§ 14. Перспективы развития сталеплавильного производства

Современные способы получения стали (конвертерный, мартенов­ский и электроплавильный) основаны на двухстадийной переработ' ке железных руд: сначала из них выплавляют чугун, а затем из чугуна получают сталь. Такой способ сложен, требует больших затрат труда, времени, тепловых и материальных ресурсов. При этом необходимо учитывать и то, что сталеплавильное производство является одним из самых интенсивных загрязнителей атмосферы. Под влиянием этих факторов (экономика и экология) в начале пяти­десятых годов нашего столетия во многих странах начали успешно

Рис. 11.15. Схема процесса бездоменного получения стали

работать над совершенствованием технологии прямого получения железа из руды и передела его в сталь в электродуговых печах.

В настоящее время производство железа непосредственно из руды по различным технологическим схемам осуществлено в про­мышленных масштабах в ряде стран.

В Советском Союзе на базе Курской магнитной аномалии по­строен Старооскольский электрометаллургический комбинат, рас­считанный на выпуск более 4 млн т высококачественной стали в год, который работает на железе, полученном прямым восстановлением из руды.

Технологическая схема процесса бездоменного получения стали приведена на рис. 11.15. По этой схеме сырьем для получения желе­за служит концентрат с 70 % Fe, поступающий из Лебединского обогатительного комбината 1 в виде пульпы (смеси с водой) по тру­бопроводу 2 длиной 27 км. После отстоя пульпы образующийся осадок концентрата обезвоживается на дисковых вакуум-фильтрах

3. смешивается в барабанных смесителях 4 со связкой — бетони­том — и окомковывается в барабанном окомкователе 5. Получен­ные окатыши обжигают в печи 6 и подают по конвейеру в установку прямого восстановления железа — в шахтную печь 8. Снизу в печь поступает газ-восстановитель с температурой 760 °С под давлением

0. 15 МПа, образующийся в реформере 7 при взаимодействии при­родного и колошникового газов. В результате реакции восстанов­ления содержание железа в окатышах повышается до 90...95 %. Дальше окатыши поступают в электропечь 9 емкостью 150 т, рас­плавляются, металл очищается от примесей, к нему добавляют не­обходимые компоненты и получают легированную сталь, которая затем разливается на УНРС 10. Полученные слитки подогреваются в печи 11 и прокатываются на валках 12.

Глава 4. Производство цветных металлов

§ 15. Производство меди

Медные руды содержат 1...5 % меди. Медь в них находится в виде сернистых соединений CuS, Cu₂S, CuFeS₂, оксидов CuO, Cu₂0, карбонатов. Наряду с медью эти руды часто содержат ни­кель, цинк, свинец, золото, серебро и другие металлы.

Рис. 11.17. Схема конвертера для по­лучения черновой меди

Рис. 11.16. Схема печи для обжига концентрата в кипя­щем слое

Медь получают в основном пирометаллургическим способом из сульфидных руд. Процесс выплавки включает обогащение и обжиг руды, выплавку полупродукта — штейна, из которого затем полу­чают черновую медь. Для очистки от примесей черновую медь ра­финируют.

1. Обогащают медные руды обычно методом флотации, основан­ным на различном смачивании водой соединений меди и пустой по­роды. В флотационной машине измельченная руда, вода и флота­ционные реагенты (например, пихтовое масло) образуют пульпу. Флотационные реагенты адсорбируются на частицах руды в виде пленок, не смачиваемых водой. При продувке пульпы пузырьки воздуха концентрируются на поверхности этих частиц и увлекают их вверх, образуя слой пены, а смачиваемая водой пустая порода оседает на дно ванны. Собранную пену фильтруют, сушат и полу­чают концентрат, содержащий 15...35 % меди.

2. Обжигают концентрат при 750...850 °С в воздушной атмо­сфере с целью окисления сульфидов и уменьшения содержания серы.

Прогрессивным Является обжиг в кипящем слое. Измельчен­ный концентрат загружается в печь через окно 3 (рис. 11.16). Снизу в печь по каналу 2 и отверстия в поддоне 1 подается воздух. Давле­ние воздуха устанавливается таким, чтобы частицы концентрата находились во взвешенном («кипящем») состоянии. Обожженный концентрат «переливается» через порог 5 печи в виде огарка. Отхо­дящие сернистые газы очищаются в циклонах 4 и направляются в сернокислотное производство.

3. Штейн выплавляют из концентрата в отражательных печах. Такие печи строят длиной до 40 м и емкостью до 100 т и более пере­плавляемой шихты. Отапливают печь мазутом, угольной пылью или газом. Максимальная температура в головной части печи составляет 1550 °С и постепенно снижается к хвостовой части до 1250... 1300 °С. Шихту загружают вагонеткой через отверстия в своде печи.

В процессе плавки протекают реакции:

2Cu₂S + 2CuO = 6Cu + S0₂; 2Cu + FeS = Cu₂S -f- Fe; Cu₂0 + + FeS = Cu₂S + FeO.

В результате этих реакций на поддоне печи скапливается рас­плавленный медный штейн — сплав сульфидов Cu₂S и FeS, содер­жащий 20...60 % Си, 10...60 % Fe и до 25 % S. Образующиеся при плавке силикаты железа растворяют другие оксиды и всплывают в виде шлака.

4. Черновую медь получают при продувке расплавленного штейна воздухом в конвертере (рис. 11.17) — горизонтально рас­положенном цилиндрическом сосуде из листовой стали длиной

5. . 10 и диаметром 3...4 м, футерованном магнезитовым кирпичом 2. Воздушное дутье подводится по трубам 3 и подается внутрь конвер­тера через 40...50 фурм 4, расположенных по его образующей. Для заливки штейна в горловину 1 и выливки продуктов плавки конвертер поворачивают на роликах 5.

Конвертирование протекает в два периода. В первом периоде (5...25 ч) окисляются сульфиды железа и меди:

2FeS + 30₂= 2FeO + 2S0₂, 2Cu₂S + 30₂= 2Cu₂0 + 2S0₂.

Образующийся при этом оксид железа FeO связывается флюсом- кремнеземом Si0₂ и удаляется в шлак (2FeO_a- Si0₂).

Во втором периоде (2...3 ч) окисляются сульфиды меди и восста­навливается медь:

2Cu₂S -f- 30₂= 2Cu₂0 -f- 2S0₂, Cu₂S 2Cu₂0 = 6Cu -f- S0₂.

Полученную медь называют черновой, так как она содержит до 1,5 % примесей. Для очистки от примесей черновую медь под­вергают огневому и электролитическому рафинированию.

Огневое рафинирование заключается в окислении примесей в отражательных печах при продувке черновой меди воздухом; при этом кислород воздуха соединяется с медью и образует оксид Си₂0, который затем реагирует с примесями металлов (Me) по реакции

Me + Cu₂0 = MeO + 2Cu.

Одновременно окисляется и сера:

Cu₂S -f- 2Cu_aO = 6Cu -f- S0₂.

После этого приступают к раскислению меди — восстановлению Си₂0. Для этого медь перемешивают деревянными жердями. Бурное

выделение паров воды и углеводородов способствует удалению газов и восстановлению меди:

4Cu₂0 + СН₄= 8Си + 2Н_аО -f С0₂.

После огневого рафинирования чистота меди достигает 99...99,5 %.

Электролитическое рафинирование применяют для получения меди чистотой до 99,95 %. Электролиз проводят в специальных ваннах. Анодами служат пластины из черновой меди размером

1. X 1 м и толщиной 50 мм, катодами — листы толщиной 0,5 мм из чистой меди, электролитом — водный раствор серной кислоты и сернокислой меди.

При прохождении тока напряжением 2...3 В и плотностью

100. .400 А/м² анод растворяется, медь переходит в раствор в виде катионов, которые затем разряжаются на катодах и откладываются слоем чистой меди. При этом примеси осаждаются на дно ванны в виде шлама. Иногда в шламе содержатся до 35 % Ag, 6 % Se,

2. % Fe, 1 % Au и другие ценные элементы. Поэтому шламы обычно перерабатывают с целью извлечения этих элементов.