Металловедение

51

Г л а в а IV

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

§ 1. Исходные материалы

Железо в чистом виде редко находят в поверхностных слоях земной коры.

Благодаря большой склонности к окислению в земной коре встречаются обыч-

но окислы железа в смеси с окисленными соединениями других элементов. На-

считывается около 200 различных минералов, содержащих железо. Ведущие геологи академики В. И. В е р н а д с к и й и А. П. В и н о г р а д о в считают,

что в земной коре (до глубины 16 км) содержатся примерно 5% железа в виде окислов, карбонатов, сульфидов и других соединений. В отдельных местах земной коры имеются значительно большие скопления соединений железа.

Наиболее крупные и богатые окисленными соединениями железа скопления минералов называют месторождениями железных руд. Рудами называют гор-

ные породы, которые технически возможно и экономически целесообразно пе-

рерабатывать для извлечения содержащихся в них металлов.

К железным рудам относят красный, бурый, магнитный и шпатовый же-

лезняки. Эти руды содержат значительное количество рудного вещества или соединений железа, из которого оно извлекается, и относительно небольшое количество пустой породы, легко отделяющейся при переработке.

В зависимости от количества рудного вещества различают богатые и бед-

ные руды. Железные руды принято называть богатыми, если они содержат бо-

лее половины железа; но это понятие меняется со временем.

Пустой породой руды называют такие минералы, которые не вносят серь-

езных технологических осложнений в металлургическую переработку и легко отделяются от рудных минералов или в процессе обогащения (см, ниже), или переходят в шлаки при плавке. Пустой породой в железных рудах чаще всего являются: кремнезем, каолин, реже доломит и магнезит. В рудах обычно выде-

ляют вредные примеси, которые осложняют металлургические пределы, и, за-

52

грязняя основной металл, снижают его свойства. В железных рудах к вредным примесям обычно относят: серу, мышьяк и фосфор.

Основными рудообразующими минералами железа являются гематит,

лимонит, магнетит и сидерит.

Красный железняк (гематит) содержит железо главным образом в виде

Fe2О3 - безводной окиси железа. Пустой породой в нем обычно бывает кремне-

зем. Содержание железа в красных железняках составляет 45-65% при малом содержании вредных примесей. Красный железняк хорошо восстанавливается в доменных печах.

Бурый железняк (лимонит) содержит железо в форме водных окислов ти-

па nFe2O3 . mH2O с переменным количеством гидратной влаги. Собственно ли-

монитом обычно называют минерал, содержащий 57,14% Fe2О3 и 25,3% н2о и имеющий желтую окраску. Обычно бурый железняк содержит 25-50% Fe, но гидратная влага, легко удаляемая при плавке, делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению. Ее пустая порода обычно состоит из глины. Бу-

рые железняки многих месторождений содержат значительные количества се-

ры, фосфора и других вредных примесей.

Магнитный железняк (магнетит) содержит железо главным образом в ви-

де Рез04 (закись-окись железа), обладающей хорошо выраженными магнитны-

ми свойствами. Пустой породой, сопутствующей ему, бывают кремнеземистые минералы. Магнетиты содержат железа от 40 до 70% и являются наиболее бо-

гатыми железными рудами, но восстанавливаются труднее других руд, так как являются плотными горными породами; часть магнетита в результате выветри-

вания бывает иногда окислена до Fe2О3 и такие руды в зависимости от степени окисления иногда называют полумартитом или мартитом. Если они залегают вместе с пиритами, то руда иногда может содержать и до 2% серы в виде FeS2.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли

FeCO3. Его пустая порода содержит алюмосиликаты и магнезит, а содержание

53

железа колеблется от 30 до 37%. Для повышения процента железа эти руды пе-

ред плавкой обжигают, удаляющийся при этом углекислый газ делает руду по-

ристой и легко поддающейся восстановлению.

В природе часто встречаются руды, содержащие несколько полезных ме-

таллов. Такие руды принято называть комплексными. В некоторых железных рудах, кроме железа, содержатся полезные металлы: марганец, хром, никель и другие, которые при плавке восстанавливаются и растворяются в железе - леги-

руют его.

Для производства чугуна, кроме железных руд, требуются и другие мате-

риалы. К ним в первую очередь следует отнести марганцевую руду, флюсы и кокс.

Марганцевые руды загружаются вместе с железными рудами в доменную печь, если поступающая на плавку железная руда содержит недостаточное ко-

личество марганца для получения чугуна необходимого качества. Марганцевые руды содержат марганец в виде различных окислов МnО2, Mn3O4, Mn2O3 с об-

щим содержанием марганца в пределах от 25 до 40%. Их пустая порода в боль-

шинстве случаев состоит из глинистых песчаников, которые могут быть ча-

стично отделены простой промывкой.

Флюсы вводят в доменную печь для того, чтобы и не допустить «зараста-

ния» рабочего пространства печи и обеспечить плавку пустой породы руды и золы топлива при необходимой температуре: не слишком высокой, чтобы не тратить много топлива и не слишком низкой, при которой окислы железа еще не успевают восстановиться. Количество и характер добавляемых флюсов зави-

сят от количества и химического состава пустой породы и определяются рас-

четным путем. Так как пустая порода железных руд обычно содержит крем-

незем, в качестве флюса в доменных печах часто применяют известняк СаСО3,

содержащий минимальное количество вредных примесей.

54

Каменноугольный кокс в современном доменном производстве играет двоякую роль. Во-первых, служит топливом и обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры и, во-вторых, обеспечивает восста-

новление окислов железа (см. ниже). Благодаря своей большой механической прочности, пористости и значительной теплотворной способности он применя-

ется теперь повсеместно и почти вытеснил применявшийся ранее для этих це-

лей древесный уголь. Каменноугольный кокс содержит 82-88% твердого угле-

рода, от 5 до 10% золы, однако всегда содержит серу от 0,5 до 2,0%.

§ 2. Огнеупорные материалы

Производство чугуна и многие другие процессы получения и тер-

мической обработки металлов проводят при высоких температурах; для их осуществления необходимо изготовлять различные аппараты (печи, ковши,

дымовые трубы и др.) из материалов, выдерживающих силовые и тепловые на-

грузки и стойких против воздействия расплавленных масс, горячих паров и га-

зов.

Материалы, применяемые для футеровки рабочего пространства этих ап-

паратов, называют огнеупорными (огнеупорами). Их изготовляют главным об-

разом из устойчивых природных минералов, придавая им форму кирпичей, по-

рошков и различных фасонных изделий. По химическим свойствам огнеупор-

ные материалы делят на кислые, основные и нейтральные.

Характерным к и с л ы м о г н е у п о р о м является динасовый кирпич,

изготовляемый из кварца (93-96% SiO2) с небольшой добавкой извести (2-3%

СаО) для связи. Он имеет огнеупорность (температуру размягчения под дейст-

вием собственного веса) 16501730° С и применяется для кладки печей, рабо-

тающих с кислыми шлаками, содержащими большое количество SiO2.

Характерным о с н о в н ы м о г н е у п о р о м является магнезитовый кирпич, изготовляемый из обожженного при высокой температуре природного магнезита (91-94% MgO, остальное СаО, Al2O3, SiO2, Fe2O3). Кроме того, широ-

55

ко применяется в виде дробленого и обожженного природного минерала основ-

ной огнеупор - доломит (СаО + MgO). Основные огнеупоры стойки к известко-

вым (основным) шлакам и пыли до температуры 1800-1900° С.

К нейтральным можно отнести углеродистые огнеупоры,, выдерживаю-

щие нагрев до 2000° С и мало взаимодействующие с очень агрессивными шла-

ками. Их изготовляют из антрацита и других чистых углеродистых материалов.

Они содержат около 90% углерода и делятся на угольные и графитовые. Из них делают тигли, электроды или ими футеруют электролизные ванны для по-

лучения алюминия и отдельные части других печей.

Нейтральными являются хромиты, изготовленные из природного хроми-

стого железняка. Хромитовый кирпич содержит примерно 30% Сг2О3 и по 25%

MgO и FеО,.

Устойчивым огнеупором является хромомагнезитовый кирпич, изготов-

ляемый из смеси хромита и магнезита; его химические свойства приближаются к нейтральным при содержании хромита не менее 28%, с меньшим содержани-

ем хромита эти огнеупоры имеют слабо основной характер.

Наиболее распространенным и дешегым огнеупором является шамот, из-

готовляемый из обожженной глины (каолинита Al2O3 • 2Si02•2H20), его химиче-

ские и огнеупорные свойства изменяются в широких пределах в зависимости от химического состава. Шамоты, содержащие менее 60% SiO2 и 40% Al2O3, ус-

тойчивы против кислых и основных шлаков и практически почти нейтральны.

Шамоты, содержащие более 60% SiO2 и 30% Al2O3, обладают слабо выражен-

ными кислотными свойствами, а глинистые огнеупоры, содержащие более 65%

SiOj, принято называть полукислыми; они обладают наименьшей огнеупорно-

стью, но дешевы.

Высокоглиноземистые огнеупоры (Al2O3 более 45%) обладают очень вы-

сокой огнеупорностью (до 2000° С), высокой стойкостью к перепаду темпера-

56

тур и большей устойчивостью против кислых и основных шлаков, но стоят они дорого.

§ 3. Обогащение руд

Богатые руды, содержащие 50% и более какого-либо металла и подлежа-

щие прямой плавке, встречаются редко и в промышленности используют бед-

ные руды, прямая плавка которых дорога, а иногда и невозможна. Такие руды предварительно подвергают обогащению.

Обогащением называют обработку руды, не изменяющую химического состава основных минералов и их агрегатного состояния. Обогащением из руды отделяют часть пустой породы, в результате в оставшейся части, называемой концентратом, процентное содержание рудной массы увеличивается. Отделен-

ную от руды пустую породу называют хостами; если она не представляет ника-

кой ценности, при обогащении ее отбрасывают. Обогащением иногда удается выделить из руды несколько концентратов с преобладанием в каждом разных металлов. Однако не все минералы поддаются обогащению в равной степени, а

некоторые из них пока еще не умеют обогащать. В технике в зависимости от характера рудных минералов применяют много различных способов обогаще-

ния. Наиболее известны и широко применяются: рудоразборка, магнитное, гра-

витационное и флотационное обогащение.

Простую рудоразрорку применяют очень давно; в некоторых местах еще можно встретить рудоразборку на конвейере: по цвету, блеску или форме кусков (иногда при специальном освещении) отбирают либо крупные куски богатой руды, либо пустую породу.

Магнитное обогащение применяют к минералам, имеющим большую магнитную восприимчивость. Такие минералы отделяют

57

магнитом или электромагнитом от других минералов. По степени притягивае-

мости магнитом различают: минералы сильномагнитные, среднемагнитные,

слабомагнитные и немагнитные.

Если принять притягиваемость чистого железа за 100, то для сильномаг-

нитных минералов она изменяется в пределах от 3,21 до 41,18 (магнетит Fe3O4);

для среднемагнитных [лимонит 2 Fe2O3-ЗН20, вольфрамит (Fе, Мn) WO4] - от

0,40 до 1,82; для слабомагнитных, к которым относятся большинство минера-

лов цветных металлов,- ниже 0,37.

Аппараты, применяемые для магнитного обогащения, называют магнит-

ными сепараторами. Если необходимо магнитное обогащение крупных кусков

(120-150 мм), используют магнитные сепараторы, работающие в воздушной среде. Для мелких кусков (менее 8 мм) применяется как сухая, так и мокрая магнитная сепарация. Магнитные сепараторы, работающие в водной среде, час-

то дают лучшие результаты. На рис. 40 показан простейший барабанный сепа-

ратор для сухого магнитного обогащения. Во вращающемся барабане размеща-

ется неподвижный электромагнит 1. Куски немагнитного материала, попав на поверхность барабана, падают с него в первой четверти оборота 2, а магнитные минералы задерживаются до выхода их из поля магнитного сердечника 3. Ма-

териал, упавший в промежутке 4, обычно подвергают переочистке.

Магнитную сепарацию с успехом применяют для обогащения бедных же-

лезных руд, имеющих вкрапления магнетита, а также для очистки или сорти-

ровки металлических отходов (стружки, опилки, лом). Стальные и чугунные опилки отделяют таким способом от отходов цветных металлов или от наждач-

ной пыли.

Гравитационное обогащение основано на различии в плотности и скоро-

сти падения зерен минералов в жидкостях и на воздухе. Простейшим ее видом является промывка водой железных руд для отделения песчано-глинистой пус-

58

той породы. Однако больший эффект можно достичь, применяя отсадочные машины или концентрационные столы.

Отсадочная машина (рис. 41) - это сосуд с жидкостью, ниже уровня кото-

рой установлено металлическое решето, на него и по-

дается пульпа, содержащая обогащаемую породу. Действием поршня 1

или перемещением решета 5 в его отверстиях и в промежутках кусочков руды создается пульсирующий поток воды, изменяющий направления 100-4000 раз в минуту с амплитудой 0,5-8 см. При этом зерна тяжелого минерала оседают на дно решета и, проваливаясь через его отверстия, собираются в бункере, а куски легкого минерала уносятся горизонтальным потоком жидкости. Отсадка бывает эффективнее, если размеры кусков руды одинаковы. Обычно отсадку руды ве-

дут в серии последовательно включенных машин с решетками, расположенны-

ми каскадом, что обеспечивает перемещение пульпы из одной машины в дру-

гую самотеком.

Гравитационное обогащение мелких фракций рудных пород целесообраз-

но проводить на концентрационном столе (рис. 42), рабочая поверхность кото-

рого называется декой . Она имеет нарифление 3 из деревянных планок. Дека,

покрытая обычно линолеумом или резиной, устанавливается с небольшим по-

перечным и продольным наклоном (обычно в несколько градусов) в стороны разгрузки материала.

59

Пульпа поступает на деку стола плоской струей через щель загрузочного ящика 2. С помощью сотрясающего механизма 4 деке сообщается резкий по-

ступательный толчок и затем плавное возвратное движение в продольном на-

правлении с амплитудой 12-30 мм и частотой 200-300 толчков в минуту. Час-

тичка руды испытывает действие воды, смывающей ее в поперечном направле-

нии, и толчков, перемещающих ее в продольном направлении вдоль

укрепленных на поверхности деки реек. Более тяжелые частички подда-

ются большему воздействию инерционных толчков и сбрасываются в направ-

лении 5, а наиболее легкие смываются поперечным потоком жидкости в на-

правлении 6. Поэтому обогащаемый материал располагается на деке веером,

причем минералы с различной плотностью падают со стола в секции приемных желобов в различных местах стола.

Флотационный метод обогащения также широко применяется теперь, но им пока редко пользуются для обогащения железных руд; его описание смотри-

те ниже.

§ 4. Подготовка материалов к доменной плавке

Доменная печь (см. рис. 45) работает нормально, если она загружена кус-

ковым материалом оптимального размера. Слишком крупные куски руды и