2.2. Подготовка рудного сырья

В металлургическую переработку, как правило, поступает не один конкретный металлсодержащий материал, а смесь нескольких сортов (видов) рудного сырья с флюсами и оборотами. Смесь поступающих на переработку материалов (без топлива) называется шихтой. Высокая материалоемкость металлургического производства обусловливает необходимость качественного составления и подготовки шихты.

Подготовительные операции в металлургии подразделяются на два вида: механическую и химическую подготовку. К механическим видам подготовительных операций относятся складирование и хранение шихтовых материалов; приготовление шихты; укрупнение мелких шихтовых материалов. Все эти вспомогательные металлургические процессы направлены на совершенствование основных металлургических процессов, на повышение извлечения металла в целевой продукт каждой операции.

Химическая подготовка направлена обычно на изменение как химического, так и фазового состава перерабатываемых сырьевых материалов. Вид и характер такой подготовки, осуществляемой, как правило, пирометаллургическими способами, диктуется требованиями последующего основного металлургического процесса. Примером такого рода подготовительных операций могут служить все разновидности обжиговых процессов, процессы предварительного спекания шихты и т.д.

2.3. Доменное производство

Производство чугуна восстановительной плавкой железных руд или окускованных железорудных концентратов в доменных печах. Д. п. — отрасль чёрной металлургии.

Чугун был известен за 4—6 вв. до н. э. Д. п. 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 1-е место в мире, которое удерживала до начала 19 в. До середины 18 в. единственное топливо в Д. п. — древесный уголь. В 1735 А. Дербиприменил в доменной плавке каменно-угольный кокс.

Основные этапы развития Д. п.: применение паровой воздуходувной машины (И. И. Ползунов, 1766), нагрев дутья (Дж.Нилсон, 1829), изобретение кирпичного воздухонагревателя регенеративного типа (Э.Каупер, 1857). В 1913 в России было выплавлено 4,2 млн.тчугуна и она занимала 5-е место в мире. В 1940 в СССР было выплавлено 15 млн.тчугуна (3-е место в мире), 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 Д. п. в СССР сыграли М. А.Павлов, М. К.Курако, И. П.Бардин. Д. п. в СССР характеризуется применением высокомеханизированных и автоматизированных агрегатов и передовой технологии.

 Исходными материалами(шихтой) в Д. п. являются: железная руда, марганцевая руда,окатыши, а также горючее ифлюсы. Широкое применение в шихте доменных печей РФ получил офлюсованный агломерат (свыше 90%), который содержит 50—60% Fe при основности 1,1—1,3; расширяется применение офлюсованных окатышей. Важнейшие свойства железосодержащих шихтовых материалов, определяющие технико-экономические показатели доменной плавки: содержание железа, состав пустой породы, количество вредных примесей, а также гранулометрический состав, прочность и восстановимость. Основным горючим в Д. п. служит каменноугольныйкокс. Получает распространение плавка с заменой части кокса газообразным, жидким или твёрдым топливом, вдуваемым в горн доменной печи. В качестве флюсов используется известняк, иногда доломит.

Основные виды чугуна,выплавляемого в доменных печах: передельный чугун, используемый для производства стали в сталеплавильных агрегатах; литейный, идущий для чугунных отливок; специальные чугуны. Побочные продукты Д. п.:доменный газ[теплота сгорания 3,6—4,6Мдж/м³ (850—1100 ккал/м³)]после очистки от пыли используется для нагрева дутья в воздухонагревателях, а также в заводских котельных установках, коксохимических, агломерационных и некоторых др. цехах; доменный шлак находит применение главным образом в промышленности строительных материалов; 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.

Доменная печь представляет собой шахтную печь круглого сечения; футерована огнеупорной кладкой (верхняя часть шамотным кирпичом, нижняя — преимущественно углеродистыми блоками). Для предотвращения разгара кладки и защиты кожуха печи от высоких температур используют холодильники, в которых циркулирует вода. Кожух печи и колошниковое устройство поддерживаются колоннами, установленными на фундаменте. Шихта подаётся на колошник печи скипами, реже ленточными конвейерами. Скипы разгружаются в печь через приёмную воронку и засыпнойаппарат, установленный на колошнике. Воздух (дутьё) от воздуходувных машин подаётся в печь через воздухонагреватели (в которых нагревается до 1000—1200°С) и фурменные приборы, установленные по окружностигорна. Через фурмы вводится также дополнительное топливо (природный газ, мазут или угольная пыль).

Продукты плавки выпускаются в чугуновозные и шлаковые ковши через лётки, расположенные в нижней части горна. Образующийся в печи колошниковый газ отводится через газоотводы, расположенные в куполе печи.

Расстояние между осью чугунной лётки и нижней кромкой большого загрузочного конуса в опущенном состоянии называется полезной высотой доменной печи, а соответствующий объём — полезным объёмом доменной печи. Мощные доменные печи в РФ имеют полезный объём 2000—3000 м³и являются одними из крупнейших в мире.

 

Основные химические процессыв доменной печи — горение топлива и восстановление Fe, Si, Mn и др. элементов. Часть кокса расходуется на процессы восстановления, но основное количество опускается в горн и сгорает вместе с вдуваемым топливом у фурм. Газы сt1600—2300°С, содержащие 35—45% CO, 1—12% H₂и 45—65% N₂, поднимаясь по печи, нагревают опускающуюся шихту, при этом CO и H₂частично окисляются до CO₂и H₂O. Газы, выходящие из печи, имеютt150—300°С.

У фурм доменной печи 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 С_хО_у, которые затем распадаются. В упрощённом виде суммарный 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.

       

  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. Те 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 Fe₂O₃и Fe₃O₄происходит 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) и углеродом (прямое восстановление).

         FeO + CO (H₂) = Fe + CO₂ (H₂O),

         FeO + C = Fe + CO.

Высшие окислы марганца MnO₂, Mn₂O₃и Mn₃O₄восстанавливаются 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.

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.

Образование чугуна и шлака. 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, AI₂O₃и 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). Для характеристики шлаков пользуются обычно показателем основности CaO/SiO₂или (СаО + MgO)/SiO₂. Основность CaO/SiO₂для 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.

Работа доменной печиначинается с её задувки. При этом горн и заплечики загружаются коксом, а шахта — так называемой задувочной шихтой. В полностью загруженную печь подаётся нагретое дутьё (уменьшенное количество), кокс воспламеняется, и начинается опускание материалов. Первый выпуск чугуна и шлака производится через 12—24ч, после чего количество дутья и рудная нагрузка (отношение массы руды к массе кокса в подаче) постепенно увеличиваются, и через несколько дней после задувки доменная печь достигает нормальной производительности.

Непрерывная работа (кампания) доменной печи от задувки до выдувки (остановки на капитальный ремонт) 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. Выплавка чугуна на мощных печах за одну кампанию достигает 5—8 млн. тчугуна и более.

Управление работой (ходом) доменной печи заключается в регулировании (в соответствии с качеством сырых материалов и видом выплавляемого чугуна) состава шихты, количества, температуры и влажности дутья, а также величины подачи или последовательности загрузки отдельных компонентов шихты и уровня засыпи. Ход доменной печи контролируется измерительными приборами, регистрирующими основные параметры загрузки, дутья, колошникового газа, температуру кладки печи на разных горизонтах.

  Получили распространение плавка с вдуванием дополнительных видов топлива, обогащением дутья кислородом и работа с повышенным давлением колошниковых газов. При повышении давления на колошнике уменьшается перепад давлений между низом и верхом доменной печи; это обусловливает более ровный сход шихты, улучшает восстановительную работу газов, уменьшает вынос пыли. Д. п. характеризуется высокой степенью автоматизации. На современной доменной печи автоматически осуществляются все операции шихтоподачи: набор компонентов шихты с отсевом мелочи, взвешивание, транспортировка на колошник и загрузка в печь по заданной программе. Автоматически поддерживаются оптимальный уровень засыпи и распределение шихтовых материалов на колошнике, давление колошникового газа, расход воды на охлаждение, температура и влажность дутья, а также содержание в нём кислорода и расход природного газа. Автоматизировано переключение воздухонагревателей и управление режимом их нагрева. Автоматические анализаторы обеспечивают непрерывную регистрацию состава колошникового газа и дутья. Внедряются системы автоматического регулирования подачи дутья и природного газа как по общему расходу, так и по отдельным фурмам.

Новые доменные печи оснащаются системами централизованного контроля и управления, которые обеспечивают усреднение показателей приборов и подсчёт комплексных показателей работы печи. Ведутся работы по комплексной автоматизации Д. п., в том числе управления тепловым режимом доменной печи с помощью ЭВМ.

Показатели работы доменной печи зависят главным образом от качества сырых материалов и степени подготовки их к плавке. Основные показатели: суточная производительность доменной печи в ти расход кокса на 1тчугуна. В РФ производительность доменных печей иногда характеризуется коэффициентом использования полезного объёма (кипо), т. е. отношением полезного объёма вм³к суточной выплавке передельного чугуна вт. Производительность доменной печи объёмом 3000м³— 7000тчугуна в сутки. Расход кокса на единицу выплавляемого чугуна имеет большое экономическое значение вследствие высокой стоимости кокса. Применение дополнительного топлива позволяет уменьшить расход кокса на 8—20% и снизить благодаря этому себестоимость чугуна.

Совершенствование Д. п. направлено на улучшение подготовки сырых материалов к плавке, увеличение мощности (объёма) доменных печей, внедрение прогрессивной технологии, автоматического управления ходом доменной печи.

2.4. Сталеплавильное производство

 Производство стали из чугуна и стального лома в сталеплавильных агрегатах металлургических заводов. С. п. — второе звено в общем производственном цикле чёрной металлургии ; другие главные звенья — получение чугуна в доменных печах и прокатка стальных слитков или заготовок. С. п. включает 2 основных технологических процесса — выплавку и разливку стали.

В современной металлургии важнейшие способы выплавки стали — кислородно-конвертерный процесс, мартеновский процесс и электросталеплавильный процесс.

Полученную в сталеплавильном агрегате сталь выпускают в разливочный ковш, а затем либо разливают в металлические формы — изложницы, либо направляют на установки непрерывной разливки стали (машины непрерывного литья); лишь около 2% всей производимой стали идёт на фасонное литьё. В результате затвердевания металла получаются стальные слитки или заготовки, которые в дальнейшем подвергают обработке давлением (прокатке, ковке). Непрерывный способ разливки стали имеет неоспоримые преимущества перед разливкой в изложницы.

Разливка стали — ответственный этап С. п. Технология и организация разливки в значительной мере определяют качество готового металла и количество отходов при последующем переделе стальных слитков.

В кислородно-конвертерном производстве преобладают конвертеры ёмкостью 100—350 т. Сортамент стали, получаемой этим способом, непрерывно расширяется, причём по качеству кислородно-конвертерная легированная сталь не уступает мартеновской стали и электростали соответствующих марок. Выплавка некоторых низколегированных сталей в кислородных конвертерах считается наиболее целесообразной не только по экономическим причинам, но и с точки зрения качества металла. Так, сталь, предназначенную для холодной деформации (особенно для производства автолиста), на металлургических заводах всего мира выплавляют главным образом в кислородных конвертерах. Осваивается выплавка высоколегированной стали. Главные направления развития кислородно-конвертерного процесса: интенсификация плавки (в первую очередь продувки), повышение стойкости футеровки, применение современных средств контроля и управления с использованием ЭВМ, разработка новых технологических вариантов. Большие перспективы открывает перед кислородно-конвертерным процессом сочетание его с методами внепечного рафинирования металла.

Несмотря на резкое сокращение доли мартеновского металла в общем объёме производства стали, роль мартеновского процесса в чёрной металлургии многих стран ещё достаточно высока. Использование кислорода, природного газа, огнеупоров высокого качества позволяет значительно интенсифицировать мартеновский процесс. Перспективной считается перестройка действующих мартеновских печей на высокопроизводительные двухванные печи.

На металлургических предприятиях некоторых стран внедрён предварительный подогрев шихты, позволяющий сократить продолжительность плавки, снизить расход электроэнергии и электродов. Технико-экономические показатели современных дуговых печей свидетельствуют о целесообразности их использования для выплавки не только легированной, но и рядовой стали.

Одно из перспективных направлений развития С. п. — повышение качества стали путём внепечного рафинирования. Наибольшее промышленное значение имеют следующие методы: продувка металла в ковше или специальном агрегате инертными газами или окислительными смесями; вакуумная обработка стали; обработка стали синтетическими шлаками.

Примерно в середине 60-х гг. начала интенсивно развиваться т. н. спецэлектрометаллургия, которая включает различные виды рафинирующих переплавов заготовки, полученной в обычных сталеплавильных агрегатах (чаще всего в дуговых или индукционных печах). К ним относятся плавка в дуговых вакуумных печах и в индукционных вакуумных печах, электрошлаковый переплав,электроннолучевая плавка, плазменная плавка. В результате рафинирующего переплава исходный металл эффективно очищается от неметаллических включений и др. нежелательных примесей, повышаются плотность и однородность его структуры, улучшаются многие свойства стали.

В области разливки стали наблюдается постоянное увеличение доли непрерывно-литого металла. Применение экзотермических шлакообразующих смесей позволяет улучшить поверхность получаемых слитков. Благодаря использованию теплоизолирующих и экзотермических прибыльных надставок удаётся значительно сократить потери металла.