Материалы для черной металлургии; этапы подготовки руд

чёрная металлу́рги́я одна из старейших отраслей промышленности, к которой относятся предприятия по добыче и обогащению рудного и нерудного сырья, по производству чугуна, стали, проката, труб, ферросплавов и изделий дальнейшего передела. Отличается большой материалоёмкостью и энергоёмкостью производственного процесса (для выплавки 1 т чугуна необходимо в ср. 6 т сырья, включая руду, кокс, флюсы, огнеупоры, а также большое количество воды и электроэнергии). В целях более полного использования всех ценных компонентов сырья, а также отходов производства в состав металлургических предприятий входят цеха и заводы других отраслей пПодготовка руд к доменной плавке определяет поступление в печь сырья определенной крупности, равномерность химического состава, хорошую восстановимость и высокое содержание железа. Она осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна.

Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной величины, осуществляются с помощью дробилок и классификаторов. Процесс дробления делится на четыре стадии: крупное, среднее, мелкое и тонкое измельчение.

Грохочение осуществляют пропусканием материала через одно или несколько сит или решеток, которые выполняют в виде проволочных сеток, листовых или колосниковых решеток.

Обогащение руды – разделение рудного сырья на концентрат с более высоким содержанием извлекаемого металла и пустую породу с небольшим содержанием полезных составляющих.

Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в ее состав (плотностей, магнитной восприимчивости), и физико-химических свойств поверхностей минералов.

В соответствии с этим различают следующие способы обогащения руд: промывка, гравитация, магнитная сепарация и флотация.

Промывка – отделение плотных составляющих от пустой породы.

Промывку применяют для руд с плотными разновидностями рудных минералов, не размываемых водой, и с рыхлой пустой породой. Осуществляют во вращающихся барабанах с решетчатой или гладкой поверхностью, называемых бутарами, или в корытных мойках с вращающимися в противоположных направлениях валами, на которые насажены лопасти.

Гравитация (отсадка) – отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита.

Магнитная сепарация основана на различии магнитных свойств железосодержащих минералов и частиц пустой породы. При магнитной сепарации измельчённую руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы и отделяющего их от пустой породы.

Для осуществления процесса применяют барабанные, ленточные, роликовые и кольцевые сепараторы.

Окатывание – окусковывание тонкоизмельченных концентратов, которые сложно агломерировать из-за низкой газопроницаемости слоя.

 

7. Производство чугуна: сущность процесса, косвенное и прямое восстановление оксидов железа, выплавка чугуна в доменной печи (с использованием плаката).

чугуном называют сплав железа с углеродом, содержащий более 2% С.

Освобожденная от пустой породы руда представляет собой химическое соединение металла с другими элементами. Для того чтобы получить металл из руды, нужно осуществить определенные химические реакции. При этом на элементы, соединенные с металлом, воздействуют вещества, имеющие с ним меньшее сродство, чем с другими элементами.

Так как в железных рудах железо обычно находится в соединении с кислородом, для получения этого металла необходимо осуществлять восстановительные процессы. В чистом виде железо в технике применяется в весьма малых количествах. В основном только в машиностроительном производстве требуются сплавы железа с углеродом. Одним из таких сплавов и является чугун.Выплавку чугуна из железной руды производят в доменных печах.. Эти печи имеют вид башен (шахтные печи). Внутренние части доменной печи выкладывают огнеупорным шамотным кирпичом.Шихта, т. е. руда, топливо и флюс, подается из бункера подъемником в засыпной аппарат колошника, откуда и поступает во внутреннюю полость печи. Печь имеет шахту, распар, заплечики, горн, дно которого называется лещадью. Выпуск расплавленного чугуна производится через отверстие — чугунную летку, выше которой расположена шлаковая летка, через которую выпускают жидкий шлак.Воздух, необходимый для получения чугуна, вдувается под давлением в подогретом состоянии (до 1200° С) в фурмы 7 (12— 18 шт.), проходя по кольцевой, расположенной выше [давление воздуха у фурм до 350 кн/м2 (3,5 кГ/см²)]. Доменный («колошниковый») газ отводится через трубы в очистительные устройства, так как он в дальнейшем используется как топливо для нужд доменного производства и других целей.
Восстановление железа. Этот процесс происходит последовательно от высших оксидов к низшим и далее к чистому металлу: Fe₂O₃ – Fe₃O₄ – FeO – Fe
Главными восстановителями железа в доменной печи являются оксид углерода(I) и твердый углерод кокса. Оксид углерода(I) образуется при взаимодействии углекислого газа с раскалённым коксом:
C + CO₂=2CO
Восстановление оксидом углерода называется косвенным (непрямым) восстановлением и происходит по реакциям
3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ + Q;
Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂ - Q;
FeO + CO = Fe + CO₂ + Q.
Восстановление Fe₂O₃ начинается при сравнительно низких температурах (400-500⁰С) в верхней части шахты печи. По мере опускания рудных материалов повышаются температура и содержание СО в доменных газах; при этом создаются условия для окончательного восстановления железа. Эти процессы заканчиваются в нижней части шахты печи при температурах около 900-950⁰ С.
Значение косвенного восстановления очень велико. В зависимости от условий работы печи оксидом углерода СО восстанавливается 60-80% всего железа. Остальная часть железа восстанавливается твердым углеродом.
Восстановление твердым углеродом называется прямым восстановлением. Оно происходит при температурах выше 950-1000⁰ С (зона распара печи) по реакции
FeO + C = Fe + CO – Q.
Следует отметить, что эта реакция отражает лишь конечный результат процесса прямого восстановления, который протекает в две стадии:
FeO + CO = Fe + CO₂ + Q
CO₂ + C = 2CO– Q
FeO + C = Fe + CO₂ – Q
Таким образом, при прямом восстановлении расходуется только углерод кокса, хотя реагентом, взаимодействующим с FeO, является оксид углерода СО. Непосредственное восстановление оксидов железа при контакте с углеродом кокса практически не происходит.
роизводство стали в мартеновских печах

8. Производство стали: сущность и виды процесса, основные материалы, способ управления процессом, этапы выплавки стали.

Стали – железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5 % углерода, при большем его содержании значительно увеличиваются твёрдость и хрупкость сталей и они не находят широкого применения.

Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап).

Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне. Поэтому сущность любого металлургического передела чугуна в сталь – снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Железо окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильных печах:

2Fe+O2=2FeO+Q.

Одновременно с железом окисляются кремний, фосфор, марганец и углерод. Образующийся оксид железа при высоких температурах отдаёт свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их.

Процессы выплавки стали осуществляют в три этапа.

Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла.

Температура металла сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора.

Второй этап – кипение металлической ванны – начинается по мере прогрева до более высоких температур.

При повышении температуры более интенсивно протекает реакция окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты:

FeO+C=CO+Fe— Q.

Для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород

При реакции оксида железа с углеродом пузырьки оксида углерода CO выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение ванны». При «кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объёму ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам CO, а также газы, проникающие в пузырьки CO. Всё это способствует повышению качества металла. Следовательно, этот этап — основной в процессе выплавки стали.

Также создаются условия для удаления серы. Сера в стали находится в виде сульфида (FeS), который растворяется также в основном шлаке.

Третий этап – раскисление стали, заключается в восстановлении оксида железа, растворённого в жидком металле.

При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород – вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.

Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным.

В зависимости от степени раскисления выплавляют следующие виды стали:

а) спокойные,

б) кипящие,

в) полуспокойные.

Поведение металла при кристаллизации в изложнице зависит от степени раскисленности: чем полнее раскислена сталь, тем спокойнее кристаллизуется слиток.