Раздел 2. Подготовка руд к плавке и производство чугуна

2.1. Сырые материалы, применяемые при производстве черных металлов. Железные руды: определение, классификация, оценка качества.

Сырыми материалами , применяемыми при производстве черных металлов, являются топливо, железные, хромовые и марганцевые руды и флюс. В качестве топлива в черной металлургии чаще всего используют каменноугольный кокс. Флюсы — в металлургии — неорганические вещества, которые добавляют к руде при выплавке металлов, чтобы снизить температуру плавления и легче отделить металл от пустой породы.

Флюсами, или плавнями, называются примеси, прибавляемые при выплавке металлов с целью образования шлака надлежащей степени плавкости. Впрочем, часто флюсами называются также примеси, прибавленные с целью разложить то или другое металлическое соединение или растворить металл или его соединения в массе прибавленного вещества и т. д. Выбор флюса зависит от рода плавки и от состава руд. Например, при руде, богатой глинозёмом и кремнезёмом, флюс должен быть известковым или магнезиальным.

Минеральные ископаемые, содержащие металл, называют рудой. Кроме соединения, содержащего металл, - оксида, сульфида и др., в руду входя вещества, не содержащие металла. Они называются пустой породой. Свое название руды получают по тому металлу, который содержится в наибольшем количестве. Железными рудами называют горные породы, переработка которых экономически выгодна на данной стадии развития техники. Железные руды в основном содержат железо. В зависимости от содержания железа руды делятся на бедные (˂30%), средние (30-50 % Fe) и богатые (>50 % Fe). Кроме соединений железа, в руде находятся также и другие минералогические составляющие: глина, кварцит, глинозем, известняк.

По виду соединений железа руды разделяются на следующие типы.

1) Магнитный железняк. Железо в состав этой руды входит в виде магнетита Fe₃O_4. Соединение это состоит из FeO и Fe₂O₃. Оно обладает магнитными свойствами, поэтому руда получила название магнитный железняк. Магнетит входит в руду в виде плотной зернистой массы, вкрапленной в кремнистую или кремнисто-глиняную породу. Он имеет блестящую черно-синюю окраску. Магнитные железняки - трудно восстановимые руды. Более легко восстановимы мартиты.

Обычно магнитный железняк содержит 50-60 % железа. Содержание в нем серы 0,02-2,5%. Чем сильнее окислен магнитный железняк, тем больше серы (до 2,5 %). Содержание фосфора в этих рудах достигает 0,02-0,7 %.

2) Красный железняк. Железо находится в нем в виде гематита – безводного оксида железа Fe₂O₃. Руда более мягкая, чем магнитный железняк. Содержание железа, как правило, высокое (50-70%). Руды характеризуются высокой восстановимостью. Руды могут быть кусковатыми, но чаще размельченными, пылеобразными. пустая порода кремнистая. Содержание серы и фосфора невысокое.

3) Бурый железняк. В этой уде железо представлено в виде водных оксидов – лимониты 2Fe₂O₃^.3H₂O и гетиты Fe₂O₃^.H₂O. Бурые железняки образовались путем выветривания и окисления других железных руд. Обычно бурый железняк смешан с глиной или кварцитом и содержит 37-55% Fe, 0,5-1,5 % P. Руды эти легко восстановимы благодаря малой плотности и высокой пористости, увеличивающейся при испарении влаги. Большинство месторождений состоит из рыхлой порошкообразной руды землистого строения. Цвет руды бурый или желтый. Бурые железняки трудно обогащаются, их использование ограничено.

4) Сидериты – это соединение оксидов железа с углекислым газом CO₂. Они называются также шпатовыми железняками, содержание железа в них невысокое (30-40 %).

Качество продукции – это совокупность свойств продукции, обуславливающих ее пригодности в соответствии со своим назначением в течение определенного времени. Свойства продукции определяются ее условным назначением (потреблением) в технологической схеме металлургического процесса.

Потребительские свойства железной руды следующие:

1. Химический состав;

2. Гранулометрический состав;

3. Насыщенная плотность;

4. Влажность;

5. Восстановимость;

6. Размягчимость;

7. Холодная прочность;

8. Горячая прочность;

9. Стабильность химического состава и физических свойств.

Оценка качества сырья – это процесс определения пригодности ее для использования в производстве, то есть определения соответствия свойств сырья требуемым свойствам.

Важнейшим критерием оценки качества железных руд являются:

1.   Содержание железа.

2.   Тип основного железосодержащего минерала.

3.   Состав и свойства пустой породы.

4.   Содержание вредных примесей.

5.   Стабильность химического состава.

6.   Восстановимость.

7.   Куксоватость.

8.   Прочность.

9.   Пористость.

10.  Влажность.

2.2 Подготовка железных руд к доменной плавке. Агломерация. Окускование железных руд. Для использования в доменной печи полученный в результате обогащения мелкий железорудный концентрат должен быть превращен в прочный кусковой материал, который не истирался бу при опускании в печи и не забивал бы проходы для поднимающихся газов. Наиболее распространёнными способами окускования являются агломерация и производство окатышей (окомкование).

Агломерация – процесс окускования мелких железорудных материалов – осуществляется путём сжигания топлива в слое спекаемого материала или за счёт подвода тепла извне. При агломерации в шихту можно ввести флюсы и другие полезные добавки, удалить вредные примеси (серу и частично мышьяк) и получить пористый, прочный и хорошо восстанавливаемый в доменной печи материал – агломерат.

Шихту, состоящую из рудного концентрата или мелкой железной руды, колошниковой пыли, коксовой мелочи и известняка смешивают, увлажняют и загружают слоем 200-350 мм. На колосниковую решетку, на которую предварительно загружена «постель» - слои мелкого агломерата. Затем горелкой поджигают находящийся в верхнем слое шихты кокс и включают вентилятор (эксгаустер), который создаёт под колосниковой решеткой разрежение 7-10 КПа. Горение топлива шихты за счёт кислорода просасываемого через слой шихты воздуха идет тонкой (15-30 мм) горизонтальной полосой, которая постепенно перемещается вниз со скоростью 10-40 мм/мин, нагревая и спекая шихту в агломерат.

При спекании шихты топливо сгорает без пламени и проходящий через слой раскаленного агломерата воздух охлаждает его, нагреваясь до высокой температуры. Достигаемой при сгорании топлива температуры (более 1400 °С) достаточно для частичного оплавления кусочков шихты и сваривания их между собой.

Процесс спекания тонкого слоя шихты можно разделить на несколько стадий.

1. Подготовительную, при которой холодный слой шихты нагревается проходящим через него горячими газами и испаряющаяся влага конденсируется в холодных нижних слоях, а верхние слои все более подсушиваются и нагреваются.

2. Стадию сгорания, при которой в сухом слое воспламеняется топливо, частично восстанавливаются оксиды железа и образуются жидкие фазы, скрепляющие отдельные кусочки железной руды.

3. Стадию охлаждения, при которой топливо в слое уже сгорело и спекшийся материал охлаждается поступающим сверху воздухом.

Процесс спекания заканчивается после того, как все слои сверху вниз пройдут эти стадии.

При агломерации протекают следующие химические процессы: топливо сгорает до оксида углерода последовательно по реакциям: C+O2=CO2 и СО2+С=2СО, который восстанавливает Fe2O3 в магнитный Fe3O4, а его, в свою очередь, в FeO.

При высокой температуре происходит взаимодействие магнитного оксида железа с кремнеземом.

Образующийся фаялит 2FeO•SiO2 имеет температуру плавления 1265 °С, а при добавке в шихту известняка также образуется железокальциевые оливины с температурой плавления 1130°С и другие легкоплавкие соединения, сваривающие более тугоплавкие твердые частицы руды между собой. В процессе спекания шихты удаляется около 95% S за счет разложения сульфидов (FeS2) и сульфатов (CaSO4, BaSO4), фосфор не удаляется.

Спекание шихты проводят на ленточных агломерационных машинах. Основная часть машины – бесконечная лента, составленная из тележек – паллет, каждая из которых представляет металлический ящик с двумя бортами и дном в виде колосниковой решетки. Паллеты движутся на роликах по рельсам. Под верхним рельсовым путем машины расположены короба воздухопровода, связанные с отсасывающим вентилятором – эксгаустером. Над лентой расположены два бункера – питателя для загрузки на колосниковую решетку постели из мелкого агломерата и шихты. Рядом расположен зажигательный горн для поджигания топлива в шихте. Агломерационная фабрика включает систему подачи руды и кокса,, помольное, смесительное и сортировочное отделения. Все материалы перемещаются транспортерами.

Применение агломерата в доменной плавке позволяет экономить кокс. В связи с тем, что на рудниках все больше увеличивается количество пылеватых руд, значение агломерации возрастает ещё больше.