Кислородно-конвертерный процесс.

Сущность процесса: в плавильный агрегат - конвертер - загружают стальной скрап, заливают расплавленный чугун(≈70%) и продувают струей кислорода сверху. В металлической шихте С, Si, Мn и другие примеси интенсивно окисляются. Выделяющиеся при окислении углерода пузырьки СО удаляют из металла азот, а также, перемешивая металл и шлак, они способствуют удалению фосфора и серы. Продукт плавки: расплавленная сталь заданного состава.

Корпус (кожух) конвертера сварен из листовой стали толщиной до 100 мм. Внутренняя футеровка корпуса - двух - или трехслойная, общей толщиной до 1000 мм, изготовлена из основных огнеупорных материалов (магнезит и доломит). Благодаря наличию основной футеровки в конвертер при плавке загружается известь и образуется основной шлак. Это обеспечивает достаточно полное удаление вредных примесей - серы и фосфора.

Конвертер устанавливают на опорных станинах при помощи цапф, и он может поворачиваться для выполнения различных технологических операций. Над конвертером установлен камин - газоход для улавливания конвертерных газов (дыма) при продувке.

Последовательность основных операций при выплавке стали. Сначала загружают стальной лом завалочными машинами лоткового типа и заливают расплавленный чугун, доставляемый в ковшах из миксера. Конвертер устанавливают в вертикальное положение в него вводят фурму и включают кислородное дутье. С началом продувки загружают примерно 2/3 по массе шлакообразующих: извести, боксита (плавикового шпата), железной руды; остальную их часть вводят порциями по ходу продувки. Конец продувки определяют по времени, количеству израсходованного кислорода, виду пламени из горловины. Затем отбирают контрольные пробы металла и шлака для экспресс-анализа, измеряют температуру. При выпуске стали проводят ее раскисление и легирование.

Раскисление означает уменьшение содержания кислорода до допустимых норм. В конце плавки сталь всегда содержит кислород: свободный или в виде оксидов железа FeO и др. Кислород ухудшает прочность и, в особенности, пластичность и вязкость стали.

Есть несколько способов раскисления стали: глубинное, диффузионное и др. Для кислородно-конвертерной стали применяют наиболее распространенный и дешевый способ - глубинное раскисление (осаждающее), которое состоит в том, что в глубину металлической ванны вводят раскислители - элементы, имеющие большое сродство к кислороду. Вещества, образующиеся при их окислении, имеют меньшую плотность, чем сталь; они всплывают «осаждаясь» в слой шлака. Наиболее часто сталь раскисляют марганцем, кремнием и алюминием.

По степени раскисления различают кипящую, спокойную и полуспокойную сталь.

В кипящей стали (наименее раскисленной) реакция [C] +[O] = CO не прекращается и металл «кипит» из-за выделяющихся пузырей СО.

Во избежание большого угара раскислители вводят не в конвертер, а на струю металла при выпуске плавки, после наполнения ковша примерно на 1/4÷1/3 объема.

Готовую сталь направляют на разливку. Шлак сливают в шлаковый ковш через горловину конвертера.

При продувке из конвертера выделяется огромное количество отходящих газов и пыли - взвешенных частиц оксидов железа, имеющих характерную бурую окраску. Из горловины конвертера газы поступают в камин-газоход. По схеме без дожига используется только физическое тепло: в котлах-утилизаторах газы охлаждаются от ≈1700°С до ≈300°С, нагревая воду или пар. Далее газы направляются на очистку от пыли и используются как химическое сырье или топливо. По другой схеме утилизации используется не только физическое, но и химическое тепло от дожигания СО CO₂; после очистки газ удаляется в атмосферу.

Кислородно-конвертерный процесс является наиболее высокопроизводительным способом выплавки стали. Другие его достоинства: простота устройства конвертера, отсутствие топлива, меньшие затраты на строительство сталеплавильных цехов.

Вторым по объему выплавляемой стали является процесс в мартеновских печах. Доля мартеновской стали в последние годы сокращается за счет развития кислородно-конвертерного и электросталеплавильного производства.

В настоящее время разработаны различные способы для получения сталей и сплавов особо высокого качества: вакуумные дуговые и индукционные печи, электрошлаковый переплав, электронно-лучевой переплав, плазменно-дуговой переплав.

Охрана окружающей среды при производстве стали.

Проблемы охраны окружающей среды схожи с аналогичными проблемами при выплавке чугуна: это сокращение вредных выбросов в атмосферу и утилизация шлака.

Основы производства цветных металлов.

Производство меди.

Медь - один из важнейших металлов. По электропроводности она уступает только серебру и является главным проводниковым материалом в электро- и радиотехнике, потребляющих 40÷ 50% всей меди. Почти во всех областях машиностроения используются медные сплавы - латуни (сплавы с цинком) и бронза ( сплавы с оловом, алюминием, бериллием). Медь как легирующий элемент входит в состав многих алюминиевых и других сплавов.

Медные руды. Медь встречается в природе главным образом в виде сернистых соединений CuS, Cu₂S в составе сульфидных руд; реже в виде соединений Cu (OH)₂, CuO; углекислых соединений CuCO₃, а также самородной металлической меди. Наибольшее промышленное значение имеют сульфидные руды, из которых получают около 80 % всей меди. Самыми распространенными сульфидными рудами являются медный колчедан, медный блеск. Все медные руды бедные и обычно содержат не более 1÷2 % меди. Пустая порода, как правило, состоит из песчаников, глины, известняка, сульфидов железа и т.п. Многие руды являются комплексными - полиметаллическими и содержат, кроме меди, никель, цинк, свинец и другие ценные элементы в виде оксидов и других соединений.

Основной способ производства меди - пирометаллургический, который состоит в получении меди путем ее выплавки из медных руд. Он включает обогащение руды, ее обжиг, плавку на полупродукт - штейн, выплавку из штейна черной меди, ее рафинирование, т.е. очистку от примесей.

Обогащение медных руд. Бедные медные руды подвергают обогащению для получения концентрата, содержащего 10÷35 % меди. При обогащении комплексных руд возможно извлечение из них и других ценных элементов.

Медная руда

обогащение

концентрат Хвосты

обжиг - ----- Газы на производство серной кислоты

обожженный концентрат

плавка на штейн

штейн Шлак

продувка в конвертере

черновая медь

рафинирование Переработка для извлечения

Cu, Au, Ag и др.

медь

Наиболее широко для обогащения медных руд применяется метод флотации, который основан на различном смачивании водой металлосодержащих частиц и частиц пустой породы. В ванну флотационной машины подают пульпу - суспензию из воды, тонкоизмельченной руды (0,05÷0,5 мм) и специальных реагентов, образующих на поверхности металлосодержащих частиц пленки, не смачиваемые водой. При перемешивании и аэрации вокруг этих частиц возникают пузырьки воздуха. Они всплывают, увлекая за собой металлосодержащие частицы, и образуют на поверхности ванны слой пены. Частицы пустой породы, смачиваемые водой, не всплывают и оседают на дно ванны. Из пены фильтруют частицы руды, сушат их и получают рудный концентрат.

Обжиг. Рудные концентраты, достаточно богатые медью, плавят на штейн «сырыми» - без предварительного обжига, что снижает потери меди (в шлаке - при плавке, унос - с пылью при обжиге). Основной недостаток: при плавке сырых концентратов не утилизируется сернистый газ SO₂, загрязняющий атмосферу. При обжиге более бедных концентратов удаляется избыток серы в виде SO₂, который используется для производства серной кислоты. После обжига производительность плавильных печей на штейн увеличивается в 1,5÷2 раза. Обжиг проводят в специальных многоподовых цилиндрических печах при температуре 850°С, которая обеспечивается в результате горения серы (CuS, Cu₂S и др.).

Плавку на штейн концентрата проводят в пламенных печах, работающих на пылевидном, жидком или газообразном топливе. Печи имеют длину до 40 м, ширину до 10 м и вмещают до 100 т переплавляемых материалов при температуре 1500÷1600°С . Расплавленный штейн - сплав, состоящий в основном из сульфида меди Cu₂S и сульфида железа FeS. Он обычно содержит 20÷60 % Cu, 10÷60 % Fe и 20÷25 % S.

В расплавленном состоянии (при t ≈1000°С ) штейн поступает на переработку в черновую медь.

Черновую медь выплавляют путем продувки расплавленного штейна воздухом в горизонтальных цилиндрических конвертерах с основной футеровкой (магнезит). Конвертер установлен на опорных роликах и может поворачиваться в требуемое положение. Воздушное дутье подается через 40÷50 фурм, расположенных вдоль конвертера. Продувка продолжается до 30 часов. Процесс выплавки черновой меди из штейна делится на два периода.

В первом периоде происходит окисление FeS по реакции:

2FeS + 3O₂ = 2FeO + 2SO₂ + Q

Образующийся FeO ошлаковывается кремнеземом SiO₂ флюса

2FeO + SiO₂ = SiO₂· 2FeO + Q

По мере необходимости образующийся железный шлак сливают через горловину (поворачивая конвертер), доливают новые порции штейна, загружают флюс и продолжают продувку. К концу первого периода железо удаляется почти полностью. Сплав состоит в основном из Cu₂S и содержит до 80 % меди. Шлак содержит до 3 % меди и его используют при плавке на штейн.

Во втором периоде создаются благоприятные условия для протекания реакций:

2Cu₂S + 3O₂ = 2Cu₂O + 2SO₂ + Q

Cu₂S + 2Cu₂O = 6Cu + SO₂ - Q

приводящих к восстановлению меди. В результате плавки в конвертере получается черновая медь. Она содержит до 2 % примесей (железа, никеля, свинца и др.). Такая медь для технологических надобностей малопригодна. Плавку меди выпускают из конвертера через горловину, разливают на разливочных машинах в слитки (штыки) или плиты и направляют на рафинирование.

Рафинирование, т.е. очистку от примесей, проводят огневым и электролитическим способами.

Огневое рафинирование ведут в пламенных печах. Его сущность состоит в том, что цинк, олово и другие примеси легче окисляются, чем сама медь, и могут быть удалены из нее в виде оксидов. Оксиды некоторых примесей (SbO₂, PbO, ZuO) легко возгоняются и удаляются с печными газами. Другая часть примесей образуют оксиды, переходящие в шлак (FeO, Al₂O₃, SiO₂). В этот период происходит также частичное окисление меди 4 Cu + O₂ = 2Cu₂O, поэтому в восстановительный период проводят раскисление меди, т.е. восстановление Cu₂O, а также дегазацию металла. Сначала полностью удаляют окислительный шлак. На поверхность ванны высыпают слой древесного угля, что предохраняет металл от окисления. Затем проводят так называемое «дразнение» меди - в расплавленный металл погружают сначала сырье, а затем сухие жерди (шесты). В результате сухой перегонки древесины выделяются пары воды и газообразные углеводороды, они перемешивают металл, способствуя удалению растворенных в нем газов, а также раскисляют медь: 4Cu₂O + CH₄ = 8Cu + CO₂ + 2 H₂O.

Чистота меди после огневого рафинирования 99,5÷99,7 %.

Электролитическое рафинирование обеспечивает получение наиболее чистой, высококачественной меди. Электролитом служит раствор сернокислой меди (CuSO₄) и серной кислоты, нагретый до 60÷65°С. Анодами являются пластины размером 1X1м, толщиной 40÷50 мм, отлитые из рафинируемой меди. В качестве катодов используются тонкие листы (0,5÷0,7 мм) из электролитической меди. Электролиз ведут при напряжении 2÷3 В и плотности тока до 150А/м². При пропускании постоянного тока аноды постепенно растворяются, медь переходит в раствор в виде катионов Cu⁺⁺. На катодах происходит разрядка катионов и выделяется металлическая медь Cu²⁺ +2e Сu. Катоды наращивают в течение 10÷15 суток до массы 70÷140 кг, а затем извлекают из ванны и заменяют новыми. В дальнейшем катодную медь переплавляют в плавильных печах и разливают в слитки для получения листов, проволоки и т.п. Электролитическая медь имеет чистоту 99, 95 %. Часть примесей оседает на дне ванны в виде шлама, из которого извлекают золото, серебро и некоторые другие металлы.