
ТКМ Лекции / Lektsia / Lektsia_3
.docЛекция 3 Основные понятия о металлургических процессах. Металлургический процесс производства чугуна.
По масштабам металлургического производства России занимает одно из ведущих мест в мире. Отечественная металлургия объединяет все стадии технологических процессов: от добычи и обогащения сырья до получения готовой продукции в виде черных и цветных металлов и их сплавов. Структура металлургической отрасли показана на рисунке 3.1
Рисунок 3.1 – Структура металлургической отрасли
Для производства металлургической продукции используют следующие исходные материалы: руда, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.
Руда – это горная порода, из которой извлекают металлы и их соединения. Руду называют по одному или нескольким металлам, входящим в ее состав, например: железная руда, медно-никелевая руда и т.п. В зависимости от содержания добываемого элемента различают руды богатые и бедные. Важнейшим этапом в технологической цепи металлургического производства является процесс подготовки руд к плавке. Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности оборудования, снижения расхода топлива и улучшения качества продукции. Различают следующие процессы подготовки руды:
– дробление и сортировка руды;
– обогащение руды;
– окускование
Дробление и сортировка руд служат для получения кусков оптимальной величины и осуществляются с помощью дробилок и классификаторов.
Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в ее состав. Обогащение включает следующие процессы: промывка – это процесс отделение плотных составляющих от пустой рыхлой породы с помощью водяной струи; гравитация – это процесс отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы остаются; магнитная сепарация – это процесс, когда измельчённую руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы и отделяющего их от пустой породы
Окускование производят для переработки руды в кусковые материалы необходимых размеров. Применяют два способа окускования: агломерация и окатывание
Флюсы – это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды и золой топлива. Такое соединение называется шлаком. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха, а также адсорбирует вредные примеси. Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается над металлом и может быть удален в процессе плавки. Для флюсов в металлургии используют материалы, показанные на рисунке 3.2, которые также, как и руду подвергают окускованию и вводят в виде агломерата и окатышей.
Рисунок 3.2 – Материалы для флюсов
Топливо – это необходимый компонент металлургического производства. В качестве топлива используют природные или неприродные горючие вещества, выделяющие при сгорании высокую температуру. В металлургии используются следующие виды топлива: кокс, природный газ, мазут, доменный газ.
Огнеупорные материалы – это материалы для изготовления внутреннего облицовочного слоя металлургических печей и другого оборудования. Они способны выдержать тепловые нагрузки, противостоять химическому воздействию шлака и печных газов. Огнеупорные материалы подразделяются на естественные и искусственные. К числу естественных огнеупорных материалов относятся песчаники, кварцевый песок, сланцы, асбест, хромистый железняк и др. Они находят применение в металлургии в естественном виде. Недостатком естественных огнеупорных материалов является неоднородность как по химическому составу, так и по физическому состоянию. В важнейших отраслях промышленности, таких как металлургическая, химическая, широко используются искусственные огнеупорные материалы в виде всевозможных изделий. Например, огнеупорный кирпич служит для футеровки (кладки изнутри) металлургических печей и других металлургических и тепловых устройств.
Одна из основных продукций металлургической промышленности – это чугуны.
Чугуном называют сплав железа с углеродом, где углерод содержится в количестве от 2 до 6,7%. Свойства чугунов в основном определяются тем, в каком количестве и в каком виде содержится в нем углерод. Свободный углерод в чугуне представляет собой равномерно распределенные в металлической основе сплава включения графита (С) – неметаллического материала, обладающего малой прочностью и твердостью, имеющего в различных чугунах разную форму. Связанный углерод присутствует в чугунах в виде цементита – карбида железа (Fe2O3). По структуре различают белый чугун (с белым изломом), в котором углерод находится в виде цементита, и серый чугун (с серым изломом), в котором углерод находится в основном в форме графита. Серый чугун подразделяют на серый литейный, высокопрочный, ковкий, жаростойкий, жаропрочный, коррозионностойкий и антифрикционный. Кроме железа и углерода, в чугуне имеются примеси кремния, марганца, фосфора, серы и других элементов. Эти примеси переходят в чугун из исходных материалов.
Основным производством для получения чугунов является доменное производство. Оборудованием для выплавки чугуна служат доменные печи. Доменная печь представляет собой высокую шахту круглого сечения, опирающуюся на железобетонный фундамент обычно многогранной формы. Нижняя часть фундамента находится на глубине 6 – 7 м. Надземная часть фундамента выложена из огнеупорного бетона. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды различными восстановителями. Различают процессы восстановления твердым углеродом и газами.
Восстановление твердым углеродом называется прямым восстановлением и происходит в нижней части печи при высоких температурах по реакции:
FeO + C = Fe + CO
Восстановление газами (СО) и (Н2) называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2;
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2;
FeO + CO = Fe + CO2
Процесс доменной плавки является непрерывным. Сверху в печь при помощи загрузочных устройств загружают исходные материалы (руда, флюсы, кокс), а в нижнюю часть подают нагретый воздух и газообразное, жидкое или пылевидное топливо (рисунок 3.3). Внутри печи образуется шихта – смесь исходных материалов и топлива. Газы, полученные от сжигания топлива, проходят через столб шихты и отдают ей свою тепловую энергию. Шихта нагревается, восстанавливается, а затем плавится. При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются вниз печи, а через загрузочное устройство подают новые порции шихты, чтобы весь полезный объем был заполнен. В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива.
Рисунок 3.3 – Доменная печь и ее процессы
Шлак скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Это дает возможность разделить чугун от шлака. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши, и шлаковозные чаши. Для отвода газа в куполе печи предусмотрены газоотводные каналы. Доменный газ после очистки используется как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в печь. Доменная печь снаружи заключена в металлический кожух, сваренный из стальных листов толщиной 25 – 40 мм. С внутренней стороны кожуха находится огнеупорная охлаждаемая футеровка. Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество материалов. Современная доменная печь расходует около 20000 тонн шихты в сутки и выдает ежесуточно около 12000 тонн чугуна. Полезная высота доменной печи (Н) достигает 35 м, а полезный объем – 2000-5000 м3.
Эффективность работы печи оценивается следующими показателями:
Коэффициент использования полезного объёма доменной печи (КИПО): КИПО = V / P
Где V – полезный объем печи (м3), а Р – количество чугуна, выплавляемого в сутки (тонны). Чем ниже КИПО, тем выше производительность печи. Для большинства современных доменных печей КИПО = 0,45.
Удельный расход кокса:
К = А / Р
Где А – расход кокса за сутки (тонны), а Р – количество чугуна, выплавляемого в сутки (тонны). Удельный расход кокса в современных доменных печах составляет 0,35 – 0,4. Это важный показатель, так как стоимость кокса составляет более 50% стоимости чугуна. Улучшение технико-экономических показателей работы доменных печей является важнейшей задачей доменного производства.
Контрольные вопросы к лекции 3:
-
Перечислите предприятия металлургического комплекса. Как эти предприятия взаимосвязаны между собой.
-
Перечислите исходные материалы для металлургического производства. Дайте определение рудам.
-
Перечислите процессы подготовки руды к плавке.
-
Дайте определение чугунам. Как на свойства чугунов влияет содержание углерода.
-
Опишите процесс доменного производства.
-
Какие химические реакции происходят при доменной плавке чугуна при прямом и косвенном восстановления железа, и в какой последовательности.
-
Какими показателями оценивается эффективность работы доменной печи.