книги / Металлургия черных и цветных металлов

Несмотря на главенствующее положение черных металлов, наряду с ними имеют исключительно важное значение цветные металлы. Цветные металлы находят широкое применение во всех отраслях народного хозяйства и особое значение приобрели в новой технике, приборостроении, радиотехнике, элект­ ронике и т. д. Значение цветных металлов возрастает в связи с тем, что ряд их имеет особые физико-химические и физико-механические свойства, которыми не обладают сплавы на железной основе. В настоящее время мировое произ­ водство цветных металлов достигло 30 млн. т/год.

Получение черных и цветных металлов осуществляется на основе общих физико-химических закономерностей, в связи с этим находится много схожих моментов в технологии получения как тех, так и других, и в принципах дейст­ вия, устройства агрегатов. Цветная и черная металлургия имеет ряд общих процессов, как например: агломерация, окомкование, использование кисло­ рода или воздуха, обогащенного кислородом. В цветной металлургии полу­ чили развитие реакторы высокой интенсивности, получающие распространение и в черной металлургии. К таким агрегатам можно отнести циклоны, реак­ торы, действующие на основе кипящего слоя и др.

Многостадийность металлургических производств и комплексная переработка руд

Классическая схема производства черных сплавов осуществля­ ется в две стадии. На первой стадии получается черновой ме­ талл—чугун. Рафинированием чугуна производят сплавы на основе железа. Особенностью цветной металлургии является большая многостадийность технологий извлечения металлов из руд. Это связано с тем, что сырье для производства цветных металлов, как правило, сложное, многокомпонентное, содержит, наряду с извлекаемым металлом, другие ценные элементы, которые необходимо получать в процессе переработки рудного материала. Кроме того, руды цветных металлов в большинстве случаев имеют низкое содержание экстрагируемого металла, например медные руды перерабатывают при. концентрации меди 0,5 %, а часто и менее. Эти обстоятельства усложняют техноло­ гию и увеличивают стадийность технологии. Получение из руды только одного мЛалла приводит к потерям других ценных ком­ понентов сырья и большему количеству отходов. В настоящее время практически все руды следует считать комплексными, а не железными, марганцевыми, медными, никелевыми и т. д., поскольку все руды содержат сопутствующие металлы, а также компоненты нерудной части, которые можно использовать. Комплексная переработка сырья с извлечением всех ценных составляющих при применении процессов, не создающих выбро­ сов в окружающую среду и не нарушающих сложившегося кру­ гооборота веществ в природе, соответствует и экологическим требованиям к современному производству. При комплексном использовании сырья отходы одних процессов становятся сырьем для других. Все это определяет поиски таких технологий, кото­ рые обеспечивают повышение степени извлечения полезных ме­ таллов из руд и комплексную переработку сырья с организа-

дней малоотходных и безотходных производств. Таким образом, комплексное использование сырья можно считать современной технологией переработки комплексных руд, когда вещественный состав сырья конкретных месторождений рассматривается в единстве с процессами его эффективной переработки.

Проблема исчерпаемости природных ресурсов

Руды многих металлов (олова, цинка, свинца) при современ­ ных темпах добычи будут исчерпаны уже в начале следующего века. Распространенность металлов оценивают по их содержа­ нию в литосфере — твердой поверхностной оболочке земного шара, которая является главным сосредоточением месторожде­ ний полезных ископаемых. Распределение средних массовых концентраций металлов в континентальной литосфере представ­

Наиболее распространенными металлами являются алюми­ ний, магний, железо, титан. В связи с проблемой сбережения 'ресурсов, наряду с металлами, а часто в комбинации с ними,

лов, которые по некоторым своим свойствам могут быть выше металлических. К новым материалам относят в первую очередь композиты и конструкционную керамику. В этой связи возра­ стает роль и применение углерода.

В производство цветных металлов вовлекаются запасы не только недр

всреднем в количестве 0,3 %. В некоторых морях,- например Мертвом море,

иозерах концентрация хлористого магния выше. Так, в озерах Крыма содер­ жится >33 % MgCl2. Огромные количества хлорида магния содержатся в во­ дах Кара-Богаз-Гола. В настоящее время магний, получаемый из морской

воды, составляет >60 % его ежегодной мировой продукции. Возможна ком­ пенсация исчезающих месторождений за счет открытий залежей полезных ис­ копаемых под морским дном; так находят и уже добывают >30 % нефти в шельфах.

Обеднение минеральных месторождений и проблема подготовки руд

Если исчерпаемость рудных месторождений в настоящее время удел некоторых металлов, то обеднение рудных месторождений является характерным для всех руд, из которых получают чер­

ные или цветные металлы. Причины этого в интенсивной, часто

в 1980 г.

Естественно, производство металла не может основываться на переработке бедных руд. Эффективной мерой противодейст­ вия этому является рудоподготовка, в результате которой после обогащения рудных материалов средняя по Союзу концентра­ ция железа в товарной руде за те же годы увеличилась от 57,3 до 60,2 %.

Подготовка руд к плавке связана не только с необходи­ мостью обогащать, приводить истощенные, обедненные руды к лучшему составу, но и с необходимостью изменять физико­ химические свойства рудных материалов. Подготовка сырых материалов, улучшение их технологических свойств, повышение в них концентрации извлекаемого металла, уменьшение вред­ ных примесей, окускование и т. п. оказывают сильнейшее воз­ действие на технологию экстрагирования металла, ускоряют отдельные процессы, облегчают их технологически и энергети­ чески, интенсифицируют производство.

Наибольшая материалоемкость (отношение израсходован­ ных сырых материалов к единице продукции), превышающая 1,5—2,0, характерна для производства железа, меди, никеля и других металлов. Соответственно материалоемкости доля руд­ ной и флюсовой составляющих в капиталоемкости производства любого металла оказывается наибольшей, например для чугуна она достигает 70 %, а в его себестоимости 65%. В связи с этим всякое положительное воздействие на сырые материалы эффек­ тивно отражается на повышении рентабельности производства металлов.

Энергозатраты на производство металлов

Подготовка руд эффективна в пределах рентабельности всего производственного цикла. Повышение содержания металла в концентрате рентабельно до тех пор, пока выход концентрата и его стоимость повышают эффективность всего производствен­ ного цикла. С увеличением доли металла в концентрате повы­ шаются энергозатраты, при этом возможно уменьшение выхода подготовленного сырья и увеличение доли хвостов при расту­ щих потерях извлекаемого металла. Подготовка руды эффек­ тивна прИ сохранении экономичности передела, до тех пор пока затраты На дополнительные ступени, повышающие, эффектив­ ность производства, не приближаются к стоимости металла, когда его производство становится нерентабельным. Это поло­ жение м0*кет быть выражено неравенством, в левой части

СЫРЫЕ МАТЕРИАЛЫ ПРОИЗВОДСТВА ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ И ПОДГОТОВКА

Раздел 1 ИХ К ПЛАВКЕ

Гл а в а 1. ТОПЛИВО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ

§1. Кокс

Кокс — топливо современных доменных печей — получают на­ гревом каменных углей до 1100—1200 °С без доступа воздуха. Угли перед коксованием измельчают и обогащают. Обогащение снижает зольность в 2—3 раза; зольность обогащенных углей Донбасса 6—8 %, необогащенных 12—16 %. Угли обогащают поршневыми отсадочными машинами, в тяжелых суспензиях и флотацией. Обогащением получают: концентрат (выход 66— 73% ), который идет на коксование; промежуточный продукт

спониженным содержанием углерода — на энергетические

нужды; «хвосты» — в отвал. Выход кокса зависит от содержа­ ния летучих и колеблется от 75 до 82 %. Качество кокса опре­ деляют по содержанию летучих, золы, серы, влаги: нормально летучих от 0,9 до 1,25 %, более 1,5 % летучих указывает на недококсованность угля, наличие «недопала». Зола уменьшает содержание углерода в коксе, требует добавочного флюса для ее ошлакования и тепла для плавления. Содержание золы со­ ставляет 12—14 %, в редких случаях малозольные коксы содер­ жат 2—6 %. Серы в коксе содержится от 0,5 до 2,0% в зави­ симости от ее содержания в угле. Сера может быть пиритная, сульфатная и органическая. При обогащении и коксовании в какой-то степени удаляется пиритная и сульфатная сера, остается органическая. В коксе содержится от 0,01 до 0,05 % Р, влаги — от 2 до 6 %. По анализу органической массы устанав­ ливают степень и качество выжига кокса. В выжженном коксе содержится 82—90 % С. Теплотворная способность горючей массы около 33075—33495 кДж/кг.

Под физико-химическими свойствами кокса понимают реак­ ционную способность, горючесть и температуру воспламенения. Реакционная способность определяется способностью углерода кокса восстанавливать диоксид углерода по реакции СОг + С= = 2СО. Горючесть — это скорость горения. Температура воспла­ менения кокса 600—750 °С. Физическими свойствами кокса яв­ ляются: механическая прочность, термическая стойкость, сито­ вой состав и газопроницаемость. Механическая прочность кокса в значительной степени определяет процесс доменной плавки. Чем прочнее кокс, тем меньше образуется мелочи и лучше бу­ дет работать печь. Усилие раздавливания кокса составляет

вом и создание бескоксовой металлургии, т. е. отказ от домен­ ного производства — основного потребителя кокса. Такое на­ правление развития черной металлургии значительно сократит расход каменного угля, тем более что запасы коксующихся углей очень ограничены. Уменьшение производства кокса имеет большое экологическое значение, так как при коксохимиче­ ском производстве выбрасывается огромное количество серни­ стых газов, загрязняется атмосфера на огромном пространстве.

§ 2. Другие виды металлургического топлива

К ним относятся газовые горючие материалы: генераторный, доменный, коксовый, смешанный (смесь доменного и коксового) и природный газы (табл. 1.1). Эти газы — основные топливные материалы мартеновских и нагревательных печей.

Гл а в а 2. ЖЕЛЕЗНЫЕ РУДЫ

§1. Понятие о рудах

Среди составляющих земную кору после кислорода, кремния и алюминия железо занимает четвертое место (4,7 %). Про­ мышленное извлечение железа возможно из определенных по­ род— железных руд. Промышленной рудой называют горную породу, из которой при современном состоянии техники эконо­ мически выгодно извлечение содержащегося в ней металла. Понятие промышленной руды меняется в зависимости от разви­ тия экономики и техники, запасов руды, ее потребления, воз­ можности добычи и подготовки, условий транспортировки и ряда других обстоятельств. Минералы, в состав которых входит металл как предмет извлечения, называют орудняющими. Из них промышленный интерес представляют следующие.

Безводный оксид железа, или гематит Fe2C>3— чистый гема­ тит содержит 70,10 % Fe, кристаллизуется в тригональной. сингонии, плотность 5,0—5,3 т/м3, твердость 5,5—6,0 (по Моосу). В зависимости от отклонений в кристаллизации могут быть раз­ новидности: железный блеск — черного цвета с металлическим блеском, явно кристаллического строения; железная слюдка;

от которого различают: турьит 2Fe2C>3-H20 , гидрогетит 3Fe2C>3- •4Н20, лимонит 2Fe20 3-3H20, лимнит Fe20 3-3H20 и др„ яв­ ляющиеся твердыми растворами воды в гетите.

Магнетит, или магнитный железняк Fe30 4— чистый магне­ тит, или магнитный оксид железа, содержит 72,4 % Fe, кристал­ лизуется в кубической сингонии, твердость 5,5—6,5, плотность 4,2—5,2 т/м3, с металлическим блеском, сильно магнитен.

Сидерит, или углекислое железо FeC0 3— в чистом виде со­ держит 48,2 % Fe.

Генезис руд определил неизбежное сосуществование с руд­ ными материалами нерудных, составляющих пустую породу. Подавляющая масса руд имеет кварцевую породу Si02. Пере­ числить все нерудные материалы затруднительно, назовем для примера несколько чаще встречающиеся.

Полевые шпаты — группа самых распространенных породо­ образующих минералов; сложные алюмосиликаты, изоморфные смеси алюмокремниевых солен натрия, калия и кальция. При­ мером состава из многочисленного ряда минералов группы по­

R3+ — Al, Fe3+, Cr).

Пироксены — большей частью метасиликаты с R—Са, Mg, Fe, а также Мп и редко Na, К. Как пример сложности минералов этой группы приведем авгит: /iCa(Mg, Fe)Si20 6• m(Al, Fe)20 3.

Амфиболы — их состав близок к метасиликатам /?Si03 с R — Са, Mg, Mn, Na, К, Н2, А1 и Fe3+. Состав некоторых мине­ ралов этой группы очень сложен, например формула роговой обманки [(Si, А1)40„]2(Са, Na)2(Mg, Fe2+, А1)5(НО)2.

Железные руды содержат разные примеси, из них полезные: Mn, Ti,V, Cu.Cr; вредные: сера (вносится пиритом FeS2, пирро­ тином FeS, халькопиритом CuFeS2, арсенопиритом FeSAs, гип­ сом CaS04-2H20, баритом BaS04); фосфор (вносится апатитом 3(P20 8Ca3)Ca(F, Cl, ОН)2 или вивианитом (P 0 4)2Fe3-8H20 ); мышьяк (вносится арсенопиритом FeAsS), цинк (не переходит

всплавы железа, но осложняет доменную плавку).§

§2. Основные виды железных руд и их общие запасы

Руды безводного оксида железа, или красного железняка, орудняются гематитом Fe20 3. Содержание железа в рудах 50—70 %, восстановимость руд высокая. Пустая порода кремнистая, тре­ бующая основного флюса. Красные железняки, содержащие 40—50 % Fe, при большом количестве в пустой породе кремне­ зема (до 30—40 %) называют кварцитами. При поглощении гематитом гидратной влаги образуется гидрогематит Fe20 3- •хН20 (х=0ч-0,5).

Руды водного оксида железа, или бурые железняки орудняются, главным образом, лимонитом, иногда с лимнитом, гетитом и турьитом. Руды осадочного происхождения в основном рых­ лые, порошковатые; если куски, то рыхлого строения, легко пре­ вращающиеся в мелочь и пыль. Оолитовые бурые железняки зернистого строения дают пылеватую, легко восстановимую руду. Бурые железняки пористы, содержат много химически связанной, адсорбированной и гигроскопической влаги. Цвет руды обычно бурый или желтый. Руды водного оксида железа

малой плотности, большой пористости, увеличивающейся при испарении влаги и химически связанной воды. В большей части руды загрязнены вредными примесями — фосфором, серой, иногда мышьяком. В ряде месторождений бурые железняки содержат 1 % Р и более. Из таких фосфористых руд выплав­ ляют фосфористые чугуны.

Для эффективного использования бурых железняков необхо­ димо их обогащение.

Магнетитовые руды или руды магнитного оксида железа

образованы магнитным железняком, или магнетитом БезО^ Магнетит в рудах представлен плотной или зернистой массой или отдельными кристаллами и зернами, вкрапленными в крем­ нистую или кремнеземоглиноземистую породу. Руды преиму­ щественно богатые, содержат 50—60 % Fe, плотного кристалли­ ческого строения, блестящего черно-синего цвета. В верхних слоях магнетит обычно окислен и превращен в мартит или полумартит. В этом случае образуются твердые растворы кисло­

физма гематита по магнетиту. Магнетитовые руды в окислен­ ных слоях бывают чистые от вредных примесей и сильно загряз­ нены серой в неокисленных слоях (до 6,0 % и более). Магнит­ ные железняки трудно восстановимы, легче восстанавливаются мартиты. Пустая порода разнообразна, преимущественно со­ стоит из полевых шпатов, в некоторых случаях бывает повы­ шено количество СаО и MgO. Отношение БЮг/АЬОз в пустой породе колеблется от 0,5 до 6,0.

Запасы руд подразделяются на группы: А — детально раз­ веданные и опробованные в промышленных масштабах; В — достаточно разведанные; Ci — предполагаемые (на достаточных основаниях); С2— перспективные (вероятные). Запасы А+ В+ + С1+С 2 утверждаются Государственным комитетом запасов по­ лезных ископаемых при Совете Министров СССР, считаются балансовыми и являются сырьевой базой металлургии. Балансо­ вые запасы железных руд СССР со средним содержанием Fe 36,9 % на 1980 г. по категориям A+ B+ Ci считались 75 млрд, т,

с категорией С2^—120,9 млрд, т и забалансовые запасы счита­ лись до 86,3 млрд. т.

Мировые геологические запасы железных руд в настоящее время ориентировочно оцениваются в (3,0—3,5) • 103 млрд, т, из них 45 % — СССР, 14 % — Индия, 10 % — Бразилия, 5 % — США, 4,5 % — Франция. К большим запасам железных руд сле­ дует добавить огромные неисследованные и невскрытые запасы. Одна Антарктида несет запасы, которые можно считать резер­ вами далекого будущего и которых при современном расходо­ вании хватит на *?00 лет. Таким образом, век железа будет иметь неопределенно длительное продолжение.

§ 3. Основные месторождения железных руд СССР

Криворожский бассейн. Это одно из старейших и наиболее эксплуатируе­ мых месторождений. Запасы Криворожского бассейна на 1980 г. по катего­ риям A+ B+ Ci оценивались в 15,90 млрд, т; с месторождениями Украины образует Большой Кривбасс с запасами A+B+Ci в 20,50 млрд, т и С2 1,40 млрд. т. Месторождения образуют богатые гематитово-мартитово-магне- титовые руды (52—54 % Fe) и железистые кварциты (32—36 % Fe). Богатые руды имеют средний состав, %: Fe 57; Si02 14; Р 0,04; S 0,02, т. е. высокое содержание кремнезема и низкое серы и фосфора. Несколько высокопроизво­ дительных горно-обогатительных комбинатов (ГОК) в бассейне обогащают магнетитовые и окисленные кварциты.

Курская магнитная аномалия. КМА представляет собой огромные место­ рождения железных руд комплекса древнейших горных пород. Запасы по ка­ тегориям A-hB-f-Cj оцениваются в 16,7 млрд, т и С2 в 21,7 млрд, т при огром­ ных забалансовых. Месторождения составляют преимущественно мартитогематитовые руды с содержанием 54—62 % Fe и железистые кварциты с 32—36 % Fe. Некоторое представление о бассейне дает ознакомление с глав­ ными рудными районами и их месторождениями (табл. 1.2). На эксплуатируе­ мых месторождениях работают ГОКи высокой производительности, обогащая мартиты, магнетиты и железистые кварциты. Для этих месторождений харак­ терно залегание магнетитов, мартитов под толщей осадочных пород на желе­ зистых кварцитах,, продуктом выветривания которых они являются. По всем районам имеются огромные забалансовые запасы кварцитов, но и не принимая их во внимание, невозможно переоценить значение бассейна КМА.

Северный железорудный бассейн. Кольские месторождения являются ба­ зой северной металлургии и основой для Череповецкого металлургического комбината. Руды бассейна складываются из осадочных метаморфических по­ род, магнетитовых, гематито-магнетитовых, железистых кварцитов в Олене­ горском и Костомукшском месторождениях; магнетитовых руд в Кондорском; титано-магнетитовых руд в Африкандском и Пудожгорском. Запасы по кате­ гориям А-FB-f-Ci составляют 2,5 млрд, т, С2 0,30 млрд. т. Кварциты этих месторождений имеют примерный состав, %: Fe 35,5; Si02 43; S 0,04. Добы­ ваемые руды обогащаются ГОКами при месторождениях.

Керченское месторождение. Это одно из мощных месторождений мира оолитовых бурых железняков, сцементированных песчано-глинистой породой. Орудняющий минерал — лимонит. Состав руд не однороден, %: Fe 32—40; Р 0,4—1,3, V 0,03—0,2, As 0,05—0,2. Кремнеземо-глиноземистая порода содер­ жит 10—21 % Si02. Руда добывается открытым способом, перед плавкой ее