Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Основы технологии металлургического производства чугуна стали алюм

..pdf
Скачиваний:
12
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
2 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский государственный технический университет»

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА, СТАЛИ, АЛЮМИНИЯ, МЕДИ, ТИТАНА И МАГНИЯ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Пермь 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА.............................................................

4

 

1.1. Исходные материалы..............................................................

4

 

1.2. Обогащение руд.......................................................................

5

 

1.3. Подготовка материалов к доменной плавке..........................

7

 

1.4. Выплавка чугуна......................................................................

9

2.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ..............................................................

18

 

2.1. Конвертерные способы.........................................................

18

 

2.2. Мартеновский способ ...........................................................

23

 

2.3. Получение стали в электрических печах ............................

28

 

2.4. Разливка стали и получение слитков...................................

33

3.

ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ...................................................

41

 

3.1. Алюминиевые руды ..............................................................

42

 

3.2. Производство глинозема.......................................................

43

 

3.3. Электролитическое производство алюминия.....................

45

 

3.4. Рафинирование алюминия....................................................

49

4.

ПРОИЗВОДСТВО МЕДИ................................................................

52

 

4.1. Медные руды.........................................................................

52

 

4.2. Получение медных штейнов ................................................

53

 

4.3. Переработка медного штейна в черновую медь.................

56

 

4.4. Рафинирование меди.............................................................

59

5.

ПРОИЗВОДСТВО ТИТАНА...........................................................

63

 

5.1. Титановые руды.....................................................................

64

 

5. 2. Получение титана.................................................................

65

6.

ПРОИЗВОДСТВО МАГНИЯ..........................................................

72

 

6.1. Получение магния.................................................................

73

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...............................

77

3

1. ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

Чугун и сталь это сплавы на основе железа, содержащие определённое количество углерода.

1.1. Исходные материалы

Железо в чистом виде в земной коре находят редко, что обусловлено большой склонностью его к окислению. В земной коре содержится примерно 5 % железа в виде оксидов, карбонатов, сульфидов и других соединений. Наиболее крупные и богатые оксидами железа скопления минералов называют месторождениями железных руд. Рудами называют горные породы, которые технически возможно и экономически целесообразно перерабатывать для изготовления содержащихся в них металлов.

К железным рудам относят красный, бурый, магнитный и шлаковый железняки. Эти руды содержат много соединений железа, из которых его извлекают, и относительно мало пустой породы, легко отделяющейся при переработке. Магнетиты (главным образом в виде Fe3O4) наиболее богатые железные руды содержат 40…70 % Fе, но восстанавливаются труднее других руд, так как являются плотными горными породами. Различают также красный железняк (гематит) в виде Fe2O3 и бурый железняк водный окисел Fe2O3 H2O. Вредными примесями в железных рудах являются сера, фосфор, мышьяк.

Производство чугуна осуществляют в доменных печах, где для его выплавки кроме железных руд требуются флюсы и кокс.

Флюсы вводят в доменную печь для того, чтобы не допустить «зарастания» рабочего пространства печи и обеспечить плавку

4

пустой породы руды и золы топлива при необходимой температуре: не слишком высокой, чтобы не тратить много топлива, и не слишком низкой, при которой оксиды железа еще не успевают восстановиться. Так как пустая порода железных руд обычно содержит кремнезем, в качестве флюса в доменных печах часто применяют известняк СаСО3, содержащий минимальное количество вредных примесей.

Каменноугольный кокс в современном доменном производстве используется следующим образом: во-первых, служит топливом и обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры и, во-вторых, обеспечивает восстановление оксидов железа (см. ниже). Каменноугольный кокс содержит 82…88 % твердого углерода, 5…10 % золы, однако всегда содержит и серу

(0,5…2 %).

1.2. Обогащение руд

Обогащением называют предварительную обработку руды, не изменяющую химический состав основных минералов и их агрегатное состояние. Обогащением из руды отделяют часть пустой породы, оставшуюся часть называют концентратом.

Наиболее известны и широко применяются магнитное, гра-

витационное и флотационное обогащение.

Магнитное обогащение применяют для минералов, имеющих большую магнитную восприимчивость. Применяют как сухую, так и мокрую магнитную сепарацию. Магнитные сепараторы, работающие в водной среде, часто дают лучшие результаты.

Магнитную сепарацию с успехом применяют для обогащения бедных железных руд, имеющих вкрапления магнетита, а также для очистки или сортировки металлических отходов (стружки, опилки, лом).

5

Гравитационное обогащение основано на различии в плотности и скорости падения зерен минералов в жидкостях и на воздухе. Простейший его вид промывка водой железных руд для отделения песчано-глинистой пустой породы. Однако большего эффекта можно достичь, применяя отсадочные машины, концентрационные столы и другие аппараты. Эти машины успешно используют при обогащении руд цветных металлов.

Обогащение флотацией для железных руд в целом применяют редко, в основном для бедных руд цветных металлов. Флотация незаменима при обогащении комплексных руд, содержащих несколько металлов, а также сульфидных руд, содержащих примерно 1 % Cu, плавить которые очень дорого.

Сущность флотации состоит в избирательном прилипании некоторых минеральных частиц, взвешенных в водной среде, к поверхности пузырьков воздуха, с помощью которых эти минеральные частицы поднимаются на поверхность. Через пульпу пропускают пузырьки воздуха. Вследствие различной смачиваемости минералов частицы, плохо смачиваемые водой (или другой жидкостью, в которой протекает обогащение), прикрепляются к пузырькам воздуха и, поднимаясь с ними на поверхность, образуют минерализованную пену и тем самым отделяются от других, хорошо смачиваемых минералов, которые тонут и остаются в пульпе.

Для флотационного обогащения необходимо:

а) тонко измельчить руду до частиц размером меньше 0,1 мм, что дает возможность получить кусочки руды, состоящие из одного минерала, и значительно уменьшить количество сростков нескольких минералов, а также позволит мелким пузырькам воздуха поднимать на поверхность тяжелые минералы;

б) получить в пульпе множество мелких пузырьков воздуха и создать условия для образования на поверхности пульпы устойчивой пены.

6

Для флотации применяют комплекс машин, позволяющих быстро и многократно повторять процесс флотации, и разные реагенты, вводимые в пульпу для усиления или подавления отдельных физических свойств ее элементов. Общий расход флотационных реагентов невелик 50…300 г на 1т руды.

1.3. Подготовка материалов к доменной плавке

Доменная печь работает нормально, если она загружена кусковым материалом оптимального размера. Слишком крупные куски руды и других материалов не успевают за время их опускания в печи прореагировать на всей глубине, и часть материала расходуется бесполезно; слишком мелкие куски плотно прилегают друг к другу, не оставляя необходимых проходов для газов, что вызывает различные затруднения в работе печи. Наиболее удобны для доменной плавки куски размером 30…80 мм в поперечнике. На рудниках руду просеивают через так называемые грохоты, и куски более 100 мм в поперечнике подвергают дроблению до необходимых размеров.

При добыче руды в рудниках и дроблении материалов наряду с крупными кусками образуется и мелочь, которая также непригодна к плавке в шахтных печах. Возникает необходимость окускования этих материалов до требуемых размеров. Для этого в металлургии наиболее широко применяют агломерацию (спекание), проводимую на больших ленточных агломерационных машинах непрерывного действия. Исходными материалами для агломерации служат рудная мелочь и колошниковая пыль отход доменного производства. Эти материалы смешивают с небольшим количеством (8…12 %) мелкого кокса, называемого коксиком, с размером в поперечнике менее 3 мм, или каменноугольной мелочью. Часто в шихту добавляют мелкий, недостаточно спекшийся агломерат.

7

Слегка увлажненную (5…6 % влаги) и хорошо перемешанную шихту слоем 200…300 мм загружают на колосниковые решетки палет, образующих рабочую ленту машины, и затем поджигают с поверхности под камерой зажигания, расположенной над лентой. Под колосниковой решеткой имеются короба, в которых создается небольшой вакуум (остаточное давление 6…12 кПа), обеспечивающий просасывание воздуха через слой агломерационной шихты и перемещение зоны горения коксика с поверхности шихты в ее нижние слои. В зоне горения развивается высокая температура (до 1500 °С), вследствие чего образуется небольшое количество жидкой фазы, которая склеивает куски руды после перемещения зоны горения и охлаждения материала.

В результате образуется ноздревато-пористый черно-серый продукт спекания агломерат. Производительность крупных агломерационных машин достигает 2,5 тыс. т агломерата в сутки.

Часто производят так называемый офлюсованный агломерат, получаемый путем дополнения в агломерационную шихту мелких кусочков флюса (обычно известняка). В процессе агломерации известняк СаСО3 разлагается, выделяя СО2, и участвует в образовании агломерата. Офлюсованный агломерат еще в большей степени, чем обычный, увеличивает производительность доменных печей (на 10…25 %) и уменьшает расход кокса на доменную плавку (на 7…20 %).

Окускование рудной мелочи проводят и другими способами. В металлургии нередки случаи брикетирования простейшего способа окускования порошковых материалов путем прессования их смеси с какими-либо связующими материалами (глиной, жидким стеклом, смолой и т. п.). Вынутые из прессов брикеты в зависимости от характера связующего сушат на воздухе или обжигают для придания им необходимой прочности.

Применяют также метод окускования производство окатышей. Рудную мелочь и пыль с небольшим количеством связующего (глина

8

или известь) и небольшим увлажнением (до 8…10 %) помещают в смеситель типа пустотелого барабана или наклонной неглубокой чаши. Рудная шихта, вращаясь в барабане (чаше), пересыпается с места на место, слипается, образуя круглые окатыши размером 25…30 мм.

Затем окатыши сушат или обжигают. Это делает их достаточно прочными для применения в крупных доменных печах, а также сохраняет от разрушения при транспортировке. Обжиг в восстановительной атмосфере позволяет частично восстановить оксиды железа и повысить тем самым производительность доменных печей.

1.4. Выплавка чугуна

Получение чугуна из железных руд осуществляется в доменных печах, которые являются крупнейшими современными шахтными печами. Большинство действующих печей имеют полезный объем 1300…3000 м3 объем, занятый загруженными в них материалами и продуктами плавки, высоту примерно 50 м и предназначены для выплавки в сутки до 2000 т чугуна.

Сущность доменной плавки сводится к раздельной загрузке в верхнюю часть печи, называемую колошником, агломерата, кокса и флюсов, располагающихся в шахте печи слоями. При нагреве шихты за счет горения кокса, обеспечиваемого вдуваемым в горн горячим воздухом, в печи идут сложные физико-химические процессы, и шихта постепенно опускается навстречу поднимающимся горячим газам. В результате взаимодействия компонентов шихты и газов в нижней части печи, называемой горном, образуются два несмешивающихся жидких слоя чугун и шлак.

На рис.1 показана схема современной доменной печи объемом 2700 м3. Два наклонных подъемника с опрокидывающимися скипами вместимостью до 17 м3 доставляют агломерат, кокс и другие добавки на высоту 50 м к засыпному устройству доменной печи, состоящему из двух поочередно опускающихся конусов.

9

В верхней части горна расположены фурменные отверстия (16…20 шт.), через которые в печь под давлением 300 кПа подается обогащенный кислородом воздух при температуре 900…1200 °С.

 

 

 

 

 

10000 т агломерата

 

 

 

 

 

2500 т кокса

 

 

 

 

 

 

Колошникового газа

9

 

 

 

 

 

13 млн т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Колошник

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Шахт

 

 

воздуха

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8 млн м3

 

 

 

 

 

 

Распар

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

600000 м3

природного газа

 

Заплечники

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

500000 м3

кислорода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Горн

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2500 т

5000 т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

шлака

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

чугуна

4

Рис. 1. Схема доменной печи объемом 2700 м3 и ее примерный суточный баланс: 1 воздухопровод дутья; 2 шлаковая летка; 3 шлаковоз; 4 лещадь; 5 чугуновоз; 6 летка для чугуна; 7 фурменный прибор; 8 газоходы;

9 засыпное устройство

Жидкий чугун выпускают каждые 2…3 ч (а в крупных печах ежечасно) поочередно через две или три летки, которые для этого вскрывают с помощью электробура. Выливающийся из печи чугун выносит с собой и шлак, находящийся над ним. Чугун направляется по желобам литейного двора в чугуновозные ковши, расположенные

10