Производство цинка и его сплавов. Способы обработки металлов давлением

Все более широкое применение электроплавки в металлургии обусловливается рядом существенных преимуществ перед конвертерным и мартеновским способами:

- возможность создания в печи любой газовой атмосферы: окислительной, восстановительной, нейтральной; при необходимости плавку можно вести в вакууме;

- возможность концентрировать высокую тепловую мощность в сравнительно небольшом объеме печи, благодаря чему а) повышается степень использования тепла; б) удается достичь высоких температур в реакционной зоне - 2000- 3000°С (необходимых для плавления тугоплавких металлов и сплавов);

-значительно проще и удобнее  осуществлять регулирование теплового  режима плавки;

- строительство электрических печей требует значительно меньших капитальных затрат по сравнению с мартеновскими.

Наиболее распространенными для получения сталей являются трехфазные, трехэлектродные основные печи с непроводящей подиной емкостью от 0,5 до 200 т.

 

 

 

Устройство дуговой электрической печи

 

Плавильная установка включает корпус печи 1 со съемным сводом 2, установленный на люльке 3, цилиндрическая поверхность которой позволяет осуществлять наклон печи в одну и другую сторону; механизм наклона печи 4, подъема и поворота свода: вращения корпуса печи в горизонтальной плоскости (на 40° в одну и другую сторону); электроды 5; электродержатели 6; устройство для электромагнитного перемешивания жидкого металла; трансформатор.

Мощная 200-тонная печь имеет диаметр и высоту плавильного пространства соответственно 7 и 6 м; диаметр электродов 610 мм; мощность трансформатора 125 MB.А.

Экономическая эффективность работы электрической печи в значительной степени определяется стойкостью огнеупорной футеровки. Различные участки печи работают  в  различных условиях, 

поэтому для их футеровки применяются различные типы огнеупорных материалов.

Под  и  откосы  футеруются  периклазовыми (MgO) материалами: кирпичом 11 и порошком (с добавкой в качестве связки 10% каменноугольной смолы) 10. Стены выкладываются хромитопериклазовыми кирпичами, а в шлаковом поясе - периклазоуглеродистыми. Свод печи изготавливают из периклазохромитовых. муллитовых огнеупоров, а отверстия для электродов выкладывают иногда из высокоглиноземистых кирпичей, обладающих высоким электрическим сопротивлением. В качестве теплоизоляционных материалов применяют шамотные легковесные кирпичи, порошок или асбест 12.

В связи с ухудшением качества ломов в современной  дуговой электрической печи применяется окислительный процесс, а получение качественной стали обеспечивают в печи-ковше с разливкой на МНЛЗ. Технологическая схема производства непрерывнолитых заготовок представлена на рис. 5.11.

 

Классификация сталей

Отечественная черная металлургия производит широкий сортамент сталей, различающихся по механическим, электрическим, магнитным свойствам, стойкости против химического воздействия, высоких температур.

Классификацию сталей можно провести по нескольким признакам:

1) по способу производства: кислородно-конвертерные, мартеновские, электродуговые, вакуумно-индукционные;

2) степени раскнсленности: спокойные, полуспокойные, кипящие (в которых выгорание углерода продолжается даже в период разливки в изложни¬цы);

3) качеству (по концентрации серы и фосфора): обыкновенная (содержание S и Р до 0,06%), качественная и высококачественная (S и Р менее 0,03%);

4) химическому составу: углеродистые и легированные;

5) назначению: конструкционные (< 0,6% С), инструментальные (0,7-1,5% С) и стали специального назначения: рессорно-пружинные, подшипниковые, штамповые, нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные и др.

Для удобства пользования ГОСТом установлена маркировка сталей. Так, например, Ст3 обозначает - сталь обыкновенная, конструкционная, содержание углерода 0,3%; У12А - сталь углеродистая, 1,2% С, качественная.

Легирующие элементы  в  сталях обозначаются  буквами русского алфавита: Ni - H; Cr - Х: Со - К; Mn - Г; Si - C; W - B; Ti - T; V - Ф; Al - Ю; Cu - D. Цифра перед буквами обозначает содержание С в сотых долях процента; цифры после буквы - содержание элемента в процентах. Так, в стали 8Х22Н6Т содержится С - 0,08%; Сг - 22%; Ni - 6% и Ti - 1%.

 

Бездоменные способы получения железа

Традиционная двухступенчатая схема производства железа (сталей), достигшая высокой степени совершенства благодаря использованию опыта сотен поколений металлургов, является основой сегодняшней черной металлургии - по этой схеме в мире получают около 98% сталей. Современные металлургические агрегаты - доменные печи и кислородные конвертеры обладают колоссальной производительностью - до 12-15 тысяч т металла в сутки.

Вместе с тем, этот метод содержит серьезные внутренние противоречия, так как осуществляется по принципу «два шага вперед - один назад»: на первой стадии - в ходе доменной плавки - происходит не только восстановление железа из оксидов, но и его «перевосстановление» - насыщение железа углеродом. Это вынуждает организовывать вторую стадию - удаление избытка углерода и некоторых других элементов путем окисления.

Вторым противоречием доменной плавки является то, что полученные в результате глубокого обогащения железных руд частички концентрата размером меньше 0,05 мм, способные нагреваться и восстанавливаться за сотые и тысячные доли секунды, по условиям газодинамики доменного процесса должны окусковываться - их превращают в агломерат или окатыши. При этом реакционная поверхность рудного материала уменьшается в тысячи раз, и процессы прогрева и восстановления растягиваются на несколько часов.

Следующий недостаток традиционной технологии заключается в том, что первая стадия - доменная плавка - невозможна без использования кокса. Не только у нас в стране, но и во всем мире ощущается недостаток коксующихся каменных углей. Во многих странах их вообще нет. С каждым годом становится более дорогой добыча коксующихся углей - основная масса их добывается шахтным способом, при этом глубина шахт достигает 1 км и больше.

Серьезно ухудшает экологическую обстановку вблизи металлургического завода коксохимическое производство. Несмотря на применение систем очистки газа и воды, в воздух и воду попадает много вредных для человека веществ: серы, фенолов, альдегидов, других органических соединений, обладающих канцерогенными свойствами.

При продувке чугуна кислородом в конвертерах в атмосферу выделяется большое количество тонкодисперсных частиц оксида железа, что также осложняет экологическое состояние окружающей среды.

Все эти проблемы заставляют ученых и практиков - металлургов разрабатывать новые методы получения железа, которые не имели бы доменного и коксохимического производств. Несмотря на то, что все известные способы без-доменного получения железа пока дороже традиционного - двухступенчатого, работы по их совершенствованию продолжаются.

Следует сразу отметить, что многочисленные попытки получать в массовых масштабах жидкую сталь, минуя доменный процесс, оказались безуспешными. Промышленные способы бездоменной металлургии железа представляют различные варианты восстановления железных руд с получением губчатого или кричного железа, переплавляемого потом в сталеплавильных агрегатах.

Единственный вариант бездоменного получения восстановленного железа реализован в промышленных масштабах в России на Старо-Оскольском электрометаллургическом комбинате в 1984 г.

В качестве исходного сырья используется руда Лебединского месторождения КМА, способная обогащаться с получением «суперконцентрата», содержащего 68-70% Fe и пустой породы не более 3%. Из этого концентрата получают окисленные окатыши, которые затем восстанавливают в шахтных печах. Из рисунка 5.22, на котором представлена схема процесса получения металлизованных окатышей, видно, что кроме шахтной печи (Ш) произ-водственный комплекс имеет три участка: цикл конвертирования природного газа (КПГ), включающий реформер (Р), рекуператор (Т) и холодильник (X); цикл обработки колошникового газа (КГ), включающий скруббер Вентури (СВ) и холодильник (X) и цикл обработки охлаждающего газа (ОГ), состоящий из скруббера Вентури (СВ), компрессора и каплеотделителя (Ц).

На ОЭМК в качестве топлива и восстановительного газа используется природный газ после конвертирования. Во избежание выхода из строя никелевых катализаторов реформера природный газ предварительно очищается от серосодержащих компонентов вначале фильтрацией через «молекулярное сито» с помощью адсорберов, а затем химическим взаимодействием с ZnO. Окончательное содержание серы в газе 0,0001%.

Реформер природного газа представляет стальную камеру 41x11x9 м, футерованную внутри огнеупорным кирпичом. В реформере укреплены вертикально 288 реакционных труб (РТ), заполненных катализатором.

 В днище между трубами  расположены горелки, с помощью  которых реакционные трубы нагреваются  до 1100°С. Конвертированный газ, состоящий  из Н2 и СО2, выходит из реформера с температурой 900°С.

Шахтная печь для металлизации окатышей работает в непрерывном режиме по схеме противотока. Сверху из бункера (Б) окисленные окатыши через труботечку с помощью специального устройства равномерно распределяются по окружности колошника диаметром 5 м. Примерно на середине печи находится фурменный пояс, через который вдувается восстановительный газ с темпера-турой около 760°С, представляющий смесь конвертированного газа с небольшой добавкой природного. Поднимаясь вверх, восстановительный газ нагревает окатыши и восстанавливает оксиды железа. Высота этой зоны восстановления около 10 м. Колошниковый газ с температурой 400°С покидает печь и направляется на участок обработки колошникового газа, где он охлаждается, очищается от пыли и воды и частично используется в качестве газообразного топлива в реформере, а остальная часть возвращается в процесс. В таблице 5.6 приведены составы восстановительного и колошникового газов.

Восстановленные окатыши из восстановительной зоны опускаются в зону охлаждения, где продуваются холодным газом, состоящим в основном из восстановительных компонентов, %: 15 СО, 30 Н2, 30 СН4 и 15 N2 Одновременно с охлаждением идет науглероживание железа. Движение окатышей в шахтной печи обеспечивается работой питателей (П), представляющих трубы, проходящие через печь, с наваренными пластинами.

 

Таблица 5.6

Составы восстановительного и колошникового газов

шахтиой восстановительной печи, %

Газ	СН4	СО	Н2	СО2	Н2О	N2
Восстановительный	5	30	56	3	4	2
Колошниковый	5	17	40	15	21	2

 

Питатели совершают возвратно- вращательные движения (+45°-30°) и расположены на выходе из зон восстановления и охлаждения. Специальные газовые затворы (Г), установленные на выходе и входе из печи, предупреждают выброс печных газов в атмосферу во время загрузки печи и выгрузки из нее восстановленных окатышей.

Регулирование технологическим режимом восстановления окатышей, их охлаждения и науглероживания осуществляется изменением количества, температуры и состава газов, добавкой большего или меньшего количества СН4, а также изменением скорости движения питателей.

Металлизованные  окатыши,  содержащие   FeО ≥ 88%,   Feмeт = 79-80%,   SiО2 ≤ 5%;   S ≤ 0,005%; P ≤ 0015%; C = 1,5-2,0%, направляются в электросталеплавильный цех.

Удельная производительность шахтной печи -3,5 т/м3 сут.

Удельный расход природного газа 390 м3/т металлизованных окатышей.

Если пересчитать это количество газа на тепло, выделяющееся при сгорании его, получим: 390●35 = 13650 МДж/т окат., что в два с лишним раза больше расхода тепла на 1 т чугуна в доменной печи.

 

Получение особо чистого железа

Промышленные сорта технически чистого железа, получаемые пирометаллургическим способом, имеют степень чистоты 99,75-99,85%. Железо более высокой степени чистоты получают электролитическим методом с последующей химической обработкой.

Железо, выделенное электролизом из растворов хлорида или сульфата железа, содержит около 0,1% С; 0,1-0,2% О, а также 0,015 -0,05% S, если осаждение производилось из сульфата. При электролитическом получении железа в нем остается никель, кобальт, марганец. Удаление кислорода из такого железа осуществляется обработкой жидкого или твердого железа водородом - после обжига при 900-1400°С в токе сухого водорода содержание кислорода снижается до 0,003%. Серу из железа удаляют обработкой марганцем в тигле из извести и плавикового шпата. Десульфурацию производят также в высоком вакууме с добавкой Sn; Sb; Bi, образующих летучие сульфиды.

При такой обработке содержание серы в железе снижается до 0,004%. Путем раскисления железа углеродом в высоко вакуумных установках удается снизить содержание кислорода до 0,002%. Получение железа с более низким содержанием кислорода в вакууме затруднено вследствие перехода кислорода в металл из материала тигля. Наилучшим материалом для тиглей являются ZrО2; ТhO2.

Высоко чистое железо получают также карбонильным методом - разложением Fe(CO)5 при 200-300°С. Однако и в этом случае требуется дополнительная обработка.

 

 

 

Производство ферросплавов

Ферросплавами называют сплавы железа с легирующими элементами (V, W, Ti, Zr,                                                                                                                                         Nb, Сг, и др.) или с элементами-раскислителями (Mn, Si и др.). Применение их в технологическом процессе производства стали более удобно и более выгодно, чем чистых элементов. Во-первых, ферросплавы, как правило, имеют более низкую температуру плавления, что облегчает введение их в жидкую сталь. Во-вторых, ферросплавы значительно дешевле, чем чистые металлы, так как получаются непосредственно из руд.