Продукты доменного производства

Металлургическое производство

 

Получение металлов известно человечеству давно. На­пример, медь и олово добывались уже в пятом тысячеле­тии до нашей эры.

В России первый металлургический завод начал рабо­тать в 1701 г. на Урале. В дальнейшем производство чугу­на и стали быстро развивалось. Россия даже стала экспор­тировать сталь. Однако в начале XX века на душу населе­ния в России все же приходилось в 18 раз меньше чугуна и стали, чем в США, в 8 раз меньше, чем в Германии, в 4 раза меньше, чем во Франции.

Металлы и сплавы делят на черные и цветные.

Важнейшим промышленным металлом является желе­зо (Fe), которое в сплавах с углеродом (С) и другими эле­ментами образует группу сплавов черных металлов — сталь, чугун и ферросплавы. Из общего количества произ­водимых в мире металлов свыше 90% приходится на долю черных металлов.

Из цветных металлов особое значение имеют медь (Си), алюминий (Аl), магний (Mg), свинец (РЬ), цинк (Zn), олово (Sn), а также хром (Сг), никель (Ni), молибден (Мо) и другие.

Все перечисленные металлы называют техническими в отличие от благородных (платина, золото, серебро), ред­коземельных и прочих металлов.

Наибольшее распространение в народном хозяйстве имеют металлические сплавы, так как их свойства лучше свойств составляющих их простых элементов.

 

Металлургия чугуна

Исходные материалы для выплавки чугуна

Сплавы черные металлов, как было сказано, представ­ляют сплавы железа с углеродом; кроме того, они содержат примеси — кремний, марганец, фосфор, серу и неко­торые другие.

Химически чистое железо в промышленности практи­чески не применяется, поскольку механические свойства его невысоки.

Элементом, оказывающим главное влияние на свойства черных металлов, является углерод, и в зависимости от содержания его черные металлы делят на сталь и чугун.

Сталью называют железоуглеродистый сплав с содержа­нием углерода до 2,14%. Чугуном является железоуглероди­стый сплав, содержащий углерода от 2,14% до 6,67%. Сталь обладает значительно более высокими механическими свой­ствами (прочностью, твердостью, пластичностью и др.) по сравнению с чугуном. Основное назначение чугуна — слу­жить сырьем для получения стали.

Исходным сырьем для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы. Агрегатом для выплав­ки чугуна служит доменная печь.

Рассчитанное в определенном соотношении количество загружаемых в доменную печь исходных материалов назы­вается шихтой.

Железной рудой является горная порода, содержащая те или иные соединения железа, а также примеси соедине­ний других элементов, являющихся пустой породой.

В настоящее время для получения чугуна употребляют следующие руды.

Магнитный железняк (Fe₃0₄) — минерал черного цве­та, обладает магнитными свойствами; содержание в нем железа доходит до 72%.

Бурый железняк (2Fe₂0₃3H₂0) — минерал желто-буро­го цвета; содержание железа колеблется от 35% до 50%.

Красный железняк (Fe₂0₃) — минерал красного цвета, содержит до 60% железа.

Шпатовый железняк (FeC0₃) — минерал серого цвета, содержит 30-42% железа.

Топливо, употребляемое для доменного процесса, долж­но иметь высокую теплотворную способность и малую золь­ность, обладать пористостью, прочностью при высоких температурах, а также содержать как можно меньше серы, которая частично переходит из топлива в чугун и ухудша­ет его свойства.

В качестве топлива при доменном производстве исполь­зуется каменноугольный кокс. Для интенсификации вып­лавки чугуна применяют природный газ и кислород.

Для отделения пустой породы и золы в доменную печь вводят вещества, называемые флюсами; эти вещества при сплавлении с пустой породой и золой топлива образуют легкоплавкие химические соединения, образующие шлак.

Для выплавки чугуна руду подвергают предваритель­ной подготовке — обогащению. Качество подготовки руды оказывает большое влияние на ход плавки, расход топли­ва и качество получаемого чугуна.

Подготовка руды включает операции дробления, сор­тировки, обогащения и, если необходимо, обжига.

Дробление — измельчение крупных кусков руды — производится специальными машинами — дробилками, при этом получают куски размером 20-100 мм. Мелочь отсеивается и идет на агломерацию (спекание).

Магнитное обогащение основано на действии магнит­ного поля на составляющие руды, обладающие магнитны­ми свойствами. Оно осуществляется в агрегатах, называе­мых магнитными сепараторами.

Агломерация производится с целью использования мел­кой порошкообразной руды и колошниковой пыли; для спе­кания эти вещества смешивают с измельченным коксом.

Спекание осуществляют на специальных агломераци­онных ленточных машинах, где топливо, сгорая, образует пористые спеченные куски, называемые агломератом.

Прогрессивным способом обогащения руд является бо­лее эффективный процесс подготовки руды — окомкование. Сущность процесса состоит в окатывании измельчен­ных частиц шихты и последующем обжиге окатышей.

 

Устройство доменной печи

Современная доменная печь представляет собой шахт­ную (вертикальную) печь общей высотой до 70 м и диамет­ром до 14 м.

Внутри доменная печь выкладывается (футеруется) ог­неупорным кирпичом. Снаружи печь для прочности имеет стальной кожух. Части доменной печи следующие (рис. 1): засыпной аппарат, колошник, шахта, распар, заплечники и горн.

Засыпной аппарат служит для накопления и подачи шихты через колошник. Вверху колошника имеется газо­отвод для выхода доменного (колошникового) газа. Шахта имеет форму усеченного конуса, расширяющегося книзу. Такая форма шахты способствует свободному опусканию шихты при плавке. Заплечники имеют форму усеченного конуса, расширяющегося кверху, поэтому они удержива­ют всю твердую шихту, находящуюся в распаре и шахте.

Нижняя часть доменной печи — горн — имеет цилин­дрическую форму. В верхней части горна по окружности расположены фурмы для подачи в печь подогретого возду­ха, природного газа и кислорода. Нижняя часть горна, в которой собираются жидкий чугун и шлак, называют лешадью. В горне имеется два отверстия — летки — для вы­пуска чугуна и шлака. Чугунная летка располагается в нижней части горна, а шлаковая — в верхней.

Подогрев воздуха осуществляется для увеличения про­изводительности печи и уменьшения расхода топлива. На­грев производят в специальных нагревательных аппара­тах — воздухонагревателях.

Воздухонагреватель представляет собой башню диа­метром порядка 10 м, высотой до 50 м. Корпус воздухо­нагревателя выполнен из листовой стали, внутри футеро­ван огнеупорным кирпичом. В шахте воздухонагревателя сгорает доменный газ. Остальное пространство воздухонаг­ревателя заполнено насадкой (кирпичной кладкой с про­ходами для газов), аккумулирующих тепло от продуктов горения доменного газа.

Атмосферный воздух направляется к воздухонагрева­телю, где проходит через горячую насадку, нагревается до 1000-1200 °С и затем направляется к фурмам доменной печи.

Доменный процесс

В печи непрерывно навстречу друг другу движутся два материальных потока: сверху вниз — поток шихтовых ма­териалов и снизу вверх — поток газов, образующихся в результате горения топлива и реакции с составляющими шихты.

Сущность доменной плавки состоит в восстановлении железа из его оксидов, содержащихся в руде, науглерожи­вании железа до получения чугуна и ошлакования пустой породы.

Кислород воздуха, вдуваемый через фурмы, вступает в реакцию с углеродом топлива по формуле:

С + 0₂ = С0₂ + Q

 

При этом в районе фурм развивается температура до 2000 "С. Диоксид углерода С0₂ при высоких температурах и в присутствии углерода над фурмами восстанавливается в оксид:

 

С0₂ + С = 2СО – Q

 

Встречая при своем дальнейшем подъеме руду, часть оксида углерода восстанавливает оксиды железа, при этом вновь превращаясь в С0₂.

Загруженная в печь руда в области колошника в верх­ней части шахты высушивается и теряет химически свя­занную воду. Начиная от середины шахты и до распара происходит постепенное восстановление оксида железа ок­сидом углерода:

 

3Fe₂0₃ + СО = 2Fe₃0₄ + С0₂

Fe₃0₄ + СО = 3FeO + С0₂

FeO + СО = Fe + С0₂

 

Суммарный тепловой эффект реакций восстановления железа оксидом углерода (косвенное восстановление) явля­ется положительным; эти реакции протекают при 400— 950 °С. Параллельно в области распара и в верхней части заплечников при температуре 1300—1400 °С идет процесс восстановления железа твердым углеродом раскаленного кокса (прямое восстановление):

FeO + С = Fe + СО + Q

 

Полученное твердое губчатое железо в зоне распара к заплечников науглероживается и вследствие понижения при этом температуры плавления (температура плавления железа 1539 °С, чугуна — 1100—1200 °С), переходит в жид­кое состояние. Стекающие в горн струйки чугуна погло­щают восстановленные в процессе плавки примеси — мар­ганец, кремний и фосфор, а также частично серу из золы кокса.

Наличие кремния и марганца в чугуне оказывает поло­жительное влияние на свойства чугуна. Фосфор и сера яв­ляются вредными примесями. Кремний улучшает литей­ные качества чугуна; марганец при небольшом (до 1%) со­держании повышает прочность чугуна. Фосфор делает чугун хрупким б холодном состоянии, сера увеличивает хрупкость чугунных изделий в нагретом состоянии.

Вместе с кремнеземом (Si0₂), глиноземом (А1₂0₃) и дру­гими примесями из пустой породы и золы топлива флюсы образуют шлак, который плавится в распаре и заплечни­ках и стекает в горн, где накапливается поверх жидкого чугуна.

 

Продукты доменного производства

Основным продуктом доменного производства является чугун. В чугуне углерод может содержаться в виде механи­ческой примеси (свободного графита) и химического соеди­нения — карбида железа (Fe₃C), называемого цементитом.

Чугуны, содержащие свободный графит, имеют в изло­ме серый цвет и крупнозернистое строение. Эти чугуны применяются для получения отливок, так как хорошо за­полняют литейные формы и достаточно легко поддаются обработке режущим инструментом. Такой чугун называют серым или литейным чугуном. Характерным для него яв­ляется повышенное содержание кремния и пониженное — серы.

Чугуны, содержащие углерод в виде химического соеди­нения с железом (Fe₃C), имеют белый излом. Для отливок они малопригодны и трудно обрабатываются режущим ин­струментом. Эти чугуны преимущественно перерабатыва­ются на сталь, они имеют пониженное содержание крем­ния и называются белыми или передельными чугунами.

Кроме литейных и передельных чугунов в доменных печах получают специальные чугуны, или ферросплавы. Ферросплавы имеют повышенное (более 10%) содержание некоторых элементов, например кремния, марганца. При­меняются ферросплавы в качестве специальных присадок при выплавке стали.

Кроме чугуна в доменном.производстве получают до­менный газ и шлак.

Доменный газ и шлак представляют собой побочные продукты плавки.

Доменный газ используется в качестве топлива. Он улавливается в области колошника и подвергается очист­ке. Около 25% доменного газа используется непосредствен­но в доменном процессе, остальные 75% идут для сжига­ния на ТЭЦ.

Шлак идет для производства строительных материалов

 

Металлургия стали

Значительную часть стали получают из передельного чугуна. Сущность процесса заключается в уменьшении в чугуне содержания углерода и примесей (серы, фосфора, кремния и марганца) путем их окисления. Кроме чугуна в состав шихты могут входить металлический лом, желез­ная руда, флюсы. Сталь выплавляют в кислородных кон­верторах, мартеновских и электрических печах.

Выплавка стали в кислородных конвертерах

Сущность процесса заключается в том, что через рас­плавленный чугун и небольшое количество металлическо­го лома черных металлов, загруженных в конвертор, про­дувается кислород, образуется оксид железа FО, который, взаимодействуя с углеродом и примесями чугуна, окисляет и обращает их в газ и шлак. Реакции окисления идут с выделением тепла. Чугун при этом превращается в сталь. Конвертер с кислородным дутьем (рис. 2) состоит из стального корпуса, футерованного огнеупорным кирпичом. Кон­вертер имеет поворотное устройство, с помощью которого может устанавливаться в наклонном положении. В таком положении его заливают жидким чугуном, затем устанав­ливают вертикально и через фурму производят продувку кислородом. По окончании процесса конвертер вновь на­клоняют и выпускают сталь и шлак.

Емкость современных конвертеров составляет 300— 350 т. Продолжительность плавки 30—40 минут. Темпера­тура, развиваемая в плавильном пространстве, достигает 1800 °С. Высокая производительность агрегата, простота конструкции и обслуживания, отсутствие потребности в топливе обеспечивают невысокую себестоимость конвертор­ной стали.

К недостаткам работы конверторов относятся невозмож­ность переработки значительного количества металличес­кого лома, значительный угар металла (5—10%), повышен­ное содержание вредных примесей в получаемой стали.

Конвертерная сталь относится к стали обыкновенного качества. Такая сталь идет для получения проката раз­личного профиля — листов, прутков, трубного проката, уголков и т. д. Кислородное конвертирование — перспек­тивный процесс, поскольку с его помощью в последние годы освоено получение качественной стали.

 

Выплавка стали в мартеновских печах

Процесс выплавки разработан французскими металлур­гами Э. и П. Мартенами. Он отличается более высокой по сравнению с конвертированием температурой, развиваемой в плавильном пространстве печи, — 1800—1900 °С, что позволяет перерабатывать чугун в твердом, жидком состоя­нии, стальные отходы металлургического и машинострои­тельного производства. В состав шихты могут входить же­лезная руда, флюсы, марганец. В качестве топлива в мар­теновском процессе используется природный газ.

Мартеновская печь (рис. 3) работает следующим образом.

Шихта через загрузочные окна 1 загружается в пла­вильное пространство 2, выложенное огнеупорным кирпи­чом. Природный газ и воздух, образующие факел для расплавления шихты, поступают по каналам сначала справа, а продукты горения отводятся слева через регенератор 3, отдавая свое тепло кирпичной кладке регенератора. Через каждые 10—15 минут направления потоков газов изменя­ются на обратные. Природный газ и воздух, проходя через регенератор, утилизируют тепло отходящих газов. Из ре­генератора после очистки продукты горения отводятся.

Готовая сталь выпускается через отверстие — летку, расположенную в задней стенке печи.

Различают два варианта мартеновского процесса: скрап-процесс и скрап-рудный процесс.

При скрап-процессе шихта на 60—80% состоит из стального лома и на 20—40% — из чушкового чугуна. Та­кой процесс используется на металлургических заводах, где нет доменных печей. Скрап-процесс позволяет вводить в состав стали легирующие добавки (марганец, хром, вана­дий и др.), улучшающие качество стали.

При скрап-рудном процессе шихта состоит на 60—75% из жидкого чугуна, небольшого количества железной руды и металлического лома. Этот процесс используется на метал­лургических заводах, имеющих доменные печи. Скрап-руд­ный процесс — наиболее распространенный процесс плавки.

Емкость мартеновских печей достигает 900 т. Время плавки составляет 3—6 часов. Достоинством мартеновско­го способа является возможность широкого использования в составе шихты металлического лома и получения качест­венной стали. Основными недостатками мартеновского про­цесса следует считать значительную продолжительность плавки и большой расход топлива.

 

Выплавка стали в электрических печах

Электросталеплавильный процесс, появившийся в кон­це XIX в., благодаря поддержанию в плавильном простран­стве повышенной температуры (порядка 2000 °С и выше), обеспечивает получение стали более высокого качества по сравнению с конверторным и мартеновским процессами. Высокая температура дает возможность полнее удалять примеси, вводить в состав стали тугоплавкие легирующие металлы, значительно повышающие ее прочность, твер­дость и коррозийную стойкость.

Электрические плавильные печи разделяются на дуго­вые и индукционные.

Дуговая электрическая печь (рис. 4) состоит из сталь­ного кожуха, футерованного огнеупорным кирпичом. Сверху через отверстия в своде печи введены угольные электроды. Шихта загружается через загрузочное окно 1. Шихта плавится под воздействием высокой температуры, создаваемой электрической дугой, возникающей при про­хождении электрического тока между электродами 2 и шихтой 3. Готовую сталь выпускают по желобу летки 4 при наклоне печи, осуществляемом с помощью поворотно­го механизма 5.

Емкость дуговых печей колеблется от 0,5 до 400 т, дли­тельность плавки составляет 3-6 часов.

В индукционной печи (рис. 5) плавка осуществляется в тигле из огнеупорного материала 1. Вокруг тигля распо­лагается спиральный индуктор 2, изготовленный из мед­ной трубки, в которой циркулирует охлаждающая вода.

При прохождении тока через индуктор в шихте 4 на­водятся мощные вихревые токи, которые обеспечивают плавление шихты. Шихтовые материалы загружаются сверху. Для выпуска готовой стали тигель наклоняют в сторону сливного желоба 3.

В индукционных печах выплавляют особо высококачест­венные стали. Вместимость печей составляет от десятков килограммов до 2—5 т металла. Продолжительность одной плавки составляет от 0,5 до 2,5 часов.

Электрометаллургический процесс — основной способ производства высококачественных и особо высококачественных сталей. Вместе с тем, себестоимость электростали значительно выше конверторной и мартеновской стали. Недостатком электрических печей является относительно малая вместимость, сложность и высокая стоимость элект­рооборудования, низкая стойкость электродов и тиглей, не­обходимость использования чистых шихтовых материалов.

Разливка стали

Разливка стали имеет важное значение в, металлургии и позволяет придать полученной стали первичную форму — форму слитка.

Применяют два способа разливки: разливка в излож­ницы и непрерывная разливка стали (рис. 6).

Разливка в изложницы подразделяется на разливку сверху и сифонную разливку.

Разливка сверху используется для получения крупных слитков (десятки тонн). Преимуществом разливки являет­ся простое разливочное оборудование, а недостатками — малая производительность и повышенные потери материа­ла за счет усадочной раковины, образующейся в слитке при затвердевании стали.

Сифонный способ разливки (разливка снизу) позволяет получать небольшие слитки (тонны). Производительность процесса выше разливки сверху, поскольку заполняется одновременно несколько изложниц, потери материала мень­ше. Недостаток способа — сложное разливочное оборудо­вание.

Непрерывная разливка стали — наиболее производи­тельный и экономичный способ разливки. Из ковша 1 че­рез разливочное устройство расплавленная сталь поступа­ет в охлаждаемый водой кристаллизатор 2. В кристалли­заторе сталь затвердевает и в виде слитка 3 непрерывно вытягивается вращающимися роликами 4. Нужной длины слитки отрезаются ацетилено-кислородной горелкой 5.

Преимуществом непрерывной разливки является высо­кая производительность процесса, возможность получения необходимой формы сочетания слитки, что позволяет на­править их непосредственно на обработку резанием и про­катку. При непрерывной разливке до пяти раз сокраща­ются отходы материалы по сравнению с разливкой в из­ложницы.

Недостатком способа является сложность разливочно­го оборудования. Однако применение непрерывной разлив­ки стали в мире быстро увеличивается. Перспективной яв­ляется организация единого технологического процесса: не­прерывная разливка — прокатка стали.

Прогрессивные способы получения стали

Бездоменная металлургия. Прогрессивным способом является получение стали прямым восстановлением из руд, минуя доменный процесс. Железистый концентрат посту­пает по пульпопроводу прямо на завод, где вавтоматических шахтных печах при температуре 1000 ⁰С получают металлизированные окатыши. Окатыши в качестве ших­ты поступают в электропечи. Полученный материал после непрерывной разливки сразу идет на прокатку.

Способ весьма экономичен. Отпадают затраты на кок­сохимическое производство, качество полученной стали вы­сокое, поскольку в рудах Курской магнитной аномалии практически отсутствуют фосфор и сера. Производитель­ность бездоменного процесса заметно выше традиционных способов выплавки стали.

Электрошлаковый переплав (ЭШП). Данным способом получают особо высококачественные легированные стали. Для этого сталь обыкновенного качества подается в уста­новку ЭШП в виде прутков-электродов. Вследствие сопро­тивления электрода проходящему току выделяется боль­шое количество теплоты, отчего электрод плавится. Рас­плавленный металл электрода проходит через слой специального жидкого шлака и очищается от вредных при­месей и газов. Аналогичный способ — плазменно-дуговой переплав (ПДП). Источником тепла здесь служит плазмен­ная дуга с температурой до 10000 ⁰С. Используется также электронно-лучевой переплав (ЭЛП). Плавление происхо­дит под действием потока электронов, излучаемых высо­ковольтной кобальтовой пушкой с созданием в плавиль­ном пространстве глубокого вакуума.

Достоинствами перечисленных способов является воз­можность получения стали и сплавов очень высокой чис­тоты, применение которых облегчает массу конструкций, увеличивает надежность и долговечность машин и меха­низмов. Такая сталь необходима для атомной, реактивной и космической техники.