Раздел іі

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Заключается в получении металлов и сплавов методом выплавки из руд и обработке при высоких температурах.

Основными сплавами, получаемыми в металлургии, является сталь и чугун, поэтому металлургическое производство состоит из доменного производства и сталеплавильного: доменные печи, мартеновские печи, конвертеры и электропечи.

Для производства чугуна, стали и сплавов цветных металлов применяют исходные сырые материалы – руду, топливо, флюсы, а также огнеупорные материалы.

Глава І

Материалы для производства цветных металлов и сплавов

§ 1. Руда

В природе большинство металлов находится в виде различных химических соединений (окислов, силикатов, карбонатов), входящих в состав сложных минералов и образующих горные породы. Для получения металлов добывают те горные руды, которые содержат в значительном количестве какой-либо металл и извлечение его экономически целесообразно. Такие породы называют рудами. Кроме соединений, содержащих добываемый металл, в руде присутствуют другие соединения, составляющие так называемую, пустую породу. В процессе обработки руды и плавки из этих соединений частично извлекаются элементы, которые становятся примесями в добываемом металле. Большая же часть пустой породы отделяется или сплавляется с флюсами, образуя шлак. Например, железная руда наряду с окислами железа содержит пустую породу, которая в основном состоит из окиси кремния, алюминия, кальция и магния, которые находятся в виде различных сложных соединений.

В зависимости от количества добываемого металла руды бывают богатыми и бедными. Богатые железные руды содержат 45-50% железа и более. Бедные руды имеют меньшее содержание железа и их подвергают специальной обработке (обогащению) для удаления из нее части пустой породы и получению продукта (концентрата) с увеличенным содержанием железа.

Пылевидные железные руды подвергаются спеканию в пористый кусковый продукт, называемый агломератом.

Процессами обработки железных руд, а также процессами непосредственного получения металлов и сплавов, и занимаются предприятия металлургической промышленности.

§ 2. Флюсы

Флюсами называется материал, загружаемый в плавильную печь для образования легкоплавкого шлака нужного состава. При производстве чугуна в шлак сплавляют: пустую породу руды, агломерата, окатышей, а также флюс, золу кокса. При производстве стали, шлак образуется из флюса, а также из окислов, сульфидов и др. соединений, получающихся из плавки. Шлак имеет меньший удельный вес, чем выплавляемый металл, поэтому он располагается над металлом и может быть удален. Во многих случаях шлак служит для защиты металла от печных газов и воздуха.

Флюсом может служить кварцевый песок при плавке в кислых печах, а также известняк или известь при плавке в основных печах.

В доменном процессе флюсом служит известняк (СаСО₃), в котором более 50% СаО или доломитизированный известняк, содержащий СаСО₃ и МаСО₃.

§ 3. Топливо

На промышленных предприятиях применяют твердое, жидкое и газообразное топливо. Оно может быть естественным (природным) или искусственным.

Основными видами топлива, применяемого в металлургических печах, является кокс, коксовый газ, мазут, доменный газ, генераторный газ и природный газ. В некоторых печах и устройствах используют также древесный уголь, торф, дерево, каменный уголь.

Кокс – основное топливо доменных печей. Получение кокса производится при нагревании без доступа воздуха коксующихся сортов каменного угля. Коксовые батареи состоят из 40 – 75 печей, представляющих собой относительно узкие (0,4 – 0,5 м) камеры высотой 4,5 – 6,0 м, выложенные огнеупорным кирпичом. Между рабочими камерами имеются обогревающие простенки, где происходит сгорание газа, нагревающего стенки печи до 1 350 – 1 420°С.

Размолотый и слегка увлажненный каменный уголь загружают в камеры, где он при нагревании, сперва размягчается, при этом из него начинают выделяться газообразные продукты, а затем спекается и отвердевает в виде пористой массы кокса, которая в процессе выделения газов растрескивается, а затем распадается на куски. Газ, выделяющийся из камеры через отверстие в своде печи, направляется в химическое отделение, где из него извлекают аммиак, бензол, смолу и др. ценные химические продукты. После этого коксовый газ используют в качестве топлива. Его теплота сгорания около 4500 ккал/м³.

Раскаленную массу («коксовый пирог») выталкивают из камеры в специальный вагон и охлаждают (тушат) водой или инертными газами, а затем отправляют на сортировку. Процесс получения кокса длится 14 – 16 ч. Прочные пористые куски кокса размером от 25 до 100 – 200 мм светло серого цвета являются хорошим топливом для доменных печей. Теплота сгорания кокса в среднем 7000 ккал/кг. Химический состав кокса в зависимости от месторождения угля: 80 – 88 % С, 0,5 – 1,8% S, до 0,015 – 0,04 % Р, 8 – 12 % золы, до 5 % влаги.

Древесный уголь – почти не содержит фосфора и серы, золы всего 1 – 2 %, поэтому способствует получению высококачественных сортов чугуна. Но он мало прочен и легко разрушается, поэтому в больших доменных печах не применим. Его теплота сгорания 7000 ккал/кг.

Мазут – является очень хорошим жидким топливом для мартеновских и др. металлургических печей. В его составе содержится: 84 – 86 % С, 10 – 13 % Н, 0,2 – 0,7 % S, 0,2 – 0,3 % золы, 0,5 – 0,8 % N. Теплота сгорания его – 9 500 – 10 000 ккал/кг.

Доменный или колошниковый газ получается как побочный продукт в доменном производстве. Его применяют после очистки от пыли в смеси с коксовым газом, как топливо в мартеновских печах. Или же отапливают воздухонагреватели или др. печи и устройства. Теплота сгорания – 900 – 1 000 ккал/м³.

Генераторный газ – получают в результате специального сжигания твердого топлива (дерева, бурого угля, торфа) в газогенераторах. Его используют в качестве топлива в мартеновских и др. печах. Теплота сгорания - 1 150 – 1 500 ккал/м³.

Природный газ – применяют как топливо в различных металлургических печах. Его теплота сгорания 7 900 – 12 000 ккал/м³. Природный газ является лучшим топливом для мартеновских печей.