Материалы для черной металлургии; этапы подготовки руд
чёрная металлу́рги́я одна из старейших отраслей промышленности, к которой относятся предприятия по добыче и обогащению рудного и нерудного сырья, по производству чугуна, стали, проката, труб, ферросплавов и изделий дальнейшего передела. Отличается большой материалоёмкостью и энергоёмкостью производственного процесса (для выплавки 1 т чугуна необходимо в ср. 6 т сырья, включая руду, кокс, флюсы, огнеупоры, а также большое количество воды и электроэнергии). В целях более полного использования всех ценных компонентов сырья, а также отходов производства в состав металлургических предприятий входят цеха и заводы других отраслей пПодготовка руд к доменной плавке определяет поступление в печь сырья определенной крупности, равномерность химического состава, хорошую восстановимость и высокое содержание железа. Она осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна.
Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной величины, осуществляются с помощью дробилок и классификаторов. Процесс дробления делится на четыре стадии: крупное, среднее, мелкое и тонкое измельчение.
Грохочение осуществляют пропусканием материала через одно или несколько сит или решеток, которые выполняют в виде проволочных сеток, листовых или колосниковых решеток.
Обогащение руды – разделение рудного сырья на концентрат с более высоким содержанием извлекаемого металла и пустую породу с небольшим содержанием полезных составляющих.
Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в ее состав (плотностей, магнитной восприимчивости), и физико-химических свойств поверхностей минералов.
В соответствии с этим различают следующие способы обогащения руд: промывка, гравитация, магнитная сепарация и флотация.
Промывка – отделение плотных составляющих от пустой породы.
Промывку применяют для руд с плотными разновидностями рудных минералов, не размываемых водой, и с рыхлой пустой породой. Осуществляют во вращающихся барабанах с решетчатой или гладкой поверхностью, называемых бутарами, или в корытных мойках с вращающимися в противоположных направлениях валами, на которые насажены лопасти.
Гравитация (отсадка) – отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита.
Магнитная сепарация основана на различии магнитных свойств железосодержащих минералов и частиц пустой породы. При магнитной сепарации измельчённую руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы и отделяющего их от пустой породы.
Для осуществления процесса применяют барабанные, ленточные, роликовые и кольцевые сепараторы.
Окатывание – окусковывание тонкоизмельченных концентратов, которые сложно агломерировать из-за низкой газопроницаемости слоя.
7. Производство чугуна: сущность процесса, косвенное и прямое восстановление оксидов железа, выплавка чугуна в доменной печи (с использованием плаката).
чугуном называют сплав железа с углеродом, содержащий более 2% С.
Освобожденная от пустой породы руда представляет собой химическое соединение металла с другими элементами. Для того чтобы получить металл из руды, нужно осуществить определенные химические реакции. При этом на элементы, соединенные с металлом, воздействуют вещества, имеющие с ним меньшее сродство, чем с другими элементами.
Так как в железных рудах железо обычно находится в соединении с кислородом, для получения этого металла необходимо осуществлять восстановительные процессы. В чистом виде железо в технике применяется в весьма малых количествах. В основном только в машиностроительном производстве требуются сплавы железа с углеродом. Одним из таких сплавов и является чугун.Выплавку чугуна из железной руды производят в доменных печах.. Эти печи имеют вид башен (шахтные печи). Внутренние части доменной печи выкладывают огнеупорным шамотным кирпичом.Шихта, т. е. руда, топливо и флюс, подается из бункера подъемником в засыпной аппарат колошника, откуда и поступает во внутреннюю полость печи. Печь имеет шахту, распар, заплечики, горн, дно которого называется лещадью. Выпуск расплавленного чугуна производится через отверстие — чугунную летку, выше которой расположена шлаковая летка, через которую выпускают жидкий шлак.Воздух, необходимый для получения чугуна, вдувается под давлением в подогретом состоянии (до 1200° С) в фурмы 7 (12— 18 шт.), проходя по кольцевой, расположенной выше [давление воздуха у фурм до 350 кн/м2 (3,5 кГ/см2)]. Доменный («колошниковый») газ отводится через трубы в очистительные устройства, так как он в дальнейшем используется как топливо для нужд доменного производства и других целей.
Восстановление железа. Этот процесс происходит последовательно от высших оксидов к низшим и далее к чистому металлу : Fe2O3 – Fe3O4 – FeO – Fe
Главными восстановителями железа в доменной печи являются оксид углерода(I) и твердый углерод кокса. Оксид углерода(I) образуется при взаимодействии углекислого газа с раскалённым коксом:
C + CO2=2CO
Восстановление оксидом углерода называетсякосвенным (непрямым) восстановлением и происходит по реакциям
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + Q;
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 - Q;
FeO + CO = Fe + CO2 + Q.
Восстановление Fe2O3 начинается при сравнительно низких температурах (400-5000С) в верхней части шахты печи. По мере опускания рудных материалов повышаются температура и содержание СО в доменных газах; при этом создаются условия для окончательного восстановления железа. Эти процессы заканчиваются в нижней части шахты печи при температурах около 900-9500 С.
Значение косвенного восстановления очень велико. В зависимости от условий работы печи оксидом углерода СО восстанавливается 60-80% всего железа. Остальная часть железа восстанавливается твердым углеродом.
Восстановление твердым углеродом называетсяпрямым восстановлением. Оно происходит при температурах выше 950-10000 С (зона распара печи) по реакции
FeO + C = Fe + CO – Q.
Следует отметить, что эта реакция отражает лишь конечный результат процесса прямого восстановления, который протекает в две стадии:
FeO + CO = Fe + CO2 + Q
CO2 + C = 2CO– Q
FeO + C = Fe + CO2 – Q
Таким образом, при прямом восстановлении расходуется только углерод кокса, хотя реагентом, взаимодействующим с FeO, является оксид углерода СО. Непосредственное восстановление оксидов железа при контакте с углеродом кокса практически не происходит.
роизводство стали в мартеновских печах
8. Производство стали: сущность и виды процесса, основные материалы, способ управления процессом, этапы выплавки стали.
Стали – железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5 % углерода, при большем его содержании значительно увеличиваются твёрдость и хрупкость сталей и они не находят широкого применения.
Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап).
Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне. Поэтому сущность любого металлургического передела чугуна в сталь – снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.
Железо окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильных печах:
2Fe+O2=2FeO+Q.
Одновременно с железом окисляются кремний, фосфор, марганец и углерод. Образующийся оксид железа при высоких температурах отдаёт свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их.
Процессы выплавки стали осуществляют в три этапа.
Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла.
Температура металла сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора.
Второй этап – кипение металлической ванны – начинается по мере прогрева до более высоких температур.
При повышении температуры более интенсивно протекает реакция окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты:
FeO+C=CO+Fe— Q.
Для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород
При реакции оксида железа с углеродом пузырьки оксида углерода CO выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение ванны». При «кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объёму ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам CO, а также газы, проникающие в пузырьки CO. Всё это способствует повышению качества металла. Следовательно, этот этап — основной в процессе выплавки стали.
Также создаются условия для удаления серы. Сера в стали находится в виде сульфида (FeS), который растворяется также в основном шлаке.
Третий этап – раскисление стали, заключается в восстановлении оксида железа, растворённого в жидком металле.
При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород – вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.
Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным.
В зависимости от степени раскисления выплавляют следующие виды стали:
а) спокойные,
б) кипящие,
в) полуспокойные.
Поведение металла при кристаллизации в изложнице зависит от степени раскисленности: чем полнее раскислена сталь, тем спокойнее кристаллизуется слиток.