Лабораторна робота №2 Склад, будова й властивості руд. Вихідні матеріали й продукти доменного виробництва

Мета і задачі: ознайомитись зі складом, особливостями будови, фізико-механічними властивостями та розповсюдженням родовищ руд металургійних виробництв; набути практичних навиків у визначенні типу руди за зовнішніми ознаками.

Теоретичні відомості і методичні вказівки Загальна характеристика руд

У природних умовах усі метали, окрім самородних платини, золота, срібла та міді, перебувають у сполуках з іншими хімічними елементами - Карбоном, Оксигеном, Сульфуром, Флюором, Хлором тощо. У виробництві чорних та кольорових металів застосовують різноманітні корисні копалини - руди.

Промислова руда є гірською породою, або мінеральною речовиною, з якої за сучасного рівня розвитку техніки економічно вигідно видобувати метал. У природі руди формуються з відкладень оруднювальних мінералів з нерудними та домішками. Оруднювальна речовина складається зі сполук металу: оксидів, гідрооксидів, сульфідів, карбонатів тощо. Нерудна речовина утворює пусту породу, у якій переважно містяться пісковик (SiO₂), глиняна складова (Аl₂O₃·SіO₂·Н₂O), рідше вапняк (СаСО₃) та доломіт (СаСO₃·МgСO₃).

Домішки за впливом на властивості металу або технологію процесу поділяють на корисні та шкідливі. Руду називають за одним або кількома металами, що входять до його складу: залізна, марганцева, мідна, алюмінієва або мідно-нікелева, мідно-кобальтово-нікелева тощо.

Питання про доцільність використання руди вирішують залежно від фізичних та хімічних властивостей гірської породи, її запасів на земній кулі та в окремій країні, загального рівня розвитку її економіки, інтенсивності видобування, умов транспортування, здатності збагачуватися, рівня технології вилучення металу тощо. Наприклад, частка Феруму у промислових залізних рудах становить 30...60 %; для інших металів вона може бути значно меншою: так, Купруму - 3...5 %, Ніколу - 0,3...1,0 %, Молібдену - 0,005...0,02 %. Оскільки запаси багатих руд поступово вичерпуються, постійною тенденцією у світовій практиці видобування копалин є зменшення вмісту в них частки корисних речовин. Якщо частка Феруму в рудах, які видобували в СРСР у 1940 році, становила 55 %, то у 1987 році вона вже становила тільки близько 33 %.

Залізні руди

Залізні руди переважно складаються зі сполук Феруму з Оксигеном та диоксигеном Карбону: безводного оксиду Феруму або гематиту, водного оксиду Феруму, магнетиту та сидериту.

Гематит Fе₂О₃ містить 70,1 % Fе, має густину 5,0...5,2 г/см³, твердість (тут і далі за Моосом) - 5,5...6,0. Водний оксид Феруму - хімічна сполука mFе₂О₃ nН₂О зі змінною кількістю сорбованої води, залежно від кількості якої розрізняють декілька мінералів: тур'їт 2Fе₂O₃·Н₂O, гетит Fе₂O₃·Н₂O, лимоніт 2Fе₂O₃·3Н₂O, лімніт Fе₂O₃·3Н₂O тощо. Вміст Феруму у водних оксидах коливається від 66,1% у тур'їті до 52,2 % - у лімніті.

Магнетит Fе₃O₄ містить 72,4 % Fе. Густина мінералу - 4,9...5,2 г/см³, його твердість - 5,5...6,5. Він має залізочорний колір, металевий блиск і є магнітним до 580 °С.

Сидерит FеСО₃ містить 48,2 % Fе. Має жовтувато-сірий або сіруватий колір. Густина мінералу – 3,9...4,0 г/см³, твердість - 3,5...4,5.

Руди безводного оксиду Феруму або червоного залізняку оруднюються гематитом. Червоний залізняк переважно містить до 55...60 % Fе, а у деяких різновидах його концентрація становить близько 69,5 %. Фізичний стан руд цього типу різноманітний - від щільних грудок до пилоподібного з кольором від червоного (рис. 1.1.1, а) до темно-сірого, навіть чорного. Проте на фарфоровій поверхні руда завжди дає червону риску. Здатність червоних залізняків відновлюватись здебільшого висока. Пуста порода таких руд переважно складається з SiO₂ та Аl₂O₃. За великої кількості пісковику (30...40 %) червоні залізняки з вмістом 40...50 % Fе називають кварцитами.

Руди водного оксиду Феруму переважно складаються з лимоніту та гетиту і носять назву бурих залізняків. Вміст Феруму в промислових рудах становить 37..55 %, частіше 25...40 %. Вони характеризуються підвищеною концентрацією Фосфору (0,3...0,5 %), іноді до їх складу входить Ванадій (0,03...0,06 %). Родовища мають вигляд пухких порід з кольором від жовтого до бурого (рис. 2.1, б). Внаслідок пористості в бурих залізняках у великій кількості присутня хімічно зв'язана, адсорбована та гігроскопічна волога. Здатність бурих залізняків відновлюватися є високою. Пуста порода - глиняна, іноді в суміші з пісковиками. Бурі залізняки використовують у відносно невеликій кількості через підвищену вологість і погану здатність збагачуватися.

Руди магнітного оксиду Феруму або магнітного залізняка мають вигляд щільних грудок з дрібнокристалічною будовою (рис. 2.1, в.). Магнітний залізняк містить 55...60 % Fе (інколи 16...30 % Fе), 0,02...2,5 % S, 0,02...0,7 % Р. Пуста порода найчастіше складається з SiO₂ та А1₂O₃. Магнітні залізняки через високу щільність важко відновлюються.

Руди, основним мінералом яких є сидерит, називають шпатовими залізняками (рис. 2.1, г.). Переважно це – міцна гірська порода з вмістом 30...40 % Fе. Шпатові залізняки перед збагаченням випалюють для зменшення міцності та надання пористості сидеритові.

Криворізький залізорудний басейн в Україні – одне з найбільших родовищ у світі, у якому видобувають бідні (35...45 % Fе) й багаті (58...62 % Fе) залізні руди. Багаті залізні руди складаються насамперед з червоного залізняку, але зустрічаються поклади й магнітного і бурого залізняків. За вмістом Фосфору руди поділяють на нормальні (0,03...0,07 % Р) та малофосфористі (не більше 0,022 % Р). Вміст Сульфуру у руді малий і становить 0,04...0,08 %. Пуста порода має велику кількість пісковику.

а)	б)
в)	г)

Рис. 2.1. Руди заліза (залізняки):

а – червоний; б – бурі; в – магнітний; г – шпатовий

В доменному виробництві чавуну крім залізних руд використовують також паливо, флюси та вогнетриви.

Паливо містить органічні з’єднання вуглецю, азоту, кисню, сірки, а також вологу. Вуглевод і водень-горючі частини палива, азот і кисень-негорючі, сірка - шкідливий домішок. Паливо тим краще, чим більше в ньому міститься вуглеводу й водню і чим менше негорючих елементів - сірки, вологи, золи.

У даній печі у вигляді палива використовується головним чином кокс. Отримують кокс із визначених сортів кам’яного вугілля сухою перегонкою без доступу повітря в спеціальних коксувальних печах при температур 1000⁰ - 1100⁰ на протязі 16 - 18 годин. Кокс - це ніздрюваті шматки чорного кольору.

В мартенівських печах застосовують три види палива: коксувальний, доменний, генераторний і природний гази; мазут; пилоподібне паливо. Коксувальний газ отримують при сухій перегонці кам’яного вугілля в коксувальних печах; доменний при спалюванні палива в доменних печах; генераторний газ - при спалюванні твердого палива в газогенераторах; мазут - крекінгуванні нафти.

Основні види палива та їхня характеристика

№	Паливо	Теплотворна здатність, ккал/кг (ккал/м3)
1	Натуральне:
	а) атрацит	6000-7000
	б) нафта	10000-11000
	в) природний газ	7500-8500
2	Штучні:
	а) деревинний вуглець	6500-7500
	б) кокс	6500-7500
	в) мазут	10000
	г) генераторний газ	1100-1400
	д) доменний газ	800-1100

Флюси - речовини, які вводять у піч із метою пониження температури плавлення пустої породи й розрідження шлаку.

Сплавлюючись з іншими домішками, флюси утворюють шлаки. Оксиди, які містяться у залізній руді, поділяються на основні (FeO; MnO; CaO; MgO), кислотні (SiO₂; P₂O₃) та амфотерні Al₂O₃. Основні й кислотні оксиди при зміщенні при високих температурах утворюють легкоплавкі з’єднання. Таким чином температура плавлення SiO₂-1760⁰, CaO₂- 2100⁰, а температура плавлення цих сумішей CaO SiO₂ -1350⁰. Тому, якщо у пустій породі руда містить SiO₂, до неї додають CuO, а якщо пустою породою служить CaO-флюсом повинен бути пісок SiO₂.

У ряді випадків руди подають у піч у вигляді агломерату чи окатишів. Для видобутку агломерату мілкоподріблену руду змішують з 6 - 12% коксу. Цю суміш підпалюють, при цьому дрібні шматки руди спалюються, утворюючи агломерат. Агломерат-пористі куски заліза, більш зручні для переробки в чавун, ніж звичайні залізні руди.

Вогнетриви - матеріали, які витримують без руйнування високу температуру печей (від 600 до 20000). Вогнетриви використовуються у вигляді цеглин, фасованих виробів, вологих та сухих порошків, ковшів . Вони поділяються на наступні види:

1) кислі, які містять SiO₂. Наприклад, динас із температурою плавлення 1750 - 1800⁰;

2) напівкислі, які містять SiO₂Al₂O₃. До них відноситься шамот із температурою плавлення 1650 - 1700⁰;

3) основні, які складаються з MgO і CaO: магнезит із температурою плавлення більше 2000⁰ і доломіт із температурою плавлення 1800-1960⁰;

4) напівосновні, які містять MgO і Cr₂O_3. Такі вогнетриви-хромомагнезит із температурою плавлення 1700 - 1800⁰;

5) нейтральні, які містять Cr₂O₃. Це хромистий вогнетрив із температурою плавлення 1750 - 1850⁰.

Продукти доменної печі-чавуни, шлаки й гази.

Чавуни поділяються на ливарні, переробні та спеціальні.

Ливарні чавуни використовують для виготовлення відливок. Це сірі чавуни, в яких вуглевод знаходиться у особливому стані, у вигляді пластичного графіту. Елемент, який спонукає отриманню вуглеводу –кремній. Через це у всіх сірих чавунів підвищений вміст цього елементу. Ці чавуни добре обробляються інструментом, і з них відливають станини станків, корпуси, редуктори та інші деталі.

Переробні чавуни йдуть на переробку в сталь. В них вуглевод знаходиться у зв’язаному стані у вигляді дуже твердого карбіду заліза, який називається цементом. Елемент, який спонукає добутку таких чавунів, - марганець.

Спеціальні чавуни містять у великій кількості кремній чи марганець, і їх називають феросплавами. Їх застосовують у вигляді додатків до сталі при її розкислені і легуванні.

До спеціальних чавунів відносяться і дзеркальний чавун, який містить 10 - 25% марганцю.

Хімічний склад різноманітних чавунів

	С, %	S, %	Mn, %	P, %	S, %	Fe, %
1. Сірі (ливарні)	3.5-4.2	1.5-3.5	0.5-1.0	0.1-0.3	0.07-0.15	Залишок
2. Білі (переробні)	2.-4.0	1.0-1.5	1.5-2.5	0.1-0.3	0.07-0.09
3. Спеціальні (феросплави):
а) феросиліцій	1-2.5	9-13	До 3	0.5	0.04
б) феромарганець	4.5-7	1.5-2	170-75	0.35-0.45	0.03

Шлаки отримують в печі у результаті пустої породи з флюсами і золою. Шлаки в більшості-це сплави різноманітних оксидів та хімічних з’єднань (SiO₂; CaO₃; MnO; Al₂O₃; FeO; MgO; CaS;) У теперішній час шлаки використовують для виготовлення цементу, шлакових цеглин, скляної вати (шлаковати) та ін.

Гази. У доменній печі при спалюванні палива утворюється доменний чи колошниковий газ, склад якого залежить від сорту який виплавляється чавуну.

При доменному виробництві переробного чавуну містить: CO₂ – 9 - 16%; CO – 26 - 30%; CH₄ - 0,2 - 0,5%; H₂ – 1 - 2,5%; N₂ - залишок.