Металлургическое производство

1. Лекция № 5

* Металлургическое производство
* Материалы для производства чугуна
* Особенности работы доменной печи
* Продукты доменной плавки

2. Металлургическое производство

– это область науки, техники и
отрасль промышленности, включающая в себя процессы получения металлов (и
других КМ) из руд и улучшению их свойств. Введение в расплав в определенных
количествах легирующих элементов позволяет изменять состав и структуру
сплавов, улучшать их механические свойства, получать заданные физикохимические свойства. Оно включает в себя шахты и карьеры по добыче руд и
каменного угля; горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды,
подготавливая их к плавке; коксохимические заводы, где осуществляют
подготовку углей, их коксование и извлечение из них полезных химических
продуктов; энергетические цехи для получения сжатого воздуха (для дутья
доменных печей), кислорода, очистки металлургических газов; доменные цехи
для выплавки чугуна и ферросплавов или цехи для производства железорудных
металлизованнных окатышей; заводы по производству ферросплавов;
сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электроплавильные) для
производства стали; прокатные цехи, в которых слитки стали перерабатывают в
сортовой прокат: рельсы, прутки, проволоку, лист.

3.

Основная продукция черной металлургии: чугуны; железорудные
металлизованные окатыши для выплавки стали; ферросплавы (сплавы железа
с повышенным содержанием (Mn, Si, V, Тi и т.д.) для выплавки легированных
сталей; стальные слитки для производства сортового проката, листа, труб и
т.д.; стальные слитки для изготовления крупных кованых валов, роторов
турбин, дисков и т.д., называемые кузнечными слитками.
Продукция цветной металлургии: слитки цветных металлов для
производства сортового проката (уголка, полосы, прутков); слитки (чушки)
цветных металлов для изготовления отливок на машиностроительных
заводах; лигатуры - сплавы цветных металлов с легирующими элементами,
необходимые для производства сложных легированных сплавов для отливок;
слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения, электронной
техники и других отраслей машиностроения.
Чугун был известен за 4-6 вв. до н. э. (ДП) возникло в результате
развития сыродутного процесса — «прямого» получения железа в твёрдом
состоянии непосредственно из железной руды путём восстановления её в
низких горнах или шахтных печах (домницах) с помощью древесного угля.
Первые доменные печи в Европе появились в середине 14 в., а в России —
около 1630, вблизи Тулы и Каширы. На Урале первый чугун получен в 1701, а в
середине 18 в. благодаря развитию уральской металлургии Россия вышла на 1е место в мире, которое удерживала до начала 19 в. До середины 18 в.
единственное топливо в ДП — древесный уголь. В 1735 А. Дебри применил в
доменной плавке каменно-угольный кокс.

4.

Основные этапы развития ДП: применение паровой воздуходувной
машины (И. И. Ползунов, 1766), нагрев дутья (Дж. Нилсон, 1829), изобретение
кирпичного воздухонагревателя регенеративного типа (Э. Каупер, 1857). В 1913
в Россия заняла 5-е место в мире (4,2 млн. т чугуна). В 1940 в СССР занял 3-е
место в мире (15 млн. т чугуна), а с 1947 Советский Союз уступал только США. В
1970 СССР вышел на 1-е место в мире. Выплавка чугуна в СССР в 1971 составила
89,3 млн. т. Большую роль в развитии ДП в СССР сыграли М. А. Павлов, М. К.
Курако, И. П. Бардин. В СССР широко применяли высокомеханизированные и
автоматизированные агрегаты и передовые технологии.
Обычно на одну тонну чугуна расходуется до 2 т необогащенной руды
и 0,5 т кокса, расход флюса в пределах 0,2 0,5 т; до 25 м3 воды на охлаждение
кладки стенок (стальные трубы в чугунных пустотелых плитах).
Суточная производительность доменных коксовых печей составляет
до 3000 5000 т в сутки. В Череповце (1977 г.) доменная печь V = 2700 м3 и
выплавляется 5 т чугуна в сутки (стоимость со всем вспомогательным
устройством 27 млн.руб.). Полная высота до 60 м.
Чугун – железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% углерода.
Кроме углерода, в нем всегда присутствуют кремний (до 4%), марганец (до 2%),
а также фосфор и сера. Чугун является основным исходным материалом для
получения стали, на что расходуется примерно 80-85% всего чугуна.

5. Материалы для производства чугуна

Исходными материалами ДП - шихтой являются:
промышленная руда (железная, марганцевая руда, агломерат, окатыши);
топливо (горючие материалы);
флюсы (материалы необходимые для ведения доменного процесса);
футеровка печи (изолирующий материал печи, частично участвующий в
процессе плавки).
Широкое применение в шихте доменных печей получил флюсованный
агломерат (свыше 90%), который содержит 50—60% Fe (при основности 1,1—
1,3), широко применялись флюсованные окатыши.
Главные
свойства руды
и железосодержащих
материалов,
определяющих технико-экономические показатели доменной плавки:
содержание железа;
состав пустой породы;
количество вредных примесей;
гранулометрический состав;
прочность и восстановимость.

6.

Промышленная руда - это природное минеральное образование,
содержащее какой-либо металл или несколько металлов в концентрациях, при
которых экономически целесообразно их извлечение. Руда состоит из рудного
минерала содержащего один ценный элемент (на пример, железо, марганец) или
несколько ценных
металлов комплексные руды (полиметаллические),
например медно-никелевые руды, железо-марганцевые хромоникелевые и
др. Кроме рудных минералов в состав руды входит пустая порода - минералы,
которые отделяются от рудных минералов при обогащении или переходят в
шлаки при плавке. В зависимости от содержания добываемого металла руды
бывают богатые и бедные. Перед использованием руды ее обогащают, т.е.
удаляют из нее часть пустой породы. В результате получают концентрат с
повышенным содержанием добываемого металла. Использование концентрата
улучшает технико-экономические показатели работы металлургических печей.
По типу рудного минерала различают руды следующих основных видов:
красный железняк - рудный минерал – гематит, безводная окись железа
Fe2O3 (70% Fe). Руда обычно содержит 50-60% Fe. Это наиболее
распространенный вид руды во всем мире;
магнитный железняк - рудный минерал – магнетит, магнитная окись
железа Fe3O4 (72,4% Fe), в руде 55-60% Fe;
бурый железняк - рудный минерал – водные окислы железа nFe2O3 · mH2O
(52-66% Fe). В руде обычно содержится 30-50% Fe;
шпатовый железняк - рудный минерал – содержит, карбонат железа FeCO3
(48,3% Fe), в руде обычно 30-40% Fe;

7.

Топливо - это горючие вещества, основной составной частью которых
является углерод, они применяются с целью получения при их сжигании
тепловой энергии. Основным горючим в ДП служит каменноугольный кокс.
Иногда с заменой части кокса газообразным, жидким или твёрдым топливом,
вдуваемым в горн доменной печи. В ДП может использоваться твердое, жидкое
или газообразное топливо. Расход кокса составляет 40 50% себестоимости
чугуна. Куски кокса должны иметь размеры 25 ... 60 мм. Кокс должен обладать
достаточной прочностью, чтобы не разрушаться под действием шихтовых
материалов. Природный газ содержит 90 ... 98% углеводородов (СН и С2Н6) и 1%
азота. Мазут содержит 84 ... 88% углерода, около 12% водорода, небольшое
количество серы и кислорода. Кроме того, используют доменный, или
колошниковый, газ - побочный продукт доменного процесса.
Флюсы - это материалы, загружаемые в печь для образования шлаков
- легкоплавких соединений с пустой породой руды, золой и топливом.
Сплавляясь, они образуют легкоплавкий сплав – доменный шлак, в
расплавленном состоянии он удаляется из печи через шлаковую летку. Кроме
того, флюс должен обеспечить получение шлака с необходимым химическим
составом и физическими свойствами, что в значительной мере определяет
состав чугуна. В качестве флюсов используется известняк, иногда доломит,
также вводят плавиковый шпат (как связующее). Флюсы выбирают в
зависимости от пустой породы руды. В отечественных железных рудах пустая
порода, как правило, содержит избыток SiO2. Поэтому в качестве флюса
используют сильноосновные материалы, главным образом известняк CaCO3.

8.

Футеровка печи представляет собой изолирующее покрытие
внутренней части печи. Это покрытие защищает металлический каркас печи от
разрушения под действием агрессивной окислительной среды и высоких
температур. Домна футерована шамотным нейтральным огнеупором
(кирпичом ст до 1200 мм), в области колошника домна внутри облицована
керамическими или чугунными отбеленными плитами. Под действием высоких
температур, окислительных реакций и динамических потоков в процессе
плавки футеровка печи разрушается (изнашивается), поэтому печь
периодически нуждается в остановке и ремонте. Разрушенная футеровка
активно учувствует в химических реакциях происходящих в печи (это также
важный химический реагент как и флюс).

9. Особенности работы доменной печи

Чугун выплавляют в печах шахтного типа - доменных. Сущность
процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении
оксидов железа входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом,
выделяющимся при сгорании топлива в печи и твердым углеродом.
Доменная печь имеет стальной кожух, выложенный внутри
огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает в себя
колошник, шахту, распар, заплечики, горн, лещадь. В верхней части колошника
находится засыпной аппарат, через который в печь загружают шихту. Шихту
взвешивают, подают в вагонетки которые высыпают шихту в приемную воронку
распределителя шихты. При опускании малого конуса шихта попадает в чашу, а
при опускании большого конуса в доменную печь, что предотвращает выход
газов из печи в атмосферу. Для равномерного распределения шихты малый конус
и приемная воронка после загрузки поворачиваются на угол, кратный 60°.
Шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное
устройство в печь подаются новые порции шихты в таком количестве, чтобы
весь полезный объем печи был заполнен. Полезный объем печи - это объем,
занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного
аппарата при его опускании. Современные доменные печи имеют полезный
объем 2000 ... 5000 м3. Полезная высота доменной печи достигает 35м.

10.

В верхней части горна находятся
фурменные устройства, через которые в печь
поступает нагретый воздух.
Воздух
нагревают для повышения температуры в
печи и снижения расхода кокса. Доменная
печь имеет несколько воздухонагревателей: в
то время как в одних насадка нагревается, в
других она отдает теплоту холодному воздуху,
нагревая его. После охлаждения насадки
воздухом нагреватели переключаются. Воздух
поступает
в
доменную
печь
из
воздухонагревателя,
внутри
которого
имеются камера сгорания и насадка. В камеру
сгорания к горелке подается очищенный от
пыли доменный газ, который сгорает и
образует горячие газы.
Печь
работает
по
принципу
противотока - нагретые продукты сгорания
направляются вверх через шахту (нагревая
при этом шихту) и выводятся через колошник.
Шихта расплавляется в районе распара и стекает вниз где образуются две
несмешиваемые жидкости - шлак и чугун, которые затем раздельно
периодически сливаются из печи.

11.

Условно процессы, протекающие в доменной печи, разделяют на:
горение топлива;
разложение компонентов шихты;
восстановление железа;
науглероживание железа;
восстановление марганца, кремния, фосфора, серы;
шлакообразование.
Все эти процессы проходят в доменной печи одновременно, но с разной
интенсивностью, при различных температурах и на разных уровнях. Основные
химические процессы в доменной печи — горение и восстановление.
Горение топлива. У фурм возникают очаги горения, называемые
окислительными зонами, в которых вихревое движение газов приводит к
циркуляции кусков кокса. Горение кокса развивается на поверхности контакта
твёрдой и газообразной фаз. При этом кислород соединяется с углеродом в
сложные комплексы СхОу, которые затем распадаются. В упрощённом виде
процесс горения углерода твёрдого топлива у фурм сводится к экзотермической
реакции 2C + O2 = 2CO. При вдувании природного газа или мазута, в которых
главной составляющей являются углеводороды (например, метан), протекает
реакция с выделением CO и H2; при этом поглощается значительная часть тепла,
выделяемого при сжигании С, а следовательно, понижается температура горения
у фурм. Во избежание этого необходимо повышать температуру дутья и
обогащать его кислородом. Положительное влияние вдувания углеводородных
топлив — в повышении концентрации водорода в газе и улучшении благодаря
этому его восстановительной способности.

12.

Часть кокса расходуется на процессы восстановления, но основное
количество опускается в горн и сгорает вместе с вдуваемым топливом у фурм.
Газы с температурой 1600—2300°С, содержащие 35—45% CO, 1—12% H2 и 45—
65% N2, поднимаясь по печи, нагревают опускающуюся шихту, при этом CO и H2
частично окисляются до CO2 и H2O. Газы, выходящие из печи, имеют t 150—300°С.
Восстановление железа и др. элементов. В доменной печи Cu, As, Р,
подобно Fe, восстанавливаясь, почти полностью переходят в чугун. Полностью
восстанавливается и Zn, который затем возгоняется, переходит в газы и
отлагается в порах кладки, вызывая её разрушение. Элементы, которые
образуют более прочные соединения с кислородом, чем Fe, восстанавливаются
частично или совсем не восстанавливаются: V восстанавливается на 75-90%, Mn
на 40—75%, Si и Ti в небольших количествах, Al, Mg и Ca не восстанавливаются.
Восстановление поступающих в доменную печь окислов Fe2O3 и Fe3O4 происходит
путём последовательного отщепления кислорода по реакциям:
3Fe2O3 + CO (H2) = 2Fe3O4 + CO2 (H2O);
Fe3O4 + CO (H2) = 3FeO + CO2 (H2O).
Закись железа FeO восстанавливается до Fe газами (косвенное восстановление)
FeO + CO (H2) = Fe + CO2 (H2O) и углеродом кокса (прямое восстановление)
FeO+ C = Fe + CO.
Высшие окислы марганца MnO2, Mn2O3 и Mn3O4 восстанавливаются
газами с выделением тепла. В дальнейшем MnO восстанавливается до Mn только
углеродом с затратой тепла примерно в 2 раза большей, чем при восстановлении
Fe. Si также восстанавливается только С при высоких температурах по
эндотермической реакции: SiO2 + 2C + Fe = FeSi + 2CO.

13.

Степень восстановления Si и Mn зависит в основном от расхода кокса; на
каждый процент повышения содержания Si в чугуне расход кокса увеличивается
на 5—7%, что увеличивает количество горячих газов в печи, вызывая перегрев
шахты. Обогащение дутья кислородом, обеспечивая высокий нагрев горна,
уменьшает количество образующихся газов, а следовательно, и температуру в
шахте печи.
Сера в доменном процессе. S вносится в доменную печь в основном
коксом и переходит в газы в виде паров (SO2, H2S и др.), но большая часть
остаётся в шихте (в виде FeS и CaS); при этом FeS растворяется в чугуне. Для
удаления S из чугуна необходимо перевести её в соединения, нерастворимые в
чугуне, например в CaS:
FeS + CaO = CaS + FeO.
Это достигается образованием в доменной печи жидкоподвижных
шлаков с повышенным содержанием СаО. Восстановительная среда
благоприятно влияет на этот процесс, т.к. снижает содержание FeO в шлаке.
Степень обессеривания достаточно высока, и только в некоторых случаях чугун
дополнительно обессеривается вне доменной печи различными реагентами.
Восстановленное в доменной печи Fe частично науглероживается в твёрдом,
а затем в жидком состояниях. Содержание C в чугуне зависит от температуры
чугуна и его состава. Шлак состоит из невосстановившихся окислов SiO2, AI2O3 и
СаО (90—95%), MgO (2—10%), FeO (0,1—0,4%), MnO (0,3—3%), а также 1,5—2,5%
S (главным образом в виде CaS).

14.

Для характеристики шлаков пользуются обычно показателем
основности CaO/SiO2 или (СаО + MgO)/SiO2. Основность CaO/SiO2 для разных
условий плавки колеблется в пределах 0,95—1,35%. При выплавке чугуна на
коксе с повышенным содержанием S (донецкий кокс) работают на шлаках с
верхним пределом основности и стремятся обеспечить содержание MgO в шлаке
6—8% и более, улучшая его жидкоподвижность.
Непрерывная работа доменной печи продолжается 5—6, а в некоторых
случаях 8—10 лет и более, в течение которых печь 1—2 раза останавливается на
так называемый средний ремонт для замены изношенной кладки шахты.

15. Продукты доменной плавки

Основными продуктами доменной плавки являются: чугуны (это
основной продукт доменной плавки остальные побочные), доменный газ, шлак,
доменная (колошниковая) пыль.
Основные виды чугуна выплавляемого в доменных печах:
передельный чугун (используемый для производства стали);
литейный чугун (для чугунных отливок);
специальный чугун.
Побочные продукты ДП:
доменный (колошниковый) газ (газ-смесь различных газов или газовых
соединений с теплотой сгорания 850—1100 ккал/м3) после очистки от пыли
используется для нагрева дутья в воздухонагревателях, в заводских котельных
установках, коксохимических, агломерационных и некоторых др. цехах;
доменный шлак применяется в производстве строительных материалов:
цемента, гравия, шлакоблоков, спец.кирпичей и шлаковаты (изоляционные
материалы), имеет в своем составе окислы цветных и благородных металлов –
используется для получения этих металлов;
колошниковая пыль, выносимая из печи и улавливаемая системой газоочистки,
содержащая 30—50% Fe, возвращается в шихту доменных печей после её
предварительного окускования (главным образом путём агломерации).