Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы технологии переработки руд. Учебное пособие
.pdf
Из этого уравнения видно, что процесс в общем является экзотермическим.
Из приведенных выше реакций образования газообразных восстановителей
видно, что это происходит из-за увеличения концентрации кислорода в подаваемом
в печь воздухе и повышение давления, что и применяется в доменной плавке.
При температуре выше 900 С происходит интенсивное восстановление
оксида углерода (IV) на поверхности раскаленного кокса и процесс может быть
описан уравнениями:
FeO + СО = Fe + СО2 -∆H и С + СО2 = 2 СО + ∆H
Суммируя их, получаем:
FeO + С = Fe + СО +∆H ∆H = 153 кДж,
то есть процесс восстановления окисла железа FeO можно рассматривать как
протекающий в твердой фазе, как прямое восстановление. Этой реакции (рисунок
13) соответствует заштрихованная часть поля, поэтому, доля прямого
восстановления растет с возрастанием температуры доменной плавки.
3. Науглероживание железа и получение чугуна. Процесс науглероживания
губчатого металлического железа происходит на контакте с доменными
газами, которые содержат оксид углерода (II) и раскаленный кокс.
Науглероживание начинается в твердой фазе при температуре примерно 600
°С и происходит на поверхности только что восстановленного железа, железо,
в свою очередь, катализирует реакцию распада окисла углерода (II).
Продуктом является активный углерод в виде сажи, он реагирует с железом с
образованием карбида железа:
4.
2СО = СО
+ С и 3Fe + С = Fe3C
2
или 3Fe + 2CO = Fe3C + CO2 - ∆H, ∆H = 180,5 кДж.
При переходе железа в жидкое состояние науглероживание становится более
141
энергичным и протекает за счет реакции железа с раскаленным коксом. Затем
карбид железа растворяется в железе. По мере протекания процесса
науглероживания температура плавления железа снижается с 1539 °С у чистого
железа до 1135 °С у сплава, содержащего 4,3 % углерода.
5. Восстановление примесей. В составе металлизированных материалов
шихты – агломератов, окатышей находятся кроме окислов железа окислы и других
элементов. По увеличению сродства к кислороду и термодинамической
устойчивости их окислов, их располагаются в ряд: Сu, As, Ni, P, Zn, Mn, V, Cr, Si, Ti,
Al, Mg, Ca. Степень восстановления этих элементов в доменной печи зависит от их
положения в указанном ряду. Сu, As, P как и Fe практически полностью
восстанавливаются и уходят в чугун. Zn , хоть и восстанавливается, но возгоняется
при этом. V, Cr восстанавливаются примерно на 70 % – 90 % . Al, Mg, Ca в
доменной печи не восстанавливаются. Важные элементы в шихте – это Mn, Si,
содержащиеся в виде различных силикатов в составе агломерата, золы, кокса и
оксида МnО) восстанавливаются лишь по реакциям прямого восстановления при
температуре 1150 °С – 1300 °С.
SiO2 + 2С ↔ Si + 2CO +∆H, ∆H = 635,1 кДж
МnО + С = Мn + СО +∆H, ∆H = 288,3 кДж
Отличием марганца (II) МnО является то, что высшие окислы его легко
восстанавливаются в газовой фазе оксидом углерода (II) даже при температуре от
200 °С до 500 °С в такой же последовательности, как и при восстановлении окислов
железа.
Основными аппаратами доменного производства являются доменная печь и
каупер (рисунок 14) [22].
Доменная печь выполнена в форме башни из огнеупорного кирпича, она
помещена снаружи в металлический сварной кожух. Внутри печь имеет
огнеупорную футеровку. Для уменьшения выгорания печь снабжена
142
холодильниками. Масса печи порядка 30 000 тонн, она крепится на мощном
фундаменте. Размеры печи определяются ее полезным объемом, который зависит от
ее полезной высоты. Например, для мощных современных печей полезным объемом
5000 м3 полезная высота составляет 32,2 м, высота шахты при этом достигает 19,5 м,
диаметр и высота горна соответственно равны14,9 и 4,5 м.
1 – бункер агломерата, 2 – бункер кокса, 3 – скиповый подъемник, 4 –
доменная печь, 5 – засыпной аппарат доменной печи, 6 – пылеуловитель, 7 –
промывной скруббер, 8 – мокрый электрофильтр, 9 – каупер, работающий на
подогрев дутья, 10 – каупер, работающий на разогрев насадки, 11 – дымовая труба
Рисунок 14 – Технологическая схема доменного производства
Шихта подается в колошник через загрузочное устройство, которое
обеспечивает равномерное распределение ее по сечению печи и герметичность в
момент загрузки. В горн печи через равномерно расположенные по его окружности
отверстия, их количество варьируется от от 24 до 40, с помощью фурм поступает из
общего трубопровода подогретый воздух (так называемое воздушное дутье) под
давлением от 0,1 МПа до 0,35 МПа. Для выпуска чугуна и шлака в горне печи
имеются отверстия – летки (от 10 до 18), которые забиваются огнеупорной глиной.
Каупер представляет собой регенератор с периодическим действием, в
использующий теплоту сгорания доменного, природного газа. Каупер выполняется в
143
виде металлического цилиндра до высоты 50 м и диаметром 6 – 9 м с общим
объемом до 4000 м
3
. Он выложен изнутри огнеупорным материалом. Внутри каупер
разделен на две части: первая – камера сгорания, а вторая – камера с насадкой из
огнеупорного материала, снабжена сквозными каналами. В первой камере сгорает
доменный газ, к нему с целью увеличения теплоты сгорания добавляют природный
газ. Продукты сгорания обогревают насадку во второй камере. При достижении
температуры порядка 1200 °С – 1300 °С дымоход перекрывают и через нагретую
насадку пропускается холодный воздух, а обогревающий газ переключают на
другой каупер.
Доменная печь является очень мощным и высокопроизводительным
агрегатом, она потребляет колоссальное количество шихтовых материалов
воздушного и газового дутья. Например, доменная печь полезным объемом 5000 м3
потребляет в сутки 23000 т шихтовых материалов, 18000 т воздушного дутья, 1700 т
природного газа и выдает 12000 т чугуна, 4000 т шлака и 27000 т доменного газа
[22].
5.5.4 Производство и обработка стали
Производство стали является вторым звеном в производственном
металлургическом цикле руда – чугун – сталь – товарное изделие. Основные
способы выплавки стали в современной промышленности – это:
– кислородно-конвертерный, им получают более 60 % от всей массы
выплавляемой в мире стали;
– электросталеплавильный составляет около 25 %;
– мартеновский – порядка 20 %.
С целью улучшения качества стали и получения металла с заданными
свойствами, выплавленная каким-либо методом сталь подвергают вторичной
144
обработке – рафинированию после сталеплавильного агрегата (ковшовая
Метод
Год
1992
1994
1996
Кислородно-конверторный
Электросталеплавильный
Мартеновский
23,1
10,4
66,5
21,1
6,5
72,4
25,3
6,1
68,6
металлургия), переплавке отвердевших слитков (переплавные процессы). В связи со
все возрастающими потребностями новейших отраслей экономики доля вторичной
обработки постоянно растет.
Особое внимание в черной металлургии уделяется внедоменным процессам,
используемых для производства сырья для получения стали и железных порошков
для порошковой металлургии.
У нас в стране последнюю мартеновскую печь запустили в 1970 году. затем
происводили только реконструкцию действующих печей, переделывая их на
двухванные печи. Однако, доля мартеновской стали, выплавляемой в в нашей стране
все еще велика и во много раз превышает долю стали, которую получают
кислородно-конвертерным или электросталеплавильным способами (таблица 10) [2].
Основная доля себестоимости стали и стальных изделий приходится на
затраты на материалы и энергию. В нашей стране 92 % всех конструкций
Таблица 10 – Выплавка стали разными методами в 90-х годах
получают с использованием металлов, в основном, черных. Продукция
металлургической отрасли промышленности составляет около 70 % всего валового
национального продукта (ВНП). Таблица 11 демонстрирует данные по
энергоемкости и материалоемкости сталелитейного производства в различных
странах по состоянию на 1992 год [22].
145
Таблица 11 – Материалоемкость и энергоемкость производства стали
Страна
Материало- и энергоемкость
сталелитейного производства в РФ в %
Энергоемкость стального проката,
тУТ/т проката
РФ
Япония
ФРГ
США
152
90
102
100
1,70
1,27
1,31
1,40
Процесс перехода металлического сырья в сталь заключается в снижении
содержания в нем следующих элементов: углерода, кремния и марганца при полном
удалении примесей серы и фосфора (II). Это достигают окислением этих примесей
до соединений, которые образуют газообразную или жидкую фазу (шлак), который
отделяется от металлической части.
Окислителями при выплавке стали служат: кислород газовой фазы,
растворенный в металле, кислород в составе окисла железа, растворенного в шлаке,
окислы железа в металлической шихте (железная руда, лом).
В газовую фазу
↑
СО + СО2 + SО2
(Fe + C + Si + Mn + Примеси) Fe → Fe FeO + MnO + P2O5 + CaS
↓
В жидкий шлак
В этих случаях металл и шлак – растворители, поэтому выражения
концентрации растворенных в них компонентов принимают обозначения в виде: [С],
[О], а в круглых скобках для раствора в шлаке, например, (Мn). Например, запись
[Mn] + (FeO) = Mn + Fe, следует понимать так: реакция протекает между
растворенным в металле (железе), марганцем и растворенным в шлаке оксидом
железа (II).
146
Во время окисления углерода и примесей часть металлического железа
окисляется до оксида FeO, происходит угар металла. С целью снижения потерь
металла его регенерируют, восстановлением до железа.
Как было показано выше для выплавки стали требуются большие затраты
тепловой энергии. Источниками теплоты при выплавке стали в кислородно-
конвертерном методе является тепловой эффект окисления компонентов шихты
(∆Н→Q). В электросталеплавильном методе – энергия электрического тока (E→Q);а
в мартеновском методе – теплота сгорания топлива (Qг→Q).
Кислородно-конвертерный метод выплавки стали представляет одну из
разновидностей конвертерного метода, который предложил Г. Бессемер (1856). В
современной промышленности он полностью вытеснил все другие конвертерные
способы. Преимуществами кислородно-конвертерного метода по сравнению с
мартеновским и сталеплавильным является сравнительно высокая
производительность сталеплавильного агрегата до 500 т/ч (у других методов не
выше 100 т/ч), низкие капитальные затраты вследствие простоты устройства, более
низкие расходы по переделу сырья в сталь, отсутствие затрат на топливо и простота
автоматизации и управления процессом выплавки стали.
Применение для продувки чистого (порядка 99,5 %) кислорода позволяет
получать сталь, не содержащую азота, а за счет избытка тепла, использовать шихту,
которая содержит до 25 % твердого сырья (стальной лом, руда), а это значительно
снижает себестоимость выплавляемой стали.
Теоретические основы: кислородно-конвертерный процесс является один из
видов передела чугуна в сталь без использования топлива путем. Это достигается
путем продувки чугуна в конвертере током кислорода. Окислительный и
восстановительный периоды плавки разделяются не только во времени, но и в
пространстве: окисление протекает в конвертере, восстановление – после выпуска
стали в ковше.
Окисление при плавке совпадает во времени с операцией продувки конвертера
кислородом. Во время подачи кислорода под давлением (0,9 – 1,4 МПа) в ванне под
воздействием кислородных струй и потоков выделяющихся пузырьков газа оксида
147
углерода (II) возникает микрогетерогенная система «металл – шлак» с интенсивным
массо - и теплообменом. Это увеличивает скорость реакции окисления компонентов
металлической шихты, в результате выделяющееся тепло не рассеивается в
окружающую среду, а собирается в системе и применяется для интенсификации
процессов нагрева металла и расплавление твердых компонентов шихты.
В ходе процесса продувки происходит окисление углерода, кремния, большей
части марганца, фосфора и незначительная часть железа. Следует отметить, что
только незначительная часть этих элементов окисляется непосредственно
газообразным кислородом. Основная же часть компонентов окисляется кислородом,
который растворен в металле [О].
Технико-экономические показатели – это годовая производительность
кислородного конвертора и себестоимость конвертерной стали определяется,
главным образом, стоимостью металлической шихты и расходами на передел (с
учетом кислорода, огнеупоров, электроэнергии, заработной платы).
Выплавка стали в электрических печах базируется на применении для нагрева,
расплавления и поддержания металла в расплавленном состоянии электрической
энергии, которая переходит в теплоту. При электроплавке стали выделение тепла не
связано с применением окислителей. Следовательно, плавку стали в электрических
печах можно провести в любой атмосфере (окислительной, восстановительной,
нейтральной) и в широком диапазоне давлений (вакуум, атмосферное или
повышенное давление).
Достоинствами электросталеплавильного метода является применение
безокислительных шламов, незначительный угар легирующих элементов, точная и
плавная регулировка температуры и состава металла, высокая степень раскисления
металла, получение сталей с пониженным содержанием серы и фосфора.
Несмотря на очевидные достоинства, существенным недостатком метода
является высокое потребление электроэнергии. Поэтому применение метода
осуществляется для производства легированных, высококачественных (с низким
содержанием S, P, O и других вредных примесей) сталей, инструментальных,
жаростойких, шарикоподшипниковых и т.п. В современной промышленности
148
электроплавка стала применяться и в случае получения обычных углеродистых
сталей по упрощенной технологии с их последующей переплавкой.
Для получения стали используют электрические печи периодического
действия (реакторы РИС-П). По принципу получения теплоты их подразделяют на
дуговые и индукционные.
В дуговых печах тепловая энергия генерируется в результате горения
электрической дуги. По положению дуги относительно металлической шихты
дуговые печи делятся на печи косвенного, прямого комбинированного нагрева.
Более распространены печи прямого нагрева, в них электрические дуги горят между
каждым из электродов и металлом.
В индукционных печах тепловая энергия генерируется за счет возникновения
в толще шихты индукционных токов. В основе работы индукционных печей
положен трансформаторный принцип передачи энергии от первичной цепи к
вторичной цепи. Первичной обмоткой — индуктором служит соленоид, а вторичной
обмоткой является металлическая шихта.
Для электроплавки применяются, как правило, трехфазные дуговые печи
переменного тока с тремя электродами и непроводящим подом. Дуговые печи
выпускаются емкостью 0,5 – 400 т [22].
5.6 Контрольные вопросы и упражнения
1. На каких свойствах металлов основано широкое использование их?
2. Приведите промышленную классификацию металлов.
3. Какие виды природного ископаемого сырья относятся к металлическим
рудам?
4. Что такое металлоносность рудного месторождения?
5. Приведите общую схему производства металлов из руд.
6. Укажите особенности гидрометаллургического, гдроэлектрометал-
лургического, пирометаллургического и электропирометаллурги-ческого
149
методов восстановления металлов из их соединений.
7. Чем определяются принципиальная возможность и полнота протекания
процесса восстановления металлов из руд ?
8. В каких модификациях может существовать металлическое железо?
9. В чем различие свойств α- и -модификаций железа и какое значение это
имеет для производства?
10. Чем отличаются стали от чугунов?
11. Какие стали называются легированными?
12. Какие превращения происходят в системе «железо – углерод» при
затвердевании расплава и последующем охлаждении?
13. Перечислите основные виды промышленных железных руд.
5.7 Тестовые задания
1 В соответствии с промышленной классификацией металлы делятся на
- черные;
- цветные;
- тяжелые;
- легкие.
2 К черным относятся
- золото и серебро;
- медь;
- железо и его сплавы;
- марганец и хром.
3 Горная порода, содержащая в своем составе один или несколько металлов в
таких соединениях, количествах и концентрациях, при которых возможно и
целесообразно их извлечение при современном уровне обогатительной и
металлургической техники называется
- металлической рудой;
150
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]