VII. 2. Сырьевая база черной металлургии

Для получения чугуна требуются железные и марганцевые руды, топливо, флюсы и кислород, которые непосредственно участвуют в технологическом процессе.

¹ Твердость металла — это сопротивление металла изменению формы или разрушению. Хрупкость — это способность металла разрушаться при механи­ческом воздействии без заметной пластической деформации. Хрупкость явля­ется противоположностью пластичности.

В черной металлургии применяются следующие виды железных руд: красный железняк, магнитный железняк, бурый железняк, шпа­товый железняк и др.

Красный железняк, или гематит,—окись железа красного цвета. 13 руде содержатся кварц и кальцит, реже глинистые примеси. В крупных месторождениях гематитовых руд содержание железа со­ставляет 51—69%, а примеси серы и фосфора незначительны. Крас­ный железняк — легкоплавкая руда.

Магнитный железняк," или магнетит, по химическому составу представляет собой смесь окиси и закиси железа. Он обладает магнит­ными свойствами. Содержание железа в нем обычно достигает 50—• (Ю%. Пустая порода представлена нолевыми шпатами, гранитами, кальцитами и др. Руда имеет черный цвет, тугоплавкая, что требует повышенного расхода топлива при получении чугуна.

Бурый железняк, или лимонит, представляет собой водную окись железа. Содержание железа.в лимоните — 35—40%. Пустые породы те же, что и в красном железняке. Бурый железняк относится к чи­слу легкоплавких руд.

Шпатовый железняк, или сидерит, представляет собой углекислое соединение железа. Руды имеют светло-серый и желтовато-белый цвет. Содержание железа достигает 40%. Перед использованием в доменном процессе руда обжигается, при этом железо переходит в окись. Руда легкоплавка.

Подготовка руды к плавке.Перед использованием в доменном про­цессе железные руды проходят ряд предварительных обработок, с тем чтобы они отвечали необходимым требованиям. От качества под­готовленной руды зависит интенсивность плавки и в определенной степени качество металла. При этом удаляется часть вредных приме­сей, таких, как сера, фосфор и др., наличие которых придает металлу ломкость. Это способствует повышению качества металла. К подгото­вительной обработке руды относятся дробление, обжиг, обогащение и агломерация.

Дробление имеет целью придать руде единое физическое состоя­ние. Оно производится на дробилках различных конструкций. При дроблении получают куски руды от 8 до 300 мм. После дробления иногда производят измельчение руды на специальных шаровых мель­ницах. После дробления и измельчения руды производят ее сорти­ровку по величине кусков и отделение мелочи. Сортировка произво­дится на специальных машинах — грохотах или ситах.

Обжиг руды производится для удаления из руды химически свя­занной воды, углекислоты, частичного удаления серы и фосфора. Обжиг руды осуществляется в специальных печах, работающих на низкосортном топливе, при температуре 700—800°.

Обогащение руды преследует цель повысить в руде содержание железа за счет удаления пустой породы. Применяются несколько ви­дов обогащения — гравитационное, промывка водой, магнитное, фло­тация. Промывка происходит во вращающихся барабанах, через ко­торые под давлением пропускается вода. Пустая порода, имеющая меньший удельный вес, уносится водой. Уносится при этом в отходы

и часть измельченной руды, называемая хвостами. Этому виду обога­щения подвергаются в основном руды, которые непригодны для маг­нитного обогащения. Гравитационное обогащение по своему техно­логическому принципу близко промывке.

Магнитное обогащение (сепарация) осуществляется во вращаю­щихся латунных барабанах, в которых неподвижно закреплены элект­ромагниты. Для обогащения используются руды, обладающие магне­тизмом (магнетиты, титаномагнетиты). Руда притягивается магни­тами к поверхности барабана и затем подается в специальное отделение. Пустая порода под воздействием центробежной силы от­брасывается в сторону от барабана, и происходит отделение пустой породы от окислов железа.

Агломерация — это процесс спекания рудной мелочи, процесс окускования порошкообразных руд, рудной и колошниковой пыли и огарков. Для спекания в рудную мелочь добавляют до 5% кокса, перемешивают и слегка увлажняют. Образовавшаяся шихта поступа­ет в специальные печи. Погруженная на движущуюся решетку, ших­та проходит через печь, где спекается под действием высокой темпе­ратуры, образуя агломерат. Он имеет пористое строение, что благо­приятствует доменной плавке.

'Для улучшения доменного процесса получают офлюсованный агломерат. Он получается при добавке к рудной мелочи определен­ного количества флюса — известняка. Применение офлюсованного агломерата дает возможность сократить до 5% расход кокса в домен­ном процессе, а также увеличить производительность доменной печи па 6—7%- Подготовка и применение офлюсованного агломерата явля­ется одним из направлений технического прогресса в доменном про­изводстве.

Для производства чугуна, кроме подготовленной руды, требуются технологическое топливо, флюсы, огнеупорные материалы, вода, а также легирующие материалы.

В качестве технологического топлива в доменном процессе приме­няют кокс, реже древесный уголь и торфяной кокс, а также газ. На угольном коксе осуществляется 99% мировой выплавки чугуна и лишь 1% — па прочих видах топлива.

Черная металлургия предъявляет высокие требования к топливу. Оно должно быть высококалорийным, малозольным, малосернистым, пористым и высокопрочным. Всем этим требованиям наилучшим об­разом отвечает каменноугольный кокс, имеющий предел прочности 100—150 кг/см² и теплотворность 7000 ккал/кг. В коксе находятся примеси: влага — до 6%, сера — до 2% и зола — до 19%. Чем меньше этих примесей, тем выше качество кокса. Наличие примесей не толь­ко отрицательно действует на качество металла, но и требует боль­шего расхода топлива. Так, повышение на 1% содержания серы в коксе увеличивает расход кокса на 8—15% (за счет увеличения рас­ходов флюсов), а каждый процент золы — на 1 —1,5%. Поэтому уменьшение серы и золы в коксе является важной экономической за­дачей.

Флюс ы. Несмотря на ряд процессов предварительной обработка

руды, в ней все-таки остается определенное количество пустой поро­ды. Для того чтобы в процессе производства чугуна удалить ее, а также образовавшуюся золу, в доменную шихту вводят флюсы, в од­них случаях известняк, а в других — кремнезем. Флюсы вступают в реакцию с пустой породой и образуют легкоплавкие соединения — шлак. Выбор флюса зависит от примесей в руде. Если в руде имеются примеси кремнезема (кислая руда), то применяют известняк, если же в руде содержится известняк и другая основная порода, то приме­няют кварцевый песок.

Огнеупорные материалы в черной металлургии применяются в большом количестве. Ими выкладывается внутренняя часть доменной нечи, конвертеров и других сооружений, предназначенных для про­ведения плавки, разливки металла. Огнеупорные материалы должны обладать такими свойствами, как термическая и химическая стой­кость и небольшая линейная расширяемость при нагревании. От стойкости огнеупорных материалов зависит продолжительность рабо­ты доменных печей, конвертеров и другого оборудования.

По химическим свойствам огнеупоры делят на три вида: основ-II ы е, нейтраль н ы е и к и с л ы е. Основными огнеупорами явля­ются магнезит, доломит и хромомагнезит. Магнезит содержит 75— 95% окиси магния и имеет температуру плавления 2000°. Хромомаг­незит является наиболее прочным огнеупором. По своей стойкости он превосходит другие виды огнеупоров.

Нейтральными огнеупорами являются шамот и хромистый желез­няк. Шамот производят из обожженной огнеупорной глины, или као­лина. Шамот является наиболее дешевым огнеупором. Температура плавления — около 1700°. Он применяется для внутренней кладки доменных печей, вагранок, разливочных ковшей и т. п. Для этих це­лей используется и хромистый железняк.

Кислые огнеупоры — динас и кварцит. Динас содержит до 90% окиси кремния, имеет температуру плавления 1750°. Использу­ется для выкладки мартеновских печей, конвертеров и др. Примерна такие же свойства и применение имеет кварцит.

В металлургическом производстве в качестве легирующих мате­риалов используется марганец (1% к весу стали), никель, вольфрам, нпнадий и другие, придающие металлу те или иные качества.

Металлургическое производство является крупным потребителем воды, которая используется для охлаждения агрегатов и других це­лей. Расход воды достигает 150—200 м³ на тонну металла.

VII. 3. Доменное производство

Доменный цех металлургического завода имеет одну или несколь­ко (до 10) доменных печей, рудный двор, подъемные, и загрузочные механизмы, воздухонагреватели (кауперы) и газоочистители. Про­изводство чугуна осуществляется в доменных печах, в которых про­исходит процесс восстановления железа и образования чугуна.

Доменная печь представляет собой вертикальное сооружение, до­стигающее 30—40 м высоты. Внутренняя часть доменной печи выло-

Жена огнеупорным материалом — шамотом, а наружная представле­на сварным стальным кожухом.

Основным видом доменных пе­чей являются доменные печи объ­емом 3000, 3200 м³. В Кривом Ро­ге введена в строй доменная печь объемом" 5000 м³ (1975 г.), произ­водительностью 4 млн. т чугуна в год.

В доменной печи различают следующие основные части: ко­лошник, шахту, распар, заплечики,_ горн, лещадь (рис. 4). Верхняя часть доменной печи —| колошник снабжен загрузочно-распредели-тельпым устройством. Через ко­лошник происходит периодическая автоматизированная загрузка ших­ты и ее равномерное распределение а""' внутри доменной печи. В колошни­ке имеются газоотводы для домен­ного, или колошникового, газа. Температура шихты в колошнике достигает 150—300°. Самая большая часть доменной печи — шахта имеет форму усечен­ного конуса, расширяющегося книзу. Такая форма) шахты| обеспечи­вает опускание шихты вниз. Температура в верхней части шахты со­ставляет 300—400°, а в нижней — до 1200°. В верхней части шахты происходит удаление влаги из шихты, а в средней и нижней ча­стях — восстановление железа из руды. Распар.' имеет цилиндриче­скую форму. Здесь температура достигает 1400° и происходит про­цесс образования чугуна. Заплечики [имеют форму усеченного конуса, сужающегося книзу. Они удерживают шихту, находящуюся в шахте и распаре. В заплечиках температура достигает 1800—1900°.

Нижняя часть доменной печи называется горном, а днище гор­на— лещадью. В горне скапливается расплавленный чугун, посту­пающий сюда из заплечиков, а также шлак. Поскольку расплавлен­ный чугун тяжелее шлака, то он скапливается на дне горна — леща­ди. Поверх его располагается шлак. В горне имеется несколько от­верстий —; летки. Верхние летки предназначены для выпуска шлака, а нижние — для слива чугуна. В самой верхней части горна вокруг всей окружности доменной печи расположены]фурмы, предназначен­ные для подачи горячего воздуха в нижнюю часть доменной печи, чтобы поддерживать горение. Воздух проходит над поверхностью шлака в горне. Шлак предохраняет расплавленный чугун от сопри­косновения своздухом и окисления. Количество фурм может быть 12—16 и более. Нижняя часть доменной печи, а также фурмы охлаж­даются водой, циркулирующей по полой части фурм.

Вспомогательные приспособления доменной печи — воздухонагре­ватели и газоочистители. В воздухонагревателях нагревают воздух за счет сжигания доменных газов, а в газоочистителях происходит очистка колошникового газа от рудной пыли и частиц кокса. Очищен­ный газ направляется для сжигания в воздухонагреватели.

Доменный процесс.Работа доменных печей происходит непрерыв­но в течение нескольких лет, Пока не потребуется капитальный ре­монт. Во время ее работы постоянно осуществляются химические про­цессы, сущность которых сводится к восстановлению железа из руды (окислов) и образованию чугуна и шлака.

Регулярная загрузка доменной печи происходит в определенной последовательности — засыпаются кокс, железная руда и флюсы. Рудная часть шихты может засыпаться и одновременно с коксом. Во время работы доменной печи в верхней ее части — колошнике — про­исходит просушивание руды и других составных частей шихты за счет поступления горячих газообразных продуктов из нижней части доменной печи. Горение топлива в доменной печи начинается в об­ласти горна, куда подается через фурмы нагретый воздух, как пра­вило, обогащенный кислородом. В результате горения кокса образу­ется углекислый газ, который, проходя через раскаленный кокс, об­разует окись углерода: СОг + С = 2СО. Последняя, поднимаясь вверх, лступает во взаимодействие срудой и восстанавливает железо. Этот процесс происходит в шахтной части печи в виде следующих реакций:

3Fe₂O₃ + СО = 2Fe₃O₄ + СО₃ + Q Fe₃O₄ + СО = 3FeO + СО₂ + Q FeO -|- СО = Fe + СО₂ + Q

Восстановление железа происходит и за счет углерода с поглощением тепла: FeO -f- С = Fe + СО 4- Q- Одновременно с восстановлением железа восстанавливаются и другие окислы, входящие в состав ру­ды,— марганца, кремния и др. Они вместе с железом и углеродом участвуют в образовании чугуна в области распара. Чугун каплями стекает в горн.

В доменном процессе топливо выполняет две функции: а) служит источником тепла и б) является источником углерода, необходимого дли восстановления железа. Такой вид топлива, непосредственно участвующий в производственном процессе, называется технологи­ческим.

В доменной печи также происходит образование шлака. Он обра­зуется в области распара за счет соединения пустой породы, золы, серы, кокса и флюса. За счет образования шлака из шихты удаляют­ся вредные примеси и уменьшается их содержание в чугуне. Шлак стекает в горн и с помощью верхних леток каждые 1—1,5 часа вы­пускается наружу. Его вес составляет от 45 до 75% от веса выплав­ленного чугуна. Чугун выпускается в ковши через нижние летки 4 —8 раз в сутки и поступает в разливочные машины.

Для производства одной тонны чугуна расходуется до 1,5—3 т железной руды, 0,5—0,7 т кокса, 0,25—0,4 т флюсов и 2500—3000 м³ воздуха.

В связи с большим расходом железной руды металлургические предприятия полного цикла размещаются, как правило, в районах добычи железных руд, хотя имеются и иные варианты их размещения (в районах добычи топлива, потребления металла).

Основным показателем работы доменной печи является коэф­фициент использования полезного объема доменной печи (КИПО). Он представляет собой отношение полезного объема печи (в м³) (О) к величине суточной выплавки металла (в тоннах) (т):

КИПО = -|-

Например, доменная печь объемом 3000 м³ дает в сутки 6000 т чугуна. Коэффициент использования ее объема будет равен:

КИПО =

Чем меньше коэффициент, тем выше производительность домен­ной печи.

Увеличение производительности доменной печи может быть достигнуто за счет: а) применения, кислородного дутья (с дове­дением концентрации кислорода в дутье до 35% и более). Каж­дый дополнительный процент содержания кислорода в дутье повышает производительность печи на 25%; б) повышения давле­ния газов под колошником с 0,1 до 0,7—1,5 атм. При этом произ­водительность доменных печей повышается на 3—5% и сокра­щается расход кокса на 2—6%; в) применения высоконагретого дутья постоянной влажности, что ускоряет процесс плавки; г) применения глубоко обогащенной руды и офлюсованного агло­мерата, Что сокращает процесс плавки и экономит кокс; д) при­менения природного газа. В нашей стране природный газ стал применяться в доменном производстве впервые в мировой прак­тике.

Средний состав чугуна следующий: железа — до 92%, углеро­да — 2% и более, кремния — 0,5—4,5%, марганца — 0,2—1,5%, серы —0,02^—0,08%, фосфора — 0,1—1,8%. Входящие в состав чу­гуна различные примеси оказывают на его свойства определенное влияние. Углерод придает чугуну хрупкость. В составе чугуна угле­род находится в двух состояниях: в соединениях с железом (в виде карбида железа) или в виде графита (в свободном состоянии). Чугун, в котором углерод находится в химическом соединении, на­зывается белым чугуном. Это название исходит от того, что на изломе такой чугун имеет белый цвет. Если углерод находится в свободном состоянии в виде графита, то этот чугун называют се­рым. В общем производстве чугуна в стране белый чугун состав­ляет более 90%.

Серый чугун имеет высокие литейные качества, хорошо от­ливается в формах, относительно мягкий, имет хорошую сопро­тивляемость износу. Все эти качества серого чугуна обусловили его применение для отливки деталей машин, отдельных изделий, он широко применяется как литейный материал на машиностро-

ительных заводах. Кроме этих двух видов чугуна, производится еще легированный чугун, который получают в результате добавки в доменную шихту различных легирующих металлов. К числу последних относятся хром, никель, медь, молибден и др. Легиру­ющие металлы облагораживают чугун, улучшают его физические свойства и делают возможным широко использовать этот вид чу­гуна в машиностроении. Легированные чугуны применяются для изготовления поршневых колец, штампов, коленчатых валов, зуб­чатых колес, двигателей автомобилей и т. д.

Продуктом доменного процесса являются также ферроспла-в ы, или специальные чугупы. Наиболее распространенными явля­ются ферромарганец, ферросилиций, феррохром и др. Ферро­марганец содержит 90% марганца, ферросилиций — 10—95% кремния, феррохром —не менее 65% хрома. Ферросплавы, как правило, применяются в качестве добавок, или присадок, при полу­чении стали.

Шлак, доменный газ и колошниковая пыль также применяют­ся в народном хозяйстве. Основные шлаки используются в произ­водстве цемента и прочих стройматериалов, а кислые — для полу­чения шлаковой ваты, которая является хорошим изолятором. До­менный газ, состоящий из окиси углерода '(25—34%), водорода (1—8%), метана (0,5%), азота (56—59%), углекислого газа (4— 20%), используется в качестве топлива. Его теплотворная способ­ность— 850—1100 ккал/м³. Доменная печь средней мощности вы­деляет в сутки до 100 ту. т. в виде доменного газа. Он использует­ся для нагрева кауперов, мартеновских печей, коксовых батарей, котлов. Колошниковая пыль используется при получении железо­содержащего агломерата.

Получает развитие принципиально новая технологическая схе­ма получения металла — бездоменная металлургия. В районе г. Старый Оскол создается первый в нашей стране электрометаллур-гнческий комбинат, на котором будет отсутствовать доменное и коксохимическое производства.

Технологический процесс получения металла начинается с про­изводства окатышей из концентрата железной руды (шариков ди­аметром 10—12 мм). Из окисленных окатышей с помощью природ­ного газа получают металлизованные окатыши с содержанием 90— 95% железа. Из металлизованных окатышей, содержащих значи­тельно меньше, чем чугун, углерода (около 1%), фосфора, крем­ния, в ^дуговых электропечах получается качественная сталь. Для производства 1 т металлизованных окатышей (губчатого железа) рас­ходуется 500—600 м³ природного газа. Завод прямого восстановле­ния в Осколе, следовательно, потребует 2—3 млрд. м³ природного газа в год.

Процесс получения стали в электропечах будет рассмотрен ни­же, а сейчас кратко остановимся на получении окатышей. В измель­ченный железный концентрат добавляют глину, с тем чтобы он лучше окомтсовывался при обжиге, и известняк, выступающий в дальнейшем в качестве флюса. Эту смесь помещают во вращаю-

щиеся барабаны — грануляторы. При этом образуются окисленные окатыши. Последние обжигают, а затем обрабатывают природным Газом в шахтных печах. Первоначально природный газ подвергают конверсии путем добавления углекислого газа. При этом образуется угарный газ и водород:

СН₄ + СО₂ = 2СО + 2Н₂

Угарный газ и водород, нагретые до температуры 1000—11000°, вдувают в шахтную печь, где они взаимодействуют с окисленными окатышами, восстанавливая железо:

ЗСО = 2Fe + ЗСО₂ ЗН₂ = 2Fe + ЗН₂О

В результате указанных процессов образуется губчатое железо — металлизованпые окатыши, имеющие высокое содержание чистого железа, что позволяет получать из них сталь в электропечах.

Новая технология производства металла окажет сильное влия­ние на размещение металлургических заводов. Существенно ослаб­нет влияние топливного фактора на размещение металлургических заводов полного цикла. Главным фактором в размещении станет тяготение к железорудному сырью.

VII.4. Производство стали

Переработка чугуна в сталь производится в мартеновских печах, конвертерах, электропечах. Суть процесса состоит в окислении при­месей, входящих в состав чугуна. Начнем рассмотрение производ­ства стали с мартеновского производства, дающего более половины стали.

Мартеновский способ получения стали.Для получения стали по мартеновскому способу применяется особая печь, названная по имени изобретателей Мартенов.

Мартеновская печь представляет собой пламенную регенератор­ную печь (рис. 5). Верхняя часть мартеновской печи состоит из рабочего пространства, где происходят плавка металла и важней­шие физико-химические процессы, связанные с переделкой чугуна в сталь. В верхней части рабочее пространство ограничивается сво­дом, а внизу — подом. В мартеновской печи имеются передняя и задняя стенки, с боков печи имеются головки, через которые пода­ется топливо (газ или мазут) и воздух, перед подачей нагреваемые в регенераторах до 1000—1200°С. Через головки также происходит удаление продуктов горения (углекислого газа, сажи, пыли и т. д.). В передней стенке мартеновской печи находятся завалочные окна (от 3 до 7). Через них загружается шихта и ведется наблюдение за плавкой металла. В задней стенке мартеновской печи имеются от­верстия для выпуска металла и шлака. Эти отверстия закрываются огнеупорными пробками. Рабочее пространство мартеновской печи выложено высокопрочным огнеупорным материалом. Огнеупоры могут быть основными пли кислыми в зависимости от того, какой чугуп плавится в мартеновской печи,

Рис. Г>. Разрез мартеновской печи:

/) — рабочее пространство; / — свод; 2 — под; 3 — головки; 4 — завалочные окна; 5, 6 — ка» налы; 7, 8 — регенераторы; 9, 10 — каналы; // —перекидные клапаны

Регенераторы, предназначенные для подогрева воздуха и топли­ва, расположены попарно с обеих сторон мартеновской печи. Они аккумулируют тепло продуктов горения и передают его газу ивоз­духу, поступающим в рабочее пространство.

Воздух, газообразное или жидкое топливо подаются в регенера­торы по специальным каналам, снабженным заслонками. Они авто­матически регулируют подачу воздуха и топлива то в один, то в другой генератор и работают попеременно: то одна пара генерато­ров нагревает подаваемый воздух и газ, то другая. Предваритель­ное нагревание воздуха итоплива перед подачей в рабочее прост­ранство дает возможность, с одной стороны, получать в плавильном, или рабочем, пространстве более высокую температуру, а с другой стороны — экономить топливо.

В рабочем пространстве мартеновской печи температура подни­мается до 1900°. Дииасовая футеровка свода мартеновской печи выдерживает 250—300 плавок, а хромомагнезитовая — до 700 плавок. Емкость мартеновских печей колеблется от 20 до 900 т. Раз­меры крупной мартеновской печи следующие: длина — 26—27 м, ши­рина — 8 м, высота рабочего пространства от пода до свода — от 3 до 5 м.

Расход топлива в мартеновских печах зависит от вида приме­няемого топлива.

Мартеновский процесс. Перед началом плавки производится вручную заправка пода мартеновской печи. Цель заправки — очис­тить под мартеновской печи от шлака, который остался от преды-; дущей плавки, и восстановить покрытие. После заправки закрывают выпускное отверстие и приступают к загрузке в печь шихты. Ших­та может быть в виде расплавленного чугуна с добавкой руды и флюсов (рудный процесс) или в виде скрапа (металлолома), чуш­кового (чушковый чугун — чугун в небольших слитках) чугуна и флюсов (скрап-процесс). Существует также скрап-рудный процесс. Загрузка шихты осуществляется специальной завалочной машиной через завалочные окна, которые находятся в передней стенке мар­теновской печи. Скрап-процесс имеет место в мартеновских печах машиностроительных заводов, а также на металлургических пред­приятиях, не имеющих доменных печей, где мартеновские' печи работают на отходах металлообработки и металлоломе. При скрап-процессе металлическая шихта содержит 65—80% скрапа (метал­лолома) и 35—20% чушкового чугуна. Мартеновские печи, рабо­тающие по скрап-процессу, обычно имеют небольшую емкость — в пределах от 20 до 100 т.

Вторым наиболее распространенным способом получения стали в мартеновских печах является рудный процесс (или скрап-рудный процесс). Мартеновские печи, работающие по рудному процессу, как правило, входят в состав металлургических комбинатов, имеющих полный металлургический цикл. Шихта обычно включает 70—90% жидкого чугуна и 10—30% стального лома, железной руды и флюса.

При работе мартеновской печи по рудному процессу выплавка составляет 103—105% от загруженного чугуна за счет использова­ния добавляемой железной руды. Емкость печей, работающих по данному процессу,— 350, 500, 900 т.

Мартеновский процесс легко поддается управлению. В течение суток в каждой мартеновской печи проводится несколько плавок: каждая плавка происходит в течение 5—15 часов. Основным пока­зателем работы мартеновской печи является количество стали в тоннах, снимаемое с каждого квадратного метра пода печи в сутки. Съем стали с 1 м² пода печи колеблется от 4,5 до 13 т в сутки. В целях улучшения технико-экономических показателей мартеновско­го процесса в СССР и ряде других стран применяются двухванно-вые мартеновские печи (объем ванн — до 300 т), обладающие вы­сокой производительностью (до 1,5 млн. т стали в год).

Кислородно-конвертерный способ получения стали ос­нован на выжигании в расплавленном чугуне примесей продувани­ем кислорода. Процесс происходит в конвертерах. Этот способ по­лучения стали стал применяться в СССР с 1955 г. и получил боль­шое развитие. Практически мартеновские печи уже не строят, а строят кислородные конвертеры. Они экономичнее: на каждом миллионе тонн стали экономия составляет примерно 6 млн. руб.

только На капитальных, вложениях и более

'.,, 1 млн. руб.—на эксплуатации. Производи-

{| телыгость одного 250-тонного конвертера со-

I ставляет около 400 тыс. т стали. При этом

качество конвертерной стали не уступает

мартеновской, а в ряде случаев превосходит ее.

Конвертер представляет собой стальное сооружение грушевидной формы емкостью от 20 до 350 т. Внутри он выложен огнеупор­ным материалом, вверху имеет отверстие — горловину, через которую заливается жидкий чугун и заваливается скрап. В горловинной части конвертера имеется летка. Конвертер опоясан стальным кольцом с двумя цапфами, с помощью которых он крепится к подшипни­кам опорных рам. С помощью цапф конвертер удерживается в подвешенном состоянии, В то же время он может поворачиваться вокруг горизонтальной оси, что осуществляется дву­мя электродвигателями. По водоохлаждаемой фурме, вводимой лебедкой в горловину кон­вертера, подается кислород под давлением 0—14 атмосфер.

Процесс начинается с завалки металлолома в горловину накло­ненного конвертера*. Затем заливается жидкий чугун. Установив конвертер вертикально, устанавливают фурму (через горловину) и начинают продувать кислород (рис. 6). Первоначально окисляется железо: 2Fe + 02 = 2FeO. Затем железо восстанавливается за счет окисления углерода:

FeO + С = СО + Fe н других примесей (кремния и марганца):

Si + 2FeO ■= SiO₂ + 2Fe Mn + FeO = MnO + Fe

Для удаления из чугуна фосфора в конвертер вводится флюс — из-иесть (СаО), с которой реагирует фосфор, образуя шлак:

2Р + 5FeO + 4СаО = 4СаО • Р₂О₅ + 5Fe

Продуваемый кислород также непосредственно окисляет углерод и
• другие примеси в чугуне.
', Процесс не требует топлива, так как тепло выделяется за счет

сгорания углерода, фосфора и др. Более того, на определенном этапе

необходимо устранить избыточное тепло, понизить температуру. Это

достигается путем добавки в конвертер железной руды (70—80 кг

на 1 т стали) или металлолома (250—300 кг).

Накапливающийся шлак выводят из конвертера через горловину.

Ход плавки и превращение чугуна в сталь контролируются путем

отбора проб.

3 Заказ 41

Для восстановления железа из закиси (раскисление) в ковш во время выпуска стали вводят ферромарганец, ферросилиций или алюминий, которые более активны, чем железо:

2FeO + Mn = Fe + МпО 2FeO + Si = Fe + SiO₂

Окись марганца и окись кремния выводятся в шлак. Длительность процесса зависит от объема конвертера и может составлять от 25 до 60 минут. Сталь выводят из конвертера через боковую летку в ковш. Преимущества этого способа — более дешевый агрегат, чем марте­новская печь, быстрота процесса и более высокая производительность, экономия топлива, меньшие эксплуатационные расходы. Недостат­ки—потери металла за счет выгорания (выход — 90—93%), огра­ниченные возможности использования металлолома.

Производство стали в электропечах.Одним из способов произ­водства стали, который применяется с начала XX века в ряде стран, является электроплавка. Внедрению этого способа производства ста­ли в нашей стране способствует быстрый рост энергетических мощ­ностей, снижение себестоимости электроэнергии и необходимость по­лучения все в больших количествах качественной стали.

Для получения 1 т электростали требуется от 600 до 1000 кВт • ч электроэнергии.

Выплавка стали с помощью электроэнергии производится в ду­говых и индукционных электропечах.

В дуговых электропечах плавка металла производится, за счет тепла, образуемого электрической дугой (рис. 7). Последняя возни­кает между графитовым, или угольным, электродом и металлической шихтой. Электроды закрепляются таким образом, что их можно пе­ремещать по вертикали, т. е. приб­лижать к металлической шихте или удалять. Благодаря этому мож­но увеличивать или уменьшать электрическую дугу и на этой ос­нове регулировать температуру в электропечах. Температура в элект­ропечах поднимается до 3500°, что, с одной стороны, дает возможность довольно быстро получать сталь высокого качества, а с другой — требует особо прочной футеровки электропечей.

Емкость промышленных элект­ропечей может быть от 0,5 до 400 т. Малые электропечи устанавлива­ются на машипостроительпых за­водах, где требуется высококачест- крупные - на ме-

таЛЛурГИЧвСКИХ првДПрИЯТИЯХ.

ВвбДИМаЯ В ЭЛвКТрОПвЧЬ ШИХТа

состоит на 90% из скрапа (лом, металлоотходы) и на 10% из чу­гуна. Чугун вводится в основном для науглероживания'стали. К рас­плавленному металлу в электропечь добавляют небольшое количест­во железной руды (до 10 кг железной руды на 1 т расплавленного металла), которая является кислородопосителем. За счет кислорода железной руды происходит окисление углерода кремния, фосфора, марганца и других примесей, находящихся в металле. Кроме того, в электропечь вводится флюс — известь или кварц в зависимости от того, какой процесс, основной пли кислый. Образующийся в электро­печах шлак через определенные промежутки времени выпускается путем наклона печи. После выпуска шлака в электропечь добавляется определенная порция руды и флюса. На последней стадии плавки вводится небольшое количество мелкого кокса, который совместно с известью переводит в шлак серу.

Электродуговой способ получения стали дает возмож­ность получать сталь с незначительными примесями фосфора и се­ры, которые, как известно, являются очень нежелательными состав­ными частями, так как ухудшают ее качество. Расход электродов составляет 5 — 10 кг па 1 т стали. Продолжительность плавки в элек­троду говои печи — 2—3 часа.

И и д у к ц и о н н а я печь представляет собой огнеупорный тигель, на поверхности которого расположена обмотка полых медных тру­бок. 1)та обмотка является индуктором, и через нее пропускается ток высокой частоты. В полой части медных трубок циркулирует вода для охлаждения самой обмотки, а также внешней поверхности ин­дукционной печи. Работа индукционной печи основана на явлении индукции. 1!о время пропускании электрического тока высокой ча­стоты через обмотку возникают индукционные токи, которые разо­гревают it плавят шихту, находящуюся внутри тигля.

П индукционных печах плавка шихты происходит за счет тепло-пого воздействия индукционных токов. Каких-либо химических про­цессов внутри тигля но происходит. Поэтому состав шихты тща­тельно подбирается, с тем чтобы получить однородный сплав доволь­но точного состава.

Индукционным способом электроплавки получают высоколегиро-ииниие, нержавеющие, жаропрочные и другие виды стали. Окисли­тельные процессы в тигле устраняются за счет применения вакуума пли галовой среды. За счет этого повышается качество получаемой стили. Кмкоеть подобных печей в СССР — до 25 т.

Дуплекс-процесс. Дуплекс-процесс является одним из способов получения высококачественной стали. Он основан на использовании и электропечах жидкого металла (стали), полученного в конвертерах пи кислородном дутье или мартеновской печи. Существуют и другие рн.шпипдностп дуплекс-процесса: конвертер — мартеновская печь, пидукшюшыя печь — дуговая печь и т. п. Конвертерная или марте-iioitcKiiii стиль поступает в электропечи, где она освобождается от се­ры II |ШГКП(',11Я(!Т('Я.

Икопомпческои основой применения дуплекс-процесса является, мо нерпых, небольшой расход электроэнергии для получения высоко-

3» ' 67

качественной стали, во-вторых, большая потребность промышлен­ности в качественной стали. Рас­ход электроэнергии на 1 т стали при дуплекс-процессе составляет 450—500 кВт • ч, т. е. меньше, чем при производстве электростали.

Применяется также электрон­но-лучевая плавка стали. Шихта расплавляется за счет бомбарди­ровки ее пучком электронов высо­кой мощности. В настоящее время испытываются агрегаты непрерыв­ной плавки стали.

Разливка стали.Полученная по одному из рассмотренных способов сталь поступает в разливочные ков­ши и с помощью крана переносит­ся к месту разливки. Разливочные ковши внутри футерованы шамотом и в нижней части имеют отвер­стие, закрываемое огнеупорной пробкой. Из ковша сталь выливается в приготовленную литейную форму, где и образуется отливка. Отлив­ки представляют собой или часть готового изделия, или просто бол­ванку, которая проходит дальнейшую обработку на машинострои­тельных заводах. В том случае, когда из стали нужно получить прокат, отливают слитки. Получение слитков происходит в излож­ницах.

И з л о ж н и ц ы — это формы для получения слитков. Их делают коническими, чтобы легче вынимать сталь. Количество изложниц мо­жет быть различное: от нескольких штук до 60. В изложницах ме­талл затвердевает, затем вынимается и направляется в прокатный цех металлургического завода (рис.8). _u

Новым, прогрессивным способом разливки стали является непре­рывная разливка (рис. 9). Для непрерывной разливки применяют машины различных типов: вертикальные, наклонные, радиальные и т. п. Сталь из разливочного ковша через промежуточный ковш по­ступает в кристаллизатор. Каждая установка по непрерывной раз­ливке стали может иметь несколько кристаллизаторов. Кристаллиза­торы охлаждаются водой. В них формируется слиток, как правило, прямоугольного или квадратного профиля (150X150 и до 200Х ХбООмм). Когда сталь в кристаллизаторе достигает определенного уровня, включается механизм вытягивания и затвердевающий сли­ток вытягивается из кристаллизатора. В это время в кристаллизатор снова заливается сталь, и процесс непрерывно повторяется.

Полученный слиток поступает в зону вторичного охлаждения и после этого с помощью газовой горелки режется на части опреде­ленной длины, которые поступают на конвейер.

Преимущество непрерывной разливки стали по сравнению с раз^: ливкой в изложницы состоит втом, что получаемый слиток имеет за-

данное сечение и не имеет усадки. Слиток сразу поступает на обра­ботку, минуя обжимные станы, что сокращает отходы в 5—6 раз (от­ходы составляют 2—3%).

При непрерывной разливке стали устраняются трудоемкие про­цессы, облегчается труд рабочих и в то же время повышается качест­во слитков. Оборудование для непрерывной разливки стали простое и дешевое. Непрерывная разливка стали широко внедряется на ме­таллургических заводах страны.

VII. 5. Прокатное производство

Прокатка металла — это способ его обработки с помощью давления и обжатия. • )ти операции осуществляются вращающими­ся валками прокатных станов.

В прокатный цех сталь поступает в виде болванок. Перед прокаткой болванки нагре­ваются до определенной температуры. Про­катное производство включает различные мыды проката, которые применяются в метал­лообрабатывающей промышленности, строи­тельстве и т. д. Как правило, прокатные цехи того или иного металлургического завода яв­ляются специализированными. Прокатные изделия в зависимости от вида проката делят­ся на четыре группы: сортовой прокат, листо-iioif, специальный прокат, трубы.

Сортовой прокат, в свою очередь, в зави­симости от профиля делится на две группы — ■ по профили простой геометрической формы (круглый, квадратный, шестигранный, пря­моугольный и др.) и фасонные профили про­ката (овальный, полукруглый, ромбовидный, i pry голыши, сегментный).

.И истовой прокат по стандарту выпускает-|)| диух видов: листовая сталь тонкая (0,2— 1>,'| мм) и листовая сталь толстая (4—60мм). Специальные виды проката — колеса, банда­жи, шарм, зубчатые колеса, трубы.

Огпоинос оборудование прокатного стана состоит п.) одной или нескольких главных .чиним. Линии — это рабочие клети, в которые и ходит прокатные валки, их подшипники, ста-мним, угпшопочпые механизмы и т. д.

Ни miiimi'ieiiiuo и расположению клетей м|1ок|1Т1м.1(< ептм делятся на шесть основных иидои: I) оожпмиые и заготовочные. Сюда отнопптн: и) блюминги, б) слябинги, в) за-

||^(.......... , г) трубо.чаготовителыше; 2) сор-

товые прокатные станы: а) рельсобалочные, б) крупносортные, в) среднесортные, г) мелкосортные, д) проволочные; 8) листовые прокатные станы; 4) трубопрокатные станы; 5) холодной прокатки; 6) специальные (для особых видов прокатки).

На блюмингах производится первичная прокатка стальных слит­ков, и заготовляемые блюмы — стальные заготовки весом в несколько тонн сечением более 140 X 140 мм, идут далее на сортовые станы для получения нужного вида проката.

На слябингах прокатываются крупные слитки стали и получают заготовки, так называемые слябы, которые идут на листопрокатные станы. Слябы имеют ширину до 2,5 м и толщину до 600 мм.

На сортовых прокатных станах из блюмов путем дальнейшей прокатки получают прокат различных сортов: круглый, квадратный, тавровый, угловой, двутавровый, зетовый, рельсовый и др. На листо­прокатных станах получают листовой прокат.

Трубопрокатное производство, как уже отмечено, может выде­ляться в самостоятельные предприятия. Трубы производятся двумя способами — литьем и прокаткой. Существует еще один способ про­изводства труб — прошивка. Он осуществляется па специальных про­шивных станах, где из сплошной заготовки получают толстостенную бесшовную трубу (гильзу). Затем она раскатывается с уменьшени­ем толщины стенки и удлинением на раскатном стане. По первому способу получают трубы из чугуна, по второму — из стали. Для по­лучения труб прокаткой сначала заготавливают полосовую сталь, ко­торую затем свертывают в трубы и прокатывают на специальных про­катных станах. Трубы получают бесшовные, или цельнокатаные, н сварные.

В металлургической промышленности получило большое разви­тие комбинирование, которое может быть внутриотраслевым (чу­гун — сталь — прокат), межотраслевым — при наличии химических цехов, предприятий строительных материалов (на шлаке, цементных, шлаковатных) и др. Такое комбинирование дает определенный эко­номический эффект.

Исходя из расхода сырья и других технико-экономических фак­торов, металлургические предприятия Полного цикла тяготеют в раз­мещении к топливным н рудным базам, а неполного цикла — к рай­онам машиностроения, дающим много металлоотходов. Развитие без­доменной металлургии усиливает роль рудных баз в размещении металлургических предприятий.

ГЛАВА VIII. ЦВЕТНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ VIII. 1. Свойства и применение цветных металлов

Цветная металлургия по современной классификации включает 14 самостоятельных отраслей, производящих сплавы, алмазы, элект­роды и следующие группы металлов:

1) группу тяжелых цветных металлов: а) основных (медь, цинк, свинец, олово и др.), б) малых металлов (ртуть, сурьма и др.);

2) легких металлов (алюминий, магний, титан и др.);

3) редких металлов (галлий, германий, бериллий, тантал, бор, це­
лим, индий, селен, ниобий и др.);

4) легирующих цветных металлов, использующихся главным об­
разом в черной металлургии (вольфрам, ванадий, молибден, хром

"др.);

5) благородных металлов (золото, платина, серебро, иридий, ос­
мий).

Широкое применение цветных металлов в народном хозяйстве обусловливается как их разнообразием (сейчас производятся практи­чески все виды цветных металлов), так и их ценными .физико-хими­ческими свойствами.

Отдельные цветные металлы обладают высокой электропроводно­стью, другие отличаются высокой стойкостью к химическим реакти­вам и могут быть использованы для производства химической аппа­ратуры и для изготовления деталей, узлов и машин, работающих в кислой и щелочной среде, третьи характеризуются большой легкос­тью, что позволяет использовать их для производства машин, отдель­ных узлов и приборов, где имеет большое значение снижение носа.

Цветные металлы обладают способностью образовывать сплавы со свойствами и качествами, отличающимися от свойств исходных материалов.

Современная техника предъявляет самые разнообразные требо­вания к металлу, и прежде всего к его пластичности. Пластичность — это способность изменять форму без разрушения. При малой плас­тичности и вязкости металл становится хрупким и разрушается при ударах или рабочих перегрузках. Пластичностью и вязкостью (спо­собность противостоять ударным пагрузкам) обладают почти все цветные металлы.

Большое разнообразие цветных металлов и их свойств позволяет удовлетворять самые высокие требования техники и в каждом кон­кретном случае подобрать тот металл, который в большей степени отнимает потребностям данного производства.

Удельный вес металла нередко определяет использование его в |щ"! или иной отрасли машиностроения, строительстве. Малый удель­ны ii нес металла позволяет снизить вес машин, их узлов и деталей и сооружений. На металлы с небольшим удельным весом предъявля­ют большой спрос авиационная промышленность, космическая тех­ника и другие отрасли машиностроения.

Температура плавления является показателем стойкости метал-ли по отношению к высоким температурам.

Прочность металла — это способность противостоять раз­рушению, а твердость — способность противостоять проникно-шчшю другого тела. Эти свойства не могут не учитываться при про­ектировании машин и механизмов.

Каждое свойство цветных металлов имеет определенное значение дли IIх применения. В зависимости от свойств металла и определя-ci'cii область его применения.

VIII. 2. Особенности сырьевой базы цветной металлургии и обогащение руд цветных металлов

Для производства цветных металлов используются руды цветных металлов, пригодные для эксплуатации по техническим условиям. При этом учитывается и экономическая целесообразность перера­ботки. Содержание основных и редких цветных металлов в руде составляет от 5% До десятых и сотых долей процента, а алюми­ния—15-20%.

Для получения 1 т алюминия требуется добыть руды 4—8 т, цин­ка—20—50 т, меди—20—150 т, а для получения 1 т редких метал­лов — тысячи и десятки тысяч тонн сырья. В то же время для про­изводства 1 т чугуна .требуется до 3 т железной руды. Обработка руд цветных металлов отличается мпогостадийностью, а их первич­ная обработка происходит в районах добычи ввиду низкого содер­жания металла.

Руды цветных металлов комплексные, т. е. они содержат несколь­ко полезных компонентов. Так, полиметаллические руды содержат цинк, свинец, медь, некоторые редкие и рассеянные элементы, бла­городные металлы, а также серу. Нефелины содержат окислы алю­миния, натрия, калия, кремния; в медных рудах содержатся железо, цинк, кадмий, соединения редких элементов, благородные метал­лы и др.

Комплексный характер руд цветных металлов, во-первых, услож­няет процесс подготовки руд к плавке, что связано с разделением руды на составные компоненты, а во-вторых, позволяет получать ряд ценных продуктов и осуществлять комбинирование производст­ва. Добыча руд цветных металлов производится открытым или под­земным способом.

Обогащение руд. Добытые руды цветных металлов первоначаль­но подвергаются обогащению. Цель этого процесса состоит в том, чтобы отделить от руды пустую породу и таким образом повысить содержание металла в руде, а также отделить руды различных ме­таллов. Наиболее распространенным является флотационный метод обогащения. Он позволяет использовать как богатые-, так и бедные руды и основывается на несмачиваемости металлов.

Перед обогащением руда дробится, а затем измельчается на ша­ровых или стержневых мельницах. Образующаяся рудная пыль име­ет размеры от 0,15 мм и менее. Измельченная руда смешивается с водой; образовавшаяся смесь называется пульпой.

В пульпу добавляют специальные вещества — коллекторы, ко­торые смачивают минеральные частички, содержащие металл, и не смачивают частицы пустой породы. В качестве коллекторов исполь­зуются различные синтетические вещества.

В пульпу вводят также пенообразователи для образования проч­ной флотационной пены. В качестве пенообразователей используют сосновое и пихтовое масло, древесную и каменноугольную смолу, высокомолекулярные спирты и др. В перемешиваемую пульпу пода­ется воздух, Частицы руды прилипают к пенообразователю и с по-

мощью воздушных пузырьков всплывают па поверхность. Частицы же пустой породы не поднимаются вверх, а находятся во взвешен­ном состоянии или оседают на дно, а затем удаляются. Это так на­зываемые флотационные хвосты. Рудная часть минералов извлека­ется из флотационных ванн и представляет собой концентраты, которые идут для выплавки металла.

В том случае, когда в руде содержится несколько металлов, на­пример полиметаллической руде, во время флотации происходит постепенное извлечение частей руды. Это достигается за счет вве­дения в пульпу новых веществ — депрессоров, которые воздействуют на поверхность определенных минеральных частиц, образуя на них слой, смачиваемый водой. Содержание металла в концентрате дос­тигает: в медном — 15—20%, свинцовом — до 40%, цинковом — 40—60%, оловянном — до 70%. Чем выше содержание металла в концентрате, тем он более транспортабелен, а это влияет на разме­щение предприятий по выплавке цветных металлов. Производство меди и свинца размещается главным образом в районах сырья, цин­ка и олова — более свободно с учетом и других факторов размещения.

Другим способом обогащения руд цветных "металлов является метод тяжелых суспензий. Он основывается на использовании тя­желых жидкостей и разности удельных весов пустой породы и мине­ралов, содержащих металл. Удельный вес пустой породы обычно равен 2,5—3, а пород, содержащих металл, — более 3.

В ванну с тяжелой жидкостью, имеющей удельный вес более 3, погружается измельченная руда. Пустая порода, будучи легче этой жидкости, всплывает на ее поверхность, а минералы, содержащие металл, оседают на дно ванны. Так происходит отделение пустой породы и получение концентратов. Нередко для обогащения руд цветных металлов применяют тот и другой способы.

Кроме чисто механических операций, иногда применяются и хи­мические способы обогащения руд. Например, при обогащении сме­шанных сульфидных и окисленных руд меди в пульпу добавляют сорную кислоту, которая переводит окислы меди в растворимые сое­динения — сернокислую медь. Добавление в пульпу железных опи­лок осаждает медь, которая затем флотируется вместе с сульфидной моды⁰- Преимущество такого способа состоит в том, что он позволя­ет изилечь из руды до 90% меди вместо 55% при обычном способе флотации.

Концентраты металлов в подавляющем большинстве представля­ют собой соединение металла с серой. Для понижения содержания серы и перевода металдд в окисел концентраты подвергаются обжигу. 1'ниее обжиг производился в многоподовых печах, а в последнее нремн их вытесняют более производительные печи «кипящего слоя». Применение печей «кипящего слоя» в несколько раз повышает про-и;|11одмтел1,ност1> труда при обжиге концентратов, увеличивает вы-М)Д мепиит и повышает качество сернистого газа, который идет для получении серной кислоты.

Печи «киинщого слоя» имеют одну подину с отверстиями. Ниже подины находится воздушные камеры. Благодаря поступлению воз-

духа снизу концентрат обгорает во взвешенном состоянии на воз­душной подушке, как бы кипит, отсюда и название печей. Печи «кипящего слоя» в 4—5 раз более производительны, чем многоподо­вые печи.

VIII. 3. Производствомеди

По размерам производства и по своему значению в народном хо­зяйстве медь занимает одно из ведущих мест феди цветных метал­лов. Широко используются сплавы меди — латунь (сплав меди с цинком) и бронза (сплав меди с оловом, кремнием, алюминием и другими элементами).

Для производства меди используются два рода руд: сульфидные — соединение меди с серой — и окисленные руды — соединение меди с кислородом. Сульфидные руды — медный колчедан, халькозин, ко-велип. Подавляющую часть меди выплавляют из пиритов с содер­жанием меди от 0,5 до 5%. (Извлечение меди из породы, содержа­щей менее 0,5% металла, в современных условиях экономически нецелесообразно.)

Окисленные руды представлены купритом (Си₂О), малахитом (СиСОз Си (ОН) г), теноритом (СиО) и др. Кроме меди, в окисленных рудах содержатся железо, цинк, свинец, сурьма, золото, серебро, рас­сеянные металлы и др.

Добытые медные руды подвергаются обогащению. Концентраты содержат 15—-40% меди, до 35% серы и до 30% различных приме­сей — в сульфидных рудах главным образом железо.

Металлургическая переработка концентратов осуществляется по одному из двух способов— наиболее распространенному пирометал-лургическому или гидрометаллургическому. Пирометаллургический способ включает три последовательные стадии — получение штейна, черновой меди и рафинирование черновой меди. Получение штейна происходит в шахтных печах, называемых ватержакетами, или в отражательных печах. Сейчас применяют также электроплавку кон­центратов. В шахтных печах плавятся пириты с содержанием меди 2% и более. Перед плавкой предварительный обжиг руды не про­изводится. Температура в шахтных печах поддерживается за счет окисления серы и железа и горения кокса. Расход кокса составляет до 10% от веса сырья. При некоторых видах плавок в шахтных пе­чах на каждую тонну меди из руды извлекается до 8 т серы.

В отражательных почах (отражательная плавка — основной спо­соб выплавки меди в СССР) производится плавка обожженных фло­тационных концентратов меди при температуре 1500—1600°. Обра­зующиеся жидкие продукты скапливаются па поду отражательной печи. По мере плавки руды подаются новые ее порции. В результа­те плавки образуются штейн и шлак, которые выпускаются в соот­ветствующие отверстия. Отражательные печи имеют ширину 10 м, высоту — 4,5 м, длину — 40 м.

Штейн представляет собой сплав сульфидов меди и железа и содержит 20—50% меди, 20—40% железа и до 25% серы и являет-

ся полупродуктом для получения чистой меди. Жидкий штейн за­ливается в конвертеры для дальнейшей переработки. Для выжигания серы и железа из штейна через фурмы в конвертер вдувается" воздух в течение 15—30 часов (в конвертер загружается 40—100 т штей­на). Первоначально происходит выгорание железа. Добавление в конвертер кварца ведет к образованию шлака, который выпускается ►из конвертера. Дальнейшее продувание воздуха ведет к выгоранию серы с образованием черновой меди.

Черновая медь содержит от 0,5 до 4% различных примесей — железа, серы и в меньших количествах никеля, кобальта, золота, серебра, сурьмы и др. Большинство из этих примесей резко снижает качество меди — ее пластичность, электропроводность, ковкость и т. д. Для удаления указанных примесей производят рафинирование чер­новой меди, которое может быть или огневым, или электролити­ческим.

Огневое рафинирование производится в отражательных печах, но устройству напоминающих печи для выплавки штейна из кон­центратов. Используются также цилиндрические наклоняющиеся печи, по устройству подобные конвертеру (топливо — газ, мазут). Большинство примесей в черновой меди, за исключением благород­ных металлов, по отношению к кислороду химически более активно, чем медь. Поэтому во время плавки они окисляются и образуют шлак. Окислению примесей способствует и образование закиси меди, которая отдает кислород и восстанавливается. Оставшаяся закись меди восстанавливается с помощью мазута или природного газа; этот процесс называется «дразпением» меди.

Си₂О + С = Си + СО

Си₂О + СО = Си + СО₂

Полученная по огневому способу медь имеет чистоту до 99,5%' и более. Однако в ней остаются благородные металлы, которые мо­гут быть извлечены с помощью электролиза меди. Электролитиче­ский метод рафинирования меди основан на применении постоянного электрического тока определенного напряжения и силы.

Рафинирование меди производится в электролизных ваннах, внут­ренняя часть которых выложена свинцом или пластмассой. Электро­лит— медный купорос и серная кислота, анод — пластины из черно-noii меди или меди, прошедшей огневое рафинирование, катод — тон­кие пластины из чистой меди. Вовремя пропускания постоянного тока на катоде оседает чистая медь, а анод (черновая медь) постепенно переходит в электролит. Процесс продолжается 5 — 12 дней. На дно электролизеров выпадают примеси; их стоимость окупает расход электроэнергии, а иногда превышает стоимость меди. Электролитиче­ская медь отличается высокой чистотой. Расход электроэнергии для ее производства составляет 250—300 кВт-ч на тонну металла.

Гпдрометаллургический способ получения меди. Для получения меди гидромсталлургическим способом используется, как правило, окислен пая руда. Для перевода окисленных руд в растворимые со­единения па руду действуют серной кислотой, которая сокислом

меди образует сернокислую Соль. Для получения сернокислой меди могут быть использованы медные руды, которые непригодны для обогащения.

Из сернокислой меди металлическая медь может быть получена двумя способами — путем воздействия на раствор железом (цемен­тация меди) или электролизом водного раствора сернокислой меди.

Первичная обработка сырья и получение черновой меди осуще­ствляются в районах добычи сырья. Все медеплавильные заводы ра­ботают в районах добычи сырья.

Лишь производство вторичной меди (из металлолома), как пра­вило, осуществляется в районах потребления, например в Москве, Ленинграде.

VIII. 4. Производство цинка

Ц и п к — синевато-белый металл, обладающий средней плотно­стью и высокой антнкоррозийностыо. При обычной температуре он хрупкий, но при температуре 100—150° пластичен, хорошо куется и прокатывается.

Цинк и его сплавы находят широкое применение в промышлен­ности.

Цинк легко образует сплавы с рядом металлов — медью, желе­зом, серебром и другими. В сплавах устраняется отрицательное свой­ство цинка — хрупкость. Более 40% производимого цинка исполь­зуется для производства сплавов.

Половина производимого цинка идет для цинкования стальных изделий — труб, ванн, посуды и т. д., что улучшает их антикорро­зийные свойства. В электротехнике цинк используется для изготов­ления электродов, гальванических элементов. Большое количест­во цинка расходуется в полиграфической промышленности для изго­товления клише. Значительная часть сплавов цинка, особенно ла­туни, применяется в автомобильной, авиационной промышленно­сти, моторостроении, электротехнике и других отраслях машино­строения.

Примерно 10% производимого цинка идет для изготовления фар­мацевтических аппаратов — цинковых капель, мази, купороса и др., а также для производства цинковых белил.

Сырьем для производства цинка является цинковая обманка — сернистый цинк, встречающийся, как правило, в составе полиметал­лических руд, которые, кроме цинка, содержат свинец, серебро, медь, кадмий и другие элементы. Содержание цинка в руде — от 2 до 6-7%.

С помощью флотации цинковая обманка отделяется от руд дру­гих цветных металлов. Полученный цинковый концентрат подвер­гается обжигу до полного выгорания серы и образования окиси цин­ка, содержащей 60% цинка. Металлический цинк получают по одному из двух существующих способов — пирометаллургическому или гидрометаллургическому. Более распространен гидрометаллур­гический способ,

По пирометаллургическому способу цинк получают путем вос­становления окиси цинка углеродом (коксом). Для этого обожжен­ный концентрат цинка смешивается с коксом и прокаливается в закрытых ретортах, помещенных в специальные печи, при темпера­туре 1200—1300°. При прокаливании восстанавливается металличе­ский цинк. Поскольку цинк имеет температуру кипения 907°, то он в ретортах переходит в парообразное состояние. Пары цинка по специальным трубам отводятся и конденсируются. Этот процесс по­лучения Цинка называется дистилляцией и длится до 24 часов.

Полученный дистилляцией цинк содержит примеси других ме­таллов, которые подвергались возгонке вместе с цинком. Поэтому такой цинк называют черновым. Он подвергается вторичной возгон­ке — при температуре 1000° — и после этого имеет высокую степень чистоты.

Цинковые заводы, работающие по пирометаллургическому спосо­бу, расходуют на 1 т цинка до 4 т кокса и 1 тыс. кВт • ч электроэнер­гии, что отчасти находит отражение в размещении предприятий цинковой промышленности в районах добычи каменного угля (Куз­басс).

Более распространенным является гидрометаллургический спо­соб получения цинка. Сущность его сводится к следующему. На цинковый концентрат действуют слабой серной кислотой, и цинк переводится в растворимое соединение. Раствор серпокислого цин­ка очищается и подвергается электролизу. В качество катода при­меняются алюминиевые листы, а анода — свинцовые. При электро­лизе на катоде выделяется металлический цинк. Затем он плавится в индукционных печах. Расплавленный цинк отливают в слитки. Его чистота достигает 99,99%. Для получения 1 т цинка по этому способу расход электроэнергии составляет 3000 кВт-ч, а топлива — 0,5 т.

Первичная обработка цинковых руд осуществляется в местах их добычи. Полученные концентраты имеют большую транспорта­бельность, чем медные концентраты, и поэтому перерабатываются в зависимости от технологического процесса и в районах добычи сырья, и в районах, богатых топливом.

VIII. 5. Производство свинца

Свинец — мягкий и пластичный металл. Он легко поддается всем ни дам обработки — ковке, литыо, раскатыванию к т. д. Свинец об­ладает высокой химической стойкостью, антикоррозийностыо. Он применяется в кабельной промышленности, в производстве аккуму­ляторов, для получения подшипниковых сплавов (баббитов). Исполь­зуется для покрытия или изготовления кислотоустойчивых сосудов, труб, приборов для химической промышленности, в полиграфической промышленности, для производства медикаментов и белил. Способ­ность свинца поглощать рентгеновские и радиоактивные лучи опре­делила его применение в рентгенотехнике и ядерной технике.

Сырьем для получения свинца является ряд его соединений, встречающихся в природе. Основным сырьем выступает свинцовый блеск (галенит) — соединение свинца с серой, а также церусит (уг­лекислый свинец) и англезит (сернокислый свинец). Руды свинца в природе встречаются в составе полиметаллических руд.

После флотации полученный концентрат подвергают обжигу. Далее окисленный концентрат восстанавливают в шахтных печах с водяным охлаждением (ватержакетах).

• ⇐ Назад
• 1
• 2
• 3
• 4
• 5
• 678
• 9
• 10
• 11
• 12
• 13
• 14
• 15
• 16
• Далее ⇒