- Характеристика руд металлургического производства
- Характеристика компонентов металлургического производства
- Характеристика основных видов топлива
- Характеристика флюсов и шлаков
- Характеристика огнеупорных материалов
- Характеристика ферросплавов металлургического производства
- Материалы для производства металлов и сплавов
- Производство металлов. Производство чугуна, стали, алюминия, меди
- 1.2. Производство чугуна
- МЕТАЛЛУРГИЯ
- Исходные материалы для производства металлов
- Материаловед
В металлургии при производстве чугуна и стали применяют различные исходные материалы (рис.1): руды, топливо, флюсы, огнеупоры, ферросплавы и т. д.
Цель работы: Ознакомить студентов с основными исходными материалами, их составом и областью применения.
- Рис. 1 Исходные компоненты металлургического производства
- КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О МАТЕРИАЛАХ
- Руды
Руды — природные минералы, содержащие полезные элементы в таких количествах, при которых становится экономически выгодным их промышленное использование. В металлургии наиболее широко применяются железная и марганцевая руды, бокситы (см. табл. 1).
Таблица 1
Характеристика руд металлургического производства
№ п/п | Наименование | Химический состав | Содержание в % искомого элемента | Основная пустая порода |
1 | Бурый железняк | NFe2O3×mH2O | 25-50 Fe | Al2O3, S, P |
2 | Красный железняк | Fe2O3 | 45-65 Fe | SiO2, S, P |
3 | Магнитный железняк | Fe3O4 | 40-70 Fe | SiO2, S |
4 | Медный колчедан | CuS, FeS | 3-5 Cu | — |
5 | Боксит | Al2O3×3H2O | 28-70 Al2O3 | SiO2, TiO2 |
6 | Пиролюзит | MnO2 | 25-40 MnO2 | Fe2O3, SiO |
7 | Болотная руда (железная) | — | 10-20 Fe | — |
Железные руды: магнитный, красный и бурый железняк наиболее богатые и попользуются в доменном производстве в качестве основного материала и сталеплавильном для очищения от примесей в процессе плавки. В связи с резким уменьшением разведанных запасов богатых руд (содержание железа 50% и более) широко применяются бедные руды, подвергающиеся предварительному обогащению агломерации и т. д.
Агломерат — это продукт спекания мелких фракций железной руды, окалины, колошниковой пыли, известняка и кокса. Куски агломерата прочные пористые и обогащенные до содержания железа 60%.
Такой агломерат называется офлюсованным (весь кремнезем руды связывается и из него легко восстанавливается железо).
В последнее время широко применяются окатыши, из которых также легко восстанавливается железо (см. табл. 2).
Таблица 2
Характеристика компонентов металлургического производства
№ п/п | Наименование | Состав, % | Краткая характеристика |
1 |
|
|
Продукт спекания |
9 |
|
90 10 | Увлажненная смесь перемешивается в барабане до образования окатышей Æ25-30 мм |
- В зависимости от содержания железа в руде, расход ее в доменном производстве составляет 2-3т/т чугуна.
- Марганцевая руда применяется как добавка при выплавке чугуна для введения в него марганца.
- Топливо
Топливо — продукт разложения органических веществ, в которые входят углерод, водород, углеводороды, сера, зола, влага и кислород. По физическому состоянию топливо подразделяется на твердое, жидкое и газообразное.
Кокс. В современном доменном производстве основным топливом является кокс, получаемый при сухой перегонке углей без доступа воздуха при температуре 1100-1200°С. Он легкий, пористый и прочный, что обеспечивает большую его реакционную способность и образование минимального количества мелочи при транспортировке и движении шихты в доменной печи.
- Расход кокса в зависимости от содержания кремния в чугуне колеблется в пределах 0,5-0,8 т/т чугуна.
- Из жидкого топлива в металлургии применяются нефть, мазут.
- Нефть — это природная органическая жидкость, горючей частью которой являются углеводороды, используется для работы мартеновских печей, чаще на машиностроительных заводах, а также нагревательных печей в кузнечно-прессовых термических и прокатных цехах.
- Ограниченность применения нефти и мазута обусловлена высоким содержанием в них серы, которая может диффундировать в металл, ухудшая его свойства.
- Из газообразного топлива наиболее широко применяются природный, коксовый и доменный газы (последний в виде смеси).
Природный газ имеет высокую теплотворную способность, удобен для транспортировки, дешевый. В последнее время является преобладающим для работы мартеновских печей и нагревательных устройств (см. табл. 3).
Таблица 3
Характеристика основных видов топлива
№ п/п | Наименование | Состав, % | Теплотворная способность, ккал/кг (м3) | Краткая характеристика |
1 | Каменный уголь (брикет) | — | — | Прессованная каменноугольная пыль |
2 | Древесный уголь | углерод – 85, зола – 10 | 7000 | Продукт сухой перегонки древесины при нагревании без доступа воздуха |
3 | Бурый уголь | углерод – 35, зола – 21, | 3000 | |
4 | Каменный уголь | углерод – 60, зола – 18, | 6000 | Природное органическое вещество |
5 | Антрацит | углерод – 77, зола – 12, | 6700 | |
6 | Кокс | углерод – 87, зола – 11, | 7000 | Получается путем нагрева в печи без доступа воздуха коксующихся углей |
7 | Нефть | — | 9500 | Используется для получения (путем перегонки) жидкого топлива – мазута и др. |
8 | Мазут | — | 10000 | Применяется как топливо в мартеновских и нагревательных печах |
9 | Природный газ | СН4-90 | 8000 | |
10 | Коксовый газ | СН4-35 | 4500 | Получается при переработке каменного угля в кокс |
11 | Доменный (колошниковый) газ | СН4-30 | 4000 | Побочный продукт доменного производства |
12 | Генераторный газ | СН4-50, СО-25 | 1000 | Получают путем газификации каменного угля, дров, торфа |
Флюсы и шлаки. Флюсы — это материалы, которые вводятся в доменную печь или сталеплавильные агрегаты для образования легкоплавких соединений с пустой породой железной руды и вредными примесями: серой и фосфором (см. табл. 4).
Таблица 4
Характеристика флюсов и шлаков
№ п/п | Наименование | Состав, % | Характеристика, область применения |
1 | Известняк | СаСO3 СаO – 50 | Применяется для наведения основного шлака при производстве чугуна и стали |
2 | Песок | СiO2 – 96 СаF2 | Применяется для наведения кислого шлака |
3 | Плавиковый шпат | СаFe2 – 60-90 | Применяется для разжижения основного шлака |
4 | Шлак основной | СаO – 60 SiO2 –30 | Образуется в основных плавильных агрегатах (мартеновская печь, конвертер) |
5 | Шлак кислый | SiO2 – 45 СаO– 30 | Образуется при кислой плавке в мартеновских печах, электропечах |
5 | Ваграночный шлак |
|
Образуется при работе вагранки |
6 | Доменный шлак |
|
Образуется в процессе работы доменной печи, используется при производстве цемента |
Получающиеся соединения легче металла и нерастворимы в нем, поэтому они всплывают на поверхность ванны, образуя слой шлака. Флюсы вводят также для разжижения ранее образовавшегося шлака.
В зависимости от химического состава пустой породы железной руды и вида футеровки плавильного агрегата применяются кислые флюсы, состоящие в основном из SiO2 или основные, состоящие из СаO. При наличии в пустой породе большого количества применяют основной флюс и наоборот.
Получающийся в процессе металлургического производства шлак, главным образом, доменный и мартеновский, полностью используется в строительстве для производства цемента. Выход шлака составляет 0,7-0,8 т/т чугуна.
Огнеупорные материалы
Огнеупорные материалы (см. табл. 5) применяются для футеровки рабочего пространства плавильных и нагревательных печей. Они должны обладать высокой огнеупорностью (способностью не разрушаться при высоких температурах), термостойкостью (не разрушаться при резких, чередующихся колебаниях температуры), механической прочностью и химической устойчивостью при высоких температурах.
Таблица 5
Характеристика огнеупорных материалов
№ п/п | Наименование | Состав, % | Огнеупорн. С | Назначение |
Основные | ||||
Магнезит | MgСO3 – 95 | 2200 | Для кладки подов и стен основных сталеплавильных печей | |
Доломит | MgСO3×СaCO3 | 1900 | ||
Хромомагнезит | Сr2O3, MgСO3× | 2000 | ||
Кислые | ||||
Динас | SiO2 – 96 | 1700 | Для кладки подов и стен кислых сталеплавильных печей | |
Полукислые | ||||
Шамот | SiO2 – 60 Al2O3– 40 | 1580-1750 | Для футеровки доменных печей, вагранок, ковшей |
По химическому составу огнеупоры подразделяются на основные, кислые и нейтральные. Они используются в виде кирпичей, фасонных изделий и порошков.
Порошки шамота и глины применяют для изготовления огнеупорных масс и растворов, используемых при кирпичной кладке. Магнезитовый порошок применяется для изготовления и ремонта подов основных плавильных печей.
Ферросплавы
Ферросплавы и лигатуры (см. табл. 6).
Многие элементы, вводимые в стали и сплавы, как легирующие добавки и раскислители имеют высокую температуру плавления (титан (Тi) — 1725С, вольфрам (W) — 3200С), или малый удельный вес (кремний (Si) – 1,5 г/см3), поэтому они могут не расплавляться в сталеплавильной ванне, имеющей температуру 1550 — 1650С или всплывать на поверхность, окисляясь за счет кислорода атмосферы. Все это ведет к резкому уменьшению усвоения металлом нужного элемента. Поэтому основную массу легирующих элементов и раскислителей вводят в жидкий металл в виде сплава с железом (ферросплавы) или комплексного безжелезистого сплава легирующих элементов (лигатуры).
Таблица 6
Характеристика ферросплавов металлургического производства
№ п/п | Наименование | Состав, % | Назначение |
1 | Ферросилиций | а) Si – 45 б) Si – 90 | Раскислитель легирующая добавка |
2 | Ферромарганец | а) Mn – 75 б) Mn – 80 | Раскислитель легирующая добавка |
3 | Феррохром | Cr – 60 | легирующая добавка |
4 | Ферромолибден | Mo – 55 | легирующая добавка |
5 | Ферротитан | Ti – 25 | легирующая добавка |
Ферровольфрам | W – 80 | легирующая добавка | |
Феррофосфор | P – 14 | легирующая добавка | |
Силикокальций | Ca – 30,Si – 60 | Раскислитель | |
АМС | Al, Mn, Si | Комбинированный Раскислитель | |
Лигатура Si, Cu | Si – 92, Cu – 8 | легирующая добавка | |
Лигатура Ni, Al | Ni – 63, Al – 37 | легирующая добавка | |
Никель | Ni – 99 | легирующая добавка | |
Кобальт | Co – 99,9 | легирующая добавка |
Порядок выполнения работы и составления отчета
Студент изучает согласно настоящим методическим указаниям все материалы, находящиеся в коллекции лаборатории с занесением в отчет данных, отражающих химический состав, характеристики и области применения для 10-ти заданных материалов
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).
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.
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 называется 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 ( )
Вводят в виде агломерата и окатышей.
Топливо – в металлургических печах используется кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ.
Кокс получают сухой перегонкой при температуре 1000 0С (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 материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла.
- Они способны выдержать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температуры, химическому воздействию шлака и печных газов.
- По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяют на 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 – 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:
– бурый железняк (гидраты оксидов железа 2Fe2O3 * 3H2O и Fe2O3 * H2O) c содержанием железа 37…55 % – Керчь.
Марганцевые руды применяются для выплавки сплава железа с марганцем – ферромарганца ( 10…82% ), а также передельных чугунов, содержащих до 1% марганца. Mарганец в рудах содержится в виде окислов и карбонатов: и др..
- Хромовые руды применяются для производства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов – хромомагнезитов.
- Топливом для доменной плавки служит кокс, возможна частичная замена газом, мазутом.
- Флюсом является 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 плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна.
- Метод подготовки зависит от качества руды.
- Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной величины, осуществляются с помощью дробилок и классификаторов.
- Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в ее состав:
- а) промывка – отделение плотных составляющих от пустой рыхлой породы;
- б) гравитация (отсадка) – 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;
- в) магнитная сепарация – измельчённую руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы и отделяющего их от пустой породы.
Окусковывание производят 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 0С. При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера, мышьяк), разлагаются карбонаты, и получается кусковой пористый офлюсованный агломерат,
При окатывании шихту из измельчённых концентратов, флюса, 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 0С.
- 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 тв¨рдым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива.
- При выплавке чугуна решаются 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.
Доменная печь (рис. 1.1) имеет стальной кожух, выложенный огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15.
Рис. 1.1. Устройство доменной печи
В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту.
Шихту подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты.
При опускании малого конуса 10 шихта 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 объ¨м был заполнен.
- Полезный объем печи – объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании.
- Полезная высота доменной печи (Н) достигает 35 м, а полезный объем – 2000…5000 м3.
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 ее и удаляются через дымовую трубу. Через насадку пропускается воздух, он нагревается до температуры 1000…1200 0С и поступает к фурменному устройству, а оттуда через фурмы 2 – в рабочее пространство печи.
После охлаждения насадок нагреватели переключаются.
- 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 0С.
- Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным коксом по реакциям:
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 приводит к увеличению содержания восстановителя.
- Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до 300…400 0С у колошника.
- Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре около 570 0С 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, в несколько стадий:
- Температура определяет характер протекания химических реакций.
- Восстановителями окcидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород.
- Восстановление твердым углеродом (коксом) называется прямым восстановлением, протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры, по реакции:
- Восстановление газами ( и ) называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям:
- За счет и восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40…60 % металлического железа.
При температуре 1000…1100 0C восстановленное из руды тв¨рдое 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 0С).
Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4%), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1200 0C 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, 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.
Производство металлов. Производство чугуна, стали, алюминия, меди
Металлургия в первоначальном значении — искусство извлечения металлов из руд. Возникла металлургия в глубокой древности: при раскопках были найдены следы выплавки меди, датированные 7–6-м вв. до н.э.
На следующем этапе развития металлургии человек научился получать из руд железо. К 1-му тысячелетию н.э. железо стало наиболее распространенным среди используемых человеком материалов.
К середине 14 века появились первые доменные печи. В Англии в 1740 г . появилась тигельная плавка — первый способ производства стали. В 1856 г. был впервые осуществлен бессемеровский, в 1864 г . — мартеновский, а в 1878 г.
— томасовский процессы производства стали.
Медь начали массово производить, когда в 1866 г . Семенников В. А. изобрел конвертирование штейна.
Металлургия — наука, изучающая теоретические и технологические основы промышленных способов получения металлов и сплавов.
Некоторые металлы (золото, платина, серебро, медь) могут встречаться в виде самородных, остальные металлы входят в состав различных минералов (горных пород) в виде оксидов, сернистых, углекислых и других химических соединений.
Общее содержание металлов (по массе) в земной коре составляет около 15 %, в том числе: алюминия — 7,45 %, железа — 4,2 %, магния — 2,1 %, титана — 1 %, хрома — 0,02 %, меди — 0,01 %, никеля — 0,008 %.
Все процессы, которые лежат в основе получения металлов и сплавов из химических соединений, подразделяют на две основные группы: пирометаллургические и гидрометаллургические.
Пирометаллургические процессы — высокотемпературные способы получения металлов и сплавов, осуществляемые при сжигании топлива, экзотермических реакциях, термической диссоциации летучих соединений, металлотермии (алюмотермии, магнийтермии), электроплавке, электролизе расплавов и т. п.
Гидрометаллургические процессы — способы получения металла посредством выделения его из растворов без нагрева до высокой температуры (ниже 300 ° С). Данный метод, например, используют для извлечения меди из бедных окисленных и самородных руд слабыми растворами серной кислоты с последующим выделением из раствора металлической меди.
Иногда в отдельную группу выделяют электрометаллургические процессы, основанные на получении металлов или сплавов при помощи электрического тока.
При этом данные процессы могут являться либо пирометаллургическими (когда для извлечения металлов из руд и концентратов, их производства и рафинирования используется тепловой эффект электрических явлений), либо гидрометаллургическими, основанными на электролизе водных растворов.
Материалы, необходимые для осуществления металлургических процессов. Исходными материалами для производства металлов являются шихтовые материалы и огнеупоры.
Шихтой называют совокупность исходных материалов, необходимых для плавки, взятых в рассчитанном массовом соотношении. При производстве металлов в состав шихты входят руды или исходные металлы, топливо и флюсы.
Руда — это природное минеральное сырье, содержащее металлы или их соединения в концентрациях и формах, приемлемых для промышленного использования. Помимо соединений извлекаемого металла, руда содержит пустую породу, в составе которой нужный металл отсутствует. Например, железные руды могут содержать лишь до 50…60 %, а медные — 2…4 % основного элемента в исходном сырье.
Топливо может являться не только источником тепла, но и реагентом, восстанавливающим металл из его оксидов и других соединений.
Основными видами топлива при производстве металлов являются каменный уголь, кокс, природный газ, мазут и др.
Топливо содержит свободный углерод, углеводороды, соединения серы, кислорода, азота, различные минеральные соединения, переходящие при сгорании в золу, и др.
Флюсы — это материалы, вводимые в шихту, которые в процессе плавки взаимодействуя с пустой породой руды, золой топлива и вредными примесями, образуют легкоплавкий шлак.
Огнеупоры — это материалы и изделия на основе минерального сырья, обладающие способностью противостоять действию высоких температур (выше 1 500 °С). Они применяются для создания защитной внутренней облицовки (футеровки) металлургических печей, разливочных ковшей, химических аппаратов, ванн и т. д.
- Помимо высокой термостойкости огнеупоры должны обладать химической стойкостью, контактируя с жидким металлом, и постоянством объема при резких перепадах температур.
- Подготовка шихты включает обогащение руды, агломерацию и окатывание.
- Процесс обогащения руды состоит из следующих основных этапов:
- 1) дробление и сортировка руд по крупности с целью получения оптимальных для плавки размеров кусков руды;
- 2) обогащение руды — получение концентрата с более высоким содержанием металла.
При обогащении руд используются способы, базирующиеся на различии физико-химических свойств содержащихся в руде минералов по сравнению с пустой породой (плотности, магнитной восприимчивости, смачиваемости поверхности различными жидкостями). К этим способам относятся промывка руды, гравитационное обогащение, магнитная сепарация и флотация.
Агломерация — это процесс изготовления кускового пористого офлюсованного материала (агломерата), заключающийся в спекании шихты. При агломерации одновременно происходит удаление из шихты вредных примесей (сера, частично мышьяк и др.).
Окатывание — это процесс окусковывания измельченной и увлажненной шихты во вращающихся барабанах с последующим обжигом полученных шарообразных комков (окатышей) в шахтной печи.
1.2. Производство чугуна
Чугун — железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% С, до 2% Mn , до 4% Si, а также Р и S . В легированных чугунах могут быть и другие элементы. Чугун является конструкционным литейным материалом и исходным материалом для получения стали.
Исходные материалы для доменного процесса. Чугун выплавляется в доменных печах. Исходными материалами для его получения являются железные руды, топливо, флюсы и огнеупоры.
Железные руды — природные минералы, содержащие оксиды железа и пустую породу. В состав пустой породы входят оксиды
кремния SiO 2 (кремнезем), алюминия Al 2O3 (глинозем), кальция СаО и магния MgO. Содержание Fe в рудах составляет 30…65 %. Для получения чугуна используются следующие виды железных руд:
1) магнитный железняк (магнетит), содержащий до 70 % Fe
в виде оксидов FeO (магнитная окись железа) и Fe2O3;
2) красный железняк (гематит), содержащий 55…60 % Fe в виде оксида Fe2O3;
3) бурый железняк (гетит
МЕТАЛЛУРГИЯ
Металлургия — это важнейшая отрасль промышленности и наука о получении металлов из руд. В природе в чистом виде встречаются лишь немногие металлы, например, золото, серебро, платина, ртуть и др. Основная же масса металлов содержится в земной коре в виде соединений с другими химическими элементами, в состав которых помимо ценного компонента входит пустая порода.
Все металлы по установившейся традиции принято делить на две группы — черные и цветные. Черные металлы -это железо и его сплавы: чугуны, стали и ферросплавы. Все остальные металлы относят к цветным.
Основными машиностроительными материалами являются черные металлы, доля цветных металлов, наиболее распространенными из которых являются алюминий, медь, магний, титан, цинк и их сплавы, значительно скромнее.
Основными способами производства металлов являются: пирометаллургический, гидрометаллургический, электрометаллургический и химико-металлургический.
Современное производство черных металлов базируется главным образом на двухступенчатой схеме. Эта схема включает производство чугуна из руды в доменных печах и последующую переработку чугуна в сталь.
Руды цветных металлов, как правило, являются комплексными, т.е. содержат сразу несколько ценных компонентов, поэтому все процессы получения цветных металлов являются многоступенчатыми, включающими целый ряд операций.
Исходные материалы для производства металлов
Исходными материалами для производства металлов и сплавов являются руда, топливо, флюсы и огнеупорные материалы.
Руда — горная порода, из которой технически возможно и экономически целесообразно в данных конкретных условиях извлекать металлы и их соединения. Руды могут содержать один металл или несколько металлов и пустую породу, которая не содержит извлекаемых металлов или их соединений.
В металлургических печах используют твердое (кокс), газообразное (природный газ) и жидкое (мазут) металлургическое топливо.
Основным видом топлива, используемого в доменных печах, является кокс. Кокс — твердая пористая масса, получаемая сухой перегонкой коксующихся сортов каменного угля в коксовых печах при температуре 1000…1100° С.
Флюсы — это материалы, загружаемые в плавильную печь для получения шлака — легкоплавкого соединения с пустой породой и золой топлива.
Шлак располагается на поверхности жидкого металла, служит для защиты его от контакта с печными газами и для удаления вредных примесей.
По химическому составу шлак может быть основным, если в его составе больше основных окислов, кислым и нейтральным.
В доменных печах в качестве флюса чаще всего используется основной флюс — известняк (СаСОз), который при нагреве разлагается на СаО и СО2. Достоинством основных флюсов является их способность связывать в шлак вредные примеси (фосфор и серу).
Металлургические печи работают в условиях высоких температур, поэтому внутреннюю поверхность их покрывают (футеруют) огнеупорными материалами, которые должны выдерживать высокую температуру и обладать достаточной механической прочностью.
Материаловед
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).
Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, и пустой породы, в состав которой входят различные примеси. Называют руду по одному или нескольким металлам, входящим в их состав, например: железные, медно-никелевые.
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 концентрата и золой топлива. Такое соединение называется 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 (SiO2, P2O5), и основным, если в его составе больше основных оксидов (CaO, MgO, FeO).
Флюсы вводят в виде агломерата и окатышей.
В качестве топлива в металлургических печах используется кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ.
Основным видом металлургического топлива является кокс. Кокс получают сухой перегонкой при температуре 1000 0С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов в камерных печах.
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 материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. Они способны выдержать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температуры, химическому воздействию шлака и печных газов, обладать постоянством объема при изменении температуры.
- Огнеупорные материалы применяются в виде кирпичей, стаканов, втулок и других фасонных изделий, а также в порошкообразном виде.
- По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяют на группы: кислые (кварцевый песок, динасовый кирпич), основные (магнезитовый кирпич, магнезитохромитовый кирпич), нейтральные (шамотный кирпич, выдерживающий нагрев до 1750 оС).
- 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 при получении алюминия, тиглей для плавки и разливки медных сплавов.