Министерство образования и науки Украины
Сумской государственный педагогический университет
им. А.С. Макаренка
КУРСОВАЯ РАБОТА
на тему:
"Система технологий добычи, подготовки и обогащениясырья черной и цветной металлургии"
Подготовила
студентка 721 группы
Глыва Юлия
Сумы 2009
Содержание
Введение
Раздел 1. Характеристика технологий в черной металлургии
1.1 Сырье для черной металлургии и его добыча
1.2 Измельчение руды
1.3 Повышение калорийности
1.4 Агломерация пылеватых железных руд
1.5 Выплавка и очистка от примесей
1.6 Строение доменной печи
1.7 Подача воздуха в печь
1.8 Производство чугуна
1.9 Отходы производства
Раздел 2. Характеристика технологий в цветной металлургии
2.1 Классификация металлургических процессов
2.2 Гидрометаллургические процессы
2.3 Требования к металлургическомупроцессу
2.4 Продукты металлургического производства
Раздел 3. Достижения в современной металлургии
3.1 Дуговые электроплавильные печи
3.2 Конвертеры
3.3 Прокатные станы
Выводы
Список использованной литературы
Приложения
Введение
Металл — основа народногохозяйства. Он и сегодня является фундаментом созидания, основным материалом,которым пользуется человек. Если проследить весь ход истории, то легкозаметить, что с ростом цивилизации, повышением благосостояния обществаувеличивается потребность в металле.
Целью этой работыявляется тщательное изучение особенностей технологии производства в черной ицветной металлургии, систематизация этих знаний, отслеживание некоторыхизменений в этих технологиях в ходе развития научно-исследовательских процессов.
Для достижения этой целинеобходимо выполнить ряд следующих задач.
1. Изучить структурное положениечерной и цветной металлургии в системе современной промышленности.
2. Описать структуру отраслей,их специализацию.
3. Найти взаимосвязи металлургиис другими отраслями промышленности и сельского хозяйства.
4. Комплексно охарактеризоватьсистему технологий добычи, обогащения, переработки сырья черной и цветнойметаллургии.
5. Изучить достижения всовременной металлургии (технология, техника и др.).
Объектом исследованияявляется черная и цветная металлургия.
Предметом изучения естьтехнология добычи, обогащения и переработки сырья в черной и цветнойметаллургии.
Раздел 1. Характеристика технологий в чернойметаллургии
1.1 Сырье для черной металлургии и его добыча
Железо — металл, который можнополучить в чистом виде только в стенах лаборатории, создавая для этогоспециальные «тепличные» условия. Оно очень активно, моментальновступает в химические реакции с окружающей средой, соединяется с различнымиэлементами и быстро окисляется. Самородное железо — феррит, образованиекоторого связывают с застыванием магмы, встречается в земной коре очень редко. Оносодержит небольшое количество таких примесей, как никель (около 2%), кобальт (0,3%)и немного меди.
На территории России его находятв уральских степях и в Киргизии в виде мельчайших вкраплений в базальтах,кристаллах таких минералов, как пирит и марказит. Поэтому в природе железовстречается в виде различных сложных и простых соединений, главным образом скислородом, которые входят в состав минералов, называемых железными рудами. Рудыэти располагаются в земной коре различным образом. Некоторые из них находятсятак близко к поверхности, что не нужно строить шахты и прокладывать сложныекоммуникации или возводить какие-то подземные сооружения для их извлечения. Такиеруды добывают открытым способом. Но иногда руда залегает очень глубоко и длятого, чтобы извлечь ее на поверхность, приходится предварительно затратитьнемало труда. На месте крупных залежей железных руд строят огромныепредприятия, так называемые ГОКи — горно-обогатительные комбинаты, где руду нетолько добывают, но и подготавливают к плавке.
Не всякий минерал, не всякуюгорную породу, в состав которой входит железо, можно считать рудой. Железа вруде должно быть достаточно много и притом в таком виде, чтобы его экономическивыгодно было извлекать из этого минерала. Основными типами железных рудявляются: магнитные железняки (магнетиты) — железо в них содержится в видемагнитной окиси Fe304, красныежелезняки, или гематиты, которые состоят в основном из окиси железа Fe203, и бурые железняки — лимониты (2Fe2О3Н20). Кроме соединений железа, руда содержит различныепримеси — так называемую пустую породу. Например, в бурых железняках имеютсяфосфаты, при плавке переходящие в чугун и сильно его загрязняющие, красныйжелезняк, как правило, «испорчен» глиной. Руда, загружаемая вдоменную печь, должна быть достаточно «богатой» (содержать много железаи минимум пустой породы), легко отдавать железо; куски ее должны бытьопределенного размера. Очень важно также, чтобы состав руды, загружаемой втечение длительного времени в доменную печь, был однородным (по возможностиусредненным), так как любые колебания состава сырья, поступающего на завод дажес одного месторождения, приводят к нарушению привычного ритма, изменению режимаработы печи. Все эти требования, предъявляемые к руде, стараются учесть впроцессе подготовки ее к плавке. Подготовка включает в себя дробление,сортировку, усреднение, обогащение, окускование и другие операции.
1.2 Измельчение руды
Желательно, чтобы куски руды,поступающие в печь, были определенного размера (от 30 до 100 миллиметров впоперечнике). Если они очень большие, то для их расплавления требуется многовремени, из крупных кусков труднее извлечь (восстановить) железо. Кроме того, вдоменной печи между большими кусками руды остаются пустоты, в результате чегополезный объем печи используется не полностью. Поэтому руду, добываемую в видебольших кусков, направляют на дробление.
Дробят руду на конусных илищековых дробилках (Дополнение 1). В этих дробилках руда попадает в пространствомежду двумя металлическими очень прочными конусами или щеками. Один конус илищека подвижны, вторые закреплены неподвижно. Как гигантские челюсти, тосмыкаясь, то размыкаясь, они крошат, «перемалывают» руду, помогаютулучшить «пищеварение» домны. Руду загружают в дробилку сверху, авыгружается она снизу, где сортируется.
Измельчают руду и в шаровыхмельницах — в огромных, сваренных из металлического листа барабанах,заполненных шарами из твердой, износостойкой, легированной марганцем стали. Этишары перекатываются, размалывают, а затем истирают куски загружаемой в барабаныруды. Загружают руду в барабан с одного конца, а выгружают с противоположного. Издробилок и шаровых мельниц раздробленная руда поступает на сита, ячейки которыхпропускают только куски нужного размера. Иногда руду приходится просеиватьнесколько раз. Как правило, применяют не неподвижные сита, а встряхиваемые — такназываемые грохоты, на которых просеивание более эффективно.
1.3 Повышение калорийности
Содержание железа в рудахколеблется в очень широких пределах: от 25 (бедные руды) до 65 — 70% (богатыеруды). Чем меньше железа в руде, а следовательно, больше пустой породы, темневыгоднее ее использовать, тем меньше производительность доменной печи, большерасход топлива, выше стоимость выплавляемого чугуна. Чтобы всего этого избежать,бедную руду обогащают, предварительно измельчив. Обогащают руду различнымиспособами. Но все они сводятся к удалению пустой породы и, значит, к увеличениюсодержания в руде железа. Руды цветных металлов большей частью подвергаютфлотации, которую в небольшом объеме используют и в черной металлургии. Этотспособ обогащения основан на различной смачиваемости частиц пустой породы икусочков, содержащих металл (Дополнение 2).
Флотация обрела право насуществование где-то в конце XIX — начале XX века, когда в производстве металла произошел большойскачок. В какой стране и как додумались до флотации, сказать трудно, но изпоколения в поколение передается легенда о том, что флотация былаоткрыта прачкой. Жена рабочего медного рудника, стирая одежду мужа, в которойон работал в забое, обратила внимание на странное явление: частицы руды, вкоторых было много меди (более блестящие), оказались на поверхности — запуталисьв мыльной пене, а примеси усели на дно лохани. Патент на свое открытие женщина,конечно, не взяла, и ее имя осталось неизвестным. Осуществляют флотацию вспециальных ваннах, куда подают пульпу — измельченную руду вместе с водой. Черезэту пульпу продувают воздух, пузырьки которого обволакивают, подхватываютчастицы металла и выносят их на поверхность, а пустая порода оседает на дневанны. Увлекать за собой металл пузырькам воздуха помогают различные химическиевещества — реагенты, также подаваемые во флотационные ванны.
Как правило, в рудах черныхметаллов (железных) содержание основного компонента гораздо выше, чем в цветных.Но и их иногда приходится обогащать. И если в цветной металлургии обогащение — однаиз основных стадий передела, то в черной — это операция побочная, но имеющаянемаловажное значение. Наиболее распространена в черной металлургииэлектромагнитная сепарация, основанная на магнитных свойствах железных руд,которой подвергают предварительно измельченные железные руды как в сухом, так иувлажненном виде. Устройство магнитного сепаратора очень простое: обогащаемаяруда, сухая или в виде пульпы, подается транспортерной лентой на барабан,внутри которого размещен электромагнит. Когда барабан вращается, создаетсямагнитное поле; проходя через него, руда разделяется на кусочки с большимсодержанием железа, притягиваемые к ленте, и пустую породу. После обогащения исушки руда оказывается в пылевидном состоянии, и ее приходится снова превращатьв кусочки. Богатые кусковые руды не обогащают, а только усредняют похимическому составу, как правило, на рудном дворе доменного цеха, а иногда на горно-обогатительныхкомбинатах там, где руду добывают. Усредняют ее при помощи мостового крана, накрюке которого подвешен огромный «краб» — грейфер. Сжимая и разжимаясвои «щупальцы», грейфер захватывает ими тонны руды и укладывает еетонкими слоями в штабеля, переносит руду из одного закрома в другой. Со стороныэто может показаться ненужным, «переливанием из пустого в порожнее», нона самом деле это очень ответственный процесс. Руду перемешивают и выравнивают,усредняют не только ее химический состав, но и гранулометрический (разбирают покрупности кусков).
1.4 Агломерация пылеватых железных руд
После дробления крупных кусковруды остается много мелочи, да и в газоочистителях доменного цеха скапливаетсявыносимая из печи рудная пыль. Кроме того, не всегда руду добывают в видекрупных кусков, ведь существует большое количество пылеватых железных руд. Такуюруду, так же как и концентраты, полученные при обогащении, нельзя подаватьнепосредственно в домну, потому что в этом случае большая часть ее сноваокажется в газоочистителях, а в доменной печи пылеватая руда будет слеживаться,забивать поры, препятствовать проходу газов и затруднять протекание всехфизико-химических процессов. Поэтому мелкую руду укрупняют — направляют на окомкованиеили агломерацию (спекание) (Дополнение 3). Для окомкования увлажненнуюпылеватую руду смешивают со связующим материалом и на вращающихся тарелках — грануляторах- получают определенной величины шарики-окатыши, которые затем обжигают всозданных специально для них обжиговых печах. На современных заводах чернойметаллургии пылеватую руду в основном подвергают агломерации, т.е. ее спекаютна спекательных, или, как их иначе называют, агломерационных машинах. Основнаячасть такой машины — металлический конвейер, каждое звено которого — паллета — представляетсобой решетку. На этот конвейер из бункера сверху подают пылеватую увлажненную(чтобы не разлеталась) руду, смешанную с небольшим количеством топлива — кокса(5-8 процентов). Ведь для спекания необходима высокая температура. В эту жесмесь добавляют немного обожженного известняка (3-6 процентов от массы шихты),чтобы полученный спек — агломерат — потом легче плавился в домне. Конвейерпроходит над мощными вентиляторами (эксгаустерами), которые протягивают (просасывают)через толщу загруженной руды воздух. Кокс, входящий в состав смеси, начинаетгореть, руда разогревается, развиваются высокие температуры и руда из мелкой,пылеватой превращается в агломерат — прочную пористую массу. Доменная печь, вкоторой потом используют полученный офлюсованный агломерат, дает больше чугуна,т.е. работает более производительно; кокса при этом расходуется гораздо меньше,следовательно, домна работает экономичнее.
1.5 Выплавка и очистка от примесей
Все процессы производстваметалла — его выплавка и очистка от примесей — протекают при высокихтемпературах, для создания которых затрачивают большие количества твердого,жидкого и газообразного топлива. Кроме того, обработка уже готового металла (прокатка,ковка, термическая обработка и другие операции), как правило, связана спредварительным нагревом металла (Дополнение 4). К металлургическому, как ивообще к любому топливу, используемому в конкретном технологическом процессе,предъявляют особые требования — ведь оно не только источник тепла, но инепосредственный участник химических реакций.
Ценность металлургическоготоплива, как и всякого другого, определяется количеством тепловой энергии,заключенной в единице его объема, — теплотой сгорания. Поэтому, выбирая видтоплива, учитывают и его экономичность, и величину топливных запасов, иудобство транспортировки, и влияние на окружающую среду, и многое другое. Так,топливо, загружаемое в доменную печь, должно быть прочным (выдерживать большиенагрузки при транспортировании и не истираться в самой печи), пористым (непрепятствовать проходу газов, движущихся в домне), достаточно чистым (содержатькак можно меньше золы и серы).
Много столетий подряд топливомдля выплавки металла был древесный уголь. Валили лес, складывали в кучи,прикрывали дерном и обжигали его, а затем в корзинах доставляли к доменнымпечам. Уничтожали огромные лесные массивы, а получали немного, правда, чистого(содержащего мало золы и вредных примесей), но очень непрочного, не пригодногодля высоких доменных печей, дорогого топлива. Поэтому, как только чугун началивыплавлять в печах большого объема, металлургам пришлось срочно искать, чем жезаменить древесный уголь. Таким топливом стал кокс: чтобы получить его,специальные коксующиеся сорта каменного угля нагревают до высокой температурыбез доступа воздуха (подвергают сухой перегонке).
В отличие от угля, из которогопроизводят кокс, он прочен, порист, в нем меньше золы и летучих соединений. Коксованиеосуществляют на коксохимических заводах. Оно, как правило, входит в полныйметаллургический цикл. Так же как и руду, уголь перед коксованием обогащают — избавляютсяот большей части минеральных примесей (золы). Спекают уголь в специальныхвертикальных печах, соединенных в целые батареи, которые представляют собой рядодинаковых камер, примыкающих одна к другой. Выглядят они снаружи как стоящиена книжной полке книги-великаны высотой до 7 метров, шириной до 450миллиметров, в «переплетах» которых сжигают газ. В каждой батарее от60 до 77 камер. Предварительно измельченный уголь в загрузочном вагоне подают вкоксовальную камеру, где его нагревают без доступа воздуха до температуры1000-1100°С.
Коксование протекает в несколькостадий. Вначале при температуре 200-350°С входящие в состав угля веществаначинают разлагаться, затем уголь размягчается, становится пластичным, и притемпературе 450-500°С происходит более глубокое разложение — образуетсяполукокс (густая и вязкая масса), а при 1000 — 1100°С эта масса спекается втвердый и прочный кокс. Процесс спекания продолжается 12-14 часов. Всерассчитано и предусмотрено: и время спекания, и ширина, и высота камер. Как ухорошей хозяйки, все заботы технологов направлены на то, чтобы коксовый пирогпропекся. Открывается дверь печи, специальный выталкиватель помогает выгрузитьпирог в тушильный вагон. Затем кокс охлаждают, сортируют и направляют вдоменный цех. Но чего только не получают, кроме кокса, на коксохимическихзаводах — около 80 различных продуктов! А они в свою очередь являются исходнымматериалом для изготовления самых разнообразных веществ, в которых нуждаютсяразличные отрасли промышленности, сельское хозяйство, транспорт! Например,коксовый газ. Для него характерна высокая теплота сгорания (при сгорании одногокубического метра этого газа выделяется до 4500 килокалорий тепла), чтопозволяет использовать его в качестве топлива тут же на металлургическом заводе.Но горит коксовый газ сильно коптящим пламенем. Поэтому его смешивают сдоменным газом (тем, который получают при производстве чугуна — газом сдовольно низкой теплотой сгорания) и используют для отопления мартеновскихпечей и нагревательных печей прокатных станов — так называемых нагревательныхколодцев, применяют для нужд коммунального хозяйства и бытовых нужд — нагреваводы и приготовления пищи — в тех районах, где нет природного газа и поблизостирасположен коксохимический завод. Основным потребителем продукции коксованиякаменных углей является та самая черная металлургия, с которой мы знакомимся настраницах нашей книги, — около 90 процентов выпускаемого кокса и 60 процентовкоксового газа забирает она. Коксохимические продукты требуются и дляхимической промышленности; например, из бензола, фенола, нафталина, антрацена идругих веществ получают до двух тысяч различных красителей. Химико-фармацевтическаяпромышленность вырабатывает из продуктов коксования множество лекарств идезинфекционных препаратов. Знакомые всем нам аспирин, нашатырный спирт,карболка, нафталин — ведь они тоже из угля! Различные продукты коксованияиспользуют в промышленности пластических масс — при производстве синтетическогокаучука, кожи, искусственного волокна.
На некоторых химических заводахдля получения серной кислоты используют серу, содержащуюся в сероводородекоксового газа. Серу направляют и в целлюлозно-бумажную промышленность, и наизготовление взрывчатых (используемых в мирных целях) веществ. Сюда жепоступают чистые бензол и толуол. Для предохранения от гниения деревянныеконструкции покрывают каменноугольным лаком, а деревянные железнодорожные шпалы,телеграфные и телефонные столбы пропитывают шпалопропиточным маслом. Втекстильной промышленности применяют роданистый аммоний, в пищевой дляконсервирования — бензойную кислоту, в парфюмерной — чистый толуол,феноло-крезолы и другие соединения — для производства душистых веществ. Вживотноводстве в качестве дезинфицирующих средств используют креолин, лизол. Неменее важный потребитель продуктов коксования — сельское хозяйство. Перерабатываянебольшое количество аммиака, содержащегося в коксовом газе, в сульфат аммония,получают искусственные азотные удобрения. Тот же роданистый аммоний используютдля изготовления препаратов по борьбе с вредителями сельскохозяйственныхкультур. А аммиачная селитра, а средства для защиты растений, а ядохимикаты дляборьбы с сорняками и вредителями сельского хозяйства — и все из угля! Все, чтодает нам коксохимическое производство, перечислить невозможно. Роль этойотрасли промышленности в нашем народном хозяйстве, отрасли, входящей в полныйметаллургический цикл, трудно переоценить.
1.6 Строение доменной печи
Чугун выплавляют в особых печах,называемых доменными. Доменная печь представляет собой огромную башню (высотаее достигает 36 метров), состоящую из двух усеченных конусов, примыкающихширокими основаниями к невысокому цилиндру. Снаружи печь заключена вметаллический кожух, изнутри выложена специальным, выдерживающим воздействиевысоких температур огнеупорным кирпичом. В верхней части домны — колошнике — размещенытрубы, по которым из печи отводятся образующиеся в ней газы; здесь жерасположен состоящий из двух поочередно опускающихся конусов загрузочныйаппарат, который бережно передает сырье в доменную печь, равномерно его тамраспределяет и преграждает путь вырывающимся из печи газам (Дополнение 5). Заколошником расположена шахта. Это наибольшая часть печи, ее высота 21 метр (поэтомудомну относят к печам шахтного типа). Шахта опирается на распар — цилиндрическуюсамую широкую часть печи. Диаметр распара домны объемом 5000 кубических метров составляет16 метров. Затем домна снова сужается в части, которая называется заплечиками.
Нижняя часть домны — горн. Диаметргорна мощной доменной печи объемом 5000 кубических метров достигает 15 метров. Этосамая важная, если так можно сказать, самая нагруженная часть домны. Здесьнаходятся отверстия — фурмы, через которые подают воздух. В горне же сжигаюттопливо, в нем скапливаются жидкие чугун и шлак. В этой части печи размещены ивыпускные отверстия — летки (чугунная ниже, шлаковая выше, так как шлак легче).Поэтому устройству горна уделяют исключительное внимание. Толщина его стенокдостигает 1,5 метров. Вся доменная печь покоится на огромном железобетонномфундаменте. В доменной печи развиваются очень высокие температуры. Против ихвоздействия не всегда могут устоять даже самые огнестойкие огнеупорныематериалы. Поэтому нижнюю часть печи, где температура выше, охлаждают. Вогнеупорную кладку вставлены металлические плиты — холодильники, а в нихзаложены тоже металлические трубки — змеевики, по которым проходит вода. Наохлаждение домны расходуется колоссальное количество пресной воды — до 30кубических метров при выплавке 1 тонны чугуна «выпивает» современнаядоменная печь. Современный металлургический комбинат расходует воды больше, чемгород с населением в 100-200 тысяч человек.
Обычно на заводе охлаждающаявода циркулирует по замкнутой системе, т.е. для охлаждения используют одну и туже воду. Рядом с доменным цехом бьют сотни фонтанов — зрелище, по красоте неуступающее фонтанам Петродворца. Это брызгала. Вода, вобравшая тепло кладкидоменной печи, разбрызгивается, охлаждается, собирается в бассейны и сноваспешит на помощь домне. Но кладку некоторых доменных печей охлаждают нехолодной водой, а паром, применяя испарительное охлаждение. Кипящая вода, подаваемаяв холодильники, испаряется, причем тепло, необходимое для этого процесса,отбирается у огнеупорной кладки доменной печи, тем самым охлаждая ее. Прииспарении 1 килограмма воды от охлаждаемого элемента печи отнимается 539килокалорий тепла. Получаемый пар используют в котлах-утилизаторах.
1.7 Подача воздуха в печь
В доменную печь непрерывнозагружают агломерат или другие железорудные материалы, топливо, флюсы — тесамые три основных «блюда», о которых мы уже знаем. Материалы этивсегда подают в определенной пропорции, печь всегда заполнена шихтой. Одновременнов ней находится до 7000 тонн материалов — 120 железнодорожных вагонов. Самаконфигурация печи способствует «подпиранию» шихты. Да и воздух,подаваемый в печь для сжигания топлива, поступает под давлением, и шихта как быдержится на воздушной подушке. Домна «вдыхает» огромное количествовоздуха. И зачастую ее не устраивает обычный воздух, а требуется обогащенныйкислородом (Дополнение 6).
На одну тонну чугуна расходуетсяот 2500 до 3500 кубических метров воздуха (до 8000 кубических метров в однуминуту). Такая масса холодного воздуха охлаждала бы печь, снижая еепроизводительность, увеличивая расход топлива, нарушая нормальное течениетехнологического процесса. Чтобы избежать этих неприятностей, металлургинагревают воздух перед подачей его в печь до температуры 1200°С и выше ввоздухонагревателях (или как их называют по имени изобретателя — кауперах). Воздухонагревателирасполагают рядом с доменной печью. Они представляют собой башни высотой до 50метров. Снаружи, как и доменная печь, воздухонагреватель закрыт металлическимкожухом (наружный диаметр его составляет 9 метров), изнутри он как бы разделенна две части: камеру горения и часть, заполненную огнеупорной насадкой (ребристойповерхностью из огнеупорного материала).
В камере горения сжигают топливо.Образующиеся при этом продукты сгорания пропускают через огнеупорную насадку,которой они отдают свое тепло. Постепенно насадка раскаляется. Когда онанагреется до достаточно высокой температуры, подачу топлива прекращают. Спротивоположной стороны мощными воздуходувными машинами в воздухонагревательначинают нагнетать холодный воздух, который, проходя через раскаленную насадку,забирает ее тепло, нагревается, выходит из воздухонагревателя и направляется когромному кольцевому воздухопроводу, опоясывающему доменную печь. Его называютфурменным поясом. Отсюда по специальным ответвлениям (рукавам) через фурмывоздух равномерно вдувается в домну.
Так как для нагрева насадкивоздухонагревателя требуется определенное время, то для бесперебойногоснабжения горячим воздухом возле каждой доменной печи их устанавливаютнесколько (три для одной печи или семь для двух). Одни воздухонагреватели ещенагреваются, а другие уже работают (нагревают воздух). Воздух для охлаждениядоменной печи берут непосредственно из атмосферы. Его влажность в течение годаколеблется в очень широких пределах, а это неблагоприятно сказывается на работепечи. То идут дожди или снег, и в печь попадает слишком много влаги, то жарко,дует суховей и воздух очень сухой. Чтобы избежать этих резких колебаний,металлурги решили увлажнять дутье, т.е. добавлять в него постоянно определенноеколичество влаги в виде пара (до 25 — 30 граммов на один кубический метр дутья).Оказалось, что при этом в горне под воздействием высоких температур попадающаяв него вода разлагается и не только стабилизирует работу печи: в ней образуетсядополнительный восстановитель — водород, который ускоряет реакциивосстановления. Итак, домна вдыхает раскаленный увлажненный воздух, а что жевыдыхает этот гигант? Оказывается ценное топливо — доменный газ. В сутки домнаобъемом 5000 кубических метров выдает 27000 тонн колошникового газа (егоназывают так потому, что выходит он через верхнюю часть печи — колошник). Однакоон загрязнен, в нем много рудной и коксовой пыли. Поэтому отсюда его направляютпо трубам на очистку в башни-газоочистители, расположенные рядом с печью.
Для освобождения газа от пылииспользуют различные виды очистки: и сухую, и мокрую, и электростатическую. Присухой очистке частицы пыли осаждаются под действием сил тяжести при изменениискорости и направления движения газа. В мокрых пылеуловителях проходящий по нимгаз орошают жидкостью (чаще всего водой), которую разбрызгивают оросительнымиустройствами. Взвешенные в газе частицы пыли смачиваются, становятся тяжелее ивыпадают из движущегося газового потока под действием сил тяжести или инерции. Онисобираются на дне газоочистителя или на перегородках в нем — насадках различнойформы. Очищать газ можно, воздействуя на него электрическим полем высокогонапряжения. В этом случае внутри газоочистителя тем или иным способомрасполагают электроды, к которым подают электрический ток. Газ, проходящийчерез газоочиститель, ионизируется, частицы пыли получают определенныйэлектрический заряд и притягиваются к электродам.
Очищенный от пыли газ, выводимыйиз пылеуловителей, используют как топливо тут же на заводе, даже в самомдоменном цехе (его теплота сгорания составляет 850-950 килокалорий на одинкубический метр). Им отапливают воздухонагреватели, мартеновские печи,нагревательные колодцы, в которых нагревают слитки перед прокаткой. Аскапливающуюся в газоочистителях пыль через специальные затворы в их днеразгружают в железнодорожные вагоны и направляют на агломерацию или окомкованиеи снова используют в домне. Металлург академик Михаил Александрович Павлов,трудовая деятельность которого началась в конце прошлого столетия, многовнимания уделял усовершенствованию конструкции доменной печи и технологиидоменной плавки. Работая на разных металлургических предприятиях России, онзанимался улучшением пудлинговых печей, газогенераторов, проводил опыты поприменению горячего дутья в доменных печах, изучал процессы прямоговосстановления железа в домне и на Сулинском металлургическом заводе освоилплавку чугуна на антраците.
М.А. Павлов был сторонникомвнедрения передовой техники в русскую металлургию, принимал активное участие всоздании мощных доменных печей. Его педагогическая деятельность началась в 1900году в Екатеринославском высшем горном училище (сейчас Днепропетровский горныйинститут). Он был профессором Ленинградского горного института и Московскогоинститута стали и сплавов. Павлов совмещал преподавание в вузах с литературнойдеятельностью. Им написан ряд фундаментальных трудов по металлургии, получившихширокое признание. По его учебникам изучают металлургию студенты многих стран. М.А.Павлов автор курса «Металлургия чугуна», «Расчет доменных шихт»и других. С 1902 года МЛ. Павлов начал выпускать «Атлас чертежей подоменному производству», в дополнение к которому опубликовал свой способопределения размеров доменных печей. Он активно сотрудничал в научных журналах.Академик М.А. Павлов очень любил молодежь. В основном для нее он написал книгуо своей жизни «Воспоминания металлурга».
1.8 Производство чугуна
Что же происходит в «чреве»доменной печи, в чем заключается процесс производства чугуна? Давайте «заглянем»в домну и проследим за удивительными превращениями в ней. Загрузочный аппаратбережно ссыпает в доменную печь в определенной пропорции рудные материалы,кокс, флюсы. Загружают отдельные виды сырья слоями, что значительно увеличиваетповерхность их соприкосновения, поверхность, на которой протекают химическиереакции. Очень важно правильно уложить шихту в домне и измерить ее уровень впечи. Об этом «заботятся» уже знакомые нам два конуса загрузочного,или, как его называют еще, засыпного аппарата, которые не только поочередноопускаются, но и вращаются, равномерно распределяя материалы по окружностипечи, а также зонды — щупы, замеряющие уровень шихты в домне. Попадая вдоменную печь на колошник, сырье подсушивается и медленно опускается все ниже иниже. В нижнюю часть домны, в ее горн, вдувают горячий воздух. Кислородвдуваемого воздуха взаимодействует с углеродом кокса, в результате чегообразуется углекислый газ С02. Газ этот поднимается все выше,встречается с новыми порциями кокса, вступает с ним в реакцию, продуктомкоторой является окись углерода СО. В домне все устроено так, что сверхуопускаются сырые материалы, а навстречу им, как бы пронизывая их, движутсягазы-восстановители, т.е. два потока устремляются навстречу один другому.
Доменный процесс с точки зренияхимиков — процесс восстановительный. Задачей доменщиков является освобождениежелеза от связанного с ним кислорода — восстановление его. Начинается оно вверхних горизонтах доменной печи и по мере продвижения вниз, где температуравыше, заметно ускоряется. Железо в руде в основном связано с кислородом (находитсяв виде окислов). Поднимающаяся от горизонта фурм окись углерода отнимает уокислов кислород, связывает его и тем самым освобождает железо. Но железо, какмы знаем, очень активно и тотчас же вступает во взаимодействие с углеродом — науглероживается.Образуется сплав, у которого температура плавления ниже, чем у чистого металла(1250-1300°С, а не 1539°С). И вот уже ручейки сплава железа с углеродом текут,пробиваются между кусками шихты, все более науглероживаются, подхватывают подороге и другие образовавшиеся (восстановившиеся) в доменной печи элементы — кремний,марганец, серу, фосфор и другие. Наконец, в виде такого комплексного сплава ониоседают в горне доменной печи. Восстановление в домне происходит не только врезультате взаимодействия окислов железа с окисью углерода (этот процессназывают косвенным восстановлением), но и под влиянием твердого углерода кокса(так называемое прямое восстановление). Но прямое восстановление — реакции,сопровождающиеся поглощением тепла, т.е. реакции эндотермические, и поэтому онипротекают в нижней части домны при высоких температурах, косвенное жевосстановление (реакции экзотермические, сопровождающиеся выделением тепла) проходитглавным образом в верхних горизонтах печи. Вот почему металлурги так многовнимания уделяют газопроницаемости доменного сырья (газы должны иметь доступ кчастицам руды, должны пронизывать весь объем загруженных материалов). Восстановлениежелеза в доменной печи проходит в несколько стадий, приблизительно вот по такойсхеме (от высшего окисла к низшему).
Но во время ВеликойОтечественной войны, демонтируя и вывозя на Восток оборудованиеметаллургических заводов Украины, металлурги при помощи вот этих самых козловвыводили из строя доменные печи и не давали тем самым фашистским оккупантамплавить металл на нашей земле. Частично и поэтому металлургические мощностирайонов, оккупированных врагом, на которые рассчитывали гитлеровцы, так и небыли ими использованы. Домны простояли «закозленными» до возвращенияна эту территорию Советской Армии. И те же самые горновые, которые передприходом оккупантов с полным знанием дела «посадили козлов», сумели вкратчайший срок выбить их из печей и восстановить домны. Этот факт славнойстраницей вошел в летопись Великой Отечественной войны.
Его вывозят из цеха. Частьнаправляют в хранилище жидкого чугуна — миксерное отделение, где установленыогромные сосуды — миксеры, вместимость которых достигает 2500 кубическихметров, а часть — на разливочную машину, представляющую собой двухрядныйконвейер, состоящий из чугунных же форм. Здесь чугун разливают в45-килограммовые слитки — чушки (странное название, не правда ли?). Говорят,что, как ни старались люди, металл, который они выплавляли, был хрупким. Егоругали, англичане, например, называли его свинским железом (pig iron). Так, это прозвище сохранилосьи до наших дней. Сейчас в доменном цехе все чаще встречаются странные на первыйвзгляд устройства, напоминающие гигантские сигары на колесах (длина ихдостигает 23 метров, наружный диаметр цилиндрической части 3,7 метра). Этопередвижные миксеры.
В них можно передавать жидкийчугун не только из цеха в цех, но и перевозить его с одного завода на другой. Такойнагруженный миксер весит 355 тонн. Нелегким получается состав из 5-6 миксеров,движущийся со скоростью 35 километров в час. Дальнейшую судьбу чугунаопределяют заранее. В домне получают чугуны разного состава и назначения. Взависимости от применяемого топлива (кокса или древесного угля) выплавляюткоксовые или древесноугольные чугуны (правда, древесноугольные в России почтине производят, так как в условиях нашей страны это нерентабельно). Поназначению чугуны разделяют на литейные (их используют для изготовлениячугунного литья) и передельные, из которых затем выплавляют сталь. Кроме того,в некоторых доменных печах выплавляют так называемые доменные ферросплавы — ферросилицийи ферромарганец, которые также используют в сталеплавильных процессах. Ноосновным продуктом современных доменных печей является передельный чугун.
1.9 Отходы производства
Металлургический завод — яркийпример предприятия с комплексным использованием всех продуктов и отходовпроизводства. Так все, что мы получаем в доменном цехе, используется тут же назаводе (например, колошниковый газ) или на предприятиях смежных отраслей. Ценнымотходом является и доменный шлак. Экономисты подсчитали, что только половинаперерабатываемой руды превращается в чугун и сталь, вторая половина переходит вшлак — 4500 тонн шлака выдает в сутки мощная домна. Из этого шлака научилисьизготовлять строительные материалы (шлакобетон, щебенку, теплоизоляционныйматериал — шлаковую вату). Доменные шлаки помогают получать повышенные урожаизерновых культур и овощей. Ведь в шлаках содержится много извести, и если изних приготовить удобрение, то можно значительно снизить кислотность почвы. Нопредварительно перед употреблением шлаки подготавливают. Поэтому вковшах-шлаковозах из доменного цеха их направляют к грануляционным установкам. Здеськовши наклоняют, жидкий шлак выливают в бассейн на струю воды. При этом шлакбыстро охлаждается, образуются шлаковые зерна — гранулы, которые собираются надне бассейна. Вот этот гранулированный шлак и используют. Содержащиеся в шлакахсерные соединения при грануляции растворяются в воде, которая по своемусоставу, температуре и воздействию приобретает целебные свойства, сходные сосвойствами мацестинской и пятигорской вод. Так что металлурги у себя на заводев водолечебницах могут принимать серные ванны. Такие водолечебницы ужепостроены на ряде металлургических заводов: им. Петровского вДнепропетровске,им. Дзержинского в Днепродзержинске, Криворожском, Липецком, «Запорожстали»и других предприятиях.
Раздел 2. Характеристика технологий в цветнойметаллургии
2.1 Классификация металлургических процессов
Все используемые припроизводстве цветных металлов процессы подразделяют на две группы: пирометаллургическиеи гидрометаллургические.
Пирометаллургические процессыпроводят при высоких температурах чаще всего с полным и реже с частичнымрасплавлением материалов, гидрометаллургические процессы — в водных средах притемпературах не выше 300ºС.
Пирометаллургические процессы похарактеру протекающих физико-химических превращений, поведению участвующих впроцессе компонентов и конечным результатам можно разделить на три группы: обжиг,плавка и дистилляция.
Обжиг — процесс,проводимый при высоких температурах (500º-1200ºС) с целью измененияминералогического и химического составов перерабатываемого сырья. Обжиговыепроцессы, за исключением обжига со спеканием, являются твердофазными.
В цветной металлургии применяютследующие виды обжиговых процессов:
Кальцинирующий обжиг.
Окислительный обжиг.
Восстановительный обжиг.
Хлорирующий обжиг.
Плавка - процесс,проводимый при температурах, обеспечивающих в большинстве случаев полноерасплавление перерабатываемого материала. Различают две разновидности плавок — рудные и рафинировочные.
Рудные плавки бывают пяти видов:
Восстановительная плавка
Плавка на штейн
Электротермическая плавка
Металлотермическая плавка
Реакционная плавка
Рафинировочные плавки проводят сцелью очистки металлов от примесей. В основе их лежат различия в некоторыхфизико-химических свойствах основного металла и его примесей. Существуютследующие разновидности этих плавок:
Окислительное (огневое) рафинирование.
Ликвационное рафинирование.
Сульфидирующее рафинирование.
Хлорное рафинирование.
Дистилляция — процесс испарения вещества при температуре несколько выше точки его кипения,позволяющий возгонкой разделить компоненты обрабатываемого материала взависимости от их летучести. Дистилляционные процессы используют как дляпереработки рудного сырья, так и для удаления металлических сплавов. Дистилляциюс целью рафинирования называют ректификацией.
Дистилляционные процессыиспользуют в металлургии цинка и при получении ряда легких и редких металлов.2.2 Гидрометаллургические процессы
Гидрометаллургические процессыпротекают при низких температурах на границе раздела чаще всего твердой ижидкой фаз. Любой гидрометаллургический процесс состоит из трех основных стадий:выщелачивания, очистки растворов от примесей и осаждения металла из раствора.
Выщелачивание — процесс перевода извлекаемых металлов в раствор (растворение) при воздействиирастворителя на перерабатываемый материал (руду, концентрат, полупродуктыметаллургического производства и т.п.) часто в присутствии газового реагента — кислорода, водорода и др.
В результате выщелачиванияполучают два продукта: раствор извлекаемого материала, обычно загрязненныйпримесями, и нерастворенный остаток, состоящий в основном из пустой породы.
Осаждение металловиз очищенных растворов от выщелачивания проводят электролизом водных растворов,цементацией или восстановлением газообразными восстановителями под давлением.
Ионообменные процессыоснованы на способности некоторых твердых веществ (ионитов) при контакте срастворами поглощать ионы из раствора в обмен на ионы того же знака, входящие всосав ионита. В качестве ионита чаще всего используют твердые синтетическиевысокомолекулярные вещества, обладающие высокой обменной емкостью (ионообменнойспособностью), химической стойкостью и механической прочностью.
По знаку заряда обменивающихсяионов различают катиониты и аниониты. Существуют также аморфные иониты — амфолиты, способные одновременно осуществлять как катионный, так и анионныйобмен.
Экстракцией (жидкостнойэкстракцией) называется процесс извлечения растворенных химических соединенийметаллов из водного раствора в жидкую органическую фазу, не смешивающуюся сводой. Последующей реэкстракцией из органической фазы экстрагированный металлизвлекают в водный раствор.2.3 Требования к металлургическому процессу
Применяющиеся на действующихпредприятиях цветной металлургии технологические процессы в большинстве случаевдалеко не полностью удовлетворяют современным требованиям. Ряд процессов и ихаппаратурное оформление устарели и нуждаются в замене новыми, болеесовершенными.
Современные металлургическиепроцессы получения цветных металлов и, тем более, процессы ближайшего будущегодолжны удовлетворять по меньшей мере следующим требованиям:
Высокая удельнаяпроизводительность применяемых аппаратов;
Высокая производительность труда(выпуск продукции на одного работника);
Высокая степень извлечения всехценных составляющих;
Высокая степень комплексностииспользования сырья;
Минимальные энергетическиезатраты за счет использования внешних источников тепловой энергии илиэлектричества;
Максимальное использованиевторичных энергоресурсов;
Обеспечение возможностикомплексной механизации и автоматизации всех операций;
Использование простой, дешевой,долговечной и удобной в работе, пуске, наладке и ремонте аппаратуры;
Обеспечение возможности созданиянепрерывных, поточных, полностью автоматизированных технологических линийполучения металлов с частичным или полным программным управлением.
2.4 Продукты металлургического производства
Кроме товарной продукции,получающейся при переработке руд цветных металлов, на предприятиях цветнойметаллургии получают многочисленные отходы и полупродукты металлургическогопроизводства. К ним относятся шлаки, пыли, газы, агломераты и спеки, кеки,шламы, растворы и т.д.
Металлы являютсяосновным видом продукции металлургического производства. В цветной металлургииразличают черновые и рафинированные металлы. Черновыми называются металлы,содержащие в своем составе вредные примеси, ухудшающие потребительские свойстваданного металла, а также примеси ценных элементов-спутников. Черновые металлыобязательно подвергают очистке от примесей — рафинированию.
Шлаки являютсявторым обязательным продуктом металлургических процессов, приводящих красплавлению перерабатываемых материалов. Они образуются в результатеошлакования оксидов пустой породы и флюсов. Кроме шлакообразующих компонентов,реальные заводские шлаки обязательно содержат некоторое количество извлекаемыхметаллов.
Штейны — промежуточные продукты пирометаллургической переработки медных, никелевых ичастично свинцовых руд и концентратов. Они представляют собой сплав сульфидовтяжелых цветных металлов (меди, никеля, цинка, свинца и др.) с сульфидомжелеза, в котором растворены примеси.
Газы и пыли такжеотносятся к числу обязательных продуктов пирометаллургических процессов. Какправило, эти два продукта удаляются из печей совместно.
Раствораминазывают продукты процесса выщелачивания, в которых растворенное веществонаходится в состоянии молекулярного раздробления, что делает их весьмаустойчивыми системами, не разделяющимися при сколь угодно длительном стоянии.
Кеки представляютсобой твердые порошкообразные материалы.
По природе образования различаютдва вида кеков:
1. Нерастворившиеся остаткивыщелачиваемого материала.
2. Продукты (осадки) цементационного,химического или гидролитического осаждения растворенных металлов в свободномметаллическом состоянии или в форме нерастворимых химических соединений.
Раздел 3. Достижения в современной металлургии
3.1 Дуговые электроплавильные печи
Вся история металлургии — этоборьба за качество, за улучшение физических и механических свойств металла. Аключ к качеству — химическая чистота. Даже крохотные примеси серы, фосфора,мышьяка, кислорода, не — которых других элементов резко ухудшают прочность ипластичность металла, делают его хрупким и слабым. А все эти примеси находятсяв руде и коксе, и избавиться от них трудно. Во время плавки в доменной печи и вмартеновской печи основная часть примесей переводится в шлак и вместе с нимудаляется из металла. Но в тех же домнах и мартенах в металл попадают вредныеэлементы из горючих газов и ухудшают его свойства. Получить действительновысококачественную сталь помогла электрометаллургия, отрасль металлургии, гдеметаллы и их сплавы получают с помощью электрического тока. Это относится нетолько к выплавке стали, но и к электролиту металлов и, в частности,расплавленных их солей — например, извлечению алюминия из расплавленногоглинозема.
Основную массу легированнойвысококачественной стали выплавляют в дуговых электрических печах.
В дуговых сталеплавильных печахи плазменно-дуговых печах (ПДП) теплогенерация возникает за счет энергетическихпреобразований дугового разряда, происходящего в воздухе, парах расплавляемыхматериалов, инертной атмосфере или иной плазмообразующей среде.
Согласно общей теории печей М.А.Глинкова дуговые сталеплавильные и плазменно-дуговые печи представляют собойпечи-теплообменники с радиационным режимом работы, поскольку энергетическиеусловия на границе зоны технологического процесса, то есть на зеркале ванныжидкого металла, создают электрические дуги и огнеупорная футеровка рабочегопространства. Кроме этого, в дуговых сталеплавильных печах вертикальнорасположенные графитированные электроды создают неравномерное излучение дуг,зависящее от диаметра электродов и параметров электрического режима.
По условиям теплообмена междудугами, поверхностями рабочего пространства и металлом, особенностямэлектрофизических процессов дугового разряда, энергетическому и электрическомурежимам всю плавку в дуговых печах от начала расплавления твердой металлошихтыдо слива жидкого металла делят на этапы.
Перед началом плавкикуполообразный свод печи поднимают, отводят в сторону и загружают сверху в печьшихтовые материалы. Затем свод ставят на место, через отверстия в нем опускаютв печь электроды и включают электрический ток. Чугун, железный лом и другиематериалы начинают быстро плавиться.
По мере оплавления шихты подэлектродами и вокруг них образуются «колодцы», в которые опускаютсядуги и электроды. Наступает этап «закрытого» горения дуг, когдаплавление шихты происходит в «колодцах», снизу путем теплопередачиизлучением на близлежащие слои шихты и теплопроводностью через слой жидкогометалла, накопившегося на подине. Холодная шихта на периферии рабочегопространства нагревается за счет тепла, аккумулированного футеровкой: при этомтемпература внутренней поверхности футеровки интенсивно снижается с 1800-1900до 900 — 1000 градусов Кельвина. На этом этапе футеровка рабочего пространстваэкранирована от излучения дуг, поэтому целесообразно обеспечить максимальнуютепловую мощность с учетом электротехнических возможностей печноготрансформатора.
Когда количества наплавленногожидкого металла будет достаточно для заполнения пустот между кусками твердойшихты, электрические дуги открываются и начинают гореть над зеркаломметаллической ванны. Наступает этап «открытого» горения дуг, прикотором происходит интенсивное прямое излучение дуг на футеровку стен и свода,температура повышается со скоростью до 30-100 градусов Кельвина в минуту ивозникает необходимость снижения электрической мощности дуг в соответствии степловоспринимающей способностью футеровки.
Современные дуговыесталеплавильные печи работают на трехфазном токе промышленной частоты. Вдуговых печах прямого действия электрические дуги возникают между каждым изтрех вертикальных графитированных электродов и металлом. Футерованный кожух вдуговых сталеплавильных печах имеет сфероконическую форму. Рабочее пространствоперекрыто сверху купольным сводом. Кожух установлен на опорной конструкции сгидравлическим (реже с электромеханическим) механизмом наклона печи. Дляслива металла печь наклоняют на 40-45 градусов, для скачивания шлака — на 10-15градусов (в другую сторону). Печи оборудованы механизмами подъема и поворотасвода — для загрузки шихты через верх печи, передвижения электродов — дляизменения длины дуги и регулирования мощности, вводимой в печь. Крупные печиоборудованы устройствами для электромагнитного перемешивания жидкого металла вванне, системами удаления и очистки печных газов. Отечественныеплазменно-дуговые печи имеют вместимость от 0,5 до 200 тонн, мощность — от 0,63до 125 МВт. Сила тока на мощных и сверхмощных плазменно-дуговых печей достигает50-100 кА.
В зависимости оттехнологического процесса и состава шлаков футеровка плазменно-дуговых печейможет быть кислая (при выплавке стали для фасонного литья) или основная (привыплавке стали для слитков).
Особенностью конструкцииплазменно-дуговых печей с огнеупорной футеровкой как разновидности плавильныхванных печей дугового нагрева является наличие одного или несколькихплазматронов постоянного тока и подового электрода — анода. Для сохраненияатмосферы плазмообразующего газа рабочее пространство плазменно-дуговых печейгерметизируется с помощью специальных уплотнений. Наличие водоохлаждаемогоэлектрода в подине создает опасность взрыва, поэтому плазменно-дуговые печиснабжают системой контроля состояния футеровки подины и сигнализацией,предупреждающей о проплавлении подового электрода жидким металлом.
В настоящее время работаютплазменно-дуговые печи с огнеупорной футеровкой вместимостью от 0,25 до 30 тоннмощностью от 0,2 до 25 МВт. Максимальная сила тока-до 10 кА.
Наиболее энергоемким периодомплавки в печах обоих типов является период плавления. Именно тогда потребляетсядо 80 процентов общего расхода энергии, причем в основном электрической. Длительностьвсей плавки в зависимости от принятой технологии выплавки электростали можетбыть 1,5-5 часов. Электрический коэффициент полезного действия дуговыхсталеплавильных печей составляет 0,9-0,95, а тепловой — 0,65-0,7. Удельныйрасход электрической энергии составляет 450-700 кВт/ч на тонну, снижаясь засчет уменьшения удельной теплоотдающей поверхности для более крупных дуговыхсталеплавильных печей.
Плазменно-дуговые печи имеютболее низкие показатели. Электрический коэффициент полезного действия у нихравен 0,75-0,85. Это объясняется дополнительными потерями в плазмотроне приформировании плазменной дуги. Тепловой же — около 0,6, так как возникаютдополнительные потери в водоохлаждаемых элементах конструкции. Особенностьюэксплуатации плазменно-дуговых печей является использование дорогостоящихплазмообразующих газов, что вызывает необходимость создания систем регенерацииотработанных газов и применения технологически приемлемых дешевых газовыхсмесей.
Новые возможности всталеплавильном производстве появились в связи с успешным освоением в конце1980-х годов донного (через подину) выпуска металла из дуговых электропечей. Такаясистема выпуска была успешно реализована, например, в сталеплавильном цехезавода фирмы «Тиссен шталь» в Оберхаузене (ФРГ), на 100-тонных печахзавода в Фридриксферке (Дания) и др. Они могут довольно длительное времяработать в непрерывном режиме, например, датские 100-тонные агрегаты — втечение недели. При выпуске плавки, который длится не более 2 минут, печьнаклоняется всего на 10-15 градусов вместо 40--45 градусов (для обычныхагрегатов). Это позволяет почти полностью заменить огнеупорную футеровку стенводоохлаждаемыми панелями, резко сократить расход различных материалов иэлектроэнергии, производить полную отсечку печного шлака.
Как это ни удивительно на первыйвзгляд, современная дуговая сталеплавильная печь сверхвысокой мощности имеет удельныйрасход энергии значительно более низкий, чем мартеновская печь. К тому же трудсталевара мартеновской печи значительно тяжелее и утомительнее работыконверторщика или электросталеплавильщика.
3.2 Конвертеры
В 1855 году англичанин ГенриБессемер провел интереснейший опыт: он расплавил в тигле кусок доменного чугунаи продул его воздухом. Хрупкий чугун превратился в ковкую сталь. Всеобъяснялось очень просто — кислород воздуха выжигал углерод из расплава,который удалялся в атмосферу в виде оксида и диоксида. Впервые в историиметаллургии для получения продукта не требовался дополнительный подогрев сырья.Это и понятно, ведь Бессемер реализовал экзотермическую реакцию горенияуглерода. Процесс был удивительно быстротечен. В пудлинговой печи стальполучали лишь за несколько часов, а здесь — за считанные минуты. Так Бессемерсоздал конвертер — агрегат, превращающий расплавленный чугун в сталь бездополнительного нагрева. Д.И. Менделеев назвал бессемеровские конвертеры печамибез топлива. А поскольку по форме агрегат Бессемера напоминал грушу, его так иназывали — бессемеровская «груша».
В бессемеровском конвертереможно переплавлять не всякий чугун, а только такой, в составе которого имеютсякремний и марганец. Соединяясь с кислородом подаваемого воздуха, они выделяютбольшое количество теплоты, которая и обеспечивает быстрое выгорание углерода. Всеже теплоты не хватает, чтобы расплавлять твердые куски металла. Поэтому вбессемеровском конвертере нельзя перерабатывать железный лом или твердый чугун.
Это резко ограничиваетвозможности его применения.
Бессемеровский процесс — быстрый,дешевый и простой способ получения стали, но есть у него и большие недостатки. ПосколькуХимические реакции в конвертере идут очень быстро, то углерод выгорает, авредные примеси — сера и фосфор — остаются в стали и ухудшают ее свойства. Крометого, при продувке сталь насыщается азотом воздуха, а это ухудшает металл. Вотпочему, как только появились мартеновские печи, бессемеровский конвертер сталредко употребляться для выплавки стали. Гораздо больше конвертеры использовалидля выплавки цветных металлов — меди и никеля.
Сегодняшний конвертер, конечно,можно в определенном смысле называть потомком бессемеровского детища, ибо внем, как и прежде, сталь получают, продувая жидкий чугун. Но уже не воздухом, атехнически чистым кислородом. Это оказалось намного эффективнее.
Кислородно-конвертерный способвыплавки стали пришел в металлургию более чем полвека назад. Созданный вСоветском Союзе по предложению инженера-металлурга Н.И. Мозгового, он полностьювытеснил бессемеровский процесс. А первая в мире тонна кислородно-конвертернойстали была успешно выплавлена в 1936 году на киевском заводе «Большевик».
Оказалось, что таким способомможно не только перерабатывать жидкий чугун, но и добавлять в неги значительныеколичества твердого чугуна и железного лома, который раньше можно былоперерабатывать только в мартеновских печах. Вот почему кислородные конвертерыполучили такое большое распространение.
Но только в 1950-е годыконвертеры для выплавки стали окончательно выдвинулись на первый план. Степеньиспользования тепла в кислородном конвертере гораздо выше, чем всталеплавильных агрегатах подового типа. Тепловой коэффициент полезногодействия конвертера составляет 70 процентов, а у мартеновских печей не более 30.Кроме того, газы отходящие из конвертера, используются при дожигании вкотлах-утилизаторах, или как топливо при отводе газов из конвертера бездожигания.
Существует три вида конвертеров:с донной продувкой, верхней и комбинированной. В настоящее время наиболеераспространенными в мире являются конвертеры с верхней продувкой кислородом — агрегатывесьма производительные и относительно простые в эксплуатации. Однако впоследние годы во всем мире конвертеры с донным и с комбинированным (сверху иснизу) дутьем начинают теснить конвертеры с верхней продувкой.
Рассмотрим устройствокислородного конвертера с верхней продувкой. Средняя часть корпуса конвертерацилиндрической формы, стены ванны сферической формы, днище плоское. Верхняяшлемная часть конической формы. Кожух конвертера выполняют из стальных листовтолщиной 30 — 90 миллиметров. В конвертерах садкой до 150 тонн днище отъемное,крепят его к корпусу болтами, что облегчает ремонтные работы. При садке 250-350тонн конвертер делают глуходонным, что вызвано необходимостью создания жесткойконструкции корпуса, гарантирующей от случаев прорыва жидкого металла.
Корпус конвертера крепят кспециальному опорному кольцу, к которому приваривают цапфы. Одна из цапф череззубчатую муфту соединена с механизмом поворота. В конвертерах вместимостьюбольше двухсот пятидесяти тонн обе цапфы являются приводными. Конвертер цапфамиопирается на подшипники, установленные на станинах. Механизм поворота позволяетвращать конвертер вокруг горизонтальной оси.
Корпус и днище конвертерафутеруют огнеупорным кирпичом. Подача Кислорода в ванну конвертера для продувкиметалла осуществляется через специальную фурму, вводимую в горловину конвертера.
Первой операцией конвертерногопроцесса является загрузка скрапа. Конвертер наклоняют на некоторый угол отвертикальной оси и специаль-ным коробом-совком вместимостью через горловинузагружают в конвертер скрап — железный и стальной лом. Обычно загружают 20-25процентов скрапа на плавку. Если скрап не подогревают в конвертере, то затемсразу же заливают жидкий чугун. После этого конвертер устанавливают ввертикальное положение, через горловину в конвертер вводят кислородную фурму.
Для наводки шлака в конвертер поспециальному желобу вводят шлакообразующие материалы: известь и в небольшомколичестве железную руду и плавиковый шпат.
После окисления примесей чугунаи нагрева металла до заданных величин продувку прекращают, фурму из конвертераудаляют и сливают металл и шлак в ковши. Легирующие добавки и раскислителивводят в ковш.
Продолжительность плавки вхорошо работающих конвертерах почти не зависит от их вместимости и составляет45 минут, продолжительность продувки — 15-25 минут. Каждый конвертер в месяцдает 800-1000 плавок. Стойкость конвертера — 600-800 плавок.
Движение металла в конвертеревесьма сложное, помимо кислородной струи, на жидкую ванну воздействуют пузыриоксида углерода. Процесс перемешивания усложняется еще и тем, что шлакпроталкивается струей газа и толщу металла и перемешивается с ним. Движениеванны и вспучивание ее выделяющимся оксидом углерода приводят значительнуючасть жидкого расплава в состояние эмульсии, в которой капли металла и шлакатесно перемешаны друг с другом. В результате этого создается большаяповерхность соприкосновения металла со шлаком, что обеспечивает высокиескорости окисления углерода.
Конвертеры с донной продувкойкислородом из-за меньшего угара железа позволяют получить больший (на 1,5-2процента) выход годной стали по сравнению с конвертерами с верхней продувкой. Плавкав 180-тон-Иом конвертере с донной продувкой длится 32-39 минут, продувка — 12 — 14 минут, то есть производительность выше, чем у конвертеров с верхнейпродувкой. Однако необходимость промежуточной замены днищ нивелирует эторазличие в производительности.
Первые конвертеры с доннойпродувкой за рубежом были построены в 1966-1967 годах. Необходимость созданиятакого конвертера обусловлена, в основном, двумя причинами. Во-первых,необходимостью переработки чугунов с повышенным содержанием марганца, кремния ифосфора. Поскольку передел такого чугуна в конвертерах с верхней продувкойсопровождается выбросами металла в ходе продувки и не обеспечивает должнойстабильности химического состава готовой стали. Во-вторых, тем, что конвертер стакой продувкой является наиболее приемлемой конструкцией, позволяющейосуществить реконструкцию существующих бессемеровских и томасовских цехов, ивписывается в здание существующих мартеновских цехов. Этому конвертерусвойственно наличие большого числа реакционных зон, интенсивное окислениеуглерода с первых минут плавки, низкое содержание оксидов железа в шлаке. Всилу специфики работы сталеплавильной ванны при донной продувке в конвертерахподобного типа выход годного несколько выше, чем в других конвертерах, а запыленностьотходящих газов ниже.
В конвертерах с доннойпродувкой, имеющих большое число фурм, все технологические процессы протекаютинтенсивнее, чем в конвертерах с верхней продувкой. Однако общаяпроизводительность конвертеров с донной продувкой не превышает значительнотаковую для конвертеров с верхней продувкой по причине ограниченной стойкостиднищ.
Чтобы предохранить кладку днищаконвертера от действия высоких температур, фурму делают в виде двухкоаксиальных трубок — по центральной подается кислород, а по периферийной — какое-либоуглеводородное топливо, чаще всего природный газ. Таких фурм обычно 16-22. Большоечисло более мелких фурм обеспечивает лучшее перемешивание ванны и болееспокойный ход плавки.
Струя топлива отделяетреакционную зону от днища, снижает температуру около днища в месте выходакислородных струй за счет отбора тепла на нагрев топлива, крекинг и диссоциациисоставляющих топлива и продуктов их окисления. Охлаждающий эффект, кроме того,обеспечивается пылевидной известью, которая подается в струю кислорода. Такимобразом, продувка расплавленного металла несколькими струями кислорода снизусоздает ряд благоприятных особенностей в работе конвертера. Обеспечиваетсябольшее число реакционных зон и большая межфазная поверхность контакта кислородныхструй с металлом. Это позволяет увеличить интенсивность продувки, повыситьскорость окисления углерода. Улучшается перемешивание ванны, повышается степеньиспользования кислорода. В результате появляется возможность расплавлениябольших по массе кусков скрапа. Лучшая гидродинамика ванны обеспечивает болееровный и спокойный ход всей плавки, практически исключает выбросы. В силу этогов конвертерах с донной продувкой можно перерабатывать чугуны с повышеннымсодержанием марганца и фосфора.
Стремление повыситьпроизводительность агрегатов одновременно с необходимостью повыситьоднородность состава и температуры металла при возможности изготовления сталейширокого диапазона привело к использованию комбинированной продувки приотносительно небольшом (по сравнению только с донной продувкой) количествегазов, вдуваемых через фурмы, установленные в днище конвертера. В последнеевремя появилось два основных варианта такого процесса, когда снизу подаюткислород или ашертные газы с целью обеспечить интенсивное перемешивание ванны иускорить процесс удаления примесей. При этом, как и при донной продувке, снизувместе с газами может подаваться пылевидная известь. По такому важномупоказателю, как возможный расход скрапа, конвертеры с верхней, донной икомбинированной продувкой оказываются приблизительно на одном уровне, принесколько более высоком выходе годного при донной продувке.
В настоящее время в миреприменяется и разрабатывается много различных методов комбинированной продувкирасплавленной ванны, рационально сочетающих верхнюю и донную продувку, причем впоследней используется как кислород, так и инертные газы (аргон, азот).
В кислородно-конвертерномпроцессе с верхней продувкой достаточно интенсивное перемешивание достигаетсятолько в середине плавки при интенсивном окислении углерода. В начале и в концеплавки перемешивание недостаточно, что затрудняет глубокое рафинированиеметалла от серы и фосфора. Комбинированная подача кислорода через верхнюю идонные фурмы еще более, чем при одной донной продувке, ускоряет процессокисления углерода и повышает производительность конвертера.
По сравнению с чисто доннойпродувкой в случае комбинированного процесса в сопоставимых условияхтемпература металла выше. Кроме того, при комбинированной продувке уменьшениерасхода кислорода через верхнюю фурму снижает пылеобразование и разбрызгивание.
И еще одно преимуществокислородных конвертеров: здесь все процессы механизированы и автоматизированы; всечаще управление конвертерами поручается компьютерам.
3.3 Прокатные станы
Прокатный стан — это машина дляобработки металлов давлением между вращающимися валками. После того каксталевары отлили слиток, этот огромный брусок стали нужно превратить в изделия- в кузов автомобиля, железнодорожный рельс или строительную балку. Но дляэтого нужно, чтобы слиток принял удобную для изготовления деталей форму — либодлинного бруса с поперечным сечением в виде квадрата, круга, балки, либостального листа или проволоки и т.д. Эти различные формы слиток и принимает напрокатных станах.
Прокатка в горячем состояниистала использоваться лишь в начале XVIII века, причемсначала этим способом готовились более или менее тонкие железные листы, но ужес 1769 года начали подобным образом прокатывать проволоку. Первый прокатныйстан для железных болванок был предложен английским изобретателем Кортом, когдаон разрабатывал метод пудлингования. Корт первым догадался, что приизготовлении некоторых изделий рациональнее поручить молоту только отжимкушлаков, а окончательную форму придавать путем прокатки.
В 1783 году Корт получил патентна изобретенный им способ проката фасонного железа с помощью особых вальцов. Изпудлинговой печи крица поступала под молот, здесь она проковывалась и получалапервоначальную форму, а затем пропускалась через вальцы. Этот способ потом сталочень распространенным.
Однако лишь в XIXстолетии техника проката была поставлена на должную высоту, что во многом былосвязано с интенсивным строительством железных дорог. Тогда были изобретеныпрокатные станы для производства рельсов и вагонных колес, а потом и для многихдругих операций.
Устройство прокатного стана в XIX веке было несложным. Вращающиеся в противоположныестороны валки захватывали добела раскаленную металлическую полосу и, сжимаясьбольшей или меньшей силой, проводили ее между своими поверхностями. Такимобразом, металл изделия подвергался сильному обжатию при высокой температуре изаготовка приобретала необходимую форму. При этом, например, железо получалосвойства, которые не имело от природы. Отдельные зерна металла, которые допрокатки располагались в его массе в беспорядке, в процессе сильного обжатиявытягивались и образовывали длинные волокна. Мягкое и ломкое железо становилосьпосле этого упругим и прочным.
К концу столетия техника прокатанастолько усовершенствовалась, что этим способом стали получать не толькосплошные, но и пустотелые изделия. В 1885 году братья Меннесманы изобрелиспособ прокатки бесшовных железных труб. До этого трубы приходилось изготовлятьиз железного листа, — их сгибали и сваривали. Это было и долго, и дорого. Настане Меннесманов круглую болванку пропускали между двумя косо друг к другупоставленными валками, действовавшими на нее двояким образом. Во-первых,вследствие сил трения между валками и заготовкой последняя начинала вращаться. Во-вторых,из-за формы валков точки средней их поверхности вращались быстрее крайних. Поэтому,из-за косого расположения валков заготовка как бы ввинчивалась в пространствомежду ними. Если бы болванка была твердой, она бы не смогла пройти. Но так какее предварительно сильно разогревали до белого каления, металл заготовкиначинал скручиваться и вытягиваться, а в осевой зоне проходило его разрыхление- возникала полость, которая постепенно распространялась по всей длинезаготовки. Пройдя через валки, заготовка насаживалась на специальный стержень (оправку),благодаря чему внутренней полости предавалось правильное круглое сечение. Врезультате выходила толстостенная труба.
Чтобы уменьшить толщину стенок,трубу пропускали через второй так называемый пилигримный прокатный стан. Онимел два валка переменного профиля. При прокатки трубы расстояние между валкамисначала постепенно уменьшалось, а затем делалось больше диаметра трубы.
Каково же устройство современныхпрокатных станов слиток обычно проходит через несколько прокатных станов. Первыйиз них — блюминг или слябинг. Это самые мощные прокатные станы. Их называютобжимными, потому что их назначение — обжать слиток, превратить его в длинныйбрус (блум) или пластину (сляб), из которых потом на других станах будутизготовлены те или иные изделия.
Блуминги и слябинги — исполинскиемашины. Производительность современных блумингов и слябингов — порядка 6миллионов тонн слитков в год, а масса слитков — от 1 до 18 тонн.
Перед обжимом слитки необходимохорошо прогреть. Их выдерживают от четырех до шести часов в нагревательныхколодцах при 1100-1300 градусов Цельсия. Затем слитки краном вынимают и кладутна электрическую тележку — электрокар, который и подает их к блумингу илислябингу.
У блуминга — два огромных валка.Верхний может подниматься и опускаться, уменьшая или увеличивая просвет междусобой и нижним валком.
Раскаленный слиток, пройдя черезвалки, попадает на рольганг — транспортер из вращающихся роликов. Операторнепрерывно меняет направление вращения валков блуминга и роликов рольганга. Поэтомуслиток движется через валки то вперед, то назад, и каждый раз оператор всебольше уменьшает зазор между валками, все сильнее обжимая слиток. Через каждые5-6 проходов специальный механизм — кантователь переворачивает слиток на 90градусов, чтобы обработать его со всех сторон. В конце концов, получаетсядлинный брус, который по рольгангу направляется к ножницам. Здесь брус делят накуски — блумы.
Так же происходит прокатка и наслябинге, с той лишь разницей, что у слябинга 4 валка — 2 горизонтальных и 2вертикальных, которые обрабатывают слиток сразу со всех сторон. Затемполученную длинную пластину режут на плоские заготовки — слябы.
Блуминги и слябинги используютсятолько на тех заводах, где разливка стали производится старым способом — визложницы. Там, где работают установки непрерывной разливки стали (УНРС),получают уже готовые блумы или слябы.
Готовые блумы и слябы идут вдругие прокатные цехи, где на специальных прокатных станах из них делают, какговорят металлурги, профили, или профильный металл, то есть заготовкиопределенной толщины, формы, профиля.
Листовые станы, прокатывающиеслябы в лист, имеют гладкие валки. На таких валках нельзя прокатать рельс илидругое изделие сложного профиля. В валках, например, рельсобалочных становделаются вырезы той формы, какая необходима для получения изделия. В каждомвалке вырезается как бы половина профиля будущего изделия. Когда валкисближаются друг с другом, получается, как говорят металлурги, ручей, или калибр.На каждой паре валков таких калибров несколько. Первый имеет форму, толькоотдаленно похожую на форму изделия, следующие все больше приближаются к ней, и,наконец, последний калибр в точности соответствует тем размерам и формеизделия, какие надо получить. Сталь неподатлива, и ее приходится деформироватьпостепенно, пропуская через все калибры по очереди. Именно поэтому большинствостанов имеет не одну пару валков, а несколько. Станины с валками (их называютклети) устанавливают: параллельно либо в ряд, либо в шахматном порядке. Раскаленнаязаготовка мчится по рольгангам из клети в клеть, да еще в каждой клети движетсято вперед, то назад, проходя через все калибры.
Сейчас все большеераспространение получают высокопроизводительные станы непрерывной прокатки. Здеськлети стоят последовательно одна за другой. Миновав одну клеть, заготовкапопадает во вторую, в третью, в четвертую и т.д. После каждого обжатиязаготовка вытягивается, и каждая последующая клеть должна за тот же промежутоквремени пропустить через себя заготовку все большей длины. Некоторыенепрерывные станы прокатывают металл со скоростью 80 метров в секунду (290километров в час), а в год они обрабатывают несколько миллионов тонн. Например,производительность листового широкополосового непрерывного стана «2000»,работающего на Новолипецком металлургическом заводе, достигает 6 миллионов тонн.
В СССР во Всесоюзномнаучно-исследовательском институте металлургического машиностроения былисозданы принципиально новые станы литейнопрокатные. У них процессы непрерывноголитья совмещены в единый поток с непрерывной прокаткой. Сегодня десятки такихстанов работают в нашей стране для прокатки стальной, алюминиевой и меднойпроволоки. Потребность в трубах для транспортировки нефти и природного газа надальние расстояния вызвала необходимость создать трубные станы. Диаметрнефтяных и газовых труб увеличился. Первые трубопроводы были диаметром 0,2метра, затем стали выпускать трубы больших диаметров — вплоть до 1,4 метра.
Применяются две принципиально различныетехнологии производства труб. Первый способ: заготовку нагревают до 1200-1300градусов Цельсия, а затем на специальном стане в ней проделывают отверстие (еепрошивают) — получается короткая труба (гильза) с толстыми стенками. Потомгильзу раскатывают в длинную трубу. Так получают бесшовные трубы. Второй способ:стальной лист или ленту сворачивают в трубу и сваривают по прямой линии или поспирали.
Большой производительностьюобладают непрерывные агрегаты шовно-стыковой сварки труб. Это комплекс из десятковмашин и механизмов, работающих в одной технологической линии. Здесь всеавтоматизировано: на долю оператора, управляющего комплексом, остается тольконажимать кнопки на пульте управления. Начинается процесс с нагрева непрерывнойстальной ленты.
Затем машины сворачивают ее втрубу, сваривают по шву, вытягивают в длину, уменьшают в диаметре, калибруют,разрезают на части, нарезают резьбу.500 метров труб ежеминутно — таковапроизводительность комплекса.
В последние годы появилось новоенаправление: на прокатных станах изготавливают не заготовки, а сразу готовыедетали машин. На таких станах прокатывают автомобильные и тракторные полуоси,шпиндели текстильных веретен, детали тракторов, электродвигателей, буровыхмашин. Здесь прокатка вытеснила трудоемкие операции: ковку, штамповку,прессование и механическую обработку на различных металлорежущих станках — токарных,фрезерных, строгальных, сверлильных и др.
Выводы
Изучив технологию добычи,обогащения и переработки сырья в черной и цветной металлурги, можно сделатьследующие выводы.
Металл — основа народногохозяйства. Он и сегодня является фундаментом созидания, основным материалом,которым пользуется человек. Если проследить весь ход истории, то легкозаметить, что с ростом цивилизации, повышением благосостояния обществаувеличивается потребность в металле.
По сходству металлы объединяют внесколько групп. Это благородные металлы, цветные и черные. К группе черныхметаллов в основном относятся железо и его сплавы (чугун и сталь), которыесоставляют более 90 процентов всех металлов применяемых в современномпроизводстве.
Железо — металл, который можнополучить в чистом виде только в стенах лаборатории, создавая для этогоспециальные «тепличные» условия. Оно очень активно, моментальновступает в химические реакции с окружающей средой, соединяется с различнымиэлементами и быстро окисляется.
Цветная металлургия относится кчислу сложнейших по производственной структуре отраслей промышленности. Напредприятиях этой отрасли решаются вопросы поиска и разведки месторождений рудцветных металлов, и др. полезных ископаемых, применяемых на производстве,добычи и обогащения рудного сырья, получения чистых цветных металлов исопутствующей товарной продукции (солей, серной кислоты, элементарной серы и т.п.),производства сплавов, литья и обработки давлением различных металлическихматериалов.
Список использованной литературы
1. И.А. Зубович. Неорганическая химия. — М.: «Высшая школа», 1989
2. Масляк П.О., Шищенко П.Г. Географія України: Пробний підручн. для8-9 кл. серед. шк. — Зодіак-ЕКО, 2000.
3. С.А. Мусский. Сто великих чудес техники. — М.: «ВЕЧЕ», 2003
4. Н.И. Шалимова. Черная металлургия — что это? — М.: Металлургия, 1980
5. Уткин Н.И. Цветная металлургия: технология отрасли. — М.: Металлургия. — 1990.
Приложения
Дополнение 1
/> />/>
/>
/>
/>
/>
/>