6.1.2. Производство черных и цветных металлов и сплавов.

Для производства чугуна используются преимущественно оксидные руды в виде агломерата (кусковой пористый офлюсованный материал, полученный спеканием шихты, состоящей из железной руды, известняка, возврата, коксовой мелочи, влаги), или кусков, которые восстанавливают в доменных печах с помощью углерода или его оксида.

Физико-химическая сущность производства чугуна заключается в следующем. Шихта доменной печи нагревается, из нее испаряется влага, выделяются летучие вещества, которые при температуре 750-900⁰С вступают в реакцию с восстановлением железа по следующим формулам:

3Fe₂O₃ + СО = 2Fe₃O₄ + CO₂; Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂;

FeO +CO = Fe + СO₂.

Часть закиси железа восстанавливается углеродом кокса, образуя так называемое губчатое железо, которое при температуре 1000-1100⁰С науглероживается:

3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂; 3Fe + C = Fe₃C.

Углерод, понижая температуру плавления сплава, способствует его расплавлению и дополнительному насыщению сплава углеродом и другими элементами, восстанавливаемыми из руды: марганцем, кремнием, фосфором, серой. По мере образования и накопления чугун и шлак выпускают. Доменный чугун поступает либо в чугуносмеситель и перерабатывается дальше в жидком виде на сталеплавильных заводах, либо в литьевую машину, в которой получают твердые чугунные чушки, поступающие далее на сталелитейные заводы или на литейное производство.

Доменная печь имеет высоту до 40 м; в ее самом широком месте, распаре, диаметр достигает от 3,5 до 10 м. Она работает непрерывно 10 - 15 лет. Из нее получают чугун, содержащий 3,5-4,3% С, 1-3% Si, 0,5-1,5% Mn, 0,05-0,1% серы, фосфора, а также шлаки. Этот побочный продукт используют при производстве гравия, мелкого щебня, материала для мостовых, цемента и др.

Полученный в доменной печи чугун отливают в формы, в которых получают слитки, называемые чушками. Чугунные чушки после их остывания перевозят в сталеплавильный цех и подвергают дальнейшей обработке. Свойства выплавленного в доменных печах чугуна, а также технологический процесс получения определенного сорта стали определяют выбор способа получения стали.

Для производства сталииспользуют доменный чугун, из которого удаляют часть углерода и другие нежелательные элементы, т.е. производится так называемая переделка чугуна. Под этим понятием объединены все реакции окисления углерода и других спутников железа (кремний, марганец, фосфор, сера), происходящие внутри металлургической печи в полученном там или введенном расплаве доменного чугуна и металлолома. К необходимому для окисления углерода воздуху примешиваются топочные газы и кислород.

По способу получения сталь различают на мартеновскую, бессемеровскую,томасовскую и электросталь. В зависимости от способа получения стали, она выплавляется в мартеновских печах, бессемеровских конвертерах или электрических печах. Полученную в плавильной печи сталь заливают в формы, называемые изложницами. Остывшая в изложницах сталь называется слитком. В прокатном цехе слитки подвергаются пластической холодной или горячей обработке. В результате такой обработки, а также в результате обработки резанием получают разного рода полуфабрикаты и готовые изделия.

Литейные чугуны для изготовления из них заготовок деталей переплавляют в плавильных печах, называемых вагранками. Отливку производят в земляные или металлические формы —кокили. Способы производства стали можно разделить на: горновые (мартеновский и электроплавильный), конверторный (нижнего дутья: Томаса, Бессемера) и др.

Мартеновский процессполучения стали заключается в окислении примесей чугуна за счет оксидов железа руды и скрапа (стального лома) по формулам:

3Si + 2Fe₂O₃ = 3SiO₂ + 4Fe, 3Mn + Fe₂O₃ = MnO + 2Fe,

6P +5Fe₂O₃ = 3P₂O₅ + 10Fe, 3C + Fe₂O₃ = 3CO + 2Fe.

Сера удаляется в результате взаимодействия сернистого железа с известью: FeS + CaO= FeO + CaS. Оксиды SiO₂, MnO, P₂O₅, CaO, а также сульфид CaS образуют шлак. Окончательно сталь раскисляют алюминием и ферросилицием при выпуске стали из печи. Вместимость мартеновских печей составляет от 10 до 600 т. стали, которую в зависимости от размеров печи и особенностей технологии выпускают из печи в виде готового расплава через 5 - 20 часов.

Кислородно-конверторный процессполучения стали заключается в продувке жидкого чугуна кислородом. При продувке происходит окисление углерода и других примесей как непосредственно кислородом дутья, так и оксидом железаFeO. Для уменьшения содержания кислорода сталь при выпуске из конвертора раскисляют, т.е. вводят в нее элементы с большим, чем у железа, сродством к кислороду (Si, Mn, Al). Взаимодействуя сFeO, они образуют нерастворимые оксидыMnO, SiO₂, Al₂O₃, переходящие в шлак.

Большая часть нелегированной стали производится в настоящее время мартеновским способом. Вместе с этим современные способы воздушного или кислородного дутья позволяют получать стали, не уступающие по качеству мартеновским. Методы с использованием электричества дают возможность получать нелегированные высококачественные стали, а также низко- и высоколегированные.

Доменный процесс получения чугуна требует значительного расхода кокса, флюсов, электроэнергии для подготовки сжатого воздуха для дутья. Поэтому наряду с выплавкой чугуна в доменных печах все более широко используют более экономичные процессы – путем прямого восстановления железа из руд с последующей его плавкой в электропечах для получения стали.

После плавки сталь из конвертора или из печи выпускают в ковш, из которого ее разливают в кристаллизатор машины беспрерывной разливки заготовок или в специальную металлическую форму — изложницу. После кристаллизации из разлитого металла получают стальные заготовки — слитки. Затем их передают для вальцовки и реже —для ковки. Около 98 % стали, выплавленной металлургическими заводами, используется для изготовления слитков, а остальное — для отливок (заготовок).

Ковш для разливки стали представляет собой открытый сосуд, который служит для кратковременного хранения, транспортировки и разливки стали. Он вмещает от 5 до 250 т стали, а в отдельных случаях — 400…450 т.

Сталь перед разливкой выдерживают в ковше для выравнивания химического состава, а также с целью дегазировать и изъять неметаллические включения, которые вытекают на поверхность.

Изложница представляет собой толстостенную чугунную (реже стальную) форму, предназначенную для кристаллизации в ней стального слитка. Строение такого слитка является неравномерным, поскольку налитая в изложницу сталь охлаждается неравномерно: быстро в местах прикосновенья жидкого металла с относительно холодной поверхностью изложницы и заметно замедляется к центру слитка. Дефектами стального слитка являются: усадочная раковина, ликвация, газовые пузырьки и неметаллические включения.

Строение слитка при разливке стали определяется не только скоростью охлаждения (кристаллическим строением), но и степенью раскисления. По этому признаку стали делятся на кипящие, спокойные и полуспокойные.

Кипящейназывают сталь, не полностью раскисленной в печи. Ее раскисление продолжается в изложнице. Поэтому в слитке образуется не усадочная раковина, а большое количество газовых пузырей, которые устраняются последующей горячей прокаткой. Такая сталь наиболее дешевая, практически не содержит примесей, обладает высокой пластичностью.

Спокойную сталь получают при полном раскислении металла в печи и ковше. Такая сталь имеет плотную структуру, а усадочная раковина концентрируется в верхней части, что значительно уменьшает выход годного металла.

Полуспокойнаясталь получается при раскислении ферромарганцем и недостаточным количеством ферросилиция или алюминия. В нижней части слитка такая сталь имеет строение спокойной, а в верхней - кипящей.

Производство цветных металлов, ввиду многообразия руд, содержащих их, получают самыми разнообразными способами. Однако каждый из них основан на одном из перечисленных выше принципов получения металлов.

Алюминийполучают из бокситов - руды, содержащей около 55-65%Al₂O_3,не более 28% Fe₂O₃и до 24% SiO₂. Измельченный, высушенный и перемолотый боксит превращают в алюминат натрия. Это осуществляется либо воздействием на него едкого натра под давлением в 6-8 раз больше атмосферного, либо путем спекания с содой во вращающихся трубных печах. Из раствора алюмината можно осадить гидрооксид алюминия, который затем в таких же печах при 1300- 1400°С превращается в чистый глинозем(Al₂O₃). После растворения глинозема в соли (криолит) начинается важнейшая стадия процесса получения алюминия, электролиз расплава. При этом на дно электролизной ячейки выпадает шлаковый алюминий, из которого путем переплавки получают чистый алюминий (до 99-99,8% алюминия). Другой специфический способ электролиза приводит к получению сверхчистого алюминия (99,99% алюминия).

Медьполучают из сульфидных руд, в которых она находится в виде сернистых соединенийCuS, Cu₂S, CuFeS₂и др. Процесс выплавки меди включает обогащение и обжиг руды, выплавку полупродукта - штейна, из которого затем получают черновую медь с последующей очисткой - рафинированием.

Титанполучают из ильменитовой руды TiO₂*FeO. Полученный после обогащения руды электромагнитным или гравитационным способом концентрат подвергают восстановительной плавке в электродуговой печи для удаления оксидов железа.