1. Краткие сведения о металлургическом производстве Состояние и тенденции развития черной металлургии Способы производства металлов и сплавов

Подготовка руд к плавке
Основная масса руды (примерно 95%) проходит стадию предварительной подготовки к плавке, включающую в себя дробление, сортировку, обогащение и окускование.
Сначала руду дробят на конусных и щековых дробилках, а после этого сортируют. Пригодными для плавки считаются куски размером 40... 100 мм. Более 80% всех руд подвергается обогаще­нию. Основным методом обогащения руд в нашей стране является метод магнитной сепарации, сущность которого заключается в том, что в магнитном поле происходит отделение магнитной части руды (содержащей железо) от немагнитной. Предварительным обжигом руды при температуре 600...800 °С немагнитные окислы переводятся в магнитные.
Рудная мелочь и тонкоизмельченные концентраты препятствуют движению газов, чем затрудняют плавку. Для устранения этого проводится окускование мелкой породы. Различают два способа окускования: путем агломерации и окатывания.
Агломерация — спекание концентрата руды, рудной мелочи и пыли в пористые куски — производится при температуре 1300... 1500 °С на агломерационных машинах. В процессе спекания уда­ляется сера (на 85...95%) и мышьяк; происходит офлюсование руды и частичное восстановление оксидов железа с образованием фаялита (2FеО-SiO₂).
Окатывание (гранулирование) — новый прогрессивный способ подготовки сырья, позволяющий повысить качество продукции и улучшить ход плавки. Смесь тонкоизмельченных концентратов, флюса, топлива увлажняет­ся и обрабатывается во вращающихся барабанах, тарельчатых грануляторах. Получаются шарики-окатыши диаметром 20...30 мм. Более мелкие окатыши идут на вторичную переработку (возврат). Окатыши сушат при температуре 200...400 °С и обжигают при температурах 1200...1400 °С для придания им прочности.


Устройство и работа доменной печи
Чугун из железных руд выплавляют в домнах — вертикальных печах шахтного типа. Контур вертикального сечения рабочего пространства домны называют профилем. Высота доменной печи достигает 35 м и примерно в 2,5...3 раза больше ее диаметра. Рабочее пространство печи состоит из колошника 6, шахты 5, распара 4, заплечиков 3 и горна 2 (см. рис.).
В верхней части горна равномерно по окружности размещаются 16...36 фурменных устройств 11, через которые под давлением подается в печь подогретый в воздухонагревателях (кауперах) до 1100... 1300 °С воздух. В гор­не имеются летки для выпуска шлака 13 и чугуна 1. Стенки доменной печи футеруются вы­сококачественным шамотным кирпичом, горн — углеродисты­ми или графитизированными блоками. Снаружи печь имеет сварной стальной кожух.
Основными характеристика­ми доменной печи служат ее по­лезная высота и полезный объем. Первый параметр оп­ределяет расстояние от леща­ди до нижнего конуса засып­ного аппарата, второй — ра­бочий объем, заполненный шихтой и продуктами плавки. Современные доменные печи имеют полезный объем 2000... 5000 м³, суточную производи­тельность 3000...10 000 т, по­лезную высоту до 35 м.
Доменная печь относится к печам непрерывного типа. Она работает до капитального ремонта в течение 5... 10 лет. При этом в нее по мере на­добности загружают шихту, периодически выпускают шлак и чугун и постоянно газы.
Доменные печи имеют вспомогательные устройства: воздухонагреватели (кауперы), погрузочно-разгрузочные уст­ройства, ковши — чугуно- и шлаковозы, вагон-весы и др.

Рис.2. Схема устройства доменной печи

а - разрез; б- профиль рабочего пространства; 1-чугунная летка; 2-горн; 3-заплечики; 4-распар; 5-шахта; 6-колошник; 7-засыпной аппарат; 8-горизонт образования чугуна; 9-горизонт образования шлака; 10- зона горения кокса; 11- фурменные устройства; 12- слой шлака; 13- шлаковая летка; 14- расплавленный чугун.

Доменные печи работают по принципу противотока: поток шихтовых материалов, загружаемых при помощи засыпного аппарата 7, через колошник, постепенно, послойно, перемещается сверху вниз, а поток горячих газов от фурм перемещается снизу вверх. В результате происходит постоянное непрерывное взаимодействие шихтовых материалов с встречным потоком восстановительных газов. Восстановление железа идет ступенчато:

Fе₂О₃ - Fе₃О₄ - FеО -Fе.
Восстановителями являются оксид углерода, водород воздуха и твердый (сажистый) углерод кокса. Восстановление газами называется косвенным, восстановление углеродом — прямым. Косвен­ным путем обычно восстанавливается до 60% железа.
Зона сгорания топлива 10 находится в районе фурм, через которые подается в печь из кауперов нагретый воздух или его смесь с кислородом или природным газом:
С + О₂ = СО₂
Выделяющееся при реакции тепло повышает температуру до 1800... 2000 °С. Поднимаясь выше, углекислый газ вступает в реакцию с новыми слоями раскаленного кокса:
СО₂+С = 2СО
Образовавшаяся окись углерода восстанавливает железо из оксидов.
Восстановление железа оксидом углерода начинается уже в верхней части шахты при температуре 400...600 °С и по мере опу­скания шихты становится все интенсивнее (увеличивается концен­трация СО в газах и повышается температура). В нижней части шахты заканчивается косвенное восстановление железа оксидом углерода (при температуре 900...950 °С).
Одновременно в шахте печи происходит восстановление железа водородом по той же схеме. Прямое восстановление осуществляется при более высокой температуре (950... 1400 °С) в зоне распара печи.
Академик М. А. Павлов доказал, что наиболее экономичная работа печи наблюдается при оптимальном соотношении косвенного и прямого восстановления. Этого оптимального соотношения доби­ваются, регулируя температуру и состав дутья. Считается, что 40...60% оксидов железа восстанавливается прямым методом.
Вместе с железом восстанавливаются и другие элементы. При температуре 400...800 °С, например, оксидом углерода восстанавли­вается из оксидов марганец. Аналогично восстанавливается и кремний из кремнезема при температуре не ниже 1450 °С. Восстанавливаются также сера и фосфор, причем сера частично удаляется, а фосфор полностью переходит в чугун.
Одновременно с восстановлением элементов происходит на­углероживание восстанавливающегося железа. Оно начинается еще в шахте печи по реакции:
ЗFе+С=Fе₃С
Образовавшийся карбид железа хорошо растворяется в твердом железе, науглероживая его и тем самым, понижая температуру плавления. Поэтому уже в нижней части шахты печи 5 появляются первые капли жидкого чугуна, которые, стекая вниз — в горн, науглероживаются до 3,7...4,2% С и растворяют в себе примеси: марганец, хром, кремний, серу, фосфор и др. Однако основная масса железа даже в распаре находится еще в твердом состоянии в виде губчатой пористой массы. Конечный состав чугуна устанавливается в горне.
В верхней части распара 4 печи начинается шлакообразование. Сначала происходит спекание и химическое взаимодействие оксидов, затем легкоплавкие эвтектики (частично они образуются уже в процессе агломерации и окатывания) плавятся при 1150...1200 °С и капли жидкого шлака стекают в горн, по пути обедняясь оксидами железа и марганца в результате их восстановления и обогащаясь оксидом кальция.
Химический состав шлака определяет не только состав чугуна, но и всю работу доменной печи. Полное плавление пустой породы и образование шлака заканчивается внизу распара или вверху у заплечиков. Стекая вниз, шлак 12 покрывает слой чугуна 14 (плот­ность чугуна выше, чем шлака). Поэтому летка для выпуска шлака расположена выше летки для выпуска чугуна. Доменный шлак состоит в основном из оксидов СаО, SiO₂, А1₂О₃. Состав шлака важен и для удаления серы. Чем больше основность шлака (упро­щенно: отношение СаО к SiO₂), тем полнее удаляется сера.