забезпечує вищу продуктивність доменного процесу; здійснюється шляхом агломерації і одержання окатишів.

Агломерація

Склад шихти: руда (40-50%), вапняк-флюси (15-20%), кокс (4-6%), вода, оборотний агломерат (20-30%)

Суть методу: часткове відновлення оксидів заліза, поліпшення структури, видалення As, S, SiO₂.

Апаратурне оформлення процесу: агломераційна машина (рис.13.3)

Рис.13.3. Агломераційна машина

Одержання окатишів

Склад шихти: руда, глина, вапняк (флюси), вода.

Суть методу: в процесі обпіку окатишів відбувається зміцнення їх до такого стану, при якому вони можуть витримувати без значних руйнувань транспортування, перевантаження і процес доменної плавки.

 

Апаратурне оформлення процесу: гранулятори барабанного адіабатичного типу (рис.13.4)

Для доменної плавки використовують суміш агломерату і окатишів в співвідношенні 2:1.

Рис. 13.4. Технологічна схема виготовлення окатишів

1-бункери компонентів шихти; 2- збірник транспортер; 3- змішувальний барабан; 4-бункер дрібнодисперсної глини (бентоніту); 5-тарілчастий гранулятор; 6-обпікова машина; 7-вентилятори; 8-грохот; 9-транспортер шихти

 

Будова доменної печі

Процес доменної плавки відбувається в плавильних агрегатах неперервної дії шахтного типу – доменних печах. У них неперервно рухаються назустріч один одному два матеріальних потоки: зверху донизу тверда шихта і знизу догори газуваті відновники, що утворилися в результаті горіння палива і взаємодії продуктів горіння з компонентами шихти.

Профіль плавильного простору печі вибрано в такий спосіб, щоб забезпечити рівномірне плавлення шихти внаслідок згорання коксу, плавлення матеріалів шихти і періодичного випуску чавуну і шлаку, рівномірного розподілу газового потоку по перетину печі і максимально інтенсивного протікання процесів відновлення руди, утворення і розділення чавуну і шлаку. На рис.13.5 представлено розріз доменної печі, назву зон та розподіл температур за висотою:

Рис.13.5. Профіль доменної печі

Фізико-хімічні та хімічні процеси, що відбуваються у домні можна звести до кількох груп. Вони наведені нижче, причому їх номери відмічені на схемі печі у тих її зонах, у яких вони відбуваються.

1. Підготовчі процеси. Виділення гігроскопічної та гідратної води, летких речовин із твердого палива.

2. Утворення газоподібних відновників. Газоподібні відновники утворюються в результаті повного згорання коксу і природного газу за температури 1800-1900°С і наступного відновлення продуктів окиснення при контакті з розпеченим коксом.

C + O₂ = CO₂ + Q

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O + Q

CO₂ + C = CO

H₂O + C = CO + H₂

3. Відновлення оксидів заліза розпочинається за температури 600°С і протікає ступінчасто від вищих оксидів до нижчих, тобто:

 

_{+2 +2 +3 +2 0}

Fe₂O₃ Fe₃O₄ FeO Fe

Завершується процес відновлення за температури 1200 С:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂

2Fe₃O₄ +2CO = 6FeO + 2CO₂

6FeO + 6CO = 6Fe + 6CO₂

3Fe₂O₃ + 9CO = 6Fe + 9CO₂:3

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂

3Fe₂O₃ + H₂ = 2Fe₃O₄ + H₂O

2Fe₃O₄ + 2H₂ = 6FeO + 2H₂O

6FeO + 6H₂ = 6Fe + 6H₂O

3Fe₂O₃ + 9H₂ = 6Fe + 9H₂O:3

Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O

4. Карбонізація заліза і одержання чавуну карбонізація губчастого заліза відбувається при його контакті з доменними газами, що містять карбон (ІІ) оксид і розпечений кокс:

Fe + C = Fe₃C

3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂

В процесі карбонізації заліза температура плавлення заліза знижується з 1539° до 1135° С.

5. Відновлення домішок

Кремній і манган відновлюються лише за реакціями прямого відновлення за температури 1150-1300 С.

SiO₂ + C = Si + CO₂

MnO₂ + C = Mn + CO₂

6. Утворення шлаків: у доменному процесі одночасно з утворенням чавуну утворюються шлаки у вигляді різноманітних силікатів.

7. Реакції за участю сульфуру та фосфору: ці два елементи суттєво погіршують якість чавуну, тому їх вміст у сплаві необхідно обмежити. Відновлення фосфору відбувається за температури 1100° С за реакцією:

Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ + 5C = 3CaSiO₃ + 2P + 5CO

Відновлений фосфор розчиняється в залізі і повністю переходить у чавун. Тому отримати метал із низьким вмістом фосфору можна лише на основі низькофосфористої шихти.

Сульфур у шихті знаходиться у вигляді ферум(ІІ)сульфіду, манган(ІІ)сульфіду, кальцій сульфіду. Із них лише кальцій сульфід добре розчиняється у шлаці; тому з метою проведення сульфуру в кальцій сульфід відбувається взаємодія із компонентами флюсів:

FeS + CaO = FeO + CaS

MnS + CaO = MnO + CaS

Утворені оксиди металів відновлюються коксом до вільних металів, сумарний процес можна передати рівнянням:

FeS + CaO + C = Fe + CO + CaS (у шлак)

MnS + CaO + C = Mn + CO + CaS (у шлак)

Доменна піч працює у неперервному режимі. Подача шихти здійснюється через засипний апарат, що за рахунок почергового опускання малого і великого конуса, забезпечує герметичність роботи домни. Подача повітря, нагрітого до 1000° С і збагаченого диоксигеном до 25%, відбувається через фурменні пристрої, що вмонтовані до кільцевого повітрепроводу, що огортає домну на рівні розпару.

Відведення чавуну, що має густину 7,5 г/см³ здійснюється через нижню льотку, а шлак, що має густину 2,5 г/см³, виводиться з домни через верхню льотку, при цьому шлак виконує важливу функцію – захищає чавун від окиснення диоксигеном, що поступає в домну через фурменні пристрої. Відведення доменних газів відбувається у колошниковій частині печі.

Продукти доменного виробництва випускаються кожні 1,5-4 години, види доменних продуктів наведені на рис. 13.6

Рис. 13.6. Продукти доменного виробництва:

білий чавун – напівфабрикат для виробництва сталі;

сірий чавун – використовується для виробництва монолітних деталей;

феросплави – використовуються для розкислення сталі;

колошниковий газ – паливо в коксових, мартенівських печах, кауперах, парових котлах.

Каупери – регенератори, апарати неперервної дії, що мають форму циліндра (h = 40 м, d = 6-8,5 м), футеровані вогнетривким матеріалом. За рахунок згорання в кауперних установках доменного газу відбувається нагрівання повітря, що подається в домну. Біля кожної домни, як правило, почергово функціонує 3-4 кауперних установки, що забезпечують нагрів повітря до 1000°С.

Виробництво сталі

Сталеплавильний процес – другий етап переробки руди на сталь.

Основними способами переробки є киснево-конвекторний метод (понад 60% у світі), електросталеплавильний (біля 25%), мартенівський (біля 20%) способи.

Для поліпшення якості існують два способи вторинної переробки сталі: рафінування (ковшова металургія) і переплав твердих злитків (переплавні процеси).

Процес переробки чавуну в сталь: полягає у зменшенні вмісту в ньому С, Si, Mn, а також в повному видаленні S, P. Це досягається шляхом окиснення цих компонентів до сполук, що переводяться у газуватий або рідкий стан і відділяються у вигляді газів і шлаків.