Металлургические технологии металлургия чёрных металлов. Практикум

УДК 669.1 И17

Рецензент канд. техн. наук, ст. эксперт А.Е. Пареньков

Ивлев С.А.

И17 Металлургические технологии : металлургия чёрных металлов : практикум / С.А. Ивлев, М.П. Клюев. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2017. – 45 с.

ISBN 978-5-906846-57-0

Представлен алгоритм решения широкого круга практических задач, возникающих на различных этапах металлургического производства. Поэтапное выполнение предлагаемых заданий дает возможность студенту проследить превращение сырой железной руды, добытой из недр Земли, в железорудный концентрат, а затем – в агломерат, определить основные техникоэкономические и экологические показатели производства чугуна в доменной печи и стали в кислородном конвертере. Целью настоящего практикума является формирование у студентов комплексного подхода к изучению технологических процессов черной металлургии, закрепление знаний и навыков, полученных на занятиях в аудитории, практиках и в ходе самостоятельной подготовки.

Практикум предназначен для студентов, обучающихся по программам бакалавриата по направлению 22.03.02 «Металлургия».

УДК 669.1

2

3

Введение

Черная металлургия является одной из базовых отраслей народного хозяйства, без которой невозможно развитие таких отраслей, как машиностроение, строительство, транспорт, оборонный комплекс и др.

Современное крупное металлургическое предприятие (комбинат) следует рассматривать как комплекс производств, деятельность которых направлена на получение конечной металлопродукции: товарного чугуна, стальных слитков и заготовки, проката разнообразного сортамента и др. В состав таких металлургических комбинатов, как правило, входят следующие основные производства: рудники и гор- но-обогатительная фабрика, коксохимическое, агломерационное, доменное, сталеплавильное, прокатное производство, а также необходимые вспомогательные производства. Тесная кооперация между ними, непрерывный обмен продукцией, материалами и энергоносителями определяют высокую эффективность работы металлургического комбината в целом.

Производство черных металлов начинается с добычи железных руд и их подготовки. Конечные продукты коксохимического и агломерационного производства (кокс и агломерат) входят в состав шихты доменных печей, выплавляющих чугун, который, в свою очередь, является основным компонентом металлошихты сталеплавильных агрегатов. Коксовая мелочь (коксик) используется при производстве агломерата, а также для науглероживания жидкой стали. Выделяющиеся в ходе технологических процессов газы (коксовый, доменный, конвертерный), обладающие высокой теплотой сгорания, после необходимой подготовки используются в качестве источников энергии в коксохимическом и агломерационном производстве, а также для нагрева слитков и заготовок в прокатных цехах. Образующиеся на всех этапах производства отходы (точнее – попутные продукты): окалина, шлаки, пыли, шламы, содержащие железо в значительном количестве, возвращаются в металлургический передел в виде компонентов шихты при производстве агломерата, чугуна и стали.

4

Занятие 1 ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ЖЕЛЕЗНЫХ РУД

Основой черной металлургии и источником железа является железная руда. В настоящее время в практике доменного производства железная руда, добытая из недр Земли, так называемая сырая руда, практически не используется, так как не отвечает требованиям, предъявляемым металлургами к качеству железорудных материалов по следующим критериям:

–по содержанию железа;

–по содержанию вредных примесей;

–по химическому составу и уровню основности пустой породы;

–по гранулометрическому составу (кусковатости).

Оценка качества сырой железной руды по перечисленным критериям позволяет разработать наиболее рациональную схему подготовки ее к металлургическому переделу.

1.1.Определение содержания железа

вжелезной руде

Наиболее важным критерием качества железной руды является содержание в ней железа.

Железные руды состоят из минералов, которые делятся на две группы: рудные минералы, содержащие основную массу железа, и пустую породу – минералы, в составе которых железо отсутствует, либо содержится в незначительном количестве. Железо в рудных минералах присутствует в виде оксидов (FeO, Fe2O3) и карбоната (FeCO3). В руде также могут содержаться попутные примеси Cr, Ni, Ti, Mo, W, V и др., а также вредные примеси, снижающие качество стали, – S, P, As, Cu, Zn и Pb.

Промышленное значение имеют следующие рудные минералы и образованные ими железные руды:

–магнетит (МГ) – магнитный оксид железа Fe3O4, магнитный железняк;

–гематит (ГМ) – безводный высший оксид железа Fe2O3, бурый

железняк;

–гидрогематит (ГГМ) – водный оксид железа mFe2O3 nН2О, красный железняк, к нему также могут быть отнесены лимонит, гётит и другие рудные минералы, содержащие гидратную воду;

–сидерит (С) – карбонат железа FeCO3, шпатовый железняк.

5

Содержание железа в железной руде определяют по формуле

где Fep – содержание железа в руде, % масс.; AFe – атомная масса железа;

MFeO , MFe2O3 – молекулярные массы компонентов железной руды соответственно;

FeOp , Fe2O3p – содержание компонентов в железной руде соответственно, % масс.

При необходимости, в связи с присутствием в руде других соединений железа, уравнение (1.1) можно дополнить другими соответствующими слагаемыми. Аналогичное уравнение следует применять при расчете общего содержания железа в других материалах: железорудном концентрате, агломерате и др.

По содержанию железа руды делятся на богатые и бедные. К богатым рудам относятся магнетитовые и гематитовые руды, содержащие более 45…48 % масс. железа, гидрогематиты и сидериты, содержащие соответственно более 37…40 и более 27…30 % масс. железа соответственно. Руды с меньшим содержанием железа относятся к бедным рудам. Горные породы с содержанием железа меньше 14 % масс. к железным рудам не относятся.

Задание. Выполнить расчет содержания железа в железной руде заданного состава (прил. 1), оценить, используя информацию о браковочных пределах, к какой категории – богатых или бедных руд – относится руда данного состава, сделать вывод о целесообразности ее обогащения, исходя из того, что повышение содержания железа в шихте на 1 % масс. позволяет увеличить производительность доменной печи на 2,0…2,5 % отн.

1.2.Определение содержания вредных примесей

вжелезной руде

Квредным примесям, снижающим качество железной руды, а следовательно, чугуна и стали, относятся сера и фосфор. В дальнейших расчетах условно принято, что сера в железной руде находится в сульфатной форме (SO3), а фосфор – в виде P2O5. Содержание серы и

6

фосфора в железных рудах, используемых в доменном производстве, не должно превышать 0,3 % масс. для каждого элемента.

Содержание серы и фосфора в железной руде определяется по формулам

где Sp , Pp - содержание серы и фосфора в железной руде, % масс.; AS , AP – атомные массы серы и фосфора соответственно;

MSO3 , MP2O5 – молекулярные массы SO3 и P2O5 соответственно;

SO3p , P2O5p – содержание SO3 и P2O5 в железной руде соответственно, % масс.

Задание. Выполнить расчет содержания серы и фосфора в железной руде заданного состава и сделать вывод о целесообразности и способах дальнейшей ее обработки в целях снижения их содержания.

1.3. Определение основности пустой породы железной руды

В процессе доменной плавки компоненты пустой породы в значительной мере участвуют в образовании доменных шлаков, состав которых оказывает существенное влияние на технико-экономические показатели доменной плавки и состав чугуна.

Главным показателем, характеризующим пустую породу железной руды, является ее основность, величина которой определяется по формуле

где В – основность пустой породы;

CaOp , MgOp , SiOp2 , Al2O3p - содержание соответствующих компонентов в руде, % масс.

7

Наибольшую ценность представляет железная руда, имеющая пустую породу, близкую к 1, так называемая самоплавкая руда. Если основность пустой породы существенно меньше 1, то при подготовке руды или при составлении шихты доменной плавки необходимо использовать флюсы, повышающие содержание СаО в шлаке.

Задание. Определить основность пустой породы железной руды заданного состава и сделать вывод о целесообразности использования флюсов при дальнейшей ее обработке.

8

Занятие 2

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОДГОТОВКИ ЖЕЛЕЗНОЙ РУДЫ К ДОМЕННОЙ ПЛАВКЕ

В зависимости от качественных характеристик железной руды ее подготовка к металлургическому переделу может включать в себя следующие стадии:

–дробление;

–измельчение;

–обогащение;

–окускование (агломерация, окомкование).

2.1.Оценка кусковатости железной руды

ирасчет схемы дробления

Железные руды из недр Земли добывают либо открытым способом

– в карьерах, либо подземным способом – в шахтах. При добыче руды открытым способом размер глыб может достигать 1000…1200 мм, при добыче руды шахтным способом – 300…800 мм. Эти размеры существенно превышают размеры железной руды, обеспечивающие оптимальные условия ее дальнейшей обработки и использования. Для доменной плавки верхний предел крупности кусков руды составляет 40…100 мм; для агломерации – 6…10 мм; для обогащения в некоторых случаях требуется достижения размеров частиц до 0,1 мм.

Дробление является самой затратной стадией подготовки железных руд.

Дробление руды производят в несколько этапов, среди которых различают:

–крупное дробление от 1500 до 350 мм;

–среднее дробление от 350 до 60 мм;

–мелкое дробление от 60 до 6 мм;

–измельчение от 6 до 1 мм.

Для дробления в зависимости от типа рудного минерала и принятых размеров исходной и конечной фракций используют дробилки различных типов: щековые, конусные, валковые. Для измельчения применяют шаровые мельницы и мельницы бесшарового помола. Для обеспечения гарантированного размера конечной фракции на каждом этапе обязательно применяют проверочное грохочение с возвратом надрешетного продукта на повторное дробление (так назы-

9

ваемая замкнутая схема). Показателем процесса дробления на каждой стадии является степень дробления i, определяемая по формуле

где D, d – исходный и конечный максимальный размер кусков на данной стадии дробления.

Задание. Задаться способом добычи железной руды и исходными размерами кусков. Обосновать и отобразить графически схему дробления с указанием степени дробления на каждой стадии, максимальных размеров кусков входящей и выходящей на каждой стадии фракций, типов применяемых дробилок. Величину степени дробления (i) рекомендуется принять в диапазоне: для щековых дробилок (крупное и среднее дробление) 4…6; для конусных дробилок при крупном и среднем дроблении 5…6, при мелком – 10. Предусмотреть обязательно на каждой стадии предварительное и проверочное грохочение.

2.2. Расчет показателей стадии обогащения

Обогащение железной руды – технологическая операция, целью которой является повышение содержания железа в железорудном материале, используемом в доменной плавке или в сталеплавильном производстве.

Все способы обогащения железных руд основаны на существенных различиях химических и физических свойств рудных минералов и пустой породы. Именно этим определяется многообразие методов обогащения, а именно – промывка, магнетизирующий обжиг, флотация, магнитная сепарация и др.

Продуктами обогащения являются концентрат, содержащий большее количество железа, чем исходная руда, и хвосты – отходы обогащения.

Показателями процесса обогащения являются:

–α – содержание железа в исходной руде, % масс.;

–β – содержание железа в концентрате, % масс.;

–ν – содержание железа в хвостах, % масс.;

–γк – выход концентрата, доли ед., определяется по формуле

10