Раздел 3. Металлургический комплекс
1. Желе́зные ру́ды — природные минеральные образования, содержащие железо и его соединения в таком объеме, когда промышленное извлечение железа целесообразно. Хотя железо входит в большем или меньшем количестве в состав всех горных пород, но под названием железных руд понимают только такие скопления железистых соединений, из которых в больших размерах и с выгодой в экономическом отношении может быть получаемо металлическое железо.
Различаются следующие промышленные типы железных руд:
Титано-магнетитовые и ильменит-титаномагнетитовые в базитах и ультрабазитах
Апатит-магнетитовые в карбонатитах
Магнетитовые и магно-магнетитовые в скарнах
Магнетит-гематитовые в железных кварцитах
Мартитовые и мартит-гидрогематитовые (богатые руды, образуются по железным кварцитам)
Гётит-гидрогётитовые в корах выветривания.
Существует три вида железорудной продукции, использующиеся в чёрной металлургии: сепарированная железная руда (обогащённая методом сепарации рассыпчатая руда), аглоруда (спечённая, окускованная путем термической обработки) и окатыши (сырая железосодержащая масса с добавлением флюсов (обычно, известняка); формуется в шарики диаметром около 1-2 см).
Подготовка железной руды к плавке заключается в ее:
-дроблении,
-сортировке,
-обогащении (удалении пустой породы),
-спекании (агломерации) мелочи,
-усреднении химического состава,
Дробление железной руды
Дробление осуществляется на специальных машинах — дробилках.
При дроблении руды образуется некоторое количество мелочи, затрудняющей процесс плавки руды.
Сортировка железной руды
Отделение мелочи (грохочение) осуществляется на различных грохотах, представляющих собой набор металлических сит или вращающиеся барабаны с отверстиями определенных размеров.
Обогащение железных руд
Обогащение железных руд производится с целью удаления из них пустой породы, состоящей из кремнезема, глинозема и других соединений, и вредных примесей, присутствующих в рудах.
В настоящее время применяют следующие основные способы обогащения железных руд:
-промывка,
-гравитация,
-магнитное обогащение.
Промывка железной руды
Промывка применяется для разрушения и удаления глинистых пустых пород. Она осуществляется в специальных промывочных аппаратах.
Гравитация железной руды
Гравитационный метод обогащения (отсадка) основан на различии удельных весов руды и пустой породы.
В воде более тяжелые частицы руды опускаются быстрее зерен пустой породы.
Магнитное обогащение железной руды
Магнитное обогащение осуществляется на так называемых магнитных сепараторах. Окислы железа, обладающие магнитными свойствами, притягиваются электромагнитом сепаратора и отделяются от пустой породы, которая не способна намагничиваться.
Спекание рудной мелочи (агломерация)
Рудная мелочь, образующаяся при дроблении и транспортировании руды, природные пылевидные руды, руды после обогащения (так называемые концентраты) и отходы доменного производства — колошниковая пыль — неудобны для плавки, они могут быть использованы в доменном процессе лишь после спекания (агломерации), которое превращает их в кусковой пористый материал.
Спекание руды осуществляется в специальных цехах спекания или на агломерационных фабриках с помощью особых машин периодического (чаши) или непрерывного действия (ленточная машина для спекания).
В процессе спекания железной руды почти полностью удаляется сера вследствие образования сернистого газа, что еще в большей степени повышает качество руды.
Усреднение железной руды
Загрузка в доменную печь руды различного химического состава вызывает постоянные колебания состава шлаков, расстраивает тепловой режим печи и тем самым мешает достижению высоких технико-экономических показателей работы доменной печи.
Поэтому перед загрузкой в доменную печь производят усреднение железной руды, т.е. смешивают руды различного химического состава.
2. Доменное производство – отрасль чёрной металлургии
- производство чугуна восстановительной плавкой железных руд или окускованных железорудных концентратов в доменных печах
3. Кислородно-конвертерный способ выплавки стали отличается от электросталеплавильного меньшими затратами на энергию. Основным сырьем кислородного-конвертера являются 70-80% жидкого чугуна из доменных печей и стального лома. Которое загружают в конвертер. После производится продувка конвертера чистым кислородом (> 99,5%) под высоким давлением. Кислород окисляет углерод и кремний, содержащиеся в расплавленном металле с выделением большого количества тепла, которое расплавляет металлический лом. Это приводит к меньшим энергетическим затратам при окисления железа, марганца и фосфора. Выделенное тепло передается обратно в ванну при выходе из конвертера угарного газа. Продукт кислородно- конверторной выплавки стали, является расплавленная сталь с заданными химическим свойствами при температуре 2900 ° F-3000 ° F. Далее сталь может подвергаться вторичной переработке или быть направлена непосредственно на машину непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), где она затвердевает в форме: блюма, заготовки, или плиты. Основой является оксид магния (MgO), который при контакте с расплавом образует основные шлаки. Эти шлаки, необходимы для удаления фосфора и серы из расплава.
Кислородно-конвертерный процесс заменил мартеновское производство стали.
Экологические проблемы в кислородно-конвертерных цехов включают:
улавливание и удаление загрязняющих веществ и грязных первичных газов;
вторичные выбросы, связанные с загрузкой печей;
контроль выбросов от вспомогательных операций, таких как транспортировка расплавленного металла, сероочистка;
переработку и удаление собранной пыли, оксидов или шламов;
расположение шлаков.
Будущее кислородно-конвертерного процесса зависит от наличия горячего металла, который, в свою очередь, зависит от стоимости и наличия кокса. Хотя возможна работа кислородных конвертеров, при выплавке стали, с уменьшенным нагрузками, т. е. <70%, это штрафы и расходы, связанные с поставкой вспомогательного топлива.
4. Плавка стали.
Электросталеплавильное производство - это получение качественных и высококачественных сталей в электрических печах, обладающих существенными преимуществами по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами. Выплавка стали в электропечах основана на использовании электроэнергии для нагрева металла. Тепло в электропечах выделяется в результате преобразовании электроэнергии в тепловую при горении электрической дуги либо в специальных нагревательных элементах, либо за счет возбуждения вихревых токов.
В отличие от конвертерного и мартеновского процессов выделение тепла в электропечах не связанно с потреблением окислителя. Поэтому электроплавку можно вести в любой среде - окислительной, восстановительной, нейтральной и в широком диапазоне давлений - в условиях вакуума, атмосферного или избыточного давления. Электросталь, предназначенную для дальнейшего передела, выплавляют, главным образом в дуговых печах с основной футеровкой и в индукционных печах.
Дуговые печи бывают различной емкости (до 250 т) и с трансформаторами мощностью до 125 тысяч киловатт.
Источником тепла в дуговой печи является электрическая дуга, возникающая между электродами и жидким металлом или шихтой при приложении к электродам электрического тока необходимой силы. Дуга представляет собой поток электронов, ионизированных газов и паров металла и шлака. Температура электрической дуги превышает 3000о С. Дуга, как известно, может возникать при постоянном и постоянном токе. Дуговые печи работают на переменном токе. При горении дуги между электродом и металлической шихтой в первый период плавки, когда катодом является электрод, дуга горит, т. к. пространство между электродом и шихтой ионизируется за счет испускания электронов с нагретого конца электрода. При перемене полярности, когда катодом становится шихта - металл, дуга гаснет, т. к. в начале плавки металл еще не нагрет и его температура недостаточна для эмиссии электронов. При последующей перемене полярности дуга вновь возникает, поэтому в начальный период плавки дуга горит прерывисто, неспокойно.
После расплавления шихты, когда ванна покрывает ровным слоем шлака, дуга стабилизируется и горит ровно.
В индукционных печах для выплавки металла используется тепло, которое выделяется в металле за счет возбуждения в нем электрического тока переменным магнитным полем. Источником магнитного поля в индукционной печи служит индуктор. Проводящая электрический ток шихта, помещенная в тигель печи, подвергается воздействию переменного магнитного поля, возникающего от индуктора, нагревается в следствие теплового воздействия вихревых токов.
По сравнению с дуговыми электропечами индукционные печи имеют ряд преимуществ: отсутствие электродов и электрических дуг позволяет получать стали и сплавы с низким содержанием углерода и газов; плавка характеризуется низким угаром легирующих элементов, высоким техническим КПД и возможностью точного регулирования температуры металла.
Индукционная печь состоит из огнеупорного тигля, помещенного в индуктор. Индуктор представляет собой соленоид, выполненный из медной водоохлаждаемой трубки. Ток к индуктору подается гибкими кабелями. Воду для охлаждения подводят резиновыми шлангами. Вся печь заключена в металлический кожух. Сверху тигель закрывается сводом. Для слива металла печь может наклоняться в сторону сливного носка. Тигель печи изготавливается набивкой или выкладывается кирпичом. Для набивки используют молотые огнеупорные материалы - основные (магнезит) или кислые (кварцит).
Поскольку плавка в индукционной печи происходит очень быстро, шихта для нее используется, как правило, из высококачественного металлолома известного состава. Перед плавкой происходит точный расчет шихты по содержанию углерода, серы и фосфора, а также легирующих элементов. Шихту загружают в тигель таким образом, чтобы она плотно заполняла весь объем тигля. После загрузки шихты включают ток на полную мощность. По мере проплавления шихты загружают оставшуюся часть. Затем на поверхность металла загружают шлакообразующую смесь, состоящую из извести, магнезитового порошка и плавикового шпата. В процессе плавки шлак раскисляют добавками порошка кокса и молотого раскислителя. По ходу плавки добавляют легирующие материалы. Металл раскисляют кусковыми ферросплавами и в конце плавки алюминием.
В индукционных печах выплавляют, как правило, стали и сплавы сложного химического состава.
5.
6. Цветные металлы - это распространенное сырье для производства металлопроката, металлических конструкций и изделий из металла. Оно востребовано большинством областей современной промышленности. Область применения цветных металлов очень широка: машиностроение, радиоэлектроника, сфера высоких технологий, бытовые коммуникации. Цветной металл обычно представлен изделиями проката, которые являются своего рода полуфабрикаты для дальнейшего использования. Сортовой прокат, листовой прокат и прочие изделия проката становятся сырьем для дальнейшей обработки и использования, в качестве отдельных компонентов в разных сферах деятельности.
Цветные металлы делят по физическим свойствам и назначению на тяжёлые (такие как медь, свинец, цинк, олово, никель) и лёгкие (алюминий, титан, магний). На основе такого разделения металлургия подразделяется на метеллургию лёгких металлов и металлургию тяжёлых металлов.
Цветные металлы широко используются для производства любого типа техники. Цветные металлы - это техническое название всех металлов и их сплавов, кроме железа и его сплавов, они относятся к черным металлам. Термин "цветные металлы" в русском языке соответствует термину "нежелезные металлы" в европейских языках.
Цветные металлы классифицируют по различным признакам, характерным для той или иной группы:
- легкие металлы (алюминий, титан, магний),
- тяжелые цветные металлы (медь, свинец, цинк, олово, никель),
- благородные металлы (в т. ч. платиновые металлы),
- тугоплавкие металлы,
- рассеянные металлы,
- редкоземельные металлы,
- радиоактивные металлы.
Цветные металлы широко востребованы во всем мире и в нашей стране. В России производство цветных металлов одна из главных отраслей промышленности в экономике страны, оно распространено практически во всех регионах. Цветная металлургия включает добычу, обогащение руд цветных металлов и выплавку цветных металлов и их сплавов.
Цветные металлы поставляются в различных видах проката и изделий. Выделяется сортовой и листовой прокат. Изделия сортового проката из цветного металла - это пруток, проволока, и шестигранник. Производятся эти изделия практически из всех видов цветных металлов, начиная от меди и алюминия, заканчивая современными высокотехнологичными сплавами. Изделия из сортового проката используют для электротехнических целей при монтаже электропроводных магистралей, для создания радиодеталей, обмотки конденсаторов и реле, и во множестве других сфер производства.
Продукция из листового проката может выпускаться в трех видах - лист, полоса и лента. Треть всех производимых изделий из цветного металла приходится на листовой прокат. ТО, где будет применяться цветной металл уже в конечном изделии сложно сказать, так как его полезные свойства могут быть применимы везде. Основные свойства цветных металлов - это долговечность, коррозионная устойчивость, стойкость к температурам, агрессивным средам. Они и обуславливают широкий спектр его применения.
Из цветных металлов могут быть изготовлены и другие виды металлопроката или металлических полуфабрикатов, например, трубы и трубки, плиты, чушки и различные изделия для электротехнических целей.
7. Общие особенности сырьевой базы цветной металлургии:
Низкое в количественном отношении содержание полезных компонентов в сырье: для 1 т меди требуется переработать 100 т руды, никеля - до 200 т; расхода сырья на 1 т готовой продукции в сотни раз превышают объем готового изделия, а при производстве редких металлов - в десятки и даже сотни тысяч раз;
Многокомпонентность сырья. Например, алюминиевая промышленность выпускает кристаллический кремний, алюминиево-кремниевые сплавы, пятиоксид ванадия, металлический галлий и др.;
Большая тепло-, электро- и водоемкость процессов переработки сырья (для производства 1 т никеля, например, требуется до 55 т топлива, 1 т глинозема - до 12 т и т.д.; 1 т алюминия - до 17 тыс. кВт часов электроэнергии.
Обогащение руды — совокупность методов разделения металлов и минералов друг от друга по разнице в их физических и/или химических свойств.
Обогащение руды является сложным процессом, который может включать такие операции как дробление, измельчение, флотация, обезвоживание, другие физико-химические методы, и т. д.. Полученные продукты классифицируются на два и более классов отличных по качеству, более богатый продукт называют концентратом, самый бедный — хвостами, продукты со средним содержанием называют промежуточными, они обычно возвращаются на переработку. Обогащение руды как правило производится на горнообогатительных фабриках и комбинатах.
8.
9. Сырые материалы для производства алюминия Основным современным способом производства алюминия является электролитический способ, состоящий из двух стадий. Первая - это получение глинозема (Al2O3) из рудного сырья и вторая — получение жидкого алюминия из глинозема путем электролиза. Руды алюминия. Вследствие высокой химической активности алюминий встречается в природе только в связанном виде: корунд Al2O3, гиббсит Al2O3 • 3Н2O, бемит Al2О3 • Н2O, кианит 3Al2O3 • 2SiO2, нефелин (Na, K)2O • Al2O3 • 2SiO2, каолинит Al2О3 • 2SiO2 * 2H2O и другие. Основными используемыми в настоящее время алюминиевыми рудами являются бокситы, а также нефелины и алуниты. Бокситы используемые для производства алюминия Алюминий в бокситах находится главным образом в виде гидроксидов алюминия (гиббсита, бемита и др.), корунда и каолинита. Химический состав бокситов довольно сложен. Они часто содержат более 40 химических элементов. Содержание глинозема в них составляет 35—60%, кремнезема 2-20%, оксида Fe2O3 2-40%, окиси титана 0,01-10%. Важной характеристикой бокситов является отношение содержаний в них Al2O3 К SiO2 по массе — так называемый кремневый модуль. Кремневый модуль бокситов, поступающих для получения глинозема, должен быть не ниже 2,6. Для бокситов среднего качества этот модуль составляет 5—7 при 46-48 %тном содержании Al2O3, а модуль высококачественных — около 10 при 50 %-ном содержании Al2O3. Бокситы с более высоким содержанием Al2O3 (52%) и модулем (10-12) идут для производства электрокорунда. К числу крупных месторождений бокситов служащих сырьем для производства алюминия в нашей стране относится Тихвинское (Ленинградская область), Северо-уральское (Свердловская область), Южноуральское (Челябинская область), Тургайское и Краснооктябрьское (Кустанайская область). Нефелины служащие сырьем для производства алюминия входят в состав нефелиновых сиенитов и уртитов. Большое месторождение уртитов находится на Кольском полуострове. Основные компоненты уртита — нефелин и апатит 3Са3(РO4)2 • CaF2. Их подвергают флотационному обогащению с выделением нефелинового и апатитового концентратов. Апатитовый концентрат идет для приготовления фосфорных удобрений, а нефелиновый - для получения глинозема. Нефелиновый концентрат содержит, %: 20-30 Al2O3, 42-44 SiO2, 13-14 Na2O, 6-7 K2O, 3-4 Fe2O3 и 2-3 CaO. Алуниты представляют собой основной сульфат алюминия и калия (или натрия) K2SO4 • Al2(SO4)3 • 4Аl(ОН)3. Содержание Al2O3 в них невысокое (20-22%), но в, них находятся другие ценные составляющие: серный ангидрид SO3 (~20%) и щелочь Na2O • К2O (4-5 %). Таким образом, они, так же как и нефелины, представляют собой комплексное сырье. Другие сырые материалы служащие сырьем для производства алюминия. При производстве глинозема применяют щелочь NaOH, иногда известняк СаСО3, при электролизе глинозема криолит Na3AlF6 (3NaF • AlF3) и немного фтористого алюминия AlF3, а также CaF2 и MgF2.
Глиноземом называется кристаллическая окись алюминия Она является основным сырьем для получения алюминия. Алюминий получают из глинозема электролизом. Глинозем используется также и в других отраслях промышленности (например, для отбеливания бумаги, производства специальных сортов цемента, цеолитов -веществ, поглощающих определенный сорт молекул в присутствии других молекул и пр.).
Глинозем получают из руды, содержащей горную породу - боксит.
10
11.