ЛЕКЦИЯ № 2 – 2 часа
Тема 2: основы металлургического производства
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
План лекции:
основы металлургического производства;
структура металлургического производства;
производство чугуна
производство стали;
основы производства меди, алюминий и их сплавов (самостоятельно).
Основы металлургического производства
В земной коре металлы находятся в виде руд (горных пород с высоким содержанием соединений ценного металла). Только благородные металлы (золото, серебро, платина) встречаются в виде самородков. Для их извлечения из сопутствующих пород применяют физические методы, основанные на разной плотности. Активные металлы (железо, алюминий, титан, олово, цинк и др.) в природе встречаются только в виде соединений, из которых их извлекают различными химическими способами:
1) восстановлением неметаллами (железо восстанавливается углеродом, вольфрам – водородом);
2) восстановлением металлами (титан восстанавливают более активным магнием или бериллием);
3) электролизом растворов и расплавов (так получают алюминий и магний).
Природные руды зачастую бедные, поэтому перед выплавкой их обогащают. В цикле любого металлургического производства происходит постепенное повышение концентрации нужного металла:
КОНЦЕНТРАТ 70
% металла
пустая порода
шлаки (примеси) газы
МЕТАЛЛ 100
%
выплавка
обогащение
РУДА
30 % Металла
Итак, задача металлургического производства – восстановление металлов из оксидов и других соединений.
Наиболее значимыми в технике являются черные металлы: чугун и сталь. Их получением занимается черная металлургия.
Цветная металлургия получает медь, алюминий, титан, другие цветные металлы и сплавы на их основе. Руды цветных металлов беднее железных: в медной руде содержится от 1 до 5 % меди, в молибденовых – сотые доли процента Mo. Для их обогащения применяется больше операций; плавка идет в несколько этапов.
Структура металлургического производства
Предприятия черной металлургии базируются на месторождениях руд и коксующихся углей, а также энергетических комплексах.
Сырьем для черной металлургии являются железная руда, кокс, флюсы.
Продукция черной металлургии: стальные и чугунные отливки (литые заготовки), стальной прокат (рельсы, балки, листы, проволока, трубы), чугун передельный и литейный (в чушках), ферросплавы.
Важнейший из этих продуктов – сталь, «хлеб промышленности».
Отсюда основная задача черной металлургии:
получение чугуна из руды путем восстановления железа из оксидов; производится в доменной печи;
получение стали из чугуна и скрапа (металлолома) путем окисления избытка примесей; производится в сталеплавильных агрегатах (конверторе, мартеновской печи и др.).
Рисунок 1 – Схема металлургического производства (чёрная металлургия)
Получение чугуна
Чугун – сплав железа и углерода с сопутствующими элементами (содержание углерода более 2,14 % до 6,67 %).
Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы.
К железным рудам относятся:
– магнитный
железняк (
)
с содержанием железа 55…60 %, месторождения
– Соколовское, Курская магнитная
аномалия (КМА);
– красный
железняк (
)
с содержанием железа 55…60 % , месторождения
– Кривой Рог, КМА;
– бурый железняк (гидраты оксидов железа 2Fe2O3 * 3H2O и Fe2O3 * H2O) c содержанием железа 37…55 % – Керчь.
Марганцевые
руды применяются для выплавки сплава
железа с марганцем – ферромарганца (
10…82%
),
а также передельных чугунов, содержащих
до 1% марганца. Mарганец в рудах содержится
в виде окислов и карбонатов:
и
др..
Хромовые руды применяются для производства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов – хромомагнезитов.
Топливом для доменной плавки служит кокс, возможна частичная замена газом, мазутом.
Флюсом
является известняк
или
доломитизированный известняк, содержащий
и
,
так как в шлак должны входить основные
оксиды (
),
которые необходимы для удаления серы
из металла.
Домна – вертикальная плавильная печь шахтного типа, работает по принципу противотока: шихта загружается сверху, проплавляется и опускается, а горячий воздух и газы поднимаются вверх (рисунок 2). Шихтой называют все материалы, загружаемые в печь. В доменном производстве это руда, кокс и флюсы. Все эти материалы проходят предварительную обработку: дробление крупных кусков, спекание мелких, обогащение. В домну загружается не природная руда, а обогащенный концентрат, причем в виде кусков определенной величины (10-80 мм), полученных агломерацией (спеканием) или окатыванием (из мелких фракций увлажненной шихты делаются шарики диаметром 30 мм и обжигаются).
Домна вмещает до 7 тыс. т шихты (5 железнодорожных составов). Это печь непрерывного действия, она работает в течение 5-8 лет круглосуточно, без ремонта. Снаружи домна одета стальным кожухом толщиной 40-50 мм, шамотная кладка печи имеет толщину от 70 см в верхней части до 1,5 м в районе горна. Подогретое дутьё (воздух для горения топлива, обогащенный кислородом) подается из воздухонагревателей через фурмы. Температура дутья достигает 1200 °C, что позволяет экономить кокс и повышает производительность. У каждой домны есть несколько воздухонагревателей, которые поочередно работают то на нагрев кирпичной насадки отходящими газами (рисунок 3), то на подогрев воздуха.
Кокс сгорает с выделением большого количества тепла: температура в заплечиках достигает 2000 °C. Продукты сгорания – газы CO и CO2 – отдают тепло шихте. На выходе их температура составляет всего 300 °C.
В домне идет косвенное (газами CO и H2) и прямое (твердым углеродом кокса) восстановление железа, последовательно от старших оксидов к младшим
Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe.
Кроме того, восстанавливаются примеси – кремний, марганец, фосфор; железо активно растворяет углерод и серу. Сплав, насыщенный углеродом до ≈4 %, плавится, стекает в горн, и дальнейшее науглероживание становится невозможным: слой жидкого чугуна прикрыт сверху слоем жидкого шлака, состоящего из оксидов и более легкого, чем металл.
Сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой называется доменным чугуном. Он подразделяется на литейный чугун, который разливают в слитки весом 45 кг (чушки) или получают из него отливки, и передельный чугун, который идет на передел в сталь. Передельный чугун из чугуновозных ковшей сливают в миксер – огнеупорную емкость, обогреваемую горючим газом, вместимостью до 2 тыс. т жидкого чугуна. В миксере происходит усреднение состава чугуна из разных плавок, что важно для правильной работы сталеплавильных агрегатов.
Чугун и доменные ферросплавы, применяемые для раскисления и легирования стали, – это основная продукция доменного производства, а шлак и доменный газ – побочная.
Технико-экономические показатели работы домны:
1) коэффициент использования полезного объема
КИПО = V/P [м3/т],
где V – полезный объем, P – суточная производительность;
2) удельный расход кокса K = A/P, где A – расход кокса в сутки.
Понятно, что чем меньше эти показатели, тем эффективнее работает доменная печь. У лучших печей оба эти показателя имеют величину ≈0,4.