Производство цинка и его сплавов. Способы обработки металлов давлением

                      рометаллургическим способом - доменной плавкой,

III стадия:   очистка полупродукта - чугуна - от нежелательных примесей с получени-

                      ем стали заданного химического  состава,

IV стадия:   комплекс технологических приемов улучшения потребительских свойств

                      различных марок стали путем  дальнейшей очистки ее от газовых и неме-

                      таллических включений.

 

 

6.1.1 Рудная база черной металлургии

 

В качестве сырья для получения железа используют железные руды, которые в соответствии с минералогическим типом рудного минерала делят на четйре типа:

1. красные железняки - рудный минерал - гематит – Fe2О3,

2. магнитные железняки - рудный минерал - магнетит - Fe3О4,

3. бурые железняки - рудный минерал - гидроксиды железа - Fe2О3•nH2О.

4. сидериты - рудный минерал - FeCO3.

Имеются и другие разновидности железных руд: мартиты, полумартиты, титаномагнетиты и др.

Пустая порода большинства железных руд состоит в основном из SiО2, в меньших количествах присутствуют Al2О3, CaO, MgO.

Часто в железных рудах есть в небольших концентрациях примеси:

- полезные: Mn; V; Cr; Ni и др.;

- вредные: S; Р; As; Zn.

Экономическая эффективность получения чугуна в доменной плавке из данного рудного материала определяется совместным воздействием двух факторов: стоимостью руды на металлургическом предприятии и ее металлургической ценностью (см. раздел 4.2).

Качество руды или ее металлургическая ценность, определяющая затраты доменного цеха на проплавку рудного материала (в основном стоимость кокса), зависят от

- содержания железа (количества пустой породы),

- состава пустой породы: от отношений CaO/SiO2 и SiО2/Al2О3 (чем больше, тем лучше),

- содержания вредных и полезных примесей.

Черная металлургия России обладает достаточными запасами отечественного железорудного сырья (см. раздел 3.2). В таблице 5.1 приведены важнейшие железорудные месторождения.

С целью комплексного использования минерального сырья в шихте доменных печей часто используют оборотные продукты доменной плавки и отходы других производств, содержащие повышенное количество железа и других ценных элементов: колошниковую пыль и скрап (из доменного цеха), окалину (из прокатных и кузнечных цехов), пиритные огарки (отходы сернокислотного производства), красный шлам (отходы глиноземного производства) и др.

 

6.1.2   I стадия - подготовка железных руд к плавке

 

Современное доменное производство предъявляет к железорудным материалам очень высокие требования по гранулометрическому и химическому составам, по содержанию вредных примесей, по прочности, восстановимости. Поэтому практически все добываемые железные руды подвергаются полному комплексу подготовки: дробление, измельчение, грохочение, классификация, обогащение, усреднение, окускование.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Самым распространенным способом обогащения железных руд является электромагнитное. Реже применяется гравитационное. На рис. 5.1 показана технологическая схема обогащения магнетитов Оленегорского месторождения.

Как уже отмечали, мелкий железорудный концентрат непригоден для непосредственного употребления в доменной плавке - его нужно предварительно окусковывать до 20-40 мм. В черной металлургии для окускования рудных материалов применяют агломерацию и производство окатышей.

 

6.1.3    II стадия - доменное производство

Основным агрегатом для извлечения железа из железных руд является доменная печь. По принципу работы она относится к шахтным печам. Горизонтальное сечение печи - окружность. В вертикальном сечении печь состоит из пяти элементов (рис. 5.2).

Верхняя ее часть называется колошником (К). Основной частью печи по объему является шахта (Ш), представляющая усеченный конус. Самая широкая часть - распар (Р) переходит в заплечики - 3 (в форме обратного усеченного конуса). Самой нижней частью печи является горн (Г).

В верхней части горна имеется большое число (30-40) равномерно распределенных по окружности фурменных отверстий (Ф), через которые из кольцевого воздухопровода 5 в печь подают нагретый воздух. В нижней части горна имеется 2-4 отверстия, предназначенных для выпуска чугуна 7 и шлака 6 - чугунных и шлаковых леток (Л) в чугуновозный ковш 8 и шлаковозный - 9. Внутренняя часть печи выложена огнеупорным кирпичом 3, сохранность которого в течение нескольких лет эксплуатации обеспечивается системой охлаждения 4.

Загрузка доменной печи шихтовыми материалами производится скипами 1 сверху с помощью засыпного аппарата 2, который при этом герметично закрывает печь и изолирует ее внутреннее пространство от атмосферы.

 

 

Рис. 5.1. Технологическая схема обогащения магнетитов Оленегорского

месторождения

 

Рис. 5.3. Распределение по высоте печи основных химических процессов:

1 - зона твердофазного  восстановления железа; 2 - зона шлакообразования;

3 - зона кокса  и жидких продуктов плавки; 4 - зоны горения кокса

 

Шихта доменной печи состоит из трех основных частей, взятых в заранее рассчитанном строго определенном соотношении:

1 - железорудный материал - агломерат или окатыши;

2 - кокс - главный источник тепловой энергии, он выполняет также роль реагента-восстановителя;

3 - флюс - материал, снижающий температуры плавления пустой породы рудного материала и золы кокса. Чаще всего в качестве флюса используют известняк, содержащий 96-98% СаСО3. В этом случае СаО флюса увеличивает также переход серы из металла в шлак, улучшая качество металла.

 

Общая схема доменного процесса.

Существо доменного процесса заключается в том. что в верхней половине печи при умеренных температурах - 400-1100°С восстанавливаются оксиды железа из твердых кусков рудного материала. В расположенной ниже зоне с температурами 1100-1300°С - в так называемой зоне шлакообразования - происходит расплавление образующегося из восстановленного железа чугуна и пустой породы рудного материала. Жидкие чугун и шлак стекают вниз и скапливаются в горне, разделяясь по плотности на две несмешивающиеся жидкие фазы.

Доменный процесс относится к типу противоточных: сверху вниз под действием силы тяжести непрерывно опускаются заполняющие всю печь шихтовые материалы, а снизу вверх поднимается горячий газ, который нагревает шихту и одновременно участвует в восстановительных процессах. Горновой газ образуется в результате горения кокса перед фурмами, куда под давлением подается подогретый до 1000-1200°С воздух. Поскольку горение кокса в доменной печи происходит при большом избытке углерода - при недостатке кислорода, то конечным продуктом сгорания углерода является не СО2, а СО.

Образующиеся продукты горения содержат около 35% СО и имеют температуру 2100-2300°С. В результате горения кокса (его газификации) в горне непрерывно образуется свободное пространство, куда и опускается столб шихтовых материалов. Периодически, через несколько минут в доменную печь загружают очередную порцию шихтовых материалов.

Получение малоуглеродистого сплава в доменной печи невозможно, так как на всем пути движения восстановленного железа до горна имеется непрерывный контакт его с углеродом кокса и СО доменного газа, в результате чего происходит неизбежное науглероживание железа с образованием чугуна, содержащего примерно 91-94% Fe; 3,5-4,5% С и 2-5% других примесей.

Одна из характерных особенностей доменного процесса заключается в том, что формирование химического состава чугуна происходит по мере движения вниз твердой шихты и расплавленных масс металла и шлака. Чугун, попавший в горн, сколько бы он там ни находился, не изменяет своего химического состава.

Со временем количество чугуна и шлака в горне увеличивается. Когда верхний уровень шлака приближается к горизонту фурм, требуется произвести выпуск чугуна и шлака из печи. С этой целью открывают чугунную и шлаковую летки. После выпуска накопившихся продуктов плавки летки вновь закрывают.

 

 

6.1.4     III стадия - сталеплавильное производство

 

Получаемый в результате доменной плавки чугун имеет ограниченную область применения, так как он хрупок, не обладает пластичностью, имеет низкую ударную прочность. Задачей сталеплавильного производства является, используя чугун как исходный материал, получить сплавы - стали - со значительно лучшими механическими свойствами.

 

Принципиальные основы сталеплавильного производства

 

Из сопоставления химических составов передельного чугуна и конструкционной стали (табл. 5.2) видно, что для получения стали требуется удалить из металла большую часть углерода, кремния, фосфора, снизить концентрацию серы.

Таблица 5.2

Химические составы чугуна и стали

 

Сделать это можно путем окисления чугуна: углерод переходит в газ (в виде СО), a Si, Mn, Р переходят в шлак (в виде оксидов).

Таким образом, первое принципиальное отличие сталеплавильного производства от доменного - это окислительный характер процессов.

Второе отличие состоит в том, что производство стали требует значительно более высоких температур, чем производство чугуна. В соответствии с диаграммой состояния «Fe-С» (см. рис. 3.17, с. 62) с уменьшением содержания углерода в сплаве значительно возрастают температуры ликвидуса. Для нормального хода процесса сталеварения температура металла должна быть 1580-1620°С.

Третьим отличием является периодический характер производства*, когда в металлургический агрегат (печь, конвертер) дается определенное количество чугуна и других материалов, и начинают вести передел чугуна в сталь. По истечении некоторого времени, за которое окислительные процессы пройдут в необходимом объеме, готовую сталь выпускают из печи или конвертера. После чего начинается очередная плавка.

Несмотря на определенную специфику производства стали в конвертере, мартеновской печи и в электропечи, характер основных химических процессов и элементы технологии оказываются одинаковыми для этих трех агрегатов.

Шихта сталеплавильных агрегатов состоит из двух частей: металлической и неметаллической.

Основу металлической части составляют чугун и стальной лом. Доля чугуна в кислородно-конвертерном процессе доходит до 80%, в мартеновском - до 60%, в электросталеплавильном - 5%. На заводах с полным металлургическим циклом (на которых имеются доменные печи) чугун в сталеплавильные цеха подают в жидком виде и сливают в миксер - большой ковш емкостью до 2000 т, где происходит выравнивание химического состава и температуры чугуна из разных доменных печей и разных выпусков. На металлургических и машиностроительных заводах без доменных печей используют твердый чугун в виде слитков-чушек. Источниками стального лома являются отходы самих металлургических заводов: бракованные слитки, скрап, обрезь в прокатном производстве, отходы машиностроительных заводов: стружка, отходы штамповочного производства,  а также отслужившие свой срок ме-

таллические изделия: машины, металлоконструкции, рельсы и т.п.

На заводах вторчермета этот стальной лом проходит специальную подго-товку: очистку от цветных металлов, резку крупногабаритных изделий, пакетирование легковесных отходов.

К металлической части шихты сталеплавильных производств можно отнести также ферросплавы, которые используются в качестве раскислителей и легирующих компонентов.

Неметаллическая часть шихты представлена двумя типами материалов: твердых окислителей и флюсов. В качестве твердых окислителей при производстве стали используют богатую железную руду, агломерат, окатыши, окалину прокатного и кузнечного производства. Эти материалы содержат большое количество Fe2О3 и Fe3О4. Основным флюсом является СаО в виде известняка (СаСО3) или свежеобожженной извести. Часто для повышения жидкоподвижности шлака используют боксит (содержащий около 50% А12О3) и плавиковый шпат (более 90% CaF2).

Одно из основных требований к шихтовым материалам - минимальное содержание SiО2.

Общая схема сталеплавильного процесса. После очередного выпуска готовой стали новую плавку проводят в следующем порядке.

Заправка - ремонт (восстановление) разрушенных участков огнеупорной футеровки; на разъеденные места набрасывают размолотый огнеупорный материал (магнезит, доломит, кварц), который при высокой температуре приваривается к основной футеровке.

Завалка - загрузка шихты в печь или конвертер; вначале загружают твердую часть шихты: чушковый чугун, легковесный скрап, флюсы, твердые окислители, а затем заливают жидкий чугун. Жидкий чугун, стекая вниз, не только прогревает кусковую шихту, но и науглероживает стальной лом, благодаря чему снижается его температура плавления.

Собственно металлургический процесс начинается с плавления шихты, в результате которого образуется жидкая металлическая ванна и покрывающий ее расплавленный шлак. Плавку в этот период ведут при максимальной тепловой нагрузке печи, чтобы сократить до минимума его продолжительность. Уже в этот период с заметной скоростью начинают идти процессы выгорания примесей чугуна.

Главным периодом процесса является окислительный, в ходе которого удаляется - выгорает - избыточное количество углерода. Общую схему процессов, протекающих в этот период, можно представить следующим образом. В конвертерном (самом массовом) способе передела чугуна в сталь углерод окисляется в атмосфере газообразного кислорода дутья: 2[С] + О2 = 2СО*.  Одновременно   с  выгоранием   углерода   окисляются   примеси   чугуна:

[Si] + О2 → (SiО2); [Мп] +О2 → (МпО); [Р] + О2 → (Р2О5). Так как все реакции окисления экзотермические, то в этот период существенно повышается температура металла.

В печных способах производства стали (мартеновском, в дуговых электрических печах) кислород поступает в металл из газовой фазы (через слой шлака) в результате последовательного протекания следующих процессов:

- на границе фаз «шлак-газ» идет окисление (FeO): (FeO) + O2 → (Fe2О3);