1 Производство черных и цветных металлов

1. Производство чугуна

1.1.1 Общие сведения. Металлы различаются между собой строением и свойствам, но их можно классифицировать , т.е. объединить в группы по следующим общим признакам:

• по наличию и отсутствию железа и сплавов на его основе: черные и цветные;

• по химическим и физическим свойствам: легкие, тяжелые, тугоплавкие, благородные, радиоактивные, щелочноземельные;

• по характеру залегания в земной коре: редкоземельные, рассеянные, редкие;

• по температуре плавления: низкоплавкие (1000^ОС); высокоплавкие (1000-2000 ^ОС); тугоплавкие (2000 ^ОС).

Эта классификация условна – металл может относиться к разным группам одновременно.

Черные металлы имеют в основном темно-серый цвет. К ним относятся железо и сплавы на их основе (чугун и сталь). Черные металлы обладают полиформизмом – способностью изменять строение кристаллической решетки при нагревании до определенных температур.

Цветные металлы в основном имеют красный, желтый или белый свет, для большинства из них характерно отсутствие полиформизма.

К железным сплавам относятся сплавы с преобладанием железа (Fe), в их состав входят кобальт (Co), никель (Ni), марганец (Mn).

К тугоплавким металлам относятся молибден (Mo), тантал (Ta), вольфрам (W).

Редкоземельные металлы – лантан (La), церий (Ce), неодим (Nd), празеодим (Pr).

Легкие металлы – бериллий (Be), магний (Mg), алюминий (Al) – отличаются малой плотностью.

Благородные и полублагородные металлы – серебро (Ag), золото (Au), платина (Pt), медь (Cu), палладий (Pd), иридий (Ir), родий (Rh), осмий (Os), рутений (Ru) – обладают высокой устойчивостью против коррозии.

Легкоплавкие металлы – цинк (Zn), кадмий (Cd), ртуть (Hg), олово (Sn), свинец (Pb), висмут (Bi), таллий (Tl), сурьма (Sb), а также химические элементы с ослабленными металлическими свойствами – галлий (Ga), германий (Ge).

В промышленности широко используется железо и его сплавы, особенно сплавы с углеродом: чугун – сплав, содержащий более 2,14 % углерода; сталь – менее 2,14% углерода.

В зависимости от содержания углерода сталь бывает:

высокоуглеродистой – более 0,6 % углерода;

среднеуглеродистой – от 0,25 % до 0,6 % углерода;

низкоуглеродистой – менее 0,25 % углерода.

1.1.2 Производство чугуна. Черная металлургия выпускает:

• передельные чугуны – используются для переделки в сталь;

• литейные чугуны – для изготовления фасонных чугунных отливок;

• железорудные металлизированные окатыши – для выплавки стали;

• ферросплавы (сплавы железа с марганцем, кремнием, титаном и др.) – для раскисления и легирования сталей;

• стальные слитки – для производства стального проката;

• стальные слитки – для изготовления крупных кованных деталей.

Исходными материалами для получения чугуна являются железные руды, твердое топливо, флюсы, которые подвергаются металлургической переработке в доменных печах.

Железные руды состоят из соединений, содержащих оксиды железа (Fе₂O₃, 2Fе₂O₃ ЗН₂O, Fе₃O₄, FеСO₃), пустой породы, вредных примесей. К железным рудам относятся красный, бурый, магнитный и шпатовый железняки. Они содержат значительное количество соединений железа и сравнительно мало пустой породы, которая не вызывает больших осложнений при металлургической переработке железной руды, так как при плавке переходит в шлак и легко отделяется. В составе пустой породы в рудах встречаются каолин, кремнезем, доломит и магнезит. Вредными примесями являются сера, мышьяк и фосфор.

Твердое топливо используется в доменных печах для расплавления железной руды. Как правило используют каменноугольный кокс (частично его заменяют природным газом, пылевидным углем, мазутом), который обеспечивает нагрев печи и восстановление окислов железа, кремния, марганца и др. Кокс получают из кок­сующегося каменного угля путем нагрева до температуры 900—1050°С без доступа воздуха. При этом уголь не измельчается, а спекается в куски.

Флюсы, например известняк (СаСO₃), вводят в доменную печь для того, чтобы снизить температуру плавления пустых пород и образовать жидко-текучие шлаки, куда переходят также вредные примеси руды и кокса.

Добытую из недр земли железную руду перед загрузкой в печь подвергают предварительной обработке и обогащению. Предварительная обработка заключается в дроблении и сортировке руды. Обогащение применяется для повышения содержа­ния железа и снижения вредных примесей в руде. Обогащение руды осуществляют различными способами. Чаще всего применяют магнитное, гравитационное и

флотационное обогащения. При магнитном способе используют магнитные сепараторы, в которых создается магнитное поле и происходит отделение не­магнитных частиц от магнитных, таких как, например, Fе₃O₄. Гравитационный способ обогащения основан на отделении примесей вследствие различной плотности и скорости падения минералов в водной или воздушной среде. При флотационном способе используется такой фактор, как различная смачиваемость поверхностей различных компонентов железных руд водой, в результате чего вода уносит легкие частицы пустой породы.

Подготовленные к плавке железную руду, топливо и флюсы (все вместе называется шихтой) загружают в доменную печь (рисунок 1.1) — вертикальную шахтную печь высотой до 35 м, производящую в сутки до 12 тыс. т чугуна. Печь устанавливается на бетонном фундаменте, на котором (в цилиндрическом кожухе) уложена кладка из огнеупорного кирпича, образующая лещадь. В нижней части печи — горне — имеются чугунные 1 и шлаковые летки, через которые выпускаются чугун и шлак, а также фурменные приборы 6, через которые осуществляется дутье (подача воздуха). Над горном расположены заплечики, соединенные с распаром 2 самой широкой частью печи. Распар переходит в сужающуюся кверху шахту 3, которая заканчивается цилиндрическим колошником 4. Расстояние от уровня чугунной летки до верха колошника называется полезной высотой доменной печи.

Д оменная плавка заключается в раздельной загрузке в колошник шихты и ее нагревании вследствие горения кокса. Опускаясь вниз, шихта постепенно нагревается и поступает в горн в раскаленном состоянии, где, соединяясь с кислородом вдуваемого воздуха, интенсивно горит, выделяя углекислый газ. В результате в горне образуются чугун и шлак.

1 — лётка для чугуна;

2 — распар; 3 — шахта;

4 — колошник; 5 — заплечики;

6 — фурменные отверстия;

7— горн; 8 — лещадь

Рисунок 1.1 Устройство