Экстракция черных металлов - вопросы

1. История производства металлических сплавов и перспективы его развития

2. История железа

3 . Сыродутный процесс

Сыродутным процессом называют старинный способ получения железа непосредственно из руды в небольших горнах, которые вначале делали прямо в земле. Сыродутным этот способ назывался из-за того, что в горн подавали ("дули") холодный ("сырой") атмосферный воздух. Печи представляли собой ямы, вырытые на склонах холмов, чтобы можно было иметь естественную тягу. Производство стали всегда было непосредственно связано с подводом достаточного количества воздуха. Позднее, естественная тяга была заменена искусственной- воздух нагнетался в печь с помощью. Сначала разжигали уголь, насыпанный на дно горна или печи, затем сверху загружали попеременно слои руды и того же угля. В результате горения угля выделялся газ — окись углерода, которая, проходя через толщу руды, восстанавливала окислы железа. Сыродутный процесс не обеспечивал достижения t плавления железа (1537 градусов по Цельсию), а максимально доходил до 1200 градусов (это была своего рода «варка» железа). Восстановленное железо концентрировалось в тестообразном виде на самом дне печи, образуя так называемую горновую крицу — железную губчатую массу с включениями несгоревшего древесного угля и с многочисленными примесями шлака

Сыродутная печь — простейшее приспособление для получения металла из железной руды.

В земле выкапывалась яма, в которую закладывались руда и уголь, над ямой сооружался купол с короткой трубой, а с боку прилаживался мех для дутья. Когда процесс заканчивался, печь разрушали и доставали крицу.

Одна печь выдавала крицу весом в среднем около 3 кг, на треть состоящую из железа. Но при проковке крицы много железа снова окислялось или оставалось в шлаке. Процесс был непроизводительным, особенно если вместо руды использовался красный песок или болотная грязь.

Даже из самой легкоплавкой руды в сыродутной печи восстанавливалось не более половины железа. В случаях же использования ржавого песка, в котором самого железа было мало, а вредных примесей (фосфора и серы) много, крицу на несколько лет опускали в воду. За это время фосфор и сера окислялись почти полностью, а часть железа еще не успевала.

В общем, можно считать, что сыродутная печь давала в среднем не более 500 граммов железа.

Несмотря на это, сыродутная техника получения железа сохранялась во многих регионах очень долго. Ею пользовались не только варварские, но и многие цивилизованные народы. Только в Индии сыродутные печи вышли из употребления в начале I тысячелетия до новой эры, в Китае же они служили до II века новой эры, на Арабском Востоке — до VII века, в Западной Европе — до начала XIV, а в России — до конца XIV века. Римляне, в частности, не знали других способов производства железа.

Кроме низкой производительности, недостатком сыродутной технологии была ее расточительность, — учитывая все потери, извлекалось в среднем около 20 % железа содержащегося в руде. Но еще хуже было то, что большая часть руд вообще не расплавлялась в сыродутной печи. Те же, что годились, еще надо было найти и добыть, а возможности для этого у наших предков были весьма скромными, — даже у цивилизованных народов, умеющих строить шахты.

В качестве сырья мог использоваться, конечно, не только качественный магнетит, но и песок (или даже болотная жижа) с небольшим содержанием окиси железа. Найти подобный ресурс в количестве необходимом для кустарной кузницы проблемы не составляло — такое железо имелось везде.

4. Пудлингование

Пудлингование (puddle — перемешивать), мет. процесс передела чугуна в мягкое малоуглеродистое железо, получающееся в тестообразном состоянии на поду пудлинговой печи.

Пудлингование, пришедшее на смену кричному переделу, характеризовалось более высокой производительностью и, кроме того, позволяло заменить дорогой и дефицитный древесный уголь каменным углём или др. видами топлива. Впервые отражательная печь для получения ковкого железа использовали в 1766 англичане братья Т. и Д. Кранедж, применив в качестве топлива каменный уголь. В 1784 способ был усовершенствован Г. Кортом, сыгравшим большую роль в практическом распространении.

Сущность: На под пудлинговой печи загружают чушки чугуна. По мере выгорания углерода и других примесей температура плавления повышалась и из жидкого металла выделялись кристаллы чистого железа. Расплавившийся металл и находящийся в печи шлак для увеличения поверхности контакта подвергают перемешиванию (пудлингованию) металлическими штангами. Образующиеся на поду печи небольшие комочки железа «накатывают» на штангу в крицу (массой обычно 40—60 кг). Затем крицу извлекают из печи, проковывают на молоте и направляют в прокатку. Пудлинговое железо хорошо сваривается, пластично, содержит мало фосфора, серы, неметаллических включений.

В начале 19 в. Пудлингование получило широкое распространение и являлось основным способом производства больших количеств железа и стали. Во 2-й половине 19 в. Пудлингование стало вытесняться более совершенными конвертерным.

5. Бессемеровский процесс

Бессемеровский процесс — процесс передела жидкого чугуна в литую сталь путём продувки сквозь неё сжатого воздуха, обычного атмосферного или обогащённого кислородом. Процесс был предложен в Англии Г. Бессемером (1856 г). Операция продувки производится в бессемеровском конвертере. Превращение чугуна в сталь происходит благодаря окислению примесей, содержащихся в чугуне — кремния, марганца и углерода (отчасти также железа) кислородом воздуха дутья. Несмотря на возрастание (с окислением примесей) температуры плавления металла, он остаётся в жидком состоянии благодаря выделению тепла при реакциях окисления. Термин «бессемеровский процесс» обычно присваивают кислому конвертерному процессу, который ведут в агрегате с кислой футеровкой (кремнистый материал, динас).

1)Хим.холодный(<1% Si). 2)Хим.норм. (1…1.5% Si) 3)Хим.горячий (>1.5% Si). Температуру регулируют изм.колличества дутья, и добавлением стального скраба, руды, окалины. При недостатке тепла добавляют ферросплавы богатые Si. Из за избытка FeO заключительной стадией является раскисление стали. (Раскислители: Si, Mn, Al, Ca, Mg).

Наличие кислого шлака не даёт возможность удалить из металла присутствующие в нём вредные примеси — фосфор и серу, чем бессемеровский процесс отличается от томасовского процесса. Поэтому чистота в отношении серы и фосфора является непременным требованием к бессемеровским чугунам, а следовательно, и к «бессемеровским» рудам (содержание фосфора в руде не более 0,025—0,030%).

На нагрев балластного азота, являющегося при бессемеровском процессе основным компонентом дымовых газов, при средней их температуре 1450 °C расходуется около 110 ккал на 1 кг продуваемого чугуна. При полной замене воздуха кислородом кремний перестаёт играть ведущую роль в тепловом балансе бессемеровского процесса. Оказывается возможной продувка химически холодных чугунов, поскольку количество тепла дымовых газов снижается в этом случае примерно с 28% до 8,5%. При чисто кислородном дутье содержание в шихте лома, как показывают тепловые расчёты, может быть очень значительным (до 25%).

6. Томасовский процесс

Томасовский процесс (томасирование чугуна) — один из видов передела жидкого (получаемого из доменной печи) чугуна в сталь. Он был предложен Дж. Томасом в 1878 г. и успешно конкурировал с бессемеровским процессом, так как позволял перерабатывать чугун, содержащий до 2% фосфора. Распространению Томасовского процесса способствовало то, что томасовская сталь была дешевле стали, полученной другими способами.

Наибольшее применение Томасовский процесс получил сначала в Германии, обладавшей в то время большими запасами лотарингских высокофосфористых руд (первые плавки в 1879 г.). В России процесс был введён в 80-х гг. 19 в. на Таганрогском, Керченском и Мариупольском заводах. В конце 19 в. томасовская сталь по объёму мирового производства (около 25% от всей выплавки стали) занимала 2-е место (после бессемеровской). Однако несколько повышенное по сравнению с мартеновским металлом содержание азота и фосфора, обусловившее большую хрупкость и хладоломкость томасовской стали, ограничило область её применения. В начале 20 в. Томасовский процесс уступил по объёму производства стали мартеновскому процессу. В дальнейшем доля томасовского металла продолжала снижаться и к 1974 г. была менее 2%.

Течение Томасовскиого процесса определяется прежде всего химическим составом томасовского чугуна, богатого фосфором.

Томасовский конвертер имеет такую же конструкцию, как и бессемеровский, но несколько больше по размерам. Коренное различие между конвертерами состоит в футеровке. Основная футеровка томасовского конвертера (из «намертво» обожжённого доломита) даёт возможность загружать в него известь (12-15% от массы чугуна) для ошлакования и удаления фосфора. После загрузки извести заливают чугун с температурой 1180-1250 °С, поворачивают конвертер в вертикальное рабочее положение и начинают продувку, в ходе которой окисляются Si, Mn, частично Fe, С и Р. Металл продувается до 0,05% С, так как только к концу окисления С начинается интенсивное окисление Р (до 0,04-0,05% Р). S из металла удаляется лишь частично. При Т. п. металл часто приходится охлаждать добавками руды, окалины или скрапа. В конце плавки металл раскисляют и науглероживают коксом, графитом, термоантрацитом или древесным углём в бумажных пакетах. Выход годного металла 85-89%, выход томасшлака (используемого как фосфорное удобрение) 18-20% от массы металла. При ёмкости конвертера 18-70 т. продолжительность продувки 16-22 мин, а длительность всей плавки 25-40 мин. Выплавленная сталь идёт на сортовой прокат, лист, кровельное железо, проволоку, рельсы.

В 50-х гг. 20 в. был разработан ряд новых вариантов Томасовского процесса, позволявших получать сталь с пониженным содержанием азота: продувка воздухом, обогащённым кислородом, парокислородной смесью, смесью кислорода и углекислого газа. Однако к середине 70-х гг. 20 в. Томасовский процесс практически вытеснен кислородно-конвертерным процессом.

В первый период продувки в конвекторе окисляется железо, кремний, марганец и формируется известковый шлак. В этот период температура металла несколько повышается.

Во второй период продувки выгорает углерод, что сопровождается некоторым понижением температуры металла. Когда содержание углерода в металле достигнет менее 0,1%, пламя уменьшится и исчезнет. Наступает третий период, вовремя которого интенсивно окисляется фосфор.

В результате окисления фосфор переходит из металла в шлак, поскольку тетрафосфат кальция может раствориться только в нем. Томасовские шлаки содержат 16 – 24% Р2О5.

Данная реакция сопровождается выделением значительного количества тепла, за счет которого происходит более резкое повышение температуры металла.

7. Кислородно-конверторный процесс

Схема получения стали в кислородном конвертере: а — загрузка металлолома; б — заливка чугуна; в — продувка; г — выпуск стали; д — слив шлака.

Кислородно-конвертерный процесс, один из видов передела жидкого чугуна в сталь без затраты топлива путём продувки чугуна в конвертере технически чистым кислородом сверху. О целесообразности использования кислорода при производстве стали в конвертерах указывал ещё в 1876 русский металлург Д. К. Чернов. Впервые применил чистый кислород для продувки жидкого чугуна снизу советский инженер Н. И. Мозговой в 1936. В 1939—41 на Московском заводе станкоконструкций проводились опыты по продувке чугуна сверху кислородом в 1,5-т ковше и выплавлялась сталь для фасонного литья. Впервые Кислородно-конвертерный процесс был опробован в промышленном масштабе в Австрии в 1952. Первый кислородно-конвертерный цех в СССР был введён в эксплуатацию в Днепропетровске на металлургическом заводе им. Петровского в 1956.

Кислородно-конвертерный процесс осуществляется в конвертере с основной смолодоломитовой (доломит, смешанный со смолой) футеровкой и с глухим дном; кислород под давлением более 1 Мн/м2 (10 кгс/см2) подаётся водо-охлаждаемой фурмой через горловину конвертера. С целью образования основного шлака, связывающего фосфор, в конвертер в начале продувки добавляют известь. Под воздействием дутья примеси чугуна (кремний, марганец, углерод и др.) окисляются, выделяя значительное количество тепла, в результате чего одновременно снижается содержание примесей в металле и повышается температура, поддерживая его в жидком состоянии. Когда содержание углерода достигает требуемого значения (количество углерода определяется по времени от начала продувки и по количеству израсходованного кислорода), продувку прекращают и фурму извлекают из конвертера. Продувка обычно длится 15—22 мин. Полученный металл содержит в растворе избыток кислорода, поэтому заключительная стадия плавки — раскисление металла. Течение Кислородно-конвертерный процесс (т. е. последовательность реакций окисления примесей чугуна) обусловливается температурным режимом процесса и регулируется изменением количества дутья или введением в конвертер «охладителей» (скрапа, железной руды, известняка). Температура металла при выпуске около 1600 °С. На приведена схема получения стали в кислородном конвертере.

Применение при конвертировании кислородного дутья вместо воздушного позволило получать сталь с низким содержанием азота (0,002—0,006%). Высокая температура способствует интенсивному окислению углерода, поэтому содержание кислорода, растворенного в металле, снижается до 0,005—0,01%. Расход кислорода на 1 т чугуна при Кислородно-конвертерный процесс составляет » 53м3. При одном и том же качестве стали Кислородно-конвертерный процесс по сравнению с мартеновским даёт экономию по на 20—25%. С технологической точки зрения, увеличение емкости конвертера не создает каких-либо дополнительных трудностей ведения плавки. Поэтому даже в крупных конвертерах выплавляют не только рядовую низкоуглеродистую сталь, но и среднеуглеродистую, высокоуглеродистую, низколегированную и легированную стали.

8. Мартеновский процесс

Мартеновская печь — печь для переработки чугуна и лома в сталь нужного химического состава и качества. Название произошло от фамилии фр. инженера и металлурга Пьера Мартена (1864)

Принцип действия: вдувание раскаленной смеси горючего газа и воздуха в печь с низким сводчатым потолком, отражающим жар вниз, на расплав.

В рабочем пространстве печи сжигается газообразное (смесь доменного и коксового газов) или жидкое (мазут) топливо. Необходимая высокая температура для получения стали в жидком состоянии обеспечивается за счет регенерации тепла отходящих газов.

В торцах рабочего пространства печи расположены головки для подвода топлива и воздуха и отвода продуктов горения. Головки соединены с нижним строением печи вертикальными каналами. Нижнее строение печи расположено под рабочей площадкой, где находятся шлаковики, в которых происходит отделение от дымовых газов частиц шлака и пыли из рабочего пространства.

Здесь же размещены регенеративные камеры и борова с перекидными клапанами. После расплавления в ванну вводят различные добавки для получения металла с заданным составом и Т. Затем металл разливают в ковши и разливают, благодаря качеству и невысокой стоимости сталь нашла свое применение.

По составу шихты процесс бывает: 1)Скраб-процесс – основная часть шихты это стальной скраб +25-45% чугуна. 2) Скраб-рудный – шихта: скраб+руда+ж.чугун 55-70%. 3)Рудный – шихта: только руда.

9. Доменный процесс

Д.п. – процесс выплавки чугуна и ферросплавов из железорудного сырья

Суть: 1) ступенчатое восст. оксидов железа 2) удаление вредных примесей с помощью флюсов 3) Насыщение железа углеродом

Д.п. выполняют в печах шахтного типа h=30м, d=3м. Состоит из 5 частей:

1)Колошник(загрузка шихты и очистка от газов) 2) Шахта (раб пространство для восст.оксидов) 3) Распар (↑Т, процессы плавления) 4) Заплечики (в них фурмы, ч/з которые вдувается раскаленный воздух, газ, вод.пары) 5) Горн (в нижней скапливается чугун, сверху шлак)

При сгорании кокса выделяется большое количество тепла. Так же кокс является восстановителем и науглераживающим компонентом.

На уровне фурм развивается температура около 2000 °C. По мере удаления вверх температура снижается, и у колошников доходит около 270 °C. Таким образом в печи на разной высоте устанавливается разная температура, благодаря чему протекают различные химические процессы перехода руды в металл.

В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количества тепла.

C + O2 = CO2 + Q

Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода — главный восстановитель доменного процесса.

CO2 + C = 2CO

Поднимаясь вверх монооксид углерода взаимодействует с оксидами железа, отнимая у них кислород и восстанавливая до металла:

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

Полученное в результате реакции железо каплями стекает по раскаленному коксу вниз, насыщаясь углеродом, в результате чего получается чугун. Кроме углерода в него входят небольшая доля кремния и марганца. В количестве десятых долей процента в состав чугуна входят также вредные примеси — сера и фосфор. Кроме чугуна в горне образуется и накапливается шлак, в котором собираются все вредные примеси.

Ранее, шлак выпускался через отдельную шлаковую лётку. В настоящее время и чугун, и шлак выпускают через Чугунную летку одновременно. Разделение чугуна и шлака происходит уже вне доменной печи — в желобе, при помощи разделительной плиты. Отделенный от шлака чугун сливается в чугуновозные ковши и вывозится в сталеплавильный цех.

14. Металлургические базы России

МБР имеют существенные различия по сырьевым и топливным ресурсам, структуре и специализации производства, мощности его и организации, по характеру внутри- и межотраслевых, а также территориальных связей, уровню формирования и развития и др. признакам.

УРАЛЬСКАЯ МБ является самой крупной в России. На долю Уральской металлургии приходится 52% чугуна, 56% стали и более 52% проката черных металлов от объемов, производимых в масштабах бывшего СССР. Она является старейшей в России. Урал пользуется привозным кузнецким углем. Сырье: из Казахстана (Соколовско-Сарбайское месторождение), с КМА и Карелии. Развитие собственной железорудной базы было связано с освоением Качканарского месторождения титаномагнетитов (Свердловская обл) и Бакальского месторождения сидеритов, на которые приходится более половины запасов железных руд региона. Крупнейшими предприятиями по их добыче являются Качканарский горно-обрабатывающий комбинат (ГОК) и Бакальское рудоуправление.

На Урале сформировались крупнейшие центры черной металлургии: Магнитогорск, Челябинск, Нижний Тагил, Новотроицк, Екатеринбург, Серов, Златоуст и др. В настоящее время 2/3 выплавки чугуна и стали приходится на Чел. и Оренб. области. При развитии передельной металлургии роль играют предприятия с полным циклом. Они расположены вдоль Восточных склонов Уральских гор. На Западных склонах в большей мере размещена передельная металлургия. Металлургия Урала характеризуется высоким уровнем концентрации производства. Особое место занимает Магнитогорский меткомбинат. Он является самым крупным по выплавке чугуна и стали не только в России, но и в Европе.

ЦЕНТРАЛЬНАЯ МБ - район раннего развития черной металлургии, где сосредоточены крупнейшие запасы железных руд. Развитие черной металлургии в этом районе базируется на использовании месторождений железных руд КМА, а также металлургического лома и на привозных коксующихся углях = донецком, печорском и кузнецком.

Интенсивное развитие металлургии центра связано с добычей железных руд. Запасы руд (железистых кварцитов) с содержанием железа 32-37%, достигают миллиона тонн. Крупные месторождения КМА расположены на территории Курской и Белгородской областей (Михайловское, Лебединское, Стойленское, Яковлевское и др.). Руды залегают на глубине от 50 до 700 м. КМА – крупнейший район по добыче железных руд открытым способом. В целом добыча сырой руды около 39% российской добычи (на 1992 г.).

ЦМБ включает крупные предприятия полного мет. цикла: Новолипецкий МК (г. Липецк), и Новотульский завод (г. Тула), МЗ “Свободный сокол” (г. Липецк), “Электросталь” под Москвой (передельная качественная металлургия).

СИБИРСКАЯ МБ находится в процессе формирования. На долю Сибири Дальнего Востока приходится примерно пятая часть производимых в России чугуна и готового проката и 15% стали. Эта металлургическая база характеризуется сравнительно крупными балансовыми запасами железных руд. По состоянию на 1992 г. они оценены в 12 млрд.т. Это составляет примерно 21% общероссийских запасов, в том числе около 13% приходится на долю Сибири и 8% - на Дальний Восток.

Основой формирования СМБ являются ж.руды Горной Шории, Хакасии и Ангаро-Илимского железорудного бассейна, а топливной базой – Кузнецкий каменноугольный бассейн. Современное производство здесь представлено двумя крупными предприятиями: Кузнецким МК (с производством полного цикла) и Западно-Сибирским заводом, а также ферросплавным заводом (г. Новокузнецк). Получила развитие и передельная металлургия, представленная несколькими передельными заводами (Новосибирск, Красноярск, Гурьевск, Комсомольск-на-Амуре). Добывающая промышленность осуществляется несколькими горно-обогатительными предприятиями, находящимися на территории Кузбасса, в Горной Шории и Хакасии (Западная Сибирь) и Коршуновским ГОК в Восточной Сибири.