Заняття 6
Руди і металургійні процеси
Руди — це гірські породи, які складаються з хімічних сполук металів і пустої породи. Рудою називають лише ту гірську породу, яку доцільно переробляти з метою одержання металу. Чим більше металу містить руда, тим вона багатша. Залізні руди промислового значення мають заліза від 25 до 70%.
Залізна руда складається головним чином з окислів заліза і пустої породи (кремнезему SiO2, глинозему А12O3, СаО та ін.). В залізній руді часто трапляються шкідливі домішки — сірка і фосфор, а також корисні метали — марганець, хром, ванадій та ін.
Класифікація залізних руд. Залежно від стану, в якому знаходиться залізо, залізні руди поділяють на чотири види: магнітний залізняк, червоний залізняк, бурий залізняк і шпатовий залізняк.
Магнітний залізняк (магнетит) містить 45…65% заліза у вигляді магнітного окису Fе304. В чистому стані (без пустої породи) магнетит має заліза 72,4%, Це руда чорного кольору; вона має магнітні властивості. Магнітний залізняк містить мало фосфору і сірки. Найбільші родовища магнітного залізняку в СРСР на Уралі (гори: Магнітна, Висока, Благодать), в Сибіру (Кошунівськt і Соколовсько-Сорбайське), на Кавказі та на Півночі (Олtнєгірськ).
Червоний залізняк (гематит) — мінерал червоного кольору, містить 50…60% заліза у вигляді безводного окису Fе203.
Найбільші родовища — Криворіжжя, Курська магнітна аномалія, Нижнє-Ангарськ.
Бурий залізняк містить 30…60% заліза, яке знаходиться у вигляді водного окису 2Fе203*3Н20. Родовища бурих залізняків: Алапаєвське (Урал), Керченське. Липецькс, Тульське та Аятське (Кустанайський басейн).
Шпатовий залізняк містить 30…40% заліза у вигляді вуглезалізної солі FеСO3. Родовище є на Уралі (Бакальськс і Зо- лотовустівське).
Для виплавки спеціальних чавунів і феросплавів використовують марганцеві та комплексні руди.
З марганцевих руд виплавляють чавуни з підвищеним вмістом марганцю, а також феромарганець, тобто сплав заліза і марганцю. Феромарганець застосовують при виробництві спеціальних сталей з високим вмістом марганцю (до 14%).
Найважливіші родовища марганцевих руд — це Нікопольське, Чіатурське (Кавказ) і Ачинське (Сибір).
Комплексні руди звичайно поряд з залізом містять хром, нікель, титан і ванадій. З цих руд виплавляють феросплави.
Металургійні процеси. Процеси виділення металів із руд називають металургійними. У промисловості застосовують два види металургійних процесів: пірометалургійний і гідрометалургійний.
Пірометалургійний (або вогневий) процес полягає в нагріванні руди до розплавлений і виділенні металів в рідкому стані.
Гідрометалургійний процес (гідро - вода) полягає в розчиненні руди в розчинах і виділенні металів шляхом електролізу. Цей процес застосовують лише для виділення міді із окислених руд, а також дорогоцінних металів з комплексних руд.
Основним в металургійній промисловості є пірометалургійний процес, за допомогою якого одержують з руди чавун, а з чавуну сталь. Цей процес застосовують як основний і при виробництві міді (до 80% міді виробляють за пірометалургійним процесом).
Вихідні матеріали. Для одержання пірометалургійним способом чавуну потрібні такі вихідні матеріали: 1) залізна руда; 2) паливо; 3) флюси. Крім того, щоб забезпечити високу температуру, яка необхідна при цьому, потрібно мати гаряче повітря для дуття і вогнетривкі матеріали, якими футерують зсередини доменну піч, повітропідігрівники тощо.
Металургійне паливо і флюси
В металургії застосовують такі види палива:
1) для виробництва чавуну в доменних печах – кам'яновугільний кокс і природний газ;
2) для виробництва сталі з чавуну в мартенівських печах – доменний, природний і коксовий газ, а іноді рідке паливо – мазут.
Металургійне паливо повинно відповідати таким вимогам:
ü мати високу теплотворну здатність;
ü мати невисоку зольність і мінімальний вміст шкідливих домішок - сірки і фосфору;
ü тверде паливо для доменних печей повинно бути досить міцним і пористим щоб при завантаженні в доменну піч не роздрібнювалось і добре пропускало повітря для горіння.
Основним паливом для доменних печей є кам’яновугільний кокс. Він задовольняє всі вимоги: має високу теплотворну здатність, міцний і пористий, в ньому мало золи і шкідливих домішок (SіР).
Кам’яновугільний кокс виробляють із коксівного вугілля в спеціальних коксових печах (батареях), нагріваючи його до 1000…1100°С без доступу повітря протягом 12…18 годин.
Теплотворна здатність коксу 6500…7500 ккал/кг. На 1 т виплавленого чавуну витрачається 600…800 кг коксу.
Застосування в доменних печах разом з коксом природного газу зменшує витрату коксу на 15..20% і збільшує продуктивність печей на 5…10%. Природний газ – дуже дешеве і висококалорійне паливо з теплотворною здатністю 7000…8000 ккал/кг.
Флюси (або плавні) – мінеральні речовини, призначені для зниження температури плавлення пустої породи. Вони, сплавлюючись з пустою породою і золою, утворюють шлаки. Флюси також вилучають з руди шкідливі домішки – сірку і фосфор, щоб вони не потрапляли в чавун.
Залежно від хімічного складу пустої породи, руди і золи застосовують флюси кислі або основні.
Пустою породою залізних руд звичайно буває кремнезем (SіО2); щоб утворити легкоплавкий шлак, в доменну ніч треба завантажувати основні флюси – вапняк (СаСО3) або доломіт (СаСО3-МgСО3). Якщо в руді багато основних окислів і мало кремнезему, тоді завантажують кремнисто-глиноземисті флюси. Кількість тих або інших флюсів визначають розрахунками, виходячи з того, який хімічний склад пустої породи. В середньому на 1 т чавуну дають 300…500 кг флюсів.
Флюси, сплавлені з пустою породою і золою, утворюють шлаки. Шлак має майже в 2 рази менту питому вагу, а тому рідкий шлак відстоюється над рідким чавуном і періодично випускається з доменної печі через спеціальний отвір, який зветься шлаковою льоткою.
Вогнетривкі матеріали
Вогнетривкі матеріали (або вогнетриви) не руйнуються під дією високих температур і призначені для виготовлення плавильних і нагрівальних печей, для футеровки (викладки всередині) ковшів, жолобів, якими перевозять або переливають розплавлені метали.
Вогнетриви використовують у вигляді цегли різних розмірів, фасонних виробів (сегментів, втулок, пробок тощо), а також у вигляді порошку. їх ділять на три групи: кислі, основні і нейтральні.
Кислі вогнетриви мають у своєму складі більше 90% кремнезему (SіO2) або кварциту. З молотого кварциту виготовляють вогнетривку динасову цеглу, яка має температуру плавлення 1700…1730°С.
Динасову цеглу використовують для кладки стін, склепінь і подів мартенівських, електродугових та інших плавильних печей.
Для «наварювання» подів кислих мартенівських печей використовують молотий кварцит, або кварцевин білий пісок.
Основні вогнетриви складаються з випаленого магнезиту MgCO3 або випаленого доломіту MgC03*CaC03.
Цегла, виготовлена з магнезиту MgC03 з невеликими домішками SiО2, CaO і А12О3 має температуру плавлення більше 2000°С. Цегла, виготовлена з доломіту з незначними домішками SiО2, АІ2О3 і Fe2O3, має температуру плавлення 1800…1950°С.
Нейтральні вогнетриви. До них належить хромітова і шамотова цегла та порошки.
Хромітову цеглу виготовляють із суміші хроміту (85%), магнезиту (9%) і глинозему (6%). Температура плавлення хромітової цегли до 2000°С.
Шамотову цеглу виготовляють з випаленої вогнетривкої глини (каолініту); вона складається з Si02 (до 60%), А12О3 (до 38%), решта Fe203 і Ті02. Температура плавлення шамотової цегли 1600…1700°С. Шамотову цеглу використовують для футеровки доменних печей і вагранок.
Підготовка шихти для доменної плавки
Вихідні матеріали (залізна руда, паливо і флюси), відповідно підготовлені і змішані в певній пропорції залежно від їх хімічного складу, називають шихтою.
Руди, добуті в кар’єрах, відрізняються за хімічним складом, величиною кусків, вони змішані з пустою породою.
Основними операціями підготовки руд е:
1) подрібнення;
2) сортування;
3) збагачення;
4) усереднення;
5) агломерація
6) брикетування.
Подрібнення великих кусків руди здійснюється на спеціальних щокових або конусних дробарках.
Сортування подрібненої руди відбувається на плоских або циліндричних решетах (грохотах), де вона ділиться на три фракції. Куски розміром більше 100 мм надходять на повторне подрібнення, куски розміром від 30 до 100 мм спрямовують на шихтовий двір, а куски менше 30 мм направляють на агломерацію.
Збагачення – це процес видалення з руди пустої породи. Більше 80% добутої залізної руди доводиться збагачувати. Способи збагачування – вимивання пустої пороли струменем води під високим тиском, відокремлення залізної руди від пустої породи на магнітних сепараторах тощо.
Усереднення – це змішування різних руд, які відрізняються за хімічним складом і вмістом заліза, з метою наближення до середнього складу. Для цього руди з різними показниками (з різних кар’єрів) насипають тонкими шарами почергово в штабелі, а з штабелів руду забирають екскаваторами з багатьох шарів. При цьому руда перемішується і зрівнюється за складом.
Агломерація (спікання) застосовується для спікання рудного дріб’язку і колошникового пилу в пористі куски розміром до 80…100 мм. Перед спіканням рудний дріб’язок перемішують з коксом, додають подрібнений вапняк і змочують водою. Ця маса подається на спеціальний агломераційний стрічковий конвейєр, де вона запалюється газовими пальниками, далі горіння продовжується самостійно. Температура досягає 1400°С. Внаслідок горіння коксу відбувається спікання – утворюється агломерат.
Брикетування – пресування в брикети дрібних і пиловидних руд, які не спікаються.
Підготовка руди і особливо застосування агломерату значно підвищує продуктивність доменних печей, знижує витрату палива та поліпшує умови автоматизації.
Будова доменної печі
Доменна піч призначена для виплавки із залізних руд різних сортів чавуну.
У Радянському Союзі діють найбільші в світі домни-гіганти з корисним об’ємом печі 2700 м3 і продуктивністю до 4000 т чавуну за добу.
Доменна піч являє собою вертикальну (шахтну) піч круглого перерізу з діаметром до 9-11 м і загальною висотою до 70…80 м. Вона будується (рис. 1) на масивному фундаменті 1 і має кожух 12, зварений з листової сталі (товщина листа нижньої частини кожуха досягає 40 мм). Ззовні кожуха є кільцеві площадки 11 для обслуговування.
Всередині кожух викладено вогнетривкою цеглою. У верхній частині кладки замуровані плити 14, які захищають кладку від руйнування під час завантаження шахти в колошник.
Внутрішній профіль доменної печі (рис. 1) складається з колошника, шахти, розпару, заплечиків і горна.
Колошник має циліндричну форму і невелику висоту.
Шахта має форму зрізаного конуса, який розширюється донизу для того, щоб не зависала завантажена шихта.
Розпар має циліндричну форму, тому що об’єм шихти внаслідок плавлення зменшується і вона не буде зависати.
Заплечики донизу звужуються в зв’язку з тим, що об’єм шихти там буде ще менший внаслідок розплавлений руди, флюсів і вигоряння коксу.
Горно має циліндричну форму ще меншого діаметра, бо в ньому збирається уже розплавлений чавун і шлак, які займають об’єм значно менший, ніж тверда кускувата шихта.
З метою розвантаження кожуха і кладки заплечиків та горна вся вага вогнетривкої кладки шахти і колошника сприймається опорним кільцем 9 і через спеціальні колони 3 передається на фундамент 1.
У нижній частині горна є отвір 4 для випуску розплавленого чавуну. Цей отвір зветься чавунною льоткою. Трохи вище з протилежного боку є шлакова льотка 24. До кожної льотки приставлені стальні жолоби з вогнетривкою футеровкою.
На рівні заплечиків встановлено кільцевий повітропровід 8 з вогнетривкою футеровкою всередині.
Від кільцевого повітропровода відходять фурмені рукави 7, якими повітря подається через 12 – 16 фурм всередину доменної печі.
Доменний газ збирається у верхній частині колошника і через газовідводи 15 виходить в газоочисник, а далі поступає для спалювання в повітронагрівники або в мартенівські печі.
У верхній частині печі над колошником міститься засипний апарат з приймальною воронкою 18 і двома конусами 17 і 16. Щоб при завантаженні шихти в колошник доменний газ не виходив в атмосферу, конуси 17 і 16 відкриваються почергово.
Рис. 1. Схема будови доменної печі:
1 – фундамент; 2 – під; 3 – колона; 4 – чавунна льотка; 5 – жолоб для випуску чавуну; 6 – робоча площадка; 7 – фурмений рукав; 8 – кільцевий повітропровід; 9 – опорне кільце; 10 – холодильники; 11 – кільцеві площадки; 12 – стальний кожух; 13 – вогнетривка кладка; 14 – захисні плити; 15 – газовідводи; 16 – нижній конус; 17 – верхній конус; 18 – приймальна воронка; 19 – шихта; 20 – важіль опускання нижнього конуса; 21 – важіль опускання верхнього конуса; 22 – труба для подавання нагрітого повітря з повітронагрівника; 23 – жолоб для випуску шлаку; 24 – шлакова льотка; 25 – стальний кожух поду.
Допоміжне устаткування доменної печі
Сучасна високопродуктивна доменна піч потребує великої кількості шихтових матеріалів і повітря для дуття, а виробляє багато чавуну, шлаку і доменного газу.
Вага матеріалів, які завантажуються в доменну піч, дорівнює вазі продуктів доменного процесу. Для подавання в доменну піч шихтових матеріалів і видалення продуктів доменного процесу потрібне допоміжне устаткування: підйомні і завантажувальні механізми, механізми для відвезення чавуну і шлаку, повітродувки, повітронагрівники, газоочисники, прилади для механізації і автоматизації тощо.
Підйомний механізм призначений для подавання шихти (після зважування у вагон-вагах) до приймальної воронки 18 (рис. 1). Найчастіше застосовуються підйомні механізми з двох вагонеток, які піднімають по похилих рейках за допомогою тросів: одна вагонетка з шихтою рухається вверх, друга (порожня) – вниз. З вагонеток шихта висипається у приймальну воронку 18 на конус 17. Після кожної подачі конус 17 повертається на 60°, а після шести подач він опускається вниз і руда висипається на конус 16. Після закриття конуса 17 опускається вниз конус 16 – шихта висипається в колошник.
Повітродувки. Сучасна повітродувка являє собою агрегат, який складається з парової або газової турбіни потужністю до 18 тис. кВт і багатоступінчастого компресора.
Повітронагрівник. Для забезпечення роботи доменної печі з корисним об’ємом 2000 м3 потрібно подавати щохвилини 3800 л3 повітря, нагрітого до 1200°С. Таку піч обслуговують чотири повітронагрівники. Один з них запасний (аварійний), а інші три працюють почергово: кожен з трьох повітронагрівників протягом двох годин нагрівається, потім за одну годину нагріває повітря, яке продувається через нього.
Повітронагрівний 2 (рис. 2) має вигляд циліндричної башти діаметром до 10 м і висотою до 45 м. Він складається з стального кожуха 3 і шамотової футеровки 4. Вертикальна стіна 5 ділить внутрішній простір повітропагрівника на дві частини: камеру згоряння 6 і цегляну насадку 7. Частина доменного газу після очистки надходить в камеру згоряння 6 і, змішуючись з повітрям, згоряє там, а гарячі гази проходять через цегляну насадку 7, нагрівають її до 1300°С і виходять в димову трубу 1.
Газоочисники призначені для очистки доменного газу від дрібних частинок руди, флюсів і коксу. Вони є трьох типів: сухі інерційні, мокрі і електростатичні. Рудний і коксовий пил, вилучений з доменного газу, надходить на агломерацію.
Рис. 2. Схема будови і дії повітронагрівників:
1 – димова труба; 2 – повітронагрівник; 3 – кожух: 4 — шамотна футеровка; 5 – вертикальна перегородка; 6 – камера згорання; 7 – насадка з вогнетривкої цегли: 8 – повітродувна машина.
Доменний процес
Для забезпечення нормального ходу доменного процесу треба щоб кількість тепла і температура по висоті печі були розподілені так, щоб всі реакції відбувались в певному місці і за певний відрізок часу. Цього можна досягти правильним співвідношенням складу шихти, кількості повітря і його температури при умові достатньої газопроникності по всій висоті шихти в доменній печі.
У доменній печі під час плавки відбуваються такі процеси:
1) горіння вуглецю палива біля фурм;
2) відновлення заліза та інших елементів з окислів;
3) навуглецювання заліза і утворення чавуну;
4) шлакоутворення.
Горіння. Кисень нагрітого повітря, яке вдувається через, фурми в піч, вступає в реакцію з розжареним коксом, тобто відбувається горіння за реакцією:
С+О2 = С02 +97650 кал.
Внаслідок горіння виділяється багато тепла, тому температура біля фурм досягає 1700…1800СС.
Вуглекислий газ СО2 при високій температурі енергійно сполучається з вуглецем коксу, утворюючи окис вуглецю за реакцією:
СО2+ С =2СО – 37100 кал,
тобто реакція відбувається з затратою тепла.
Відновлення заліза. Окис вуглецю (СО) є енергійним відновлювачем: він віднімає кисень від окислів металів.
У доменних печах відбувається побічне відновлення заліза, тобто газами, і пряме – твердим вуглецем. Газами відновлюється до 60%, а твердим вуглецем – до 40% заліза.
Відновлення заліза — це процес послідовного відокремлення кисню від окислів заліза. Відновлення проходить за три стадії:
Fе2O3 → Fе3O4 → FеО → Fе
Побічне відновлення заліза газом СО відбувається за такими реакціями:
3Fе2O3 + СО = 2Fе3O4 + С02 – 8870 кал,
Fе3O4 + СО = 3FеО + С02 – 4990 кал,
FеО + СО = Fе + С02 + 3250 кал.
Відновлення заліза газом починається при температурі 400°С і відбувається в зонах шахти з температурою 500…900°С.
Пряме відновлення, тобто відновлення твердим вуглецем, відбувається при вищих температурах (1000…1100°С) в зонах розпару і заплечиків за такою реакцією:
FeО + С = Fе + СО +Q
Навуглецювання заліза. Майже одночасно з відновленням заліза відбувається його навуглецювання, яке при температурах 900…1000°С здійснюється за рахунок окису вуглецю за реакцією:
3FеО + 2СО = Fе3С + С02,
при вищих температурах навуглецювання відбувається за рахунок твердого (сажистого) вуглецю, який проникає в пори губчастого заліза і також утворює карбід заліза Fе3С.
Карбід заліза має 6,67% вуглецю, але він розчиняється в залізі, чим прискорює насичення вуглецем до 4…4,5%, тобто до утворення чавуну.
Відновлення марганцю і кремнію. Ці хімічні елементи відновлюються твердим вуглецем при високих температурах (1000…1200°С) за такими реакціями:
відновлення марганцю
МnО + С = Мп + СО – Q;
відновлення кремнію
SiO2 + 2С = Si + 2СО + Q
Марганець і кремній розчиняються в чавуні і поліпшують його механічні властивості.
Шлакоутворення. Це процес сплавлення пустої породи і золи з флюсами. Процес шлакоутворення починається в зоні розпару при температурах близько 1200°С і закінчується в заплечиках.
Шлак має залишок СаО і вилучає з чавуну шкідливу домішку (сірку) за реакцією:
FeS + CaO + С = Fe + CaS + CO – Q.
Доменний шлак складається з окису кальцію (40…50%), окису кремнію (30…40%), окису алюмінію (10…12%) та невеликої кількості МgО, СаS, МnО і FеО.
Продукти доменної плавки
Основним продуктом доменної плавки є чавун, а побічними – шлак, доменний газ і колошниковий пил.
Чавун. Доменний чавун містить в собі 3…4,5% вуглецю, а також кремній і марганець. За призначенням і хімічним складом чавун ділять на три групи: переробний, ливарний і спеціальний.
Переробний чавун (або білий) характерний тим, що більшість вуглецю в ньому знаходиться у вигляді карбіду заліза Fе3С (або цементиту). Цей чавун в зломі має білий колір, він дуже твердий, не піддається обробці різанням. Білий чавун використовується для переробки в сталь. Він ділиться на мартенівський (М), бесемерівський (Б) і томасівський (Т). Переробного (білого) чавуну виплавляється до 80% від загальної кількості.
Ливарний чавун (або сірий) характерний тим, що вуглець в ньому знаходиться у вільному стані – у вигляді графіту. Цей чавун в зломі має сірий колір. Він має високі ливарні властивості. Марки ливарного чавуну: ЛКОО, ЛК1. ЛК2, ЛКЗ, ЛК4.
Ливарний чавун широко застосовується для відливання корпусних деталей машин, станин верстатів, корпусів коробок швидкостей та блоків двигунів тракторів і автомобілів тощо.
Ливарний чавун порівняно м’який, добре обробляється різанням, має великий опір спрацюванню і малий коефіцієнт тертя.
Спеціальний чавун випускається трьох видів: феросиліцій. що містить до 15% кремнію; дзеркальний чавун, який містить від 15 до 25% марганцю; феромарганець, який містить 70…80% марганцю. Спеціальні чавуни використовують в основному при виробництві сталі як легуючі домішки (феросиліцій і дзеркальний чавун), або як розкислювач (феромарганець).
Доменний шлак використовується для виробництва цементу, шлакової вати, щебеню, добрив для сільського господарства.
Доменний газ виробляється у великій кількості і використовується для нагрівання повітря, для парових і газових турбін повітродувних машин, для мартенівських печей тощо.
Розливка чавуну
Доменна піч працює безперервно протягом 5…8 років. Піч досягає нормальної продуктивності через 6…10 днів після задувки. Випуск чавуну і шлаку проводиться за графіком: чавун – 6 разів на добу, а шлак – через 1,5…2 години.
Чавун і шлак випускають в ковші чавуновози і шлаковози,встановлені на спеціальних залізничних платформах.
Переробний чавун вивозять в сталеплавильний цех і там зливають його в спеціальні ковші – міксери, які мають місткість до 2000 т. У міксерах чавун усереднюється і зберігається до заливання в мартенівські печі або конвертори. Щоб чавун в міксерах не охолоджувався, його в міру потреби підігрівають газовими пальниками.
Міксер 2 (рис. 3) являє собою посудину циліндричної форми, виготовлену з листової сталі і викладену всередині вогнетривкою цеглою. Для розливання чавуну в ковші міксер повертається (нахиляється) на роликах 4 за допомогою гідравлічного пристрою 5.
Ливарний чавун на спеціальних розливних машинах розливається у форми-виливники, в яких утворюються напівциліидричні чушки-зливки вагою 16…32 кг.
Рис 3. Будова міксера:
1 і 3 – ковші; 2 – міксер: 4 – опорні ролики 5– гідравлічний пристрій для нахилу міксера.
Заняття 7
