Матеріали для доменного виробництва

Для виробництва чавуну, сталі і кольорових металів використовують руду, флюси, паливо і вогнетривкі матеріали.

Промисловоюрудою називають гірську породу, з якої при цьому рівні розвитку техніки доцільно витягати метали або їх з'єднання. Цей рівень визначається вмістом металу, що добувається, в руді. Наприклад, для заліза він складає не менше 30...50 %, для міді 3...5 %, для молібдену 0,005...0,02 %.

Руда складається з мінералів, що містять метал або його з'єднання, і порожньої породи, до складу якої входять різні домішки. Наприклад, залізняк містить оксиди заліза Fe₃О₄, Fе₂О₃, FеСО₃, Fе₂О₃Н₂О, а також порожню породу, що складається в основному з SiO₂, А1₂О₃, Сао, МgО. Руди зазвичай називають по одному або декількох металах, які в них містяться. Наприклад, залізні, мідні, алюмінієві, марганцеві, мідно-нікелеві, залізо-марганцеві і т. д.

Залежно від вмісту матеріалу, що добувається, руди бувають багаті і бідні. Багатий залізняк містить 45...50 % заліза і більше. Бідні руди (з малим вмістом металу, що добувається) спеціально обробляють – збагачують. Збагачення полягає у видаленні з руди частини порожньої породи. В результаті отримують концентрат – продукт з підвищеним вмістом металу, що добувається, в порівнянні з рудою. Використання концентрату дозволяє поліпшити техніко-економічні показники роботи металургійних печей.

Залізняк містить залізо в різних з'єднаннях.

Магнітний залізняк (магнетит), що містить магнітний окисел заліза Fе₃О₄, добувають у вигляді щільних кускових порід (55…60 % заліза). Порожня порода – SiO₂. Найбільш великі родовища цієї руди в нашій країні – Соколівське і Курська магнітна аномалія та ін. З країн СНД добувають магнітний залізняк в Казахстані (Сарбайське родовище).

Червоний залізняк (гематит) містить Fе₂О₃ і має червонястий колір (55...60 % Fе). У нім порожня порода міститься у вигляді SiO₂ і вапняку СаСО₃. Великі родовища цієї руди – Криворізьке, Курська магнітна аномалія, Атасуйске та ін.

Марганцеві руди застосовують для виплавки феросплавів з 10...82 % Мn, а також передільних чавунів, що містять до 1 % Мn. Марганець в рудах міститься у вигляді оксидів і карбонатів: МnО₂, Мn₂О₃, Мn₃О₄, МnСО₃ та ін. В рудах зазвичай міститься не більше 22...45 % Мn. Найбільш великі родовища марганцевих руд в нашій країні – Чиатурське і Нікопольське. По запасах марганцевих руд колишнього СРСР займає перше місце у світі.

Бурий залізняк (лимоніти) є водним окислом заліза n Fe2O3·mH2O з вмістом заліза Fе до 20...50 %. З бурого залізняка добувається до 3 % чавуну. Порожня порода – різноманітна по складу, містить сірку і фосфор. Частіше зустрічається лимоніт - 2Fe₂O₃·3H₂O із змістом 57,14 заліза і 25,3 % вод. Родовище – Керченське (Крим), Лисаківське (Кустанайська область Казахстану), Алапаевське (Свердловська область).

Шпатовий залізняк (сидерит) містить заліза до 30…40 % у вигляді карбонату FеСО₃ (вуглекисла сіль). Сидерит розробляється на Бакальскому родовищі в Челябінській області (р. Бакал) з середини 18 століття. Розведені запаси сидеритів 904 млн. т. (1976 г) із змістом заліза 29…33 %.

Хромові руди використовують для виробництва ферохрому, металевого хрому і вогнетривких матеріалів – хромомагнезитів. Хромові руди містять складні з'єднання хрому – хромит (FеО, Cr₂О₃), магнохромит (Мg, Fе) Cr₂О₄ та ін. В рудах зазвичай міститься близько 40% Cr₂О₃.

Комплексні руди використовують для виплавки природно-легованих чавунів. Це залізомарганцеві руди, що містять, окрім заліза, до 20% Мn (Атасуйське родовище), хромонікелеві руди з 37 - 47% Fе, до 2% Cr, до 1% Ni (Халиловське родовище), залызованадыэвы руди, що містять до 0,17 - 0,35% V.

Паливо. Основними видами палива, вживаного в металургійних печах, є кокс, природний газ, мазут, а також доменний або колошниковий газ. Для доменного процесу потрібно міцне тверде паливо, яке служить не лише пальним для нагріву шахти і її розплавлення, але і хімічним реагентом для відновлення заліза з руди, що не спікається. Природні види палива не мають необхідних властивостей, оскільки вони спікаються і недостатньо міцні. Тому для доменної плавки застосовують тверде паливо – кокс. Кокс отримують в коксових печах сухою перегонкою при температурі 1000...1200 ºС (без доступу повітря) кам'яного вугілля сортів, що коксуються. Для коксування використовують суміш вугілля, узяту в певному співвідношенні. В процесі коксування вугільна маса розм'якшується і з неї починають виділятися газоподібні продукти, а потім вона спікається в пористу масу. При виділенні газів в процесі коксування ця маса розтріскується і розпадається на шматки. Газоподібні продукти видаляються з печі і прямують в хімічне відділення, де з них витягають бензол, феноли, кам'яновугільну смолу і інші цінні продукти. Процес коксування триває 15...20 год. Потім кокс видаляють з печі і гасять водою або інертним газом. У коксі міститься 80…88 % С; 8…12 % золи; 2...5 % вологи; 0,5...1,8 % S; 0,02…0,2 % Р і до 1,2 % летких продуктів. Важливими для доменної плавки показниками якості коксу є зольність і вміст сірки, які мають бути мінімальними. Сірка – шкідлива домішка. В процесі плавки вона може переходити в метал і погіршувати його властивості. Важливе значення для ходу плавки має розмір шматків коксу. Розмір шматків коксу має бути 25 – 60 мм. Кокс повинен володіти також високою механічною міцністю, щоб не руйнуватися в доменній печі під дією маси шихтових матеріалів. Теплота згорання коксу складає зазвичай 29,3 МДж/кг.

При доменній плавці частину коксу замінюють природним газом, мазутом або пилоподібним паливом.

Природний газ містить 90...98 % вуглеводнів (СН4 і С2Н6) і до 1 % азоту. Теплота його згорання 33... 50 МДж/кг. Мазут – важкий залишок, крекінгу нафти. Він містить 84... 88 % С, 10…12 % Н2, невелика кількість сірки і кисню. Ці види палива створюють відновну атмосферу в доменній печі і покращують відновлення оксидів заліза з руди, що призводить до економії коксу. Окрім цього, використовують доменний або колошниковий газ, який є побічним продуктом доменного процесу.

Флюси. Порожня порода залізняку містить оксиди, температура плавлення яких що значно вище розвиваються в доменній печі (А1₂О₃ – 2040 ºС, СаО – 2570 ºС, МgО – 2800 ºС). Проте при певному кількісному співвідношенні цих оксидів утворюються легкоплавкі з'єднання – шлаки, що мають температуру плавлення нижче 1300 ºС і що мають хорошу плинність при 1450...1600 ºС. Для перекладу порожньої породи руди і золи коксу в шлаки необхідного хімічного складу з певними хімічними властивостями в доменну піч при плавці завантажують флюси. Шлаки, що утворюються в доменній печі, повинні містити певну кількість основних оксидів (Сао, МgО). Це необхідно для видалення сірки з металу, в який вона може переходити з коксу і залізняку при плавці. Тому при виплавці чавуну в доменних печах як флюс використовують вапняк СаСО₃ або доломитизований вапняк, СаСО₃, що містить, і МgСО₃.

Рекомендується, щоб в шлаку відношення вмісту (СаО + МgО)/(SiO₂ - А1₂О₃) 1. Зазвичай порожня порода руди складається в основному з SiО₂ і А1₂О₃. Сумарний вміст цих оксидів не повинен перевищувати 1 %.

Шлак називають кислим, якщо в його складі переважають кислотні оксиди (SiO₂, Р₂Оз), і основним, якщо в його складі переважають основні оксиди (СаО, МgО, FеO і т. д.).

При високих температурах робочого простору плавильних печей шлаки можуть взаємодіяти з футеруванням печі. Якщо в піч, викладену вогнетривким матеріалом, до складу якого входять основні оксиди (основне футерування), вводити кислі флюси, та взаємодія шлаку і вогнетривкого матеріалу футерування печі приведе до її руйнування. Те ж станеться, якщо в піч, викладену вогнетривкими матеріалами, до складу яких входять кислотні оксиди (кисле футерування), вводити основні шлаки. Тому в печах з кислим футеруванням застосовують кислі шлаки, а в печах з основним футеруванням – основні.

При плавці в печах з кислим футеруванням використовують як флюс кварцевий пісок, що складається в основному з SiO₂, а в печах з основним футеруванням – вапняк (СаСО₃) або доломітизований вапняк, СаСО₃, що містить, або МgСО₃.

Шлаки, що утворюються до процесу плавки в металургійних печах, грають велику роль для отримання металу з потрібними хімічним складом і властивостями.

В процесі плавки в металургійній печі утворюються два середовища, що не змішуються: розплавлений метал і шлак. Змінюючи склад шлаку, можна міняти співвідношення між кількістю домішок, що входять до складу металу і шлаку, таким чином, що небажані домішки віддалятимуться в шлак. Видаляючи шлак з поверхні металу, і, наводячи новий шляхом подачі флюсу потрібного складу, можна управляти процесами видалення шкідливих домішок з металу (сірки, фосфору і т. д.). Регулювання складу шлаку за допомогою флюсів є одним з основних шляхів управління металургійними процесами.

Вогнетривкі матеріали. У сучасних металургійних агрегатах процеси плавки відбуваються при високих температурах. Тому внутрішнє облицювання (футерування) металургійних печей і ковшів для розливання металу роблять з вогнетривких матеріалів, здатних витримувати навантаження при високих температурах, протистояти різким змінам температур, хімічній дії шлаку і пічних газів. Вогнетривкими називають матеріали, здатні протистояти високим температурам, не розплавляючись за певних умов випробування. Вогнетривкість матеріалу визначається в С.

Вогнетривкі матеріали застосовують у вигляді цегли різних розмірів і форм, а також порошків і розчинів, необхідних для заповнення швів між цеглою при кладці печей.

За хімічними властивостями вогнетривкі матеріали підрозділяють па кислі, основні і нейтральні. Матеріали, що містять велику кількість кремнезему SiO₂, називають кислими (динасові, кварцеглинисті); матеріали, що містять основні оксиди (СаО, MgО) – основними (магнезитові, магнезитохромитові, доломітові); що містять велику кількість Аl₂О₃ і Cr₂О₃ – нейтральними (хромомагнезитові, високо глиноземні, шамотні).

Якщо робочий простір плавильної печі викладений з кислих вогнетривких матеріалів, то піч називають кислою, а якщо з основних – основною.

Кварцевий пісок (не менше 95 % SiO₂) – кислий вогнетривкий матеріал. Його застосовують для набивання і наварювання подин кислих сталеплавильних печей. З кварцевого піску і кварциту виготовляють динасову цеглину, що містить 93...95 %. SiO₂. Вогнетривкість динасу складає 1690...1720 ºС. Цією цеглиною футеруют кислі мартенівські і електросталеплавильні печі.

Магнезитовий металургійний порошок містить 85…88 % МgO. Його застосовують для набивання і наварювання подин основних сталеплавильних печей. З нього виготовляють магнезитову цеглину (86…90 % МgO). Вогнетривкість такої цеглини більше 2000 ºС. Його застосовують для кладки череня і стін основних мартенівських і електросталеплавильних печей. Він має високу термостійкість. Магнезитохромитові цеглини містить 60 % МgО і 8...13 % Cr₂О₃. Має вогнетривкість (більше 2000 ºС), термостійкість і шлакоустійкість. Застосовується для кладки зведень мартенівських печей.

Доломітова цеглина містить 32...36 % МgО і 50...56 % СаО; застосовують разом з магнезитовим порошком для наварювання подин і укосів основних сталеплавильних печей. Смолодоломитові цеглини виготовляють з доломітового порошку з кам'яновугільною смолою, використовують для футерування кисневих конвертерів. Смолодоломитомагнезитові цеглини містить 32...50 % МgО, 38…54 % СаО і до 4 % SiO₂; застосовують для футерувань кисневих конвертерів. Хромомагнезитові цеглини містить 42 % МgО і 15...20 % Cr₂О₃. Вогнетривкість його більше 2000 ºС, застосовують в мартенівських печах для кладки шлаковиків.

Шамотна цеглина – нейтральний матеріал. Містить 50...60 % SiO₂ і 30...42 % А1₂О₃. Вогнетривкість його 1580...1730 С, застосовують для футерування доменних печей, воздухонагрівачів, різних ковшів і т. д.

Високоглиноземиста цеглина містить 72...95 % А1₂О₃ і має вогнетривкість 1820...1920 ºС.

Вуглецева цеглина і блоки містять до 92 % С. Мають високу вогнетривкість. Застосовують для кладки лещади доменних печей, електролізних ванн для отримання алюмінію, тиглів для плавки і розливання мідних сплавів.