Металлургия черных и цветных металлов: исходные материалы

1. Процессы и операции формообразования

ЛЕКЦИЯ-4
МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ И
ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ:
ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Н.А. Денисова, доцент кафедры
машиностроения, канд. пед. наук

2. План лекции

Металлургия как отрасль
современной промышленности
Материалы для производства
металлов и сплавов
Процесс производства чугуна
Процесс прямого восстановления
железа

3. Металлургия как отрасль современной промышленности

Проблема отрасли:
до каких пределов возможно и целесообразно
расширять объем производства металлов? Ведь
помимо огромных капиталовложений, имеется и
другой аспект – истощение земных недр и
загрязнение биосферы
Пути решения проблемы
необходимо изыскать либо заменитель
черных металлов;
либо, резко улучшив качество, снизить
расход металла в промышленности.

4. Металлургия как отрасль современной промышленности

Два направления решения проблемы
металлургической промышленности
Создание таких машиностроительных
конструкций и процессов
металлообработки в промышленности,
которые позволили бы резко снизить
расход металла
Создание полностью безотходных и
экологически безопасных процессов
получения черных металлов комплексной
переработкой сырья

5. Металлургия как отрасль современной промышленности

Металлургия – это область науки,
техники и важнейшая отрасль
промышленности, охватывающая
процессы получения металлов из
природного сырья (руд) и других
материалов

6. Материалы для производства металлов и сплавов

Для осуществления металлургических
процессов необходимы:
сырые материалы, являющиеся
полезными ископаемыми,
специально подготовленные шихтовые
материалы,
отходы металлургического производства,
вторичное сырье,
огнеупорные материалы.

7. Материалы для производства металлов и сплавов. Сырые материалы

Руда – природные образования,
содержащие металлы в таких соединениях и
концентрациях, при которых их
промышленное извлечение технически
возможно и экономически целесообразно
Экономическая целесообразность извлечения для
руд разных металлов :
для железных руд содержание Fe в руде 30…60 %
для медных – 1…6 % Cu
для никелевых – 0,3…1,0 Ni
для молибденовых – 0,005…0,02 % Mо…

8. Материалы для производства металлов и сплавов. Сырые материалы

Флюсы – это специальные материалы,
загружаемые в плавильную печь, для
перевода пустой породы и золы кокса в
легкоплавкий шлак требуемого химического
состава, обладающий нужными физическими
свойствами.
По химическому составу и типу реакций с
расплавом флюсы делятся на основные и кислые.
К основным флюсам относятся известняк CaCO3, и
доломитовый известняк CaCO3 + MgCO3,
к кислым – породы, содержащие кремнезем SiO2.
Выбор флюса зависит от состава пустой породы
руды

9. Материалы для производства металлов и сплавов. Сырые материалы

Шлак должен иметь значительно меньшие
плотность и температуру плавления, чем у
извлекаемого металла или его соединения, и
высокую жидкотекучесть.
Это необходимо, чтобы шлак в плавильных печах
собирался на поверхности жидкого металла и
чтобы его можно было отделить от металла в
процессе ведения плавки тем или иным способом.
В то же время шлак служит для защиты
расплавленного металла от контакта его
поверхности с печными газами и воздухом, а также
как среда, в которую переходят вредные примеси
из металла.

10. Материалы для производства металлов и сплавов. Сырые материалы

Топливо – это органическое вещество, при
сжигании которого внутри
металлургического агрегата выделяется
достаточное для ведения процесса
количество теплоты, а также образуются
газы, участвующие в процессах
восстановления
В металлургических печах используют в качестве
топлива кокс, природный газ, реже мазут.
Кокс как важнейший вид твердого топлива
представляет собой твердую пористую массу,
получаемую сухой перегонкой коксующихся сортов
каменного угля при температуре 1000…1100градС
без доступа воздуха.

11. Материалы для производства металлов и сплавов. Сырые материалы

Огнеупорные материалы предназначены для
облицовки (футеровки) рабочего пространства
металлургических агрегатов в зоне ведения плавки,
т.е. в местах, подвергающихся действию высоких
температур и агрессивных сред
В зависимости от типа химических реакций при ведении
процесса плавки огнеупорные материалы делят на:
Кислые – это в первую очередь динас, содержащий большое
количество кислотного оксида SiO2.
Основные – магнезит (MgCO3) и доломит (CaCO3 + MgCO3),
состоящие из основных оксидов (CaO, MgО).
Нейтральные – хромит, хромомагнезит, шамот, содержащие
большое количество Al2O3 и Cr2O3.
Футеровка печи должна соответствовать загружаемому флюсу.
В противном случае шлак вступит в реакцию с футеровкой
металлургической печи и произойдет быстрое разрушение
защитной футеровки

12. Процесс производства чугуна. Исходные материалы

Руда:
железные руды: красный железняк (Fe2O3),
магнитный железняк (Fe3O4), бурый железняк
(2Fe2O3 · 3H2O и Fe2O3 · H2O), шпатовый
железняк (FeCO3).
марганцевые, хромовые руды, которые
применяют для выплавки специальных
сплавов железа с марганцем или хромом –
ферросплавов, используемых как
раскислители в сталеплавильном
производстве,
комплексные руды используют для выплавки
природнолегированных чугунов (например,
чугун из уральских титаномагнетитовых руд).

13. Процесс производства чугуна. Исходные материалы

Топливо
Кокс - 82…88% углерода, 5…10% золы,
0,5…2,0 5 серы, 0,02…0,2% фосфора
природный газ, кислород, водяной пар
вдувают в печь для интенсификации
доменного процесса
Флюсы
известняк CaCO3,
доломитовый известняк CaCO3 +
MgCO3

14. Процесс производства чугуна. Подготовка железных руд к плавке

Цель – увеличение содержания
железа в руде; уменьшение в ней
вредных примесей (серы и
фосфора); повышение ее
однородности по крупности кусков
и химическому составу

15. Процесс производства чугуна. Подготовка железных руд к плавке

Обогащение основано на использовании различия
физических и химических свойств минералов,
входящих в ее состав.
Промывка в потоке воды – удаление глинистых и
песчаных пород из руды.
Гравитационное обогащение – основано на
разнице удельных весов ценного компонента
(более тяжелый) и пустой породы.
Магнитная сепарация – применяют для
обогащения железных руд, содержащих магниевые
вкрапления (магнитный железняк Fe3O4), которые
притягиваются к магниту и отделяются от пустой
породы.
Окускование – превращение обогащенного
измельченного рудного концентрата в кусковую
шихту необходимой крупности и требуемого
состава

16. Процесс производства чугуна. Подготовка железных руд к плавке

Окускование
агломерация – получение кускового пористого
офлюсованного материала – агломерата, путем спекания на
агломерационных машинах при температуре 1300…1500градС
подготовленную для будущей доменной плавки шихту их
рудной мелочи, известняка и коксовой мелочи. В процессе
агломерации железо уже частично восстанавливается, кроме
того, удаляется до 95 % содержащейся в руде серы, а
значительная часть пустой породы связывается в
легкоплавкие соединения
окатывание – шихту из измельченных концентратов, флюсов
и топлива увлажняют и обрабатывают во вращающихся печах
или тарельчатых чашах – грануляторах, где образуются
округлые кусочки - окатыши диаметром до 30 мм.
Полученные окатыши подвергают металлизации при высоких
температурах, после которой они приобретают механическую
прочность, значительную пористость и хорошую
восстанавливаемость

17. Процесс производства чугуна. Доменная печь

Доменная печь – печь шахтного типа для
выплавки чугуна
Это агрегаты непрерывного действия, в которые с
определенной частотой загружают предварительно
подготовленную металлошихту в виде агломерата
или окатышей, с добавками железных,
марганцевых руд, флюсов, а также кокс.
Загрузка материалов в доменные печи
механизирована и автоматизирована.
Срок непрерывной работы кладки печи, т.е. период
ее кампании – может быть 5 – 12 лет, кожух печи
должен работать не менее 20 лет.
В современной мощной доменной печи ежеминутно
можно выплавлять около 9 т чугуна

18.

Технические характеристики
современной доменной печи
наибольший объем современной печи
– 5 500 куб.м,
ежесуточный расход:
шихты – около 23 000 т,
дутья – 18 000 т,
природного газа – 1 700 т,
чугуна – 12 000 т,
шлака – 4 000 т,
колошникового газа – 27 000 т.
выход:
Рис. 7.1. Доменная печь:
1 – лещадь; 2 – чугунная летка;
3 – заплечики; 4 – распар;
5 – шахта; 6 – колошник;
7 – засыпной аппарат;
8 – газовоздухопровод; 9 – фурма;
10 – шлаковая летка; 11 – горн

19. Процесс производства чугуна. Доменная печь

Доменная печь работает по принципу противотока: сверху вниз
спускается столб шихтовых материалов, загружаемых в печь, а снизу
вверх навстречу поднимаются горновые газы – продукты сгорания кокса
(CO, H2 и др.).
В условиях доменного процесса стремятся обеспечить восстановление
железа из шихты газами для экономии дорогого кокса.
Так как наряду с железом в шихтовых материалах могут содержаться и
другие компоненты: марганец, кремний, фосфор, сера, хром, никель,
титан и др., их восстановление влияет на ход процесса в доменной печи.
Марганец и кремний являются полезными примесями. При
восстановлении хрома и никеля частично или полностью, получаются
природнолегированные чугуны.
Фосфор частично уходят в шлак, сера частично выводится с газом в виде
сульфидов, частично эти элементы остаются в чугуне как вредные
примеси.
В результате восстановления всех этих элементов из их оксидов в
нижней части доменной печи образуется ванна жидкого расплава т.е.
чугун содержит по меньшей мере шесть компонентов: Fe, C, Mg, Si, P, S.
Побочными продуктами доменной плавки являются доменный шлак и
доменный (колошниковый) газ. Доменный шлак применяют для
производства строительных материалов, а доменный газ после очистки
используют как топливо.

20. Процесс прямого восстановления железа

Существующие способы в зависимости от физического состояния
получаемого продукта можно разделить на три большие группы:
получение губчатого железа и металлизированных окатышей,
осуществляемое при относительно низких (менее 1100градС)
температурах. Это процессы твердофазного восстановления, для их
проведения необходимы богатые, не содержащие вредных примесей,
руды или концентраты. Широкое распространение способов этой
группы связано с их высокой производительностью;
получение крицы (слипшаяся масса губчатого железа) с
одновременным восстановлением оксида железа, расплавлением
пустой породы и с образованием шлака. Несмотря на возможность
использования бедных руд и низкосортного твердого топлива,
способы этой группы не получили широкого распространения
вследствие их низкой производительности;
получение жидкой стали, осуществляемое при температуре выше
точки плавления железа (tпл Fe = 1539градС), при переплаве
богатых пылевидных руд и концентратов. Способы этой группы пока
применяются в полупромышленных установках и в опытных
производствах.

21. Процесс прямого восстановления железа: процесс «Мидрекс»,

разработан фирмой MIDREX, США.
Основными элементами установки
Мидрекс являются шихтная печь и
газовый реформер.
В реформере проводится углекислотная
конверсия (превращение) природного
газа СН4 диоксидом углерода СО2
(углекислым газом), который образуется
в процессе восстановления в шахтной
печи. Конверсия протекает по реакции:
СН4 + СО2 = 2СО + 2Н2.

22. Процесс прямого восстановления железа: процесс «Мидрекс»,

В получаемой восстановительной газовой смеси,
нагретой до температуры порядка 900градС, содержится
около 65 % Н2 и около 35 % СО.
Газовая смесь подается в среднюю часть шахтной печи,
в которой находятся рудные окатыши.
Проходя через верхний слой окатышей, смесь
восстанавливает содержащиеся в них оксиды железа до
губчатого железа:
3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O;
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 → Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O;
Fe3O4+ CO = 3FeO + CO2 → FeO + H2 = Fe + H2O;
FeO + CO = Fe + CO2.
Металлизированные окатыши опускаются в зону
охлаждения шахтной печи, далее их выгружают и хранят
в бункере с инертным газом до использования в качестве
рудного материала для плавки в электропечи.

23. Процесс прямого восстановления железа

Для прямого восстановления
железа используются также
процессы
«Плазморед»,
«Хёганес», Швеция.

24. Литература

1. Лернер, П.С. Послушный металл: Кн. для
учащихся ст. классов сред. шк. / П.С.
Лернер. – М.: Просвещение, 1989. – 175
с.
2. Материаловедение и технология
конструкционных материалов: учебник
для студ.в. учеб. заведений / В.Б.
Арзамасов, А.Н. Волчков, В.А. Головин и
др.; под ред. В.Б. Арзамасова, А.А.
Черепахина. – М.: Издательский центр
«Академия», 2007. – 448 с.