Сучасне металургійне виробництво і його продукція
Сучасним металургійним виробництвом (рис. 1.1) є комплекс різних виробництв, що базуються на родовищах руди і вугілля, що коксується, енергетичних комплексах.
Рисунок 1.1 - Структура сучасного металургійного виробництва
Воно включає:
- шахти і кар'єри по здобичі рудий і кам'яного вугілля;
- гірничо-збагачувальні комбінати, де збагачують руди, готуючи їх до плавки;
- коксохімічні заводи (підготовка вугілля, їх коксування і витягання з них корисних хімічних продуктів);
- енергетичні цехи для отримання стислого повітря (для дуття доменних печей), кисню, очищення металургійних газів;
- доменні цехи для виплавки чавуну і феросплавів або цехи для виробництва залізорудних металізованих котунів;
- заводи для виробництва феросплавів;
- сталеплавильні цехи (конвертерні, мартенівські, електросталеплавильні);
- прокатні цехи (злиток в сортовий прокат).
Основна продукція чорної металургії:
- чавуни: переробний, використовуваний для перероблювання на сталь, і ливарний, для виробництва фасонних відливок;
- залізорудні металізовані котуни для виплавки сталі;
- феросплави (сплави заліза з підвищеним вмістом марганцю, кремнію, ванадію, титану і так далі) для легованих сталей;
- сталеві злитки для виробництва прокату
- сталеві злитки для виготовлення крупних кованих валів, дисків (ковальські злитки).
Основна продукція кольорової металургії:
- злитки кольорових металів для виробництва прокату;
- злитки для виготовлення відливань на машинобудівних заводах;
- лігатури – сплави кольорових металів з легуючими елементами для виробництва складних легованих сплавів;
- злитки чистих і особливо чистих металів для приладобудування і електротехніки.
1.2. Матеріали для виробництва металів і сплавів
Для виробництва чавуну, стали і кольорових металів використовують руду, флюси, паливо, вогнетривкі матеріали.
Промислова руда (рис. 1.2,а) – гірська порода, з якої доцільно витягувати метали і їх з'єднання (вміст металу в руді має бути не менше 30-60 % для заліза, 3-5% для міді, 0,005-0,02 % для молібдену).
Руда складається з мінералів, що містять метал або його з'єднання, і порожньої породи. Називають руду поодинці або декількома металами, що входять в їх склад, наприклад: залізні, мідно-нікелеві.
Залежно від змісту елементу, що здобувається, розрізняють руди багаті і бідні. Бідні руди збагачують – видаляють частину порожньої породи.
Рисунок 1.2 – Матеріали для виробництва металів і сплавів: а - промислові руди (червоний залізняк (гематит), бурий залізняк (лимонит), магнітний залізняк (магнетит); б - флюси (доломіт, вапняк); в - паливо (кокс)
Флюс (рис. 1.2,б) – матеріал, що завантажуються в плавильну піч для утворення легкоплавкого з'єднання з порожньою породою руді або концентратом і золою палива. Таке з'єднання називається шлаком.
Зазвичай шлак має меншу щільність, чим метал, тому він розташовується над металом і може бути видалений в процесі плавки. Шлак захищає метал від пічних газів і повітря. Шлак називають кислим, якщо в його складі переважають кислотні оксид, і основним, якщо в його складі більше основних оксидів.
Паливо – в металургійних печах використовується кокс (рис. 1.2,в), природний газ, мазут, доменний (колошниковий) газ.
Кокс отримують сухою перегонкою при температурі 1000 0С (без доступу повітря) кам'яного вугілля сортів, що коксуються. У коксі міститься 80-88 % вуглецю, 8-12 % золи, 2-5 % волога. Шматки коксу повинні мати розміри 25-60 мм. Це міцне паливо, що не спікається, служить не тільки пальним для нагріву, але і хімічним реагентом для відновлення заліза з руди.
Вогнетривкі матеріали застосовують для виготовлення внутрішнього облицювального шару (футерування) металургійних печей, тиглів і ковшів для розливки металу.
Вони здатні витримати навантаження при високих температурах, протистояти різким змінам температури, хімічній дії шлаку і пічних газів.
По хімічних властивостях вогнетривкі матеріали розділяють на групи: кислі (кварцовий пісок, динасова цегла), основні (магнезитова цегла, магнезитохромиста цегла), нейтральні (шамотна цегла).
Взаємодія основних вогнетривких матеріалів і кислих шлаків може привести до руйнування печі.
Вуглецева цеглина і блоки містять до 92 % вуглецю у вигляді графіту, володіють підвищеною вогнетривкістю. Застосовуються для кладки лещаді доменних печей, електролізних ванн для отримання алюмінію, тиглів для плавлення і розливання мідних сплавів.
1.3. Виробництво чавуну
Чавун – сплав заліза і вуглецю з супутніми елементами (зміст вуглецю більше 2,14 %).
Для виплавки чавуну в доменних печах використовують залізняк, паливо, флюси.
До залізняку відносяться:
- магнітний залізняк із змістом заліза 55-60 %, родовища – Соколовське, Курська магнітна аномалія (КМА);
- червоний залізняк із змістом заліза 55-60 %, родовища – Кривий Ріг, КМА;
- бурий залізняк (гідрати оксидів заліза 2Fe2O3 * 3H2O і Fe2O3 * H2O) із змістом заліза 37-55 % – Керч.
Марганцеві руди застосовуються для виплавки сплаву заліза з марганцем – феромарганцю (10-82%), а також переробних чавунів, що містять до 1% марганцю. Марганець в рудах міститься у вигляді оксидів і карбонатів і інших сполуках.
Хромові руди застосовуються для виробництва ферохрому, металевого хрому і вогнетривких матеріалів – хромомагнезитів.
Паливом для доменної плавки служить кокс, можлива часткова заміна газом, мазутом.
Флюсом є вапняк або доломитизований вапняк, що містить і, оскільки в шлак повинні входити основні оксиди, які необхідні для видалення сірі з металу.
Підготовка руди до доменної плавки здійснюється для підвищення продуктивності доменної печі, зниження витрати коксу і поліпшення якості чавуну.
Метод підготовки залежить від якості руди.
Дроблення і сортування руди необхідно для отримання шматків оптимальної величини, здійснюються за допомогою дробарок і класифікаторів.
Збагачення руди засноване на відмінності фізичних властивостей мінералів, що входять в її склад:
- промивка – відділення щільних складових від порожньої рихлої породи;
- гравітація (відсадження) – відділення руд від порожньої породи при пропусканні струменя води через дно вібруючого сита: порожня порода витісняється у верхній шар і несеться водою, а рудні мінерали опускаються;
- магнітна сепарація – подрібнену руду піддають дії магніту, що притягає залізовмісні мінерали і що відокремлює їх від порожньої породи.
Окускування проводять для переробки концентратів в кускові матеріали необхідних розмірів. Застосовують два способи окускування: агломерацію і обкочування.
При агломерації шихту, що складається із залізняку (40-50 %), вапняку (15-20 %), повернення дрібного агломерату (20-30 %), коксової дрібниці (4-6 %), вологи (6-9 %), спікають на агломераційних машинах при температурі 1300-1500 °С. При спіканні з руди відділяються шкідливі домішки (сірка, миш'як), розкладаються карбонати, і виходить кусковий пористий офлюсований агломерат
При обкочуванні шихту з подрібнених концентратів, флюсу, палива зволожують і при обробці в барабанах, що обертаються, вона набуває форми кульок-котунів діаметром до 30 мм. Їх висушують і обпалюють при температурі 1200-1350 °С.
Використання агломерату і котунів виключає окрему подачу флюса – вапняку в домну.
1.4. Виплавка чавуну
Чавун виплавляють в печах шахтного типу – доменних печах.
Суть процесу отримання чавуну в доменних печах полягає у відновленні оксидів заліза, що входять до складу руди оксидом вуглецю, воднем і твердим вуглецем, що виділяється при згоранні палива.
При виплавці чавуну вирішуються завдання:
- Відновлення заліза з оксидів руди, вуглецювання його і видалення у вигляді рідкого чавуну певного хімічного складу.
- Оплавлення порожньої породи руди, утворення шлаку, розчинення в нім золи коксу і видалення його з печі.
Улаштування і робота доменної печі.
Доменна піч (рис.1.3) має сталевий кожух, викладений вогнетривкою шамотною цеглою. Робочий простір печі включає колошник 6, шахту 5, розпарення 4, заплечики 3, сурма 1, лещадь 15.
Рисунок 1.3 – Улаштування доменної печі
У верхній частині колошника знаходиться засипний апарат 8, через який в піч завантажують шихту. Шихту подають у вагонетки 9 підйомника, які пересуваються по мосту 12 до засипного апарату і, перекидаючись, висипають шихту в приймальну воронку 7 розподільника шихти. При опусканні малого конуса 10 шихта потрапляє в чашу 11, а при опусканні великого конуса 13 – в доменну піч, що запобігає виходу газів з доменної печі в атмосферу.
При роботі печі шихтові матеріали, проплавляючись, опускаються, а через завантажувальний пристрій подають нові порції шихти, щоб весь корисний об’єм був заповнений.
Корисний об'єм печі – об'єм, займаний шихтою від лещаді до нижньої кромки великого конуса засипного апарату при його опусканні.
Корисна висота доменної печі (Н) досягає 35 м, а корисний об'єм – 2000.5000 м3.
У верхній частині горна знаходяться фурмені пристрої 14, через яких в пекти поступає нагріте повітря, необхідне для горіння палива. Повітря поступає з повітронагрівача, усередині якого є камера згорання і насадка з вогнетривкої цеглини, в якій є вертикальні канали. У камеру згорання до пальника подається очищений доменний газ, який, згораючи, утворює гарячі гази. Проходячи через насадку, гази нагрівають її і віддаляються через димар. Через насадку пропускається повітря, він нагрівається до температури 1000-1200 °С і поступає до фурменого пристрою, а звідти через фурми 2 – в робочий простір печі.
Горіння палива. Поблизу фурм природний газ і вуглець коксу, взаємодіючи з киснем повітря, згорають:
В результаті горіння виділяється велика кількість теплоти, в печі вище за рівень фурм розвивається температура вище 2000 °С.
Продукти згорання взаємодіють з розжареним коксом по реакціях:
Утворюється суміш відновних газів, в якій окисел вуглецю є головним відновником заліза з його оксидів. Для збільшення продуктивності що подається в доменну піч повітря зволожується, що приводить до збільшення змісту відновника.
Гарячі гази, піднімаючись, віддають теплоту шихтовим матеріалам і нагрівають їх, охолоджуючись до 300-400 °С у колошника.
Шихта (агломерат, кокс) опускається назустріч потоку газів, і при температурі близько 570 °С починається відновлення оксидів заліза.
Відновлення заліза в доменній печі.
Відновлення заліза відбувається у міру просування шихти вниз по шахті і підвищення температури від вищого оксиду до нижчого, в декілька стадій:
Відновниками оксидів заліза є твердий вуглець, оксид вуглецю і водень.
Відновлення твердим вуглецем (коксом) називається прямим відновленням, протікає в нижній частині печі (зона розпарення), де вищі температури, по реакції:
Відновлення газами називається непрямим відновленням, протікає у верхній частині печі при порівняно низьких температурах, по реакціях:
За рахунок і відновлюються всі вищі оксиди заліза до нижчого і 40.60 % металевого заліза.
При температурі 1000-1100 °C відновлене з руди тверде залізо, взаємодіючи з оксидом вуглецю, коксом і вуглецем сажі, інтенсивно розчиняє вуглець. При насиченні вуглецем температура плавлення знижується і на рівні розпарення і заплечиків залізо розплавляється (при температурі близько 1300 °С).
Краплі залізовуглецевого сплаву, протікаючи по шматках коксу, додатково насищаються вуглецем (до 4%), марганцем, кремнієм, фосфором, які при температурі 1200 °C відновлюються з руди, і сіркою, що міститься в коксі.
У нижній частині доменної печі утворюється шлак в результаті сплаву оксидів порожньої породи, флюсів і золи палива. Шлак утворюється поступово, його склад міняється у міру стікання в сурму, де він скупчується на поверхні рідкого чавуну, завдяки меншій щільності. Склад шлаку залежить від складу вживаних шихтових матеріалів і чавуну, що виплавляється.
Чавун випускають з печі кожні 3-4 години через чавунну льотку 16, а шлак – кожні 1-1,5 години через шлакову льотку 17 (льотка – отвір в кладці, розташований вище лещаді).
Льотку відкривають бурильною машиною, потім закривають вогнетривкою масою. Зливають чавун і шлак в чавуновозні ковші і шлаковозні чаші.
Чавун поступає в киснево-конвертерних або мартенівські цехи, або розливається у виливниці розливною машиною, де він твердне у вигляді чушок-злитків масою 45 кг.
1.5. Продукти доменної плавки
Основним продуктом доменної плавки є чавун.
Переробний чавун призначається для подальшого перероблення в сталь. На його частку доводиться 90 % загального виробництва чавуну. Зазвичай такий чавун містить 3,8-4,4 % вуглецю, 0,3-1,2 % кремнію, 0,2-1 % марганцю, 0,15-0,20 % фосфору, 0,03-0,07 % сірі.
Ливарний чавун застосовується на машинобудівних заводах для отримання фасонних відливок.
Окрім чавуну в доменних печах виплавляють наступні матеріали.
Феросплави – сплави заліза з кремнієм, марганцем і іншими елементами. Їх застосовують для розкислювання і легування сталі.
Побічними продуктами доменної плавки є шлак і доменний газ.
З шлаку виготовляють шлаковату, цемент, добрива (прагнуть отримати гранульований шлак, для цього його виливають на струмінь води).
Доменний газ після очищення використовується як паливо для нагріву повітря, що вдувається в доменну піч.
1.6. Найважливіші техніко-економічні показники роботи доменних печей
Чим нижче КИПО, тим вище продуктивність печі. Для більшості доменних печей КИПО = 0,5-0,7.
- Коефіцієнт використання корисного об'єму доменної печі (КИПО) – це відношення корисного об'єму печі V (м3) до її середньодобової продуктивності Р (т) виплавленого чавуну.
- Питома витрата коксу, К – це відношення витрати коксу за добу А(т) до кількості чавуну, виплавленого за цей же час Р(т).
Питома витрата коксу в доменних печах складає 0,5-0,7.
K – важливий показник, оскільки вартість коксу складає більше 50% вартості чавуну.
- К = А/Р
Промислова руда – гірська порода, з якої доцільно витягувати метали і їх з'єднання (вміст металу в руді має бути не менше 30-60 % для заліза, 3-5% для міді, 0,005-0,02 % для молібдену).
Флюс – матеріал, що завантажуються в плавильну піч для утворення легкоплавкого з'єднання з порожньою породою руді або концентратом і золою палива. Таке з'єднання називається шлаком.
Паливо – в металургійних печах використовується кокс, природний газ, мазут, доменний (колошниковий) газ.
Вогнетривкі матеріали застосовують для виготовлення внутрішнього облицювального шару (футерування) металургійних печей, тиглів і ковшів для розливки металу.
По хімічних властивостях вогнетривкі матеріали розділяють на групи: кислі (кварцовий пісок, динасова цегла), основні (магнезитова цегла, магнезитохромиста цегла), нейтральні (шамотна цегла).
Чавун – сплав заліза і вуглецю з супутніми елементами (зміст вуглецю більше 2,14 %).
Для виплавки чавуну в доменних печах використовують залізняк, паливо, флюси.
Паливом для доменної плавки служить кокс, можлива часткова заміна газом, мазутом.
Флюсом є вапняк або доломитизований вапняк, що містить і, оскільки в шлак повинні входити основні оксиди, які необхідні для видалення сірі з металу.
Підготовка руди до доменної плавки здійснюється для підвищення продуктивності доменної печі, зниження витрати коксу і поліпшення якості чавуну.
Окускування проводять для переробки концентратів в кускові матеріали необхідних розмірів. Застосовують два способи окускування: агломерацію і обкочування.
Чавун виплавляють в печах шахтного типу – доменних печах.
Суть процесу отримання чавуну в доменних печах полягає у відновленні оксидів заліза, що входять до складу руди оксидом вуглецю, воднем і твердим вуглецем, що виділяється при згоранні палива.
Основним продуктом доменної плавки є чавун.
Переробний чавун призначається для подальшого перероблення в сталь.
Ливарний чавун застосовується на машинобудівних заводах для отримання фасонних відливок.
Окрім чавуну в доменних печах виплавляють наступні матеріали.
Феросплави – сплави заліза з кремнієм, марганцем і іншими елементами. Їх застосовують для розкислювання і легування сталі.
Побічними продуктами доменної плавки є шлак і доменний газ.
З шлаку виготовляють шлаковату, цемент, добрива (прагнуть отримати гранульований шлак, для цього його виливають на струмінь води).
Доменний газ після очищення використовується як паливо для нагріву повітря, що вдувається в доменну піч.Процеси прямого отримання заліза з руд
Під процесами прямого отримання заліза розуміють такі хімічні, електрохімічні або хіміко-термічні процеси, які дають можливість отримувати безпосередньо з руди, минувши доменну піч, металеве залізо у вигляді губки, криці або рідкого металу.
Сталь – залізовуглецевий сплав, що містять практично до 1,5% вуглецю, при більшому його змісті значно збільшуються твердість і крихкість сталей і вони не знаходять широкого застосування.
Основними початковими матеріалами для виробництва сталі є переробний чавун і сталевий лом (скрап).
Залізо окислюється насамперед при взаємодії чавуну з киснем в сталеплавильних печах:
Процеси виплавки сталі здійснюють в три етапи.
Перший етап – розплавлення шихти і нагріваючи ванни рідкого металу.
Другий етап – кипіння металевої ванни – починається у міру прогрівання до вищих температур.
Третій етап – розкислювання сталі полягає у відновленні оксиду заліза, розчиненого в рідкому металі.
Сталь розкислюють двома способами: осаджуванням і дифузійним.
Осаджуюче розкислювання здійснюється введенням в рідку сталь розчинних розкислювачів (феромарганцю, феросиліцію, алюмінію), що містять елементи, які володіють більшою спорідненістю до кисню, чим залізо.
В результаті розкислювання відновлюється залізо і утворюються оксиди:, які мають меншу щільність, чим сталь, і віддаляються в шлак.
Дифузійне розкислювання здійснюється розкислюванням шлаку. Феромарганець, феросиліцій і алюміній в подрібненому вигляді завантажують на поверхню шлаку.
Залежно від ступеня розкислювання виплавляють сталі:
- спокійні
- киплячі
- напівспокійні.
Легування сталі здійснюється введенням феросплавів або чистих металів у необхідній кількості в розплав.
Чавун переробляється в сталь в різних за принципом дії металургійних агрегатах: мартенівських печах, кисневих конвертерах, електричних печах.
У основних мартенівських печах виплавляють сталі вуглецеві конструкційні, низько- і середньолеговані (марганцеві, хромисті), окрім високолегованих сталей і сплавів, які отримують в плавильних електропечах.
У кислих мартенівських печах виплавляють якісні сталі.
Киснево-конвертерний процес – виплавка сталі з рідкого чавуну в конвертері з основним футеруванням і продуванням киснем через водоохолоджувану фурму.
Кисневий конвертер – судина грушовидної форми із сталевого листа, футерована основною цеглиною.
Шихтовими матеріалами киснево-конвертерного процесу є рідкий передільний чавун, сталевий лом (не більше 30%), вапно для наведення шлаку, залізняк, а також боксит і плавиковий шпат для розрідження шлаку.
У кисневих конвертерах виплавляють сталі з різним вмістом вуглецю, киплячі і спокійні, а також низьколеговані стали. Легуючі елементи в розплавленому вигляді вводять в ківш перед випуском в нього сталі.
Немає коментарів:
Дописати коментар