Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы технологии переработки руд. Учебное пособие
.pdf
руды. Железо является активным металлом, поэтому встречается в природе чаще
всего в виде различных окислов и гидроокислов. Породы, содержащие подобные
соединения называются железными рудами.
Пустая порода руды включает в себя оксиды кремния, алюминия,
кальция и
магния, находящихся в виде разнообразных силикатов и алюмосиликатов. Также в
состав железных руд могут входить в виде окислов такие металлы как марганец,
хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий.
По количеству железа руды подразделяются на бедные, с содержанием железа
менее 30 %; средние с содержанием железа от 30 % до 50 % и богатые – более 50 %.
Выделяют следующие виды железных руд.
1. Магнитный железняк (магнетитовая руда). Главный минерал магнетит
Fe3O4 (78,4 % Fe), он состоит из окислов железа (II) и (III) FeO*Fe2O3. Для чистого
магнетита отношение Fe
:FeO = 2. В рудах, за счет окисления оксида железа (II),
общ
оно возрастает до 7, иногда выше. Такие руды получили название мартит. Обычно
в рудах содержание железа составляет 50 % – 60 %, также в их состав входят сера и
фосфор и они трудно восстанавливаются.
2. Красный железняк (гематитовая руда). В гематитовой руде железо
содержится в форме безводного окисла Fe2O3 , в котором находится до 70 % Fe.
Красный железняк образуется в процессе выветривания и окисления магнитного
железняка. Обычно в нем содержится от 50 % до 70 % железа с небольшими
примесями серы и фосфора. Он сравнительно легко восстанавливается.
3. Бурый железняк. В буром железняке железо содержится в виде
гидратированного оксида железа (III): лимонита 2Fe2O
*
3H2O и гетита Fe2O
3
*
H2O.
3
Он возникает при выветривании и процессе окислении других железных руд. Как
правило, в лимоните содержится значительная часть примесей окислов алюминия и
кремния при содержании железа от 30 % до 40 %. Он также легко
восстанавливается.
4. Шпатовый железняк (сидерит). В нем железо содержится в виде карбоната
FeCО3, обычно без вредных примесей. Однако содержание железа не велико и не
превышает 30 % – 40 %.
131
На территории Российской Федерации основные месторождения железных
руд представлены Курской магнитной аномалией (42 млн. т), руды – мартито-
гематитовые железняки и железистые кварциты; Качканарским, Магнотогорским и
Гусевским месторождениями на Урале (15 млрд. т), содержащими магнетитовые
руды; месторождениями Горной Шории и Абаканским в Западной Сибири, руды –
магнетиты; Ангаро-Питским и Нижне-Туруханским месторождениями в Восточной
Сибири; Оленегорским месторождением в Мурманской области и Костамукшское
месторождением в Карелии.
В Оренбургской области к типу осадочные пластовые месторождения
выветривания относится оолитовая шамозит-гидрогетитовая формация,
представленная группой экзогенных остаточно-осадочных руд Орско-Халиловских
месторождений. Аккермановское месторождение наиболее известно. Гидрогетит,
гидрогематитовые руды месторождения содержат разнообразные металлы – никель,
хром, и другие, поэтому они являются природно-легированными железными
рудами; магматические титаномагнетитовые месторождения, связанные с
основными, ультраосновными породами в Оренбургской области не образуют
месторождений, но выявлено 4 проявления – Базарбайское и Базарбайское 1,
Бездорожное и Кенгуссайское; Шиликтинское проявление в Оренбургской области
относится к железорудной скарновой формации [22].
Всего на территории Оренбургской области известно 10 месторождений и 17
проявлений железа различной рудноформационной принадлежности (согласно П.В.
Лядскому и др. (2013)): железорудной скарновой, кремнисто-магнетит-гематитовой,
бурожелезняковой (осадочного и остаточно-осадочного подтипов) [8].
132
5.5.2 Общая схема производства черных металлов
Наиболее важное промышленное значение из черных металлов принадлежит
стали. Сталь получают из железной руды следующими способами [22]:
– переделкой чугуна,
– прямым восстановлением руды в твердой фазе и
– гидрометаллургическим методом через хлориды железа.
В современной промышленности применяется, как правило, только первый
метод. В мировом производстве стали прямым восстановлением доля способа не
превышает 2 % – 3 % от общего производства стали. Гидрометаллургический метод
все еще находится в стадии доработки. Кроме стали к основным продуктам черной
металлургии относят серый или литейный чугун, металлические порошки.
Обобщенная схема переработки железной руды в целевые продукты представлена
ниже (рисунок 10) [22].
В настоящее время производство черных металлов является сложным
комбинированным производством, состоящим из основных и вспомогательных
цехов и заводов. В общем виде оно состоит из:
– шахт по добыче руды и каменного угля;
– горнообогатительных комбинатов по измельчению, обогащению и
окускованию руд и концентратов;
– коксохимических цехов и заводов, обеспечивающих подготовку углей, их
коксование и улавливание продуктов коксования;
– энергетических цехов для получения кислорода, сжатого воздуха для дутья и
очистки газов металлургических производств;
– доменных цехов для выплавки передельного и литейного чугунов;
– заводов для производства ферросплавов;
– сталеплавильных цехов для производства стали: конвертерных, мартеновских,
электросталеплавильные;
– прокатных цехов.
133
Рисунок 10 – Обобщенная схема переработки железной руды в целевые
продукты
Заводы с полным металлургическим циклом «руда – чугун – сталь – прокат»
вследствие высокой материалоемкости производства (6 т сырья на 1 т продукции)
располагаются в районах месторождений руды или угля; предприятия
выплавляющие ферросплавы и специальные стали находятся в местах, имеющих
дешевую электроэнергию. В нашей стране предприятия черной металлургии
сосредоточены в трех основных регионах: Уральском – в Н.Тагиле, Магнитогорске,
Челябинске, Новотроицке; Сибирском – в Новокузнецке, Новосибирске,
Красноярске; и Центральном – в Туле, Череповце, Липецке, Москве, Нижним
Новгороде и Ст. Оскол [22].
5.5.3 Производство чугуна Теоретические основы и технологическая
схема доменного процесса
Производство чугуна является первая стадией двухступенчатого процесса
переработки железных руд в сталь. Именно этот способ получения стали, как
134
отмечалось выше, в настоящее время преобладает. Чугун выплавляют из
железорудного сырья в доменных печах, в которых за счет сгорания топлива
создаются высокие температуры. В доменных печах обеспечивают восстановление
оксидов железа руды, образования жидкого чугуна и, затем, отделения пустой
породы в виде шлака. Этот процесс называется доменным процессом или доменной
плавкой [22].
Сырьем в доменной плавке служат железные руды, твердое, жидкое и
газообразное топливо, флюсы, марганцевые руды и воздух. Руды специально
подготавливают (агломерат, окатыши). Смесь твердого сырья, которое загружается
в доменную печь, называют шихтой. Топливо служит для создания в печи высоких
температур, которые необходимы для протекания реакций по восстановлению
окислов железа, образования оксида углерода (II) и водорода – они являются
газообразными восстановителями, диффузию углерода в восстановленное железо и
образование чугуна. В качестве топлива используют, как правило, каменноугольный
кокс и, чтобы снизить его расход, добавляют газообразное (природный и коксовый
газы), жидкое (мазут), аэрозольное (угольная пыль) топлива. Доменный кокс должен
удовлетворять определенным требованиям: обладать высокой прочностью,
сопротивлением к истиранию, не спекаться в условиях процесса, содержать
минимальные количества золы, серы, фосфора. Повышение содержания серы в
коксе на 1 % увеличивает его расход на 1 %, что понижает производительность
печи, в свою очередь, на 2 %. Как правило, в доменном коксе содержится: золы 8 –
12 %, серы 0,5 % – 2,0 %, фосфора обычно до 0,5 %.
Флюсы добавляют в шихту для снижения температуры плавления процесса, и
получения легкоплавкого жидкотекучего и легко отделяемого от чугуна шлака.
Флюсами служат не содержащие серы и фосфора карбонат кальция и доломит
CaCО3 * MgCO3. В настоящее время флюсы вводят и прямо в доменную печь, а в
шихту при ее предварительной подготовке. При этом образуется офлюсованный
железорудный материал.
Марганцевые руды, содержат окислы марганца Mn2O3 и MnO2 или карбонат
марганца МnСОз, их используют при выплавке ферромарганца и
135
высокомарганцовистых (с содержанием около 1 %) сортов литейного и
передельного чугунов.
Воздух обогащают кислородом, что обеспечивает реакции горения топлива и
образование газообразных восстановителей.
Железные руды перед плавкой специально подготавливают с целью
повышения содержания железа в железорудных компонентах, обеспечения
необходимой дисперсности и газопроницаемости их и, в конечном итоге,
увеличение производительности доменной печи, понижение расхода кокса, флюсов.
Главными процессами предварительной подготовки является обогащение руды и
окускование рудной мелочи. Предварительно исходное сырье подвергают
операциям дробления, более тонкого измельчения, классификации (грохочения).
Выбор метода обогащения зависит от состава руды, свойства гидрофобности
пустой породы, а также формы нахождения железа в сырье. Для обогащения
применяют промывку, то есть отмывание пустой породы, флотацию,
гравитационную, магнитную сепарацию. Оптимальную степень обогащения
выбирают из технико-экономических показателей. При повышении содержания
железа в концентрате, соответственно возрастают затраты на обогащение, однако
при этом снижаются затраты на доменный процесс. Методом магнитной сепарации
получают порядка 90 % всего железорудного концентрата. Данный метод основан
на различной магнитной проницаемости минералов руды и породы, он применяется
для обогащения магнитных железняков.
Остановимся кратко на теоретических основах доменного процесса.
Доменную плавку проводят в плавильных агрегатах непрерывного действия
шахтного типа, которые называются доменными печами. Они представляют собой
реакторы идеального вытеснения «РИВ-Н». В этих реакторах непрерывно движутся
навстречу друг другу материальные потоки: сверху подается твердая шихта, а снизу
газообразные восстановители, которые образуются в результате сгорания топлива и
взаимодействия продуктов горения с компонентами шихты. Режим противотока
обеспечивает постоянство движущей силы, скорости реакций восстановления, а
также стационарность режима работы печи.
136
Общая принципиальная схема подготовки железорудного сырья к доменной
плавке, включая операции обогащения, агломерации и окомкования представлена на
рисунке 11 [22].
Из рисунка видно, что профиль печи обеспечивает равномерное опускание
шихты из-за горения кокса, плавления материалов шихты и периодического выпуска
чугуна и шлака, равномерное распределение газового потока по сечению печи и
максимально эффективное протекание реакций восстановления руды, образования и
разделения чугуна и шлака. Рисунок 12 демонстрирует разрез доменной печи и
распределение температур внутри печи [22].
При постоянном режиме работы доменной печи в ней создается и
поддерживается определенный температурный режим, протекают химические и
физико-химические процессы, которые могут быть сведены к нескольким группам,
приведенным ниже, номера их отмечены на схеме печи в тех зонах ее, в которых
они протекают.
1. Подготовка. К подготовке относят процессы, протекающие в интервале
температур от 100 °С до 400 °С, сюда включают процессы выделения
гигроскопической, гидратной влаги, летучих веществ из твердого топлива.
Рисунок 11 – Принципиальная схема подготовки железных руд к
доменной плавке
137
2 Образование газообразных восстановителей. Это продукты полного
сгорания углерода кокса и природного газа в интервале температур от 1800 °С до
1900 °С с последующим восстановлением продуктов окисления на контакте с
раскаленным коксом, что отвечает реакциям:
С + О
= СО2 и СН4 + 2О2 = 2Н
2
О; СО
2
+ С = 2СО и Н
2
О + С = СО + Н
2
2
Суммируя эти реакции, соответственно, имеем уравнения получения
газообразных восстановителей:
2С + О
СН
+ 0,5О2 = СО + 2Н2 - ∆Н
4
= 2СО - ∆Н
2
3 Восстановление окислов железа Восстановление железа из окислов
начинается при температурах больше 570 °С и протекает ступенчато от высших
окислов к низшим (А.А. Байков), то есть:
Fe2O3 ↔ Fe3O4 ↔ FeO ↔ Fe
Завершается восстановление при температуре равной 1200 °С.
Рисунок 12 – Доменная печь в разрезе
138
В доменной печи прямое восстановление окислов железа углеродом кокса не
играет значительной роли и его протекание возможно только при высоких
температурах. При доменной плавке преобладают процессы косвенного
восстановления окислов железа окислом углерода (II) и водородом, что описывается
уравнениями:
1. 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 – ∆H, ∆H = 53,74 кДж
2. Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 + ∆H, ∆H = – 36,68 кДж
3. FeO + CO = Fe + CO2 – ∆H, ∆H = 16,06 кДж
4. 3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O – ∆H, ∆H = 12,89 кДж
5. Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O + ∆H, ∆H = – 77,54 кДж
6. FeO + H2 = Fe + H2O + ∆H, ∆H = – 24,79 кДж.
Реакции 1, 3, 4 идут с выделением тепла, реакции 2, 5, 6 протекают с
поглощением тепла. Расчет изобарно-изотермических потенциалов реакций 1, 3, 4 с
использованием значений ∆G окислов таблицы 9 дает значения, соответственно,
минус 66 кДж, минус 54 кДж и минус 6 кДж, что является подтверждением
справедливости теории ступенчатого восстановления окислов железа (рисунок 13)
[22].
1, 2, 3 – кривые равновесия для реакций 1, 2, 3, соответственно, 4 – кривая
равновесного состава реакции СО2 + С = 2СО, 5 – кривая, отвечающая составу
реального газа в печи
Рисунок 13 – Диаграмма равновесного состава газовой фазы процесса
восстановления окислов железа оксидом углерода (II)
139
Таблица 9 – Примеры изобарно-изотермических потенциалов окислов
Оксид
FeO
Fe2O3
Fe3O4
CO
CO
2
MnO
SiO
2
∆G
0
298
– 252
– 744
– 1020
– 137
– 395
– 364
– 851
Каждой реакций (1 – 6) отвечает равновесный состав газообразной фазы,
которая характеризуемый отношением СО/СО
. Оно зависит от природы окислов
2
железа (его термической стабильности) и температуры. Рисунок 13 демонстрирует
кривые равновесного состава газообразной фазы над твердой фазой в зависимости
от температуры для реакций 1, 2 и 3. Поскольку реакция 1 является практически
необратимой, кривая для нее приближается к оси абсцисс, поэтому, даже небольшой
концентрации окисла углерода (II) в газообразной фазе хватит для восстановления
Fe2O3 до Fe3O4. Реакция 3 – экзотермическая, поэтому равновесная концентрация
СО для нее возрастает при повышении температуры, а для эндотермической
реакции 2 она понижается. Следовательно, если окислы железа находятся в
равновесии с газообразной фазой (СО и СО2), то в поле диаграммы ниже кривой 1
устойчив оксид Fe2O3, а в поле между кривыми 1 и 2 оксид FeзО4. В поле диаграммы
между кривыми 2 и 3 устойчив оксид FeO, а в поле выше кривой 3 – металлическое
железо. Если в системе наблюдается в избытке углерод, то состав газа определяется
кривой 4. Согласно условиям термодинамики, восстановление оксида FeзО
в оксид
4
FeO может начинаться при температуре, соответствующей точке А, а оксида FeO в
железо соответствующей в точке Б. Реальный состав газообразной фазы в печи
таков (кривая 5), что только при высоких температурах могут быть достигнуты
равновесные концентрации СО, согласно уравнению химической реакции СО2+ С =
2СО + ∆H. При низких температурах реальное содержание СО выше равновесного и
по отношению к железу в печи всегда поддерживается восстановительная атмосфера
(27 % – 30 % СО в газе).
Если сложить реакции 1, 2, 3 то можно получить суммарное уравнение
восстановления оксида железа (III) до металлического железа в следующем виде:
Fe2O3 + ЗСО ↔ 2Fe + ЗСО2 – ∆H, ∆H = 25,58 кДж.
140
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]