§ 2. Краткие сведения о технологическом процессе производства металла

Основными исходными шихтовыми материалами для выплавки черных металлов являются: железная руда, кокс и некоторые другие добавки, при этом главным по массе компонентом является железная руда. Последняя, как правило, содержит большое количество пустой породы, от которой ее освобождают в процессе обогащения на обогатительных фабриках. При большом содержании пустой, породы в руде для получения в доменной печи легкоплавкого шлака приходится добавлять в шихту увеличенное количество известняка, без чего нельзя расплавить шлак, а это увеличивает выход шлака, вызывает повышенный расход кокса и снижает производительность печи.

Большие масштабы металлургического производства и непрерывность его процессов обусловливают особые требования, предъявляемые к поступающему в переработку сырью, в том числе в части постоянства химического состава и крупности частиц.

Подготовка сырья к металлургическому переделу осуществляется различными методами, включающими в себе целый комплекс операций. Часть из них - дробление, измельчение, сортировка по крупности, опробование и некоторые другие принято рассматривать во взаимосвязи с обогащением руд, которое само по себе также часто является операцией подготовки сырья к металлургическому переделу. Составной частью подготовки сырья следует считать операции усреднения и шихтовки металлургического сырья, его окускования способами окатывания и агломерации.

Необходимость проведения усреднения вызывается тем, что железная руда, поступающая на металлургический завод с различных месторождений и даже с разных участков одного месторождения, как и концентраты, поступающие с разных обогатительных фабрик, могут значительно отличаться по своим химическим, минералогическим и гранулометрическим характеристикам. Это сырье необходимо усреднить, т. е. смешать отдельные партии для получения продукта среднего состава.

В ряде случаев металлургические процессы требуют шихтовки, т. е. смешения рудного сырья с топливом (коксом) и флюсами. Усреднения и шихтовку осуществляют на открытых рудных дворах с помощью кранов-перегружателей.

Усреднение и шихтовка, сырья улучшают ход доменного процесса, повышают производительность агрегатов и позволяют автоматизировать процессы переработки однородного сырья.

Окускование пылевидных руд и мелких концентратов перед металлургическим переделом требуется для улучшения газопроницаемости шихты, загружаемой в доменную печь, повышения производительности агрегата, для получения зерен одинакового размера при обжиге в кипящем слое, а также для уменьшения выноса пыли и распыления при загрузке.

Основная масса железных руд (свыше 92%) требует предварительного обогащения, только небольшое количество от общих запасов руд по СССР со средним содержанием железа 55% можно использовать без обогащения.

Процесс обогащения заключается в разделении сырой руды на концентрат с более высоким содержанием железа и хвосты - отходы с малым содержанием железа.

Так, например, при обогащении 1000 т криворожских руд с содержанием железа 33,3 % получается 435 т концентрата с содержанием железа 61,0% и 565 т хвостов с содержанием железа 11,97%. Таким

Таким образом, в исходной руде всего было железа 1000 · 33,3/100=333 , в концентрат переведено435 · 61/100 = 265,35 т, или 79,5% от содержания железа в исходной руде. Эта величина характеризует степень извлечения железа из руды в концентрат. Потери железа в хвостах составляют 100-79,5=20,5%, или 333 - 265,35=67,65 т.

Отношение между массой полученного концентрата и массой исходной руды называется выходом концентрата. В данном примере выход концентрата составляет 435: 1000=0,435, или 43,5%.

Выход концентрата и степень извлечения железа в концентрат для руд разных месторождений колеблются в широких пределах.

Существуют различные способы обогащения железных руд: промывка руд, мокрая отсадка, магнитная сепарация и др.

В СССР значительное развитие получили флотация руд и многоступенчатая сепарация бедных руд.

Обогащенная руда (концентрат) часто подается вместе с другими шихтовыми материалами непосредственно в доменную печь для выплавки чугуна.

Однако на сырой руде доменная печь работает с очень низкой интенсивностью, что является нерациональным. Для значительного повышения производительности доменных печей вместо сырой руды используют агломерат, получаемый на аглофабриках.

Агломерация - один из основных способов окускования мелких, порошкообразных, пылеватых руд, концентратов, отходов металлургического производства (колошниковой пыли, окалины и др.) с одновременным удалением серы из рудного сырья. Агломерация снижает количество выносимой колошниковой пыли до 30%.

Агломерацией в металлургии называют процесс спекания мелких руд и концентратов в твердые пористые куски путем просасывания или продувания необходимого для горения воздуха или горячих газов через слой спекаемой шихты.

Сущность процесса агломерации сводится к нагреву расположенного на колосниках слоя шихты до температуры 1200-1400°С, размягчению и частичному, расплавлению, а затем охлаждению этого слоя до затвердевания. Образовавшаяся жидкая фаза цементирует всю шихту, превращая ее в относительно прочный монолит. Комковатость шихты и непрерывное прохождение через нее воздуха обеспечивают сохранение пористой структуры агломерата, что в будущем обеспечит благоприятные условия для интенсификации процесса в доменной печи при выплавке чугуна.

Современные доменные печи в последние годы работают преимущественно на офлюсованном агломерате, который получают на агломерационных фабриках путем добавки в шихту определенного количества флюсов (известняка); крупность зерен агломерата достигает 3 мм. При использовании такого агломерата не требуется загружать в доменную печь дополнительного количества флюсов и улучшаются условия шлакообразования. При этом уменьшается также расход известняка.

Наряду с окускованием руд методами агломерации в последние годы в черной металлургии получило распространение промышленное производство окатышей.

Окатыванием называется операция укрупнения пылевидных железных руд, концентратов и порошков, при которой материал окатывается в круглые геометрически правильные прочные окатыши, сохраняющие свою форму и размеры при дальнейших переделах. Неполное окатывание, при котором смесь пылеватых и зернистых материалов превращается в комки неопределенной формы, называется окомкованием.

Технологическая схема способа окатывания состоит из трех основных операций: подготовки материалов к окатыванию, заключающейся в измельчении, увлажнении или подсушке, введении добавок; собственно окатывания, т. е. операции получения сырых окатышей и упрочнения их в результате сушки или обжига.

Агломерат либо окатыши или смесь того я другого вместе качестве шихты поступает по транспортеру в доменную печь, куда загружают также кокс.

Кокс в доменный цех подается ленточными конвейерами из коксохимического цеха.

Все шихтовые материалы поступают на бункерную эстакаду доменного цеха, являющейся промежуточным хранилищем, обеспечивающим непрерывную механизированную и массовую подачу шихты в доменную печь.

Сущность доменного процесса заключается в извлечении железа из руды и превращении его в жидкий чугун. Одновременно отделяется оставшаяся пустая порода, переходящая в шлак.

Для создания высокой температуры, доходящей до 1800 – 2000°С, необходимой для плавки шихты в доменной печи, служит кокс, а пустая порода переходит в шлак при помощи флюсов.

Образовавшиеся в горне два слоя: верхний – шлак и нижний – чугун периодически выпускают через шлаковые и чугунные летки.

Кроме чугуна и шлака, в результате доменной плавки выделяется доменный или колошниковый газ, который, являясь хорошим топливом; используется для нагрева воздухонагревателей, отопления коксовых; мартеновских и других нагревательных печей и агрегатов. При сжигании 1 т кокса образуется 4000м³ газа.

Большая часть чугуна в жидком виде поступает в сталеплавильные агрегаты, представляющие собой сложный комплекс механизмов с автоматическим управлением процессами плавки и обслуживаемые многими подъемно-транспортными механизмами общего и специального назначения.

Существуют несколько способов получения стали, из которых наиболее распространенными являются выплавка стали в мартеновских печах, электросталеплавильных печах, а также в кислородных конверторах.

Для интенсификации, процессов плавки металла в печах за последние годы широко применяют кислородное дутье.

Производство стали по существу является продолжением процесса и последующей операцией после, производства чугуна. Конечным продуктом сталеплавильного производства является сталь, которая подается в жидком виде на машину непрерывного литья заготовок, либо в виде слитков поступает в прокатные цехи. Разогретые стальные слитки обжимаются в прокатных цехах на блюмингах и слябингах, затем сталь идет для дальнейшей прокатки в прокатные цехи, в результате чего получают металлопрокат: листовую сталь, рельсы, сортовую сталь и другие стальные профили.

Несколько подробней о технологии производства металла изложено в соответствующих главах данного учебника.