ВСТУП

Роль чорних металів у сучасному суспільстві. Сплави на основі заліза - чавун і сталь - є базою для виробництва конструкційних матеріалів. Не дивлячись на досить широке застосування кольорових металів, пластичних мас і кераміки, сплави на основі заліза є (і збережуть провідне місце в майбутньому) основою виробництва конструкційних матеріалів.

Метали об'єднують у декілька груп: чорні, кольорові, благородні. До групи чорних металів, як правило, відносять залізо, марганець і хром.

Залізо в чистому вигляді як конструкційний матеріал не використовується. Широке розповсюдження отримали сплави заліза з вуглецем: сталь і чавун. Сталлю називають багатокомпонентний сплав на основі заліза, вміст вуглецю в якому менше 2,14 %. Чавуном називають багатокомпонентний сплав на основі заліза, вміст вуглецю в якому більше 2,14 %. Сталь і чавун - сплави багатокомпонентні, оскільки окрім заліза і вуглецю в них у певних кількостях присутні кремній, марганець, сірка, фосфор та інші елементи. Практично завжди сірка і фосфор є шкідливими домішками чавуну і сталі, оскільки вони за певних умов знижують якість цих сплавів, погіршуючи їхні механічні властивості. Присутність у чавуні та сталі ряду інших елементів (нікель, хром, ванадій, марганець, титан, вольфрам і ін.) додає їм певні необхідні властивості, такі як підвищену міцність, жаростійкість, корозійну стійкість, опір абразивному зносу й ін. Введення до чавуну і сталі цих елементів називають легуванням, а отримані сплави носять назву легований чавун або легована сталь.

Сучасне металургійне виробництво є комплексом цілеспрямованих технологічних процесів, що забезпечують переробку початкової сировини в готову продукцію. Базою для початкової сировини в чорній металургії є залізняк. Готовою продукцією чорної металургії є чавун (ливарний), сталь і вироби з них: чавунне литво (корпуси металообробних верстатів, радіатори систем опалювання, труби, ванни й інші побутові прилади й устаткування); сталеві злитки, продукція обробки сталі тиском (рейки, балки, швелера, кути, труби, лист, канати, дріт і т.д.).

До складу металургійного виробництва входять:

1) шахти і кар'єри по здобичі залізняку і кам'яного вугілля ;

2) підприємства по підготовці залізняку і кам'яного вугілля до металургійної переробки (збагачувальні фабрики, фабрики з виробництва окатишів і агломерату, коксохімічні заводи);

3) доменні цехи для виплавки чавуну ;

4) сталеплавильні цехи (мартенівські, кисневі конвертерні, електросталеплавильні);

5) прокатні (рейкопрокатні, листопрокатні, сортопрокатні, кулепрокатні);

6) допоміжні служби (енергопостачання, транспорт, ремонт, управління).

Таким чином, сучасний металургійний комбінат - складний комплекс технологічних і організаційних процесів, для управління яким, тим більш автоматичним, необхідне знання їх основ. На крупних металургійних підприємствах за рік виплавляють від 6 до 15 млн. т сталі.

1. Паливо доменної плавки

Вимоги, що пред'являються до доменного палива. Кокс, як основний вид доменного палива, його функції в доменній печі. Вугільна база коксохімічного виробництва. Хімічний склад і технічний аналіз коксу, міцність коксу. Формований кокс. Застосування газоподібного, рідкого і пилоподібного палива у доменній плавці.

Паливо в доменній печі виконує декілька функцій. Воно є джерелом тепла і відновників, а тверде паливо, маючи високу механічну міцність, служить розпушувачем стовпа шихтових матеріалів. У горні доменної печі в твердому стані знаходиться тільки паливо (деревне вугілля або кокс), так звана паливна насадка, на яку спирається стовп шихтових матеріалів. Характер газифікації твердого палива в окислювальних зонах багато в чому визначає процес опускання шихти.

До твердого палива доменної плавки пред'являється низка вимог, основними з яких є:

• висока механічна міцність, яка повинна зберігатися при високих температурах;

• відсутність дрібних фракцій, звичайно в доменну піч завантажують кокс із розмірами шматків більше 25 мм;

• висока пористість, що забезпечує швидке згоряння палива;

• висока теплота згоряння;

• низький вміст золи і шкідливих домішок, до яких в першу чергу відносять сірку і фосфор;

• знижена реакційна здатність, яка визначається швидкістю взаємодії вуглецю палива з двооксидом вуглецю;

• невисока вартість.

Хронологічна послідовність застосування твердого палива для виплавки чавуну наступна: дрова, деревне вугілля, кам'яне вугілля, кокс.

Коксом називають твердий залишок термічної обробки певних сортів кам'яного вугілля при температурі 900 - 1100 ^оС без доступу повітря.

Технологічний процес виробництва коксу складається з декількох стадій:

• підготовка вугільної шихти;

• спікання коксу;

• попередня обробка коксу.

До підготовки шихти відноситься приймання і складування вугілля, усереднювання його складу, складання шихти, дозування і змішування.

Процес коксування протікає в камерах коксових печей, які мають форму паралелепіпеда шириною 350 - 400 мм, заввишки 5 000 мм і завдовжки 15 000 мм. Коксові камери групуються в батареї по 60 - 80 камер. Поперечний розріз коксової батареї по камері коксування представлений на рис. 2.2.

Процес спікання коксу триває близько 15 годин, протягом яких відбувається видалення вологи і значної частини летких речовин (при температурі до 350 ^оС); перехід шихти в пластичний стан (в інтервалі температур 350 - 500 ^оС); отри-мання твердого напівкоксу з виділенням смоли і летких речовин (в інтервалі температур 500 - 1000 ^оС); утворення коксу – маса зменшується в об'ємі, розтріскується (при температурах 1000 -1100 ^оС).

Попередня обробка коксу включає охолоджування коксу водою або інертними газами, сортування коксу по крупності та виділення відповідних фракцій для доменного, агломераційного, ливарного виробництва і як енергетичного палива.

Вихід продуктів коксування на 1000 кг сухої шихти: коксу – 750-800 кг; коксового газу – 320-330 м³; смоли – близько 35 кг; бензолу близько 11 кг.

Добова продуктивність однієї камери 20-25 т. Сучасна коксова батарея, продуктивність якої до 1500 т коксу на добу, складається з 60 і більш камер.

Коксування в купах тривало не менше трьох діб. Купи об'ємом близько 30 м³ давали за одну операцію 9-9,5 т коксу. В перших коксових печах період коксування продовжувався звичайно дві доби; за одну операцію піч виготовляла близько 10 т коксу.

Якість металургійного коксу визначається декількома показниками. Фізико-механічні властивості коксу визначаються його гранулометричним складом, механічною міцністю, пористістю. Крупність шматків коксу, завантажуваного в доменні печі, звичайно не повинна бути менше 25 мм. Насипна маса коксу 430 - 500 кг/м³, пористість ~ 50 %.

Хімічний склад коксу. Поелементний склад коксу не визначається. Доменщиків цілком влаштовує технічний аналіз коксу, який зводиться до визначення вмісту в коксі золи, сірки, летких речовин і вологи (понад 100 %). Вміст нелеткого вуглецю в коксі визначається як різниця

С_нел ≈ 100 - (А + S + V),

де С_нел – вміст нелеткого вуглецю в коксі, %;

A, S, V- вміст в коксі відповідно золи, сірки і летких речовин, %.

Найважливішим показником якості коксу є його механічна міцність. Для визначення міцності коксу його піддають механічним навантаженням: скидання проби коксу з певної висоти або обертання проби коксу в барабані. Міжнародний стандарт визначення механічної міцності коксу регламентує наступні випробування міцності коксу. Проба коксу масою 50 кг крупністю більше 25 мм завантажується в барабан діаметром 1000 мм і шириною 1000 мм. Усередині барабана є чотири полиці шириною 100 мм. Барабан обертають зі швидкістю 25 об/хв протягом 4 хвилин. Міцність характеризується двома показниками:

- М₂₅, що уявляє собою масу фракції +25 мм (%);

- М₁₀, що уявляє собою масу фракції – 10 мм (%) після опробування в барабані.

Фізико-хімічні властивості коксу – горючість і реакційна здатність. Горючість характеризується швидкістю взаємодії вуглецю коксу з киснем і створення СО₂. Реакційна здатність коксу характеризується швидкістю взаємодії вуглецю коксу з вуглекислотою за реакцією:

С + СО₂ → 2СО.

Замінники металургійного коксу. Кокс є на даний час найдорожчим компонентом доменної шихти. Частка його вартості в собівартості чавуну складає близько половини. Крім того кокс, отриманий з донецького кам'яного вугілля є основним джерелом надходження сірки до доменних печей. Коксохімічне виробництво в чорній металургії є найшкідливішим за екологічними наслідками.

У зв'язку з цим протягом багатьох років металурги ведуть пошуки шляхів зниження витрати коксу на виплавку чавуну, у тому числі і за рахунок використання інших видів палива - замінників коксу. В якості замінників використовують природний газ, мазут, пилоподібне паливо, коксовий газ, штучно отримані відновні гази.

Природний газ на 90 - 98 % складається з метану. Великі запаси природного газу знаходяться в Росії. Використання природного газу в доменній плавці не вимагає його попередньої підготовки.

Мазут – важкий залишок прямої перегонки і крекінгу нафти. Горюча маса мазуту містить 84 - 88 % вуглецю, 10 - 11 % водню. Недоліком хімічного складу мазуту є високий вміст (в деяких сортах до 4 %) сірки. Мазут вимагає спеціальної підготовки перед його подачею в доменні печі: компремування і спеціальних способів диспергування для повного його засвоєння в доменній печі.

Коксовий газ складається з 55 - 60 % водню, 24 - 28 % метану, 6 - 8 % монооксиду вуглецю, 3 - 7 % азоту. Для його транспортування і подачі в доменні печі потрібне спорудження компресорних станцій.

Пилевугільне паливо (ПВП) – подрібнене до крупності 0,1-0,07 мм недефіцитне кам'яне вугілля, яке подається в доменні печі пневмотранспортом. Використання ПВП виправдано низькою вартістю легкоздобуваного кам’яного вугілля.

Штучні відновні гази одержують або конверсією газоподібних чи рідких вуглеводнів, або газифікацією твердого палива.

В процесі конверсії відбувається неповне окислення вуглеводнів з утворенням водню і монооксиду вуглецю. Конверсія протікає по одній з нижче приведених хімічних реакцій:

• киснева конверсія

СН₄ + ½О₂ → СО + 2Н₂; ∆Н= – 37 250 кДж ¹;

• парова конверсія

СН₄ + Н₂О → СО + 3Н₂ ; ∆Н= + 205 500 кДж;

• вуглекислотна конверсія

СН₄ +СО₂ → 2СО + 2Н₂; ∆Н= + 247 000 кДж.

Аналогічні реакції неповного окислення вуглецю протікають при газифікації твердого палива (кам'яного або бурого вугілля, торфу).

Питання для самоконтролю засвоєння матеріалу:

1. Вимоги до якості коксу.

2. Вплив якості коксу на техніко-економічні показники доменної плавки.

3. Замінники коксу в доменній плавці.

4. Особливості отримання формованого коксу.

2 ПІДГОТОВКА ЗАЛІЗНЯКУ ДО ДОМЕННОЇ ПЛАВКИ

2.1 Дроблення і подрібнення. Грохочення і класифікація.

Збагачення. Усереднювання

Вплив підготовки сировини на показники доменної плавки. Дроблення і подрібнення. Грохочення і класифікація. Збагачення залізних і марганцевих руд. Випалення залізняку і вапняку. Усереднювання.

Кінцевою метою підготовки залізних руд до доменної плавки є збільшення продуктивності доменних печей і зниження витрат на виплавку чавуну.

Підготовка сировини поліпшує техніко-економічні показники доменної плавки за рахунок наступних чинників:

1) збагачення залізняку знижує кількість пустої породи, яка вноситься в піч, знижує кількість шлаку, що, у свою чергу, приводить до зниження питомої витрати коксу на виплавку чавуну, збільшує продуктивність доменних печей;

2) окускування дрібного залізняку і концентратів їх збагачення підвищує газопроникність стовпа шихтових матеріалів, тобто поліпшує газодинамічні умови доменного процесу. Це дозволяє збільшити кількість дуття і підвищити продуктивність доменних печей.

Таким чином збагачення і окускування є основними операціями підготовки залізняку до доменної плавки. Однак, підготовка залізних руд до плавки не обмежується проведенням цих двох основних операцій. Сучасна технологія підготовки руд включає сортування по крупності, дроблення і подрібнення, збагачення, усереднювання, окускування.

Метою сортування руд по крупності є спрямовування окремих фракцій на відповідні подальші операції. Якщо залізна руда багата, то її доцільно розділити по крупності на три класи: < 10 мм – направити на окускування, шматки розміром від 10 до 100 мм - в доменні печі і шматки розміром більше 100 мм – на дроблення.

Існують два способи сортування матеріалів по крупності: грохочення і класифікація. Грохочення – сортування руд по крупності просіванням їх на ситах з різним діаметром отворів. Апарати для сортування руд по крупності цим способом називають грохотами.

Відмінність класифікації від грохочення полягає в тім, що при класифікації розділяють по крупності дрібні частинки (менше 1-3 мм) у водному або повітряному середовищі. Теоретичною основою класифікації є використання різної швидкості падіння частинок неоднакової маси в потоці рідини або газу.

Розмір шматків здобутої залізної руди досягає 1,2-1,5 м. Метою дроблення і подрібнення є надання шматкам руди оптимальної крупності та «розкриття» зерен рудоутворюючого мінералу, тобто перетворення частинок рудного мінералу і пустої породи в механічну суміш для подальшого їх розділення. Розрізняють декілька стадій дроблення: крупне, коли розмір шматків зменшується з 1500 мм до ~300 мм; середнє дроблення зі зменшенням розміру шматків з 300 до ~ 50 мм; дрібне дроблення зі зменшенням розміру шматків від 50 до 5-6 мм; тонке дроблення або подрібнення зі зменшенням розміру частинок до 0,07-0,04 мм. Дрібне і тонке дроблення застосовують тільки для бідних руд як підготовчу операцію до їхнього збагачення.

Для крупного і середнього дроблення використовують щічні і конусні дробарки. Дрібне дроблення здійснюють у молоткастих або валкових дробарках. Багатий залізняк дробиться до отримання шматків розміром 40-60 мм. Більш тонке подрібнення необхідне тільки для бідних руд. Тонке дроблення або подрібнення здійснюється в барабанних млинах трьох типів: кульових, стрижньових і млинах самоподрібнення. В кульових і стрижньових млинах подрібнення руд проводиться роздавлюванням і стиранням часток руди кулями або стрижнями, завантаженими в барабан спільно з рудою при обертанні останнього. В млинах самоподрібнення шматки руди подрібнюються при взаємодії між собою при обертанні в барабані.

Збагачення руд, метою якого є підвищення в них концентрації корисного елемента, здійснюється шляхом видалення з них пустої породи.

В даний час більше 90 % залізних руд, направлених в доменну плавку, піддаються збагаченню.

Всі способи збагачення руд, у тому числі і залізних, засновані на відмінності фізичних властивостей рудного мінералу і пустої породи: зовнішнього вигляду, щільності, змочуваності, магнітної сприйнятливості й ін.

Найстародавнішим способом збагачення є рудорозбірка – спосіб збагачення, заснований на різному зовнішньому вигляді (блиск, колір) рудоутворюючого мінералу і пустої породи. Цей спосіб збагачення міг застосовуватися при незначному об'ємі здобичі залізняку.

Збагачення залізних руд промивкою, засноване на різній розмиваності пустої породи і рудного мінералу, застосовується для руд з піскувато-глинистою пустою породою, яка легко розмивається.

У тому випадку, коли є істотна відмінність щільностей рудного мінералу і пустої породи, застосовуються гравітаційні способи збагачення: відсадження, збагачення у важких суспензіях. При збагаченні відсадженням використовують різну швидкість руху частинок рудного мінералу і пустої породи в потоці рідини. Збагачення у важких суспензіях здійснюється в рідинах зі зваженими в них твердими частинками, щільність яких більше щільності пустої породи, але менше щільності рудного мінералу. В цьому випадку пуста порода спливає на поверхню суспензії, а частинки рудного мінералу тонуть.

Для збагачення залізних руд застосовують флотацію – спосіб, заснований на різній змочуваності рудного мінералу і пустої породи. Принцип його полягає в наступному. В нижню частину бака, заповненого водою з добавкою спеціальних реактивів, додаючих незмочуваність частинкам пустої породи або рудного мінералу, вдувається повітря, яке у вигляді дрібних пузирів підіймається до поверхні. В бак безперервно засипають подрібнену руду. Пузирі повітря прилипають до погано змочуваних (гідрофобних) частинок і захоплюють їх вгору. Зчеплення пузирів повітря з добре змочуваними (гідрофільними) частинками відсутнє, й останні опускаються на дно бака – флотаційної камери.

Найпоширенішим способом збагачення магнітних залізняків є магнітна сепарація, заснована на відмінності магнітної сприйнятливості рудного мінералу і пустої породи. Роздроблену руду вводять в магнітне поле, під дією якого частинки, володіючі магнітними властивостями, прямують в одну сторону, а немагнітні частинки виносяться зі сфери дії магнітного поля в іншу сторону або силою тяжіння, або потоком води. Проте цей спосіб успішно може бути застосований тільки до одного типу залізних руд – магнітних залізняків. Для застосування магнітного збагачення для гематитових руд їх піддають відновному або магнетизуючому випаленню – нагріву у відновній атмосфері. При цьому йде процес перетворення гематиту на магнетит за реакцією

3Fe₂O₃ + CO(H₂) →2Fe₃O₄ + CO₂(H₂O).

Усереднювання залізняку.

Здобувані залізні руди мають непостійний хімічний склад, що утрудняє їхній металургійний переділ. Мета усереднювання - зниження коливання хімічного складу і фізичних властивостей матеріалів, тобто стабілізація їх якості. Зміна хімічного складу і фізичних властивостей шихтових матеріалів погіршує техніко-економічні показники доменної плавки, приводить до розладу ходу доменних печей.

На сучасних рудопідготовчих підприємствах усереднювання є обов'язковою операцією, забезпечуючою зниження коливань хіміко-мінералогічного складу руди й істотне поліпшення техніко-економічних показників процесів її подальшого металургійного переділу.

При складуванні руди в бункерах і на складах повинні дотримуватися певних правил. Наприклад, пошарове завантаження руди в бункери, а не послідовне їх заповнення. Формування штабелів завантаженням руди горизонтальними шарами, а розбирання руди з штабелю вертикальними шарами в напрямі перпендикулярному розташуванню сформованих шарів. Кожна порція при вибиранні матеріалу, що включає всі сформовані шари (іноді більше 1000), має склад, ідентичний середньому складу матеріалу всього штабелю. Усереднювальний склад має два штабелі, один з яких формується, а інший розбирається.

Сучасний усереднювальний склад обладнаний спеціальними машинами для укладання руди в штабель і вантажними машинами для забирання руди з штабелю.