6. Внепечные способы рафинирования стали

Дополнительное улучшение качества стали может быть достигнуто при ее внепечной обработке. Основными методами внепечного рафинирования в современной металлургии являются обработка жидкого металла синтетическим шлаком в ковше, продувка стали инертными газами и ее вакуумирование.

Для рафинирования обычно применяют двухкомпонентный известково-глиноземистый шлак, содержащий 55 % СаО и 45 % А1₂О₃. Шлак выплавляют в электродуговой печи с футеровкой из графита. Благодаря сравнительно невысокой температуре плавле­ния (1450 °С) такой шлак жидкоподвижен, активен и обладает хорошей десульфурирующей способностью.

Порцию шлака с температурой около 1650 °С в количестве 5—6 % от массы стали заливают в сталеразливочный ковш, ковш подают к желобу сталеплавильного агрегата и выпускают сталь, нагретую до определенной температуры. Струя жидкой стали падает с большой высоты на слой шлака в ковше, разбрызгивается на множество капель и энергично перемешивается со шлаком. Поверхность взаимодействия металла и шлака резко увеличи­вается, что способствует интенсивному удалению вредных при­месей.

При продувке инертными газами из металла удаляют раство­ренные газы и неметаллические включения, а также выравнивают температуру и химический состав стали в ковше перед разливкой. Обычно для продувки используют аргон под давлением 0,2— 0,5 МПа. Продувку ведут либо через пористые огнеупорные вставки в днище ковша, либо через футерованную фурму, опуска­емую в ковш с металлом сверху. При всплывании пузырьков аргона в них переходят водород и азот, растворенные в стали, и таким образом удаляются из металла. В результате содержание этих газов в стали уменьшается.

Вакуумную внепечную обработку жидкой стали проводят с целью удаления растворенных в ней газов и уменьшения содер­жания неметаллических включений. Вакуумирование осуще­ствляют, помещая ковш или изложницу в вакуумную камеру. Азот и водород переходят в газовую фазу и их концентрация в металле падает. Концентрация кислорода снижает благодаря более глубокому раскислению металла углеродом.

Глава 3

МЕТАЛЛУРГИЯ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

1. Производство меди

Содержание меди в земной коре составляет 0,01 %. Наибольшее промышленное значение имеют сульфидные руды, на которые приходится около 80 % всех мировых запасов меди. К сульфидным рудам относятся медный колчедан или халькопирит CuS-FeS, халькозин Cu₂S и др. Среднее содержание меди в рудах составляет 1—2 %. Пустая порода обычно состоит из песчаников, глины, известняка и др. Многие руды являются полиметаллическими и кроме меди содержат другие ценные металлы: серебро, золото, никель, свинец и т. д.

Извлечение меди из руд производится двумя способами: гидро­металлургическим и пирометаллургическим. Более широкое рас­пространение получил пирометаллургический способ, включа­ющий операции обогащения руд с получением концентрата, его обжиг, плавку на медный штейн, получение черновой меди и ее рафинирование. Для обогащения медных руд применяют метод флотации, основанный на разной смачиваемости водой с поверх­ностно-активными добавками металлсодержащих частиц и частиц пустой породы. При флотации удаляют большую часть пустой породы и получают медный концентрат, содержащий до 30 % меди.

После обогащения рудные концентраты подвергают обжигу для частичного удаления (до 50 %) серы. Руда, прошедшая обжиг и называемая огарком, направляется на дальнейшую переработку, а образовавшийся сернистый газ SO₂ используется для произ­водства серной кислоты.

П

Рис.15. Медеплавильный конвертер:

1 - фурмы воздушного дутья;

2 -футерованный кожух;3 - зубчатая переда­ча; 4 - обод:

5 - горловина для заливки штейна; 6 - отверстие для загрузки флюса;

7 - воздухопровод; 8 - опорные ро­лики;

9 - электродвигатель с редуктором

лавка на штейн проводится в отражательных пламенных печах и электропечах. В их рабочем пространстве развивается температура до 1600 °С. На подине печи постепенно скапливаются жидкие продукты плавки: шлак и штейн—сплав, состоящий в основном из сульфидов Cu₂S и FeS и небольшого количества примесей, Штейн по мере накопления выпускают в ковш. В рас­плавленном состоянии штейн, имеющий температуру плавления 900-1150°С, поступает в конвертер (рис, 15) для переработки в черновую медь.

Конвертер имеет горизонтальный цилиндрический стальной сварной кожух, футерованный изнутри магнезитовым кирпичей. Расплавленный штейн заливают в конвертер через горловину. Конвертер установлен на опорных роликах и о помощью зубча­того венца может поворачиваться в заданное положение. Через 40—50 фурм, расположенных в огнеупорной кладке по образу­ющей конвертера, под давлением подается воздух. На поверх­ность штейна загружают кварцевый песок для шлакования обра­зующихся при продувке оксидов железа. Процесс продувки возду­хом, длящийся в общей сложности до 30 ч, делится на два периода.

Первый период состоит в окислении сульфидов железа кисло­родом воздушного дутья: 2FeS + ЗО₂ = 2FeO + 2SO₂ + Q. Об­разующаяся FeO взаимодействует с кремнеземом флюса и пере­ходит в шлак: 2FeO + SiO₂ = SiO₂·2FeO + Q. Сернистый газ направляется на производство серной кислоты. Конвертерный шлак в конце первого периода сливают в ковш и направляют на повторную переработку в отражательные печи для извлечения меди. Оставшийся штейн приобретает белый цвет и состоит в основ­ном из сульфидов меди Cu₂S. Содержание меди в белом штейне составляет около 80 %.

Обе реакции проходят о выделением тепла и ванна разогре­вается до 1250—1300 °С. После скачивания шлака наступает второй период, во время которого расплавленный белый штейн продувают воздухом и получают черновую медь:

2Cu₂S + 3О₂ = 2Cu₂O + 2SO₂,

Cu₂S + 2Cu₂O = 6Cu + SO₂.

Черновая медь содержит до 2 % примесей железа, серы, цинка, никеля, свинца и др. Ее разливают в слитки на ленточных раз­ливочных машинах и отправляют на рафинирование.

Рафинирование черновой меди проводят огневым и электро­литическим способами.

При огневом рафинировании черновую медь загружают в пла­менные печи емкостью до 400 т и после расплавления продувают воздухом через футерованные стальные трубы с целью окисления меди и растворенных в ней примесей: 4Сu + О₂ = 2Сu₂О.

Cu₂O хорошо растворим в меди, быстро распространяется по всему объему ванны. Учитывая, что большинство примесей (А1, Si, Mn, Zn, Sn, Fe, Ni и др.) имеют более высокое сродство к кис­лороду, чем медь, закись меди производит их окисление: Me + Cu₂O = MeO + 2Cu.

Из примесей не окисляются только благородные металлы: золото и серебро. Они остаются растворенными в меди.

Образовавшиеся оксиды примесей нерастворимы в меди и уда­ляются в шлак. Оксиды некоторых примесей (SbO₂, ZnO) легко возгоняются и улетучиваются с печными газами.

После скачивания шлака металл раскисляют и перемешивают природным газом для удаления растворенных в нем газов. Рас­кисление меди происходит по реакции:

4Сu₂О + СН₄ = 8Сu + СО₂ + 2Н₂О.

После огневого рафинирования расплав содержит 99,5—99,7 % меди. Полученную медь разливают в слитки или анодные пластины для электролитического рафинирования.

Электролиз проводят в ванных, футерованных кислотостой­кими материалами, например листовым свинцом, асфальтом, керамическими плитами. Электролитом служит 15 %-ный раствор медного купороса и серной кислоты. На равном расстоянии друг от друга попеременно в электролит погружают анодные пластины черновой меди и катоды, представляющие собой тонкие пластины из чистой электролитической меди. Аноды и катоды подвешивают на анодной и катодной шинах. При включении постоянного тока происходит растворение металла анодов, катионы Си²⁺ переходят в раствор, а на катодах происходит разрядка катионов Сu²⁺ + + 2е = Сu с выделением металлической меди. Электролитическая медь имеет более высокую чистоту от примесей и содержит до 99,98 % Си. За 10—12 дней на катоде отлагается до 200 кг меди. Катодную медь выгружают из ванны, промывают, переплавляют в плавильных печах, разливают в слитки и отправляют для про­ката на лист, трубы и проволоку, а также для выплавки сплавов меди — латуней и бронз.