11(2). Внедоменные способы получения железа (бескоксовая металлургия)

Под внедоменными способами получения железа понимают такие процессы, которые позволяют получить железо, сплавы, углерод и карбид железа непосредственно из руды, без использования кокса.

Преимущества:

1. Процессы получения можно вести не расходуя дефицитный металлургический кокс

2. Позволяют получать очень чистый металл (без примесей)

В настоящее время разработано множество технологий бескоксового получения железа, однако в промышленном варианте работают агрегаты Corex и Midrex (шахтного типа). В качестве восстановителя используется конвертированный газ, получаемый при сжигании природного газа и энергетического угля. Через нижнюю часть шахтной печи подается восстанавливающий газ, сверху загружается железорудное сырьё в основном виде окатышей или агломерата. В результате восстановления получают губчатое железо, которое впоследствии используют при электроплавке стали.

В настоящее время методами прямого восстановления получают 30-35 млн. тонн железа в то время как объемы чугуна составляют 600 млн. тонн в год, а объемы выплавки стали превысили 1 млрд. тонн в год.

Методы прямого восстановления используют в странах, где имеется дешевое газообразное топливо и где дефицит кокса.

Технология "ромэлт" (плавка в жидкой ванне). Используется пылевидная железная руда и отходы в виде шламов, пыли и т.п. В качестве восстановителя используется углерод в виде пыли. Восстановление окислов железа происходит в шлаке с одновременным сжиганием СО газокислородными горелками. В вспененном шлаке железо восстанавливается и в печи получают близкий по составу к чугуну металл, который называют синтеком. Указанный материал используют при выплавке стали.

Мидрекс-процесс: в качестве восстановителя используется природный газ и СО₂, в результате чего получается смесь СО и Н, используемые для восстановления железа из металлизованных окатышей или в шахтных печах с последующим переплавом железа в электропечах.

Процесс "корекс". Окислы железа восстанавливаются конвертированным газом, который является продуктом неполного сжигания природного газа.

CH₄ + O₂  2CO + 2H₂

Процесс восстановления осуществляют в шахтных печах с последующим переплавом полученного железного продукта в электропечи, синхронно работающей с шахтной печью.

13(1). Строение жидких металлических и шлаковых расплавов, поведение в них примесей

Расплавленные металлы обладают комплексом свойств, с одной стороны, сходных со свойствами неметаллических жидкостей, а с другой – со свойствами твердых металлов. Характерными отличительными признаками металлических расплавов от всех остальных жидкостей являются: высокие электрические и гальваномагнитные свойства, высокая плотность в размещении частиц (ионов); при этом удельный объем металлической жидкости в точке плавления не превышает удельный объем кристалла более чем на 2-6%, т.е. при плавлении кристалла расстояния между составляющими его частицами изменяются незначительно.

Жидкая сталь представляет собой сплав железа с различными элементами-примесями. Сочетания этих примесей многообразны, поэтому свойства жидкой стали изменяются в широких пределах.

При ведении плавки в ванну обычно добав­ляют различные флюсы и добавочные материалы. В результате образуется неметаллическая фаза, называемая шлаком.

После отбора пробы шлака и проведения соответствующего ана­лиза сталевар получает данные (в %) о том, сколько в этой пробе шлака содержится СаО, SiO₂, Al₂O₃, FeO, MnO и других соединений. Приходится, однако, учитывать, что в лабо­ратории подвергают анализу шлак, уже застывший после отбора пробы из печи. В печи же шлак находится в расплавлен­ном состоянии. Жидкие расплавленные шлаки в металлургическом агрегате характеризуются наличием между составляющими шлака и ковалентной, и ионной связи.

Таким образом, сталеплавильные шлаки обычно имеют в своем составе такие катионы, как Fe²⁺, Mn²⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Сг²⁺, и такие анионы, как S^2-, О^2- и т. п. Кроме того, в шлаке могут быть и сложные комплексы, близ­кие к составам таких соединений, как (CaO)₄-SiO₂ и др. Поэтому те данные, которые сталевар получает после анализа пробы шлака, далеко не полностью отражают истин­ную картину того, что находится непосредственно в печи.

Шлаки, в которых преобладают основные окислы (CaO, MgO, MnO, FeO), называют основными шлаками, а шлаки, в которых преобладают кислотные окислы (Si02, P₂O₆) — кислыми шлаками. В зависимости от характера шлаков и процессы называют основными или кислыми (например, основной мартеновский процесс, кислый мар­теновский процесс).

Поскольку из всех перечисленных компонентов наибольшую долю в основных шлаках занимают СаО и SiO₂, отношение этих окислов CaO/SiO характеризует степень основности (или просто «основность») основных шлаков. Шлаки, в которых отношение (CaO/SiO₂) < 1,5 называют низкоосновными; у шлаков средней основ­ности CaO/SiO2 = 1,64-2,5; у высокоосновных шлаков (CaO/SiO2) > 2,5.

Кислые шлаки состоят главным образом из кислотного окисла SiO₂ и некоторого количества таких основных окислов, как FeO и МпО. Составы кислых шлаков характеризуются степенью их кис­лотности (или просто «кислотностью»), выражаемой обычно отноше­нием SiO₂/(FeO + MnO).

Kроме основности шлака, другой важной его характеристикой является величина, называемая «окисленностью» шлака. Эта вели­чина характеризует способность шлака окислять металл и его при­меси. В качестве меры окисленности обычно принимают или содер­жание (в%) в шлаке FeO, или содержащуюся в нем сумму FeO + 4Fe₂O₃, или содержание в шлаке железа.

Помимо химического состава, важнейшей характеристикой шлака является его вязкость, которая обычно значительно выше вязкости стали.

Увеличение степени перегрева над температурой плавления повы­шает жидкотекучесть шлаков. С помощью диаграмм состояния можно определить пути снижения температуры плавления реальных шлаков. Обычно для разжижения основных шлаков используют добавки, пла­викового шпата, в не­которых случаях песка; для «сгущения» основных шлаков используют добавки извести (СаО), иногда — магнезита (MgO). Наоборот, добавки песка (SiO₂) «сгущают» кислые шлаки, а добавки извести их разжижают.

Роль шлака в сталеплавильном производстве чрезвычайно ве­лика. Удаление, например, из металла таких вредных примесей, как сера и фосфор, заключается в переводе этих элементов в шлак и создании условий, препятствующих их обратному переходу из шлака в металл. Изменяя состав шлака, его количество и темпера­туру, можно добиться увеличения или уменьшения содержания в металле марганца, кремния, хрома и других элементов. Поэтому во многих случаях задача сталеплавильщика заключается в получе­нии шлака необходимой консистенции и химического состава.