| Министерство образования и науки Украины
Сумской государственный педагогический университет
им. А.С. Макаренка
КУРСОВАЯ РАБОТА
на тему:
"Система технологий добычи, подготовки и обогащения сырья 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 металлургическому процессу
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
Металл - основа народного хозяйства. Он и сегодня является фундаментом созидания, основным материалом, которым пользуется человек. Если проследить весь ход истории, то легко заметить, что с ростом цивилизации, повышением благосостояния общества увеличивается потребность в металле.
Целью
этой работы является тщательное изучение особенностей технологии производства в черной и цветной металлургии, систематизация этих знаний, отслеживание некоторых изменений в этих технологиях в ходе развития научно-исследовательских процессов.
Для достижения этой цели необходимо выполнить ряд следующих задач.
1. Изучить структурное положение черной и цветной металлургии в системе современной промышленности.
2. Описать структуру отраслей, их специализацию.
3. Найти взаимосвязи металлургии с другими отраслями промышленности и сельского хозяйства.
4. Комплексно охарактеризовать систему технологий добычи, обогащения, переработки сырья черной и цветной металлургии.
5. Изучить достижения в современной металлургии (технология, техника и др.).
Объектом
исследования является черная и цветная металлургия.
Предметом
изучения есть технология добычи, обогащения и переработки сырья в черной и цветной металлургии.
Железо - металл, который можно получить в чистом виде только в стенах лаборатории, создавая для этого специальные "тепличные" условия. Оно очень активно, моментально вступает в химические реакции с окружающей средой, соединяется с различными элементами и быстро окисляется. Самородное железо - феррит, образование которого связывают с застыванием магмы, встречается в земной коре очень редко. Оно содержит небольшое количество таких примесей, как никель (около 2%), кобальт (0,3%) и немного меди.
На территории России его находят в уральских степях и в Киргизии в виде мельчайших вкраплений в базальтах, кристаллах таких минералов, как пирит и марказит. Поэтому в природе железо встречается в виде различных сложных и простых соединений, главным образом с кислородом, которые входят в состав минералов, называемых железными рудами. Руды эти располагаются в земной коре различным образом. Некоторые из них находятся так близко к поверхности, что не нужно строить шахты и прокладывать сложные коммуникации или возводить какие-то подземные сооружения для их извлечения. Такие руды добывают открытым способом. Но иногда руда залегает очень глубоко и для того, чтобы извлечь ее на поверхность, приходится предварительно затратить немало труда. На месте крупных залежей железных руд строят огромные предприятия, так называемые ГОКи - горно-обогатительные комбинаты, где руду не только добывают, но и подготавливают к плавке.
Не всякий минерал, не всякую горную породу, в состав которой входит железо, можно считать рудой. Железа в руде должно быть достаточно много и притом в таком виде, чтобы его экономически выгодно было извлекать из этого минерала. Основными типами железных руд являются: магнитные железняки (магнетиты) - железо в них содержится в виде магнитной окиси Fe3
04
, красные железняки, или гематиты, которые состоят в основном из окиси железа Fe2
03
, и бурые железняки - лимониты (2Fe2О3Н20). Кроме соединений железа, руда содержит различные примеси - так называемую пустую породу. Например, в бурых железняках имеются фосфаты, при плавке переходящие в чугун и сильно его загрязняющие, красный железняк, как правило, "испорчен" глиной. Руда, загружаемая в доменную печь, должна быть достаточно "богатой" (содержать много железа и минимум пустой породы), легко отдавать железо; куски ее должны быть определенного размера. Очень важно также, чтобы состав руды, загружаемой в течение длительного времени в доменную печь, был однородным (по возможности усредненным), так как любые колебания состава сырья, поступающего на завод даже с одного месторождения, приводят к нарушению привычного ритма, изменению режима работы печи. Все эти требования, предъявляемые к руде, стараются учесть в процессе подготовки ее к плавке. Подготовка включает в себя дробление, сортировку, усреднение, обогащение, окускование и другие операции.
Желательно, чтобы куски руды, поступающие в печь, были определенного размера (от 30 до 100 миллиметров в поперечнике). Если они очень большие, то для их расплавления требуется много времени, из крупных кусков труднее извлечь (восстановить) железо. Кроме того, в доменной печи между большими кусками руды остаются пустоты, в результате чего полезный объем печи используется не полностью. Поэтому руду, добываемую в виде больших кусков, направляют на дробление.
Дробят руду на конусных или щековых дробилках (Дополнение 1). В этих дробилках руда попадает в пространство между двумя металлическими очень прочными конусами или щеками. Один конус или щека подвижны, вторые закреплены неподвижно. Как гигантские челюсти, то смыкаясь, то размыкаясь, они крошат, "перемалывают" руду, помогают улучшить "пищеварение" домны. Руду загружают в дробилку сверху, а выгружается она снизу, где сортируется.
Измельчают руду и в шаровых мельницах - в огромных, сваренных из металлического листа барабанах, заполненных шарами из твердой, износостойкой, легированной марганцем стали. Эти шары перекатываются, размалывают, а затем истирают куски загружаемой в барабаны руды. Загружают руду в барабан с одного конца, а выгружают с противоположного. Из дробилок и шаровых мельниц раздробленная руда поступает на сита, ячейки которых пропускают только куски нужного размера. Иногда руду приходится просеивать несколько раз. Как правило, применяют не неподвижные сита, а встряхиваемые - так называемые грохоты, на которых просеивание более эффективно.
Содержание железа в рудах колеблется в очень широких пределах: от 25 (бедные руды) до 65 - 70% (богатые руды). Чем меньше железа в руде, а следовательно, больше пустой породы, тем невыгоднее ее использовать, тем меньше производительность доменной печи, больше расход топлива, выше стоимость выплавляемого чугуна. Чтобы всего этого избежать, бедную руду обогащают, предварительно измельчив. Обогащают руду различными способами. Но все они сводятся к удалению пустой породы и, значит, к увеличению содержания в руде железа. Руды цветных металлов большей частью подвергают флотации, которую в небольшом объеме используют и в черной металлургии. Этот способ обогащения основан на различной смачиваемости частиц пустой породы и кусочков, содержащих металл (Дополнение 2).
Флотация обрела право на существование где-то в конце XIX - начале XX века, когда в производстве металла произошел большой скачок. В какой стране и как додумались до флотации, сказать трудно, но из поколения в
поколение передается легенда о том, что флотация была открыта прачкой. Жена рабочего медного рудника, стирая одежду мужа, в которой он работал в забое, обратила внимание на странное явление: частицы руды, в которых было много меди (более блестящие), оказались на поверхности - запутались в мыльной пене, а примеси усели на дно лохани. Патент на свое открытие женщина, конечно, не взяла, и ее имя осталось неизвестным. Осуществляют флотацию в специальных ваннах, куда подают пульпу - измельченную руду вместе с водой. Через эту пульпу продувают воздух, пузырьки которого обволакивают, подхватывают частицы металла и выносят их на поверхность, а пустая порода оседает на дне ванны. Увлекать за собой металл пузырькам воздуха помогают различные химические вещества - реагенты, также подаваемые во флотационные ванны.
Как правило, в рудах черных металлов (железных) содержание основного компонента гораздо выше, чем в цветных. Но и их иногда приходится обогащать. И если в цветной металлургии обогащение - одна из основных стадий передела, то в черной - это операция побочная, но имеющая немаловажное значение. Наиболее распространена в черной металлургии электромагнитная сепарация, основанная на магнитных свойствах железных руд, которой подвергают предварительно измельченные железные руды как в сухом, так и увлажненном виде. Устройство магнитного сепаратора очень простое: обогащаемая руда, сухая или в виде пульпы, подается транспортерной лентой на барабан, внутри которого размещен электромагнит. Когда барабан вращается, создается магнитное поле; проходя через него, руда разделяется на кусочки с большим содержанием железа, притягиваемые к ленте, и пустую породу. После обогащения и сушки руда оказывается в пылевидном состоянии, и ее приходится снова превращать в кусочки. Богатые кусковые руды не обогащают, а только усредняют по химическому составу, как правило, на рудном дворе доменного цеха, а иногда на горно-обогатительных комбинатах там, где руду добывают. Усредняют ее при помощи мостового крана, на крюке которого подвешен огромный "краб" - грейфер. Сжимая и разжимая свои "щупальцы", грейфер захватывает ими тонны руды и укладывает ее тонкими слоями в штабеля, переносит руду из одного закрома в другой. Со стороны это может показаться ненужным, "переливанием из пустого в порожнее", но на самом деле это очень ответственный процесс. Руду перемешивают и выравнивают, усредняют не только ее химический состав, но и гранулометрический (разбирают по крупности кусков).
После дробления крупных кусков руды остается много мелочи, да и в газоочистителях доменного цеха скапливается выносимая из печи рудная пыль. Кроме того, не всегда руду добывают в виде крупных кусков, ведь существует большое количество пылеватых железных руд. Такую руду, так же как и концентраты, полученные при обогащении, нельзя подавать непосредственно в домну, потому что в этом случае большая часть ее снова окажется в газоочистителях, а в доменной печи пылеватая руда будет слеживаться, забивать поры, препятствовать проходу газов и затруднять протекание всех физико-химических процессов. Поэтому мелкую руду укрупняют - направляют на окомкование или агломерацию (спекание) (Дополнение 3). Для окомкования увлажненную пылеватую руду смешивают со связующим материалом и на вращающихся тарелках - грануляторах - получают определенной величины шарики-окатыши, которые затем обжигают в созданных специально для них обжиговых печах. На современных заводах черной металлургии пылеватую руду в основном подвергают агломерации, т.е. ее спекают на спекательных, или, как их иначе называют, агломерационных машинах. Основная часть такой машины - металлический конвейер, каждое звено которого - паллета - представляет собой 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 же смесь добавляют немного обожженного известняка (3-6 процентов от массы шихты), чтобы полученный спек - агломерат - потом легче плавился в домне. Конвейер проходит над мощными вентиляторами (эксгаустерами), которые протягивают (просасывают) через толщу загруженной руды воздух. Кокс, входящий в состав смеси, начинает гореть, руда разогревается, развиваются высокие температуры и руда из мелкой, пылеватой превращается в агломерат - прочную пористую массу. Доменная печь, в которой потом используют полученный офлюсованный агломерат, дает больше чугуна, т.е. работает более производительно; кокса при этом расходуется гораздо меньше, следовательно, домна работает экономичнее.
Все процессы производства металла - его выплавка и очистка от примесей - протекают при высоких температурах, 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 с предварительным нагревом металла (Дополнение 4). К металлургическому, как и вообще к любому топливу, используемому в конкретном технологическом процессе, предъявляют особые требования - ведь оно не только источник тепла, но и непосредственный участник химических реакций.
Ценность металлургического топлива, как и всякого другого, определяется количеством тепловой энергии, заключенной в единице его объема, - теплотой сгорания. Поэтому, выбирая вид топлива, учитывают и его экономичность, и величину топливных запасов, и удобство транспортировки, и влияние на окружающую среду, и многое другое. Так, топливо, загружаемое в доменную печь, должно быть прочным (выдерживать большие нагрузки при транспортировании и не истираться в самой печи), пористым (не препятствовать проходу газов, движущихся в домне), достаточно чистым (содержать как можно меньше золы и серы).
Много столетий подряд топливом для выплавки металла был древесный уголь. Валили лес, складывали в кучи, прикрывали дерном и обжигали его, а затем в корзинах доставляли к доменным печам. Уничтожали огромные лесные массивы, а получали немного, правда, чистого (содержащего мало золы и вредных примесей), но очень непрочного, не пригодного для высоких доменных печей, дорогого топлива. Поэтому, как только чугун начали выплавлять в печах большого объема, металлургам пришлось срочно искать, чем же заменить древесный уголь. Таким топливом стал кокс: чтобы получить его, специальные коксующиеся сорта каменного угля нагревают до высокой температуры без доступа воздуха (подвергают сухой перегонке).
В отличие от угля, из которого производят кокс, он прочен, порист, в нем меньше золы и летучих соединений. Коксование осуществляют на коксохимических заводах. Оно, как правило, входит в полный металлургический цикл. Так же как и руду, уголь перед коксованием обогащают - избавляются от большей части минеральных примесей (золы). Спекают уголь в специальных вертикальных печах, соединенных в целые батареи, которые представляют собой ряд одинаковых камер, примыкающих одна к другой. Выглядят они снаружи как стоящие на книжной полке книги-великаны высотой до 7 метров, шириной до 450 миллиметров, в "переплетах" которых сжигают газ. В каждой батарее от 60 до 77 камер. Предварительно измельченный уголь в загрузочном вагоне подают в коксовальную камеру, где его нагревают без доступа воздуха до температуры 1000-1100°С.
Коксование протекает в несколько стадий. Вначале при температуре 200-350°С входящие в состав угля вещества начинают разлагаться, затем уголь размягчается, становится пластичным, и при температуре 450-500°С происходит более глубокое разложение - образуется полукокс (густая и вязкая масса), а при 1000 - 1100°С эта масса спекается в твердый и прочный кокс. Процесс спекания продолжается 12-14 часов. Все рассчитано и предусмотрено: и время спекания, и ширина, и высота камер. Как у хорошей хозяйки, все заботы технологов направлены на то, чтобы коксовый пирог пропекся. Открывается дверь печи, специальный выталкиватель помогает выгрузить пирог в тушильный вагон. Затем кокс охлаждают, сортируют и направляют в доменный цех. Но чего только не получают, кроме кокса, на коксохимических заводах - около 80 различных продуктов! А они в свою очередь являются исходным материалом для изготовления самых разнообразных веществ, в которых нуждаются различные отрасли промышленности, сельское хозяйство, транспорт! Например, коксовый газ. Для него характерна высокая теплота сгорания (при сгорании одного кубического метра этого газа выделяется до 4500 килокалорий тепла), что позволяет использовать его в качестве топлива тут же на металлургическом заводе. Но горит коксовый газ сильно коптящим пламенем. Поэтому его смешивают с доменным газом (тем, который получают при производстве чугуна - газом с довольно низкой теплотой сгорания) и используют для отопления мартеновских печей и нагревательных печей прокатных станов - так называемых нагревательных колодцев, применяют для нужд коммунального хозяйства и бытовых нужд - нагрева воды и приготовления пищи - в тех районах, где нет природного газа и поблизости расположен коксохимический завод. Основным потребителем продукции коксования каменных углей является та самая черная металлургия, с которой мы знакомимся на страницах нашей книги, - около 90 процентов выпускаемого кокса и 60 процентов коксового газа забирает она. Коксохимические продукты требуются и для химической промышленности; например, из бензола, фенола, нафталина, антрацена и других веществ получают до двух тысяч различных красителей. Химико-фармацевтическая промышленность вырабатывает из продуктов коксования множество лекарств и дезинфекционных препаратов. Знакомые всем нам аспирин, нашатырный спирт, карболка, нафталин - ведь они тоже из угля! Различные продукты коксования используют в промышленности пластических масс - при производстве синтетического каучука, кожи, искусственного волокна.
На некоторых химических заводах для получения серной кислоты используют серу, содержащуюся в сероводороде коксового газа. Серу направляют и в целлюлозно-бумажную промышленность, и на изготовление взрывчатых (используемых в мирных целях) веществ. Сюда же поступают чистые бензол и толуол. Для предохранения от гниения деревянные конструкции покрывают каменноугольным лаком, а деревянные железнодорожные шпалы, телеграфные и телефонные столбы пропитывают шпалопропиточным маслом. В текстильной промышленности применяют роданистый аммоний, в пищевой для консервирования - бензойную кислоту, в парфюмерной - чистый толуол, феноло-крезолы и другие соединения - для производства душистых веществ. В животноводстве в качестве дезинфицирующих средств используют креолин, лизол. Не менее важный потребитель продуктов коксования - сельское хозяйство. Перерабатывая небольшое количество аммиака, содержащегося в коксовом газе, в сульфат аммония, получают искусственные азотные удобрения. Тот же роданистый аммоний используют для изготовления препаратов по борьбе с вредителями сельскохозяйственных культур. А аммиачная селитра, а средства для защиты растений, а ядохимикаты для борьбы с сорняками и вредителями сельского хозяйства - и все из угля! Все, что дает нам коксохимическое производство, перечислить невозможно. Роль этой отрасли промышленности в нашем народном хозяйстве, отрасли, входящей в полный металлургический цикл, трудно переоценить.
Чугун выплавляют в особых печах, называемых доменными. Доменная печь представляет собой огромную башню (высота ее достигает 36 метров), состоящую из двух усеченных конусов, примыкающих широкими основаниями к невысокому цилиндру. Снаружи печь заключена в металлический кожух, изнутри выложена специальным, выдерживающим воздействие высоких температур огнеупорным кирпичом. В верхней части домны - колошнике - размещены трубы, по которым из печи отводятся образующиеся в ней газы; здесь же расположен состоящий из двух поочередно опускающихся конусов загрузочный аппарат, который бережно передает сырье в доменную печь, равномерно его там распределяет и преграждает путь вырывающимся из печи газам (Дополнение 5). За колошником расположена шахта. Это наибольшая часть печи, ее высота 21 метр (поэтому домну относят к печам шахтного типа). Шахта опирается на распар - цилиндрическую самую широкую часть печи. Диаметр распара домны объемом 5000 кубических метров составляет 16 метров. Затем домна снова сужается в части, которая называется заплечиками.
Нижняя часть домны - горн. Диаметр горна мощной доменной печи объемом 5000 кубических метров достигает 15 метров. Это самая важная, если так можно сказать, самая нагруженная часть домны. Здесь находятся отверстия - фурмы, через которые подают воздух. В горне же сжигают топливо, в нем скапливаются жидкие чугун и шлак. В этой части печи размещены и выпускные отверстия - летки (чугунная ниже, шлаковая выше, так как шлак легче). Поэтому устройству горна уделяют исключительное внимание. Толщина его стенок достигает 1,5 метров. Вся доменная печь покоится на огромном железобетонном фундаменте. В доменной печи развиваются очень высокие температуры. Против их воздействия не всегда могут устоять даже самые огнестойкие огнеупорные материалы. Поэтому нижнюю часть печи, где температура выше, охлаждают. В огнеупорную кладку вставлены металлические плиты - холодильники, а в них заложены тоже металлические трубки - змеевики, по которым проходит вода. На охлаждение домны расходуется колоссальное количество пресной воды - до 30 кубических метров при выплавке 1 тонны чугуна "выпивает" современная доменная печь. Современный металлургический комбинат расходует воды больше, чем город с населением в 100-200 тысяч человек.
Обычно на заводе охлаждающая вода циркулирует по замкнутой системе, т.е. для охлаждения используют одну и ту же воду. Рядом с доменным цехом бьют сотни фонтанов - зрелище, по красоте не уступающее фонтанам Петродворца. Это брызгала. Вода, вобравшая тепло кладки доменной печи, разбрызгивается, охлаждается, собирается в бассейны и снова спешит на помощь домне. Но кладку некоторых доменных печей охлаждают не холодной водой, а паром, применяя испарительное охлаждение. Кипящая вода, подаваемая в холодильники, испаряется, причем тепло, необходимое для этого процесса, отбирается у огнеупорной кладки доменной печи, тем самым охлаждая ее. При испарении 1 килограмма воды от охлаждаемого элемента печи отнимается 539 килокалорий тепла. Получаемый пар используют в котлах-утилизаторах.
В доменную печь непрерывно загружают агломерат или другие железорудные материалы, топливо, флюсы - те самые три основных "блюда", о которых мы уже знаем. Материалы эти всегда подают в определенной пропорции, печь всегда заполнена шихтой. Одновременно в ней находится до 7000 тонн материалов - 120 железнодорожных вагонов. Сама конфигурация печи способствует "подпиранию" шихты. Да и воздух, подаваемый в печь для сжигания топлива, поступает под давлением, и шихта как бы держится на воздушной подушке. Домна "вдыхает" огромное количество воздуха. И зачастую ее не устраивает обычный воздух, а требуется обогащенный кислородом (Дополнение 6).
На одну тонну чугуна расходуется от 2500 до 3500 кубических метров воздуха (до 8000 кубических метров в одну минуту). Такая масса холодного воздуха охлаждала бы печь, снижая ее производительность, увеличивая расход топлива, нарушая нормальное течение технологического процесса. Чтобы избежать этих неприятностей, металлурги нагревают воздух перед подачей его в печь до температуры 1200°С и выше в воздухонагревателях (или как их называют по имени изобретателя - кауперах). Воздухонагреватели располагают рядом с доменной печью. Они представляют собой башни высотой до 50 метров. Снаружи, как и доменная печь, воздухонагреватель закрыт металлическим кожухом (наружный диаметр его составляет 9 метров), изнутри он как бы разделен на две части: камеру горения и часть, заполненную огнеупорной насадкой (ребристой поверхностью 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 она нагреется до достаточно высокой температуры, подачу топлива прекращают. С противоположной стороны мощными воздуходувными машинами в воздухонагреватель начинают нагнетать холодный воздух, который, проходя через раскаленную насадку, забирает ее тепло, нагревается, выходит из воздухонагревателя и направляется к огромному кольцевому воздухопроводу, опоясывающему доменную печь. Его называют фурменным поясом. Отсюда по специальным ответвлениям (рукавам) через фурмы воздух равномерно вдувается в домну.
Так как для нагрева насадки воздухонагревателя требуется определенное время, то для бесперебойного снабжения горячим воздухом возле каждой доменной печи их устанавливают несколько (три для одной печи или семь для двух). Одни воздухонагреватели еще нагреваются, а другие уже работают (нагревают воздух). Воздух для охлаждения доменной печи берут непосредственно из атмосферы. Его влажность в течение года колеблется в очень широких пределах, а это неблагоприятно сказывается на работе печи. 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 определенное количество влаги в виде пара (до 25 - 30 граммов на один кубический метр дутья). Оказалось, что при этом в горне под воздействием высоких температур попадающая в него вода разлагается и не только стабилизирует работу печи: в ней образуется дополнительный восстановитель - водород, который ускоряет реакции восстановления. Итак, домна вдыхает раскаленный увлажненный воздух, а что же выдыхает этот гигант? Оказывается ценное топливо - доменный газ. В сутки домна объемом 5000 кубических метров выдает 27000 тонн колошникового газа (его называют так потому, что выходит он через верхнюю часть печи - колошник). Однако он загрязнен, в нем много рудной и коксовой пыли. Поэтому отсюда его направляют по трубам на очистку в башни-газоочистители, расположенные рядом с печью.
Для освобождения газа от пыли используют различные виды очистки: и сухую, и мокрую, и электростатическую. При сухой очистке частицы пыли осаждаются под действием сил тяжести при изменении скорости и направления движения газа. В мокрых пылеуловителях проходящий по ним газ орошают жидкостью (чаще всего водой), которую разбрызгивают оросительными устройствами. Взвешенные в газе частицы пыли смачиваются, становятся тяжелее и выпадают из движущегося газового потока под действием сил тяжести или инерции. Они собираются на дне газоочистителя или на перегородках в нем - насадках различной формы. Очищать газ можно, воздействуя на него электрическим полем высокого напряжения. В этом случае внутри газоочистителя тем или иным способом располагают электроды, к которым подают электрический ток. Газ, проходящий через газоочиститель, ионизируется, частицы пыли получают определенный электрический заряд и притягиваются к электродам.
Очищенный от пыли газ, выводимый из пылеуловителей, используют как топливо тут же на заводе, даже в самом доменном цехе (его теплота сгорания составляет 850-950 килокалорий на один кубический метр). Им отапливают воздухонагреватели, мартеновские печи, нагревательные колодцы, в которых нагревают слитки перед прокаткой. А скапливающуюся в газоочистителях пыль через специальные затворы в их дне разгружают в железнодорожные вагоны и направляют на агломерацию или окомкование и снова используют в домне. Металлург академик Михаил Александрович Павлов, трудовая деятельность которого началась в конце прошлого столетия, много внимания уделял усовершенствованию конструкции доменной печи и технологии доменной плавки. Работая на разных металлургических предприятиях России, он занимался улучшением пудлинговых печей, газогенераторов, проводил опыты по применению горячего дутья в доменных печах, изучал процессы прямого восстановления железа в домне и на Сулинском металлургическом заводе освоил плавку чугуна на антраците.
М.А. Павлов был сторонником внедрения передовой техники в русскую металлургию, принимал активное участие в создании мощных доменных печей. Его педагогическая деятельность началась в 1900 году в Екатеринославском высшем горном училище (сейчас Днепропетровский горный институт). Он был профессором Ленинградского горного института и Московского института стали и сплавов. Павлов совмещал преподавание в вузах с литературной деятельностью. Им написан ряд фундаментальных трудов по металлургии, получивших широкое 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 по доменному производству", в дополнение к которому опубликовал свой способ определения размеров доменных печей. Он активно сотрудничал в научных журналах. Академик М.А. Павлов очень любил молодежь. В основном для нее он написал книгу о своей жизни "Воспоминания металлурга".
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 аппарат бережно ссыпает в доменную печь в определенной пропорции рудные материалы, кокс, флюсы. Загружают отдельные виды сырья слоями, что значительно увеличивает поверхность их соприкосновения, поверхность, на которой протекают химические реакции. Очень важно правильно уложить шихту в домне и измерить ее уровень в печи. Об этом "заботятся" уже знакомые нам два конуса загрузочного, или, как его называют еще, засыпного аппарата, которые не только поочередно опускаются, но и вращаются, равномерно распределяя материалы по окружности печи, а также зонды - щупы, замеряющие уровень шихты в домне. Попадая в доменную печь на колошник, сырье подсушивается и медленно опускается все ниже и ниже. В нижнюю часть домны, в ее горн, вдувают горячий воздух. Кислород вдуваемого воздуха взаимодействует с углеродом кокса, в результате чего образуется углекислый газ С02
. Газ этот поднимается все выше, встречается с новыми порциями кокса, вступает с ним в реакцию, продуктом которой является окись углерода СО. В домне все устроено так, что сверху опускаются сырые материалы, а навстречу им, как бы пронизывая их, движутся газы-восстановители, т.е. два потока устремляются навстречу один другому.
Доменный процесс с точки зрения химиков - процесс восстановительный. Задачей доменщиков является освобождение железа от связанного с ним кислорода - восстановление его. Начинается оно в верхних горизонтах доменной печи и по мере продвижения вниз, где температура выше, заметно ускоряется. Железо в руде в основном связано с кислородом (находится в виде окислов). Поднимающаяся от горизонта фурм окись углерода отнимает у окислов кислород, связывает его и тем самым освобождает железо. Но железо, как мы 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 по дороге и другие образовавшиеся (восстановившиеся) в доменной печи элементы - кремний, марганец, серу, фосфор и другие. Наконец, в виде такого комплексного сплава они оседают в горне доменной печи. Восстановление в домне происходит не только в результате взаимодействия окислов железа с окисью углерода (этот процесс называют 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 они протекают в нижней части домны при высоких температурах, косвенное же восстановление (реакции экзотермические, сопровождающиеся выделением тепла) проходит главным образом в верхних горизонтах печи. Вот почему металлурги так много внимания уделяют газопроницаемости доменного сырья (газы должны иметь доступ к частицам руды, должны пронизывать весь объем загруженных материалов). Восстановление железа в доменной печи проходит в несколько стадий, приблизительно вот по такой схеме (от высшего окисла к низшему).
Но во время Великой Отечественной войны, демонтируя и вывозя на Восток оборудование металлургических заводов Украины, металлурги при помощи вот этих самых козлов выводили из строя доменные печи и не давали тем самым фашистским оккупантам плавить металл на нашей земле. Частично и поэтому металлургические мощности районов, оккупированных врагом, на которые рассчитывали гитлеровцы, так и не были ими использованы. Домны простояли "закозленными" до возвращения на эту территорию Советской Армии. И те же самые горновые, которые перед приходом оккупантов с полным знанием дела "посадили козлов", сумели в кратчайший срок выбить их из печей и восстановить домны. Этот факт славной страницей вошел в летопись Великой Отечественной войны.
Его вывозят из цеха. Часть направляют в хранилище жидкого чугуна - миксерное отделение, где установлены огромные сосуды - миксеры, вместимость которых достигает 2500 кубических метров, а часть - на разливочную машину, представляющую собой двухрядный конвейер, состоящий из чугунных же форм. Здесь чугун разливают в 45-килограммовые слитки - чушки (странное название, не правда ли?). Говорят, что, как ни старались люди, металл, который они выплавляли, был хрупким. Его ругали, англичане, например, называли его свинским железом (pig iron). Так, это прозвище сохранилось и до наших дней. Сейчас в доменном цехе все чаще встречаются странные на первый взгляд устройства, напоминающие гигантские сигары на колесах (длина их достигает 23 метров, наружный диаметр цилиндрической части 3,7 метра). Это передвижные миксеры.
В них можно передавать жидкий чугун не только из цеха в цех, но и перевозить его с одного завода на другой. Такой нагруженный миксер весит 355 тонн. Нелегким получается состав из 5-6 миксеров, движущийся со скоростью 35 километров в час. Дальнейшую судьбу чугуна определяют заранее. В домне получают чугуны разного состава и назначения. В зависимости от применяемого топлива (кокса или древесного угля) выплавляют коксовые или древесноугольные чугуны (правда, древесноугольные в России почти не производят, так как в условиях нашей страны это нерентабельно). По назначению чугуны разделяют на литейные (их используют для изготовления чугунного литья) и передельные, из которых затем выплавляют сталь. Кроме того, в некоторых доменных печах выплавляют так называемые доменные ферросплавы - ферросилиций и ферромарганец, которые также используют в сталеплавильных процессах. Но основным продуктом современных доменных печей является передельный чугун.
Металлургический завод - яркий пример предприятия с комплексным использованием всех продуктов и отходов производства. Так все, что мы получаем в доменном цехе, используется тут же на заводе (например, колошниковый газ) или на предприятиях смежных отраслей. Ценным отходом является и доменный шлак. Экономисты подсчитали, что только половина перерабатываемой руды превращается в чугун и сталь, вторая половина переходит в шлак - 4500 тонн шлака выдает в сутки мощная домна. Из этого шлака научились изготовлять строительные материалы (шлакобетон, щебенку, теплоизоляционный материал - шлаковую вату). Доменные шлаки помогают получать повышенные урожаи зерновых культур и овощей. Ведь в шлаках содержится много извести, и если из них приготовить удобрение, то можно значительно снизить кислотность почвы. Но предварительно перед употреблением шлаки подготавливают. Поэтому в ковшах-шлаковозах из доменного цеха их направляют к грануляционным установкам. Здесь ковши наклоняют, жидкий шлак выливают в бассейн на струю воды. При этом шлак быстро охлаждается, образуются шлаковые зерна - гранулы, которые собираются на дне бассейна. Вот этот гранулированный шлак и используют. Содержащиеся в шлаках серные соединения при грануляции растворяются в воде, которая по своему составу, температуре и воздействию приобретает целебные свойства, сходные со свойствами мацестинской и пятигорской вод. Так что металлурги у себя на заводе в водолечебницах могут принимать серные ванны. Такие водолечебницы уже построены на ряде металлургических заводов: им. Петровского в Днепропетровске, им. Дзержинского в Днепродзержинске, Криворожском, Липецком, "Запорожстали" и других предприятиях.
Все используемые при производстве цветных металлов процессы подразделяют на две группы: пирометаллургические и гидрометаллургические.
Пирометаллургические процессы
проводят при высоких температурах чаще всего с полным и реже с частичным расплавлением материалов, гидрометаллургические процессы - в водных средах при температурах не выше 300ºС.
Пирометаллургические процессы по характеру протекающих физико-химических превращений, поведению участвующих в процессе компонентов и конечным результатам можно разделить на три группы: обжиг, плавка и дистилляция.
Обжиг
- процесс, проводимый при высоких температурах (500º-1200ºС) с целью изменения минералогического и химического составов перерабатываемого сырья. Обжиговые процессы, за исключением обжига со спеканием, являются твердофазными.
В цветной металлургии применяют следующие виды обжиговых процессов:
Кальцинирующий обжиг.
Окислительный обжиг.
Восстановительный обжиг.
Хлорирующий обжиг.
Плавка
-
процесс, проводимый при температурах, обеспечивающих в большинстве случаев полное расплавление 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 с целью очистки металлов от примесей. В основе их лежат различия в некоторых физико-химических свойствах основного металла и его примесей. Существуют следующие 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 в зависимости от их летучести. Дистилляционные процессы используют как для переработки рудного сырья, так и для удаления металлических сплавов. Дистилляцию с целью рафинирования называют ректификацией.
Дистилляционные процессы используют в металлургии цинка и при получении ряда легких и редких металлов.
Гидрометаллургические процессы протекают при низких температурах на границе раздела чаще всего твердой и жидкой 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 воздействии растворителя на перерабатываемый материал (руду, концентрат, полупродукты металлургического производства и т.п.) часто в присутствии газового реагента - кислорода, водорода и др.
В результате выщелачивания получают два продукта: раствор извлекаемого материала, обычно загрязненный примесями, и нерастворенный остаток, состоящий в основном из пустой породы.
Осаждение металлов
из очищенных растворов от выщелачивания проводят электролизом водных растворов, цементацией или восстановлением газообразными восстановителями под давлением.
Ионообменные процессы
основаны на способности некоторых твердых веществ (ионитов) при контакте с растворами поглощать ионы из раствора в обмен на ионы того же знака, входящие в сосав ионита. В качестве ионита чаще всего используют твердые синтетические высокомолекулярные вещества, обладающие высокой обменной емкостью (ионообменной способностью), химической стойкостью и механической прочностью.
По знаку заряда обменивающихся ионов различают катиониты и аниониты. Существуют также аморфные иониты - амфолиты, способные одновременно осуществлять как катионный, так и анионный обмен.
Экстракцией (жидкостной экстракцией) называется процесс извлечения растворенных химических соединений металлов из водного раствора в жидкую органическую фазу, не смешивающуюся с водой. Последующей реэкстракцией из органической фазы экстрагированный металл извлекают в водный раствор.
Применяющиеся на действующих предприятиях цветной металлургии технологические процессы в большинстве случаев далеко не полностью удовлетворяют современным требованиям. Ряд процессов и их аппаратурное оформление устарели и нуждаются в замене новыми, более совершенными.
Современные металлургические процессы получения цветных металлов и, тем более, процессы ближайшего будущего должны удовлетворять по меньшей мере следующим требованиям:
Высокая удельная производительность применяемых аппаратов;
Высокая производительность труда (выпуск продукции на одного работника);
Высокая степень извлечения всех ценных составляющих;
Высокая степень комплексности использования сырья;
Минимальные энергетические затраты за счет использования внешних источников тепловой энергии или электричества;
Максимальное использование вторичных энергоресурсов;
Обеспечение возможности комплексной механизации и автоматизации всех операций;
Использование простой, дешевой, долговечной и удобной в работе, пуске, наладке и ремонте аппаратуры;
Обеспечение возможности создания непрерывных, поточных, полностью автоматизированных технологических линий получения металлов с частичным или полным программным управлением.
Кроме товарной продукции, получающейся при переработке руд цветных металлов, на предприятиях цветной металлургии получают многочисленные отходы и полупродукты металлургического производства. К ним относятся шлаки, пыли, газы, агломераты и спеки, кеки, шламы, растворы и т.д.
Металлы
являются основным видом продукции металлургического производства. В цветной металлургии различают черновые и рафинированные металлы. Черновыми называются металлы, содержащие в своем составе вредные примеси, ухудшающие потребительские свойства данного металла, а также примеси ценных элементов-спутников. Черновые металлы обязательно подвергают очистке от примесей - рафинированию.
Шлаки
являются вторым обязательным продуктом металлургических процессов, приводящих к расплавлению перерабатываемых материалов. Они образуются в результате ошлакования оксидов пустой породы и флюсов. Кроме шлакообразующих компонентов, реальные заводские шлаки обязательно содержат некоторое количество извлекаемых металлов.
Штейны
- промежуточные продукты пирометаллургической переработки медных, никелевых и частично свинцовых руд и концентратов. Они представляют собой сплав сульфидов тяжелых цветных металлов (меди, никеля, цинка, свинца и др.) с сульфидом железа, в котором растворены примеси.
Газы и пыли
также относятся к числу обязательных продуктов пирометаллургических процессов. Как правило, эти два продукта удаляются из печей совместно.
Растворами
называют продукты процесса выщелачивания, в которых растворенное вещество находится в состоянии молекулярного раздробления, что делает их весьма устойчивыми системами, не разделяющимися при сколь угодно длительном стоянии.
Кеки
представляют собой твердые порошкообразные материалы.
По природе образования различают два вида кеков:
1. Нерастворившиеся остатки выщелачиваемого материала.
2. Продукты (осадки) цементационного, химического или гидролитического осаждения растворенных металлов в свободном металлическом состоянии или в форме нерастворимых химических соединений.
Вся история металлургии - это борьба за качество, за улучшение физических и механических свойств металла. А ключ к качеству - химическая чистота. Даже крохотные примеси серы, фосфора, мышьяка, кислорода, не - которых других элементов резко ухудшают прочность и пластичность металла, делают его хрупким и слабым. А все эти примеси находятся в руде и коксе, и избавиться от них трудно. Во время плавки в доменной печи и в мартеновской печи основная часть примесей переводится в шлак и вместе с ним удаляется из металла. Но в тех же домнах и мартенах в металл попадают вредные элементы из горючих газов и ухудшают его свойства. Получить действительно высококачественную сталь помогла электрометаллургия, отрасль металлургии, где металлы и их сплавы получают с помощью электрического тока. Это относится не только к выплавке стали, но и к электролиту металлов и, в частности, расплавленных их солей - например, извлечению алюминия из расплавленного глинозема.
Основную массу легированной высококачественной стали выплавляют в дуговых электрических печах.
В дуговых сталеплавильных печах и плазменно-дуговых печах (ПДП) теплогенерация возникает за счет энергетических преобразований дугового разряда, происходящего в воздухе, парах расплавляемых материалов, инертной атмосфере или иной плазмообразующей среде.
Согласно общей теории печей М.А. Глинкова дуговые сталеплавильные и плазменно-дуговые печи представляют собой печи-теплообменники с радиационным режимом работы, поскольку энергетические условия на границе зоны технологического процесса, то есть на зеркале ванны жидкого металла, создают электрические дуги и огнеупорная футеровка рабочего пространства. Кроме этого, в дуговых сталеплавильных печах вертикально расположенные графитированные электроды создают неравномерное излучение дуг, зависящее от диаметра электродов и параметров электрического режима.
По условиям теплообмена между дугами, поверхностями рабочего пространства и металлом, особенностям электрофизических процессов дугового разряда, энергетическому и электрическому режимам всю плавку в дуговых печах от начала расплавления твердой металлошихты до слива жидкого металла делят на этапы.
Перед началом плавки куполообразный свод печи поднимают, отводят в сторону и загружают сверху в печь шихтовые материалы. Затем свод ставят на место, через отверстия в нем опускают в печь электроды и включают электрический ток. Чугун, железный лом и другие материалы начинают быстро плавиться.
По мере оплавления шихты под электродами и вокруг них образуются "колодцы", в которые опускаются дуги и электроды. Наступает этап "закрытого" горения дуг, когда плавление шихты происходит в "колодцах", снизу путем теплопередачи излучением на близлежащие слои шихты и теплопроводностью через слой жидкого металла, накопившегося на подине. Холодная шихта на периферии рабочего пространства нагревается за счет тепла, аккумулированного футеровкой: при этом температура внутренней поверхности футеровки интенсивно снижается с 1800-1900 до 900 - 1000 градусов Кельвина. На этом этапе футеровка рабочего пространства экранирована от излучения дуг, поэтому целесообразно обеспечить максимальную тепловую мощность с учетом электротехнических возможностей печного трансформатора.
Когда количества наплавленного жидкого металла будет достаточно для заполнения пустот между кусками твердой шихты, электрические дуги открываются и начинают гореть над зеркалом металлической ванны. Наступает этап "открытого" горения дуг, при котором происходит интенсивное прямое излучение дуг на футеровку стен и свода, температура повышается со скоростью до 30-100 градусов Кельвина в минуту и возникает необходимость снижения электрической мощности дуг в соответствии с тепловоспринимающей способностью футеровки.
Современные дуговые сталеплавильные печи работают на трехфазном токе промышленной частоты. В дуговых печах прямого действия электрические дуги возникают между каждым из трех вертикальных графитированных электродов и металлом. Футерованный кожух в дуговых сталеплавильных печах имеет сфероконическую форму. Рабочее пространство перекрыто сверху купольным сводом. Кожух установлен на опорной конструкции с гидравлическим (реже с электромеханическим) механизмом наклона печи. Для слива металла печь наклоняют на 40-45 градусов, для скачивания шлака - на 10-15 градусов (в другую сторону). Печи оборудованы механизмами подъема и поворота свода - для загрузки шихты через верх печи, передвижения электродов - для изменения длины дуги и регулирования мощности, вводимой в печь. Крупные печи оборудованы устройствами для электромагнитного перемешивания жидкого металла в ванне, системами удаления и очистки печных газов. Отечественные плазменно-дуговые печи имеют вместимость от 0,5 до 200 тонн, мощность - от 0,63 до 125 МВт. Сила тока на мощных и сверхмощных плазменно-дуговых печей достигает 50-100 кА.
В зависимости от технологического процесса и состава шлаков футеровка плазменно-дуговых печей может быть кислая (при выплавке стали для фасонного литья) или основная (при выплавке стали для слитков).
Особенностью конструкции плазменно-дуговых печей с огнеупорной футеровкой как разновидности плавильных ванных печей дугового нагрева является наличие одного или нескольких плазматронов постоянного тока и подового электрода - анода. Для сохранения атмосферы плазмообразующего газа рабочее пространство плазменно-дуговых печей герметизируется с помощью специальных уплотнений. Наличие водоохлаждаемого электрода в подине создает опасность взрыва, поэтому плазменно-дуговые печи снабжают системой контроля состояния футеровки подины и сигнализацией, предупреждающей о проплавлении подового электрода жидким металлом.
В настоящее время работают плазменно-дуговые печи с огнеупорной футеровкой вместимостью от 0,25 до 30 тонн мощностью от 0,2 до 25 МВт. Максимальная сила тока-до 10 кА.
Наиболее энергоемким периодом плавки в печах обоих типов является период плавления. Именно тогда потребляется до 80 процентов общего расхода энергии, причем в основном электрической. Длительность всей плавки в зависимости от принятой технологии выплавки электростали может быть 1,5-5 часов. Электрический коэффициент полезного действия дуговых сталеплавильных печей составляет 0,9-0,95, а тепловой - 0,65-0,7. Удельный расход электрической энергии составляет 450-700 кВт/ч на тонну, снижаясь за счет уменьшения удельной теплоотдающей поверхности для более крупных дуговых сталеплавильных печей.
Плазменно-дуговые печи имеют более низкие показатели. Электрический коэффициент полезного действия у них равен 0,75-0,85. Это объясняется дополнительными потерями в плазмотроне при формировании плазменной дуги. Тепловой же - около 0,6, так как возникают дополнительные потери в водоохлаждаемых элементах конструкции. Особенностью эксплуатации плазменно-дуговых печей является использование дорогостоящих плазмообразующих газов, что вызывает необходимость создания систем регенерации отработанных газов и применения технологически приемлемых дешевых газовых смесей.
Новые возможности в сталеплавильном производстве появились в связи с успешным освоением в конце 1980-х годов донного (через подину) выпуска металла из дуговых электропечей. Такая система выпуска была успешно реализована, например, в сталеплавильном цехе завода фирмы "Тиссен шталь" в Оберхаузене (ФРГ), на 100-тонных печах завода в Фридриксферке (Дания) и др. Они могут довольно длительное время работать в непрерывном режиме, например, датские 100-тонные агрегаты - в течение недели. При выпуске плавки, который длится не более 2 минут, печь наклоняется всего на 10-15 градусов вместо 40--45 градусов (для обычных агрегатов). Это позволяет почти полностью заменить огнеупорную футеровку стен водоохлаждаемыми панелями, резко сократить расход различных материалов и электроэнергии, производить полную отсечку печного шлака.
Как это ни удивительно на первый взгляд, современная дуговая сталеплавильная печь сверхвысокой мощности имеет удельный расход энергии значительно более низкий, чем мартеновская печь. К тому же труд сталевара мартеновской печи значительно тяжелее и утомительнее работы конверторщика или электросталеплавильщика.
В 1855 году англичанин Генри Бессемер провел интереснейший опыт: он расплавил в тигле кусок доменного чугуна и продул его воздухом. Хрупкий чугун превратился в ковкую сталь. Все объяснялось очень просто - кислород воздуха выжигал углерод из расплава, который удалялся в атмосферу в виде оксида и диоксида. Впервые в истории металлургии для получения продукта не требовался дополнительный подогрев сырья. Это и понятно, ведь Бессемер реализовал экзотермическую реакцию горения углерода. Процесс был удивительно быстротечен. В пудлинговой печи сталь получали лишь за несколько часов, а здесь - за считанные минуты. Так Бессемер создал конвертер - агрегат, превращающий расплавленный чугун в сталь без дополнительного нагрева. Д.И. Менделеев назвал бессемеровские конвертеры печами без топлива. А поскольку по форме агрегат Бессемера напоминал грушу, его так и называли - бессемеровская "груша".
В бессемеровском конвертере можно переплавлять не всякий чугун, а только такой, в составе которого имеются кремний и марганец. Соединяясь с кислородом подаваемого воздуха, они выделяют большое количество теплоты, которая и обеспечивает быстрое выгорание углерода. Все же теплоты не хватает, чтобы расплавлять твердые куски металла. Поэтому в бессемеровском конвертере нельзя перерабатывать железный лом или твердый чугун.
Это резко ограничивает возможности его применения.
Бессемеровский процесс - быстрый, дешевый и простой способ получения стали, но есть у него и большие недостатки. Поскольку Химические реакции в конвертере идут очень быстро, то углерод выгорает, а вредные примеси - сера и фосфор - остаются в стали и ухудшают ее свойства. Кроме того, при продувке сталь насыщается азотом воздуха, а это ухудшает металл. Вот почему, как только появились мартеновские печи, бессемеровский конвертер стал редко употребляться для выплавки стали. Гораздо больше конвертеры использовали для выплавки цветных металлов - меди и никеля.
Сегодняшний конвертер, конечно, можно в определенном смысле называть потомком бессемеровского детища, ибо в нем, как и прежде, сталь получают, продувая жидкий чугун. Но уже не воздухом, а технически чистым кислородом. Это оказалось намного эффективнее.
Кислородно-конвертерный способ выплавки стали пришел в металлургию более чем полвека назад. Созданный в Советском Союзе по предложению инженера-металлурга Н.И. Мозгового, он полностью вытеснил бессемеровский процесс. А первая в мире тонна кислородно-конвертерной стали была успешно выплавлена в 1936 году на киевском заводе "Большевик".
Оказалось, что таким способом можно не только перерабатывать жидкий чугун, но и добавлять в неги значительные количества твердого чугуна и железного лома, который раньше можно было перерабатывать только в мартеновских печах. Вот почему кислородные конвертеры получили такое большое распространение.
Но только в 1950-е годы конвертеры для выплавки стали окончательно выдвинулись на первый план. Степень использования тепла в кислородном конвертере гораздо выше, чем в сталеплавильных агрегатах подового типа. Тепловой коэффициент полезного действия конвертера составляет 70 процентов, а у мартеновских печей не более 30. Кроме того, газы отходящие из конвертера, используются при дожигании в котлах-утилизаторах, или как топливо при отводе газов из конвертера без дожигания.
Существует три вида конвертеров: с донной продувкой, верхней и комбинированной. В настоящее время наиболее распространенными в мире являются конвертеры с верхней продувкой кислородом - агрегаты весьма производительные и относительно простые в эксплуатации. Однако в последние годы во всем мире конвертеры с донным и с комбинированным (сверху и снизу) дутьем начинают теснить конвертеры с верхней продувкой.
Рассмотрим устройство кислородного конвертера с верхней продувкой. Средняя часть корпуса конвертера цилиндрической формы, стены ванны сферической формы, днище плоское. Верхняя шлемная часть конической формы. Кожух конвертера выполняют из стальных листов толщиной 30 - 90 миллиметров. В конвертерах садкой до 150 тонн днище отъемное, крепят его к корпусу болтами, что облегчает ремонтные работы. При садке 250-350 тонн конвертер делают глуходонным, что вызвано необходимостью создания жесткой конструкции корпуса, гарантирующей от случаев прорыва жидкого металла.
Корпус конвертера крепят к специальному опорному кольцу, к которому приваривают цапфы. Одна из цапф через зубчатую муфту соединена с механизмом поворота. В конвертерах вместимостью больше двухсот пятидесяти тонн обе цапфы являются приводными. Конвертер цапфами опирается на подшипники, установленные на станинах. Механизм поворота позволяет вращать конвертер вокруг горизонтальной оси.
Корпус и днище конвертера футеруют огнеупорным кирпичом. Подача Кислорода в ванну конвертера для продувки металла осуществляется через специальную фурму, вводимую в горловину конвертера.
Первой операцией конвертерного процесса является загрузка скрапа. Конвертер наклоняют на некоторый угол от вертикальной оси и специаль-ным коробом-совком вместимостью через горловину загружают в конвертер скрап - железный и стальной лом. Обычно загружают 20-25 процентов скрапа на плавку. Если скрап не подогревают в конвертере, то затем сразу же заливают жидкий чугун. После этого конвертер устанавливают в вертикальное положение, через горловину в конвертер вводят кислородную фурму.
Для наводки шлака в конвертер по специальному желобу вводят шлакообразующие материалы: известь и в небольшом количестве железную руду и плавиковый шпат.
После окисления примесей чугуна и нагрева металла до заданных величин продувку прекращают, фурму из конвертера удаляют и сливают металл и шлак в ковши. Легирующие добавки и раскислители вводят в ковш.
Продолжительность плавки в хорошо работающих конвертерах почти не зависит от их вместимости и составляет 45 минут, продолжительность продувки - 15-25 минут. Каждый конвертер в месяц дает 800-1000 плавок. Стойкость конвертера - 600-800 плавок.
Движение металла в конвертере весьма сложное, помимо кислородной струи, на жидкую ванну воздействуют пузыри оксида углерода. Процесс перемешивания усложняется еще и тем, что шлак проталкивается струей газа и толщу металла и перемешивается с ним. Движение ванны и вспучивание ее выделяющимся оксидом углерода приводят значительную часть жидкого расплава в состояние эмульсии, в которой капли металла и шлака тесно перемешаны друг с другом. В результате этого создается большая поверхность соприкосновения металла со шлаком, что обеспечивает высокие скорости окисления углерода.
Конвертеры с донной продувкой кислородом из-за меньшего угара железа позволяют получить больший (на 1,5-2 процента) выход годной стали по сравнению с конвертерами с верхней продувкой. Плавка в 180-тон-Иом конвертере с донной продувкой длится 32-39 минут, продувка - 12 - 14 минут, то есть производительность выше, чем у конвертеров с верхней продувкой. Однако необходимость промежуточной замены днищ нивелирует это различие в производительности.
Первые конвертеры с донной продувкой за рубежом были построены в 1966-1967 годах. Необходимость создания такого конвертера обусловлена, в основном, двумя причинами. Во-первых, необходимостью переработки чугунов с повышенным содержанием марганца, кремния и фосфора. Поскольку передел такого чугуна в конвертерах с верхней продувкой сопровождается выбросами металла в ходе продувки и не обеспечивает должной стабильности химического состава готовой стали. Во-вторых, тем, что конвертер с такой продувкой является наиболее приемлемой конструкцией, позволяющей осуществить реконструкцию существующих бессемеровских и томасовских цехов, и вписывается в здание существующих мартеновских цехов. Этому конвертеру свойственно наличие большого числа реакционных зон, интенсивное окисление углерода с первых минут плавки, низкое содержание оксидов железа в шлаке. В силу специфики работы сталеплавильной ванны при донной продувке в конвертерах подобного типа выход годного несколько выше, чем в других конвертерах, а запыленность отходящих газов ниже.
В конвертерах с донной продувкой, имеющих большое число фурм, все технологические процессы протекают интенсивнее, чем в конвертерах с верхней продувкой. Однако общая производительность конвертеров с донной продувкой не превышает значительно таковую для конвертеров с верхней продувкой по причине ограниченной стойкости днищ.
Чтобы предохранить кладку днища конвертера от действия высоких температур, фурму делают в виде двух коаксиальных трубок - по центральной подается кислород, а по периферийной - какое-либо углеводородное топливо, чаще всего природный газ. Таких фурм обычно 16-22. Большое число более мелких фурм обеспечивает лучшее перемешивание ванны и более спокойный ход плавки.
Струя топлива отделяет реакционную зону от днища, снижает температуру около днища в месте выхода кислородных струй за счет отбора тепла на нагрев топлива, крекинг и диссоциации составляющих топлива и продуктов их окисления. Охлаждающий эффект, кроме того, обеспечивается пылевидной известью, которая подается в струю кислорода. Таким образом, продувка расплавленного металла несколькими струями кислорода снизу создает ряд благоприятных особенностей в работе конвертера. Обеспечивается большее число реакционных зон и большая межфазная поверхность контакта кислородных струй с металлом. Это позволяет увеличить интенсивность продувки, повысить скорость окисления углерода. Улучшается перемешивание ванны, повышается степень использования кислорода. В результате появляется возможность расплавления больших по массе кусков скрапа. Лучшая гидродинамика ванны обеспечивает более ровный и спокойный ход всей плавки, практически исключает выбросы. В силу этого в конвертерах с донной продувкой можно перерабатывать чугуны с повышенным содержанием марганца и фосфора.
Стремление повысить производительность агрегатов одновременно с необходимостью повысить однородность состава и температуры металла при возможности изготовления сталей широкого диапазона привело к использованию комбинированной продувки при относительно небольшом (по сравнению только с донной продувкой) количестве газов, вдуваемых через фурмы, установленные в днище конвертера. В последнее время появилось два основных варианта такого процесса, когда снизу подают кислород или ашертные газы с целью обеспечить интенсивное перемешивание ванны и ускорить процесс удаления примесей. При этом, как и при донной продувке, снизу вместе с газами может подаваться пылевидная известь. По такому важному показателю, как возможный расход скрапа, конвертеры с верхней, донной и комбинированной продувкой оказываются приблизительно на одном уровне, при несколько более высоком выходе годного при донной продувке.
В настоящее время в мире применяется и разрабатывается много различных методов комбинированной продувки расплавленной ванны, рационально сочетающих верхнюю и донную продувку, причем в последней используется как кислород, так и инертные газы (аргон, азот).
В кислородно-конвертерном процессе с верхней продувкой достаточно интенсивное перемешивание достигается только в середине плавки при интенсивном окислении углерода. В начале и в конце плавки перемешивание недостаточно, что затрудняет глубокое рафинирование металла от серы и фосфора. Комбинированная подача кислорода через верхнюю и донные фурмы еще более, чем при одной донной продувке, ускоряет процесс окисления углерода и повышает производительность конвертера.
По сравнению с чисто донной продувкой в случае комбинированного процесса в сопоставимых условиях температура металла выше. Кроме того, при комбинированной продувке уменьшение расхода кислорода через верхнюю фурму снижает пылеобразование и разбрызгивание.
И еще одно преимущество кислородных конвертеров: здесь все процессы механизированы и автоматизированы; все чаще управление конвертерами поручается компьютерам.
Прокатный стан - это машина для обработки металлов давлением между вращающимися валками. После того как сталевары отлили слиток, этот огромный брусок стали нужно превратить в изделия - в кузов автомобиля, железнодорожный рельс или строительную балку. Но для этого нужно, чтобы слиток принял удобную для изготовления деталей форму - либо длинного бруса с поперечным сечением в виде квадрата, круга, балки, либо стального листа или проволоки и т.д. Эти различные формы слиток и принимает на прокатных станах.
Прокатка в горячем состоянии стала использоваться лишь в начале XVIII века, причем сначала этим способом готовились более или менее тонкие железные листы, но уже с 1769 года начали подобным образом прокатывать проволоку. Первый прокатный стан для железных болванок был предложен английским изобретателем Кортом, когда он разрабатывал метод пудлингования. Корт первым догадался, что при изготовлении некоторых изделий рациональнее поручить молоту только отжимку шлаков, а окончательную форму придавать путем прокатки.
В 1783 году Корт получил патент на изобретенный им способ проката фасонного железа с помощью особых вальцов. Из пудлинговой печи крица поступала под молот, здесь она проковывалась и получала первоначальную форму, а затем пропускалась через вальцы. Этот способ потом стал очень распространенным.
Однако лишь в XIX столетии техника проката была поставлена на должную высоту, что во многом было связано с интенсивным строительством железных дорог. Тогда были изобретены прокатные станы для производства рельсов и вагонных колес, а потом и для многих других операций.
Устройство прокатного стана в XIX веке было несложным. Вращающиеся в противоположные стороны валки захватывали добела раскаленную металлическую полосу и, сжимаясь большей или меньшей силой, проводили ее между своими поверхностями. Таким образом, металл изделия подвергался сильному обжатию при высокой температуре и заготовка приобретала необходимую форму. При этом, например, железо получало свойства, которые не имело от природы. Отдельные зерна металла, которые до прокатки располагались в его массе в беспорядке, в процессе сильного обжатия вытягивались и образовывали длинные волокна. Мягкое и ломкое железо становилось после этого упругим и прочным.
К концу столетия техника проката настолько усовершенствовалась, что этим способом стали получать не только сплошные, но и пустотелые изделия. В 1885 году братья Меннесманы изобрели способ прокатки бесшовных железных труб. До этого трубы приходилось изготовлять из железного листа, - их сгибали и сваривали. Это было и долго, и дорого. На стане Меннесманов круглую болванку пропускали между двумя косо друг к другу поставленными 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 пространство между ними. Если бы болванка была твердой, она бы не смогла пройти. Но так как ее предварительно сильно разогревали до белого каления, металл заготовки начинал скручиваться и вытягиваться, а в осевой зоне проходило его разрыхление - возникала полость, которая постепенно распространялась по всей длине заготовки. Пройдя через валки, заготовка насаживалась на специальный стержень (оправку), благодаря чему внутренней полости предавалось правильное круглое сечение. В результате выходила толстостенная труба.
Чтобы уменьшить толщину стенок, трубу пропускали через второй так называемый пилигримный прокатный стан. Он имел два валка переменного профиля. При прокатки трубы расстояние между валками сначала постепенно уменьшалось, а затем делалось больше диаметра трубы.
Каково же устройство современных прокатных станов слиток обычно проходит через несколько прокатных станов. Первый из них - блюминг или слябинг. Это самые мощные прокатные станы. Их называют обжимными, потому что их назначение - обжать слиток, превратить его в длинный брус (блум) или пластину (сляб), из которых потом на других станах будут изготовлены те или иные изделия.
Блуминги и слябинги - исполинские машины. Производительность современных блумингов и слябингов - порядка 6 миллионов тонн слитков в год, а масса слитков - от 1 до 18 тонн.
Перед обжимом слитки необходимо хорошо прогреть. Их выдерживают от четырех до шести часов в нагревательных колодцах при 1100-1300 градусов Цельсия. Затем слитки краном вынимают и кладут на электрическую тележку - электрокар, который и подает их к блумингу или слябингу.
У блуминга - два огромных валка. Верхний может подниматься и опускаться, уменьшая или увеличивая просвет между собой и нижним валком.
Раскаленный слиток, пройдя через валки, попадает на рольганг - транспортер из вращающихся роликов. Оператор непрерывно меняет направление вращения валков блуминга и роликов рольганга. Поэтому слиток движется через валки то вперед, то назад, и каждый раз оператор все больше уменьшает зазор между валками, все сильнее обжимая слиток. Через каждые 5-6 проходов специальный механизм - кантователь переворачивает слиток на 90 градусов, чтобы обработать его со всех сторон. В конце концов, получается длинный брус, который по рольгангу направляется к ножницам. Здесь брус делят на куски - блумы.
Так же происходит прокатка и на слябинге, с той лишь разницей, что у слябинга 4 валка - 2 горизонтальных и 2 вертикальных, которые обрабатывают слиток сразу со всех сторон. Затем полученную длинную пластину режут на плоские заготовки - слябы.
Блуминги и слябинги используются только на тех заводах, где разливка стали производится старым способом - в изложницы. Там, где работают установки непрерывной разливки стали (УНРС), получают уже готовые блумы или слябы.
Готовые блумы и слябы идут в другие прокатные цехи, где на специальных прокатных станах из них делают, как говорят металлурги, профили, или профильный металл, то есть заготовки определенной толщины, формы, профиля.
Листовые станы, прокатывающие слябы в лист, имеют гладкие валки. На таких валках нельзя прокатать рельс или другое изделие сложного профиля. В валках, например, рельсобалочных станов делаются вырезы той формы, какая необходима для получения изделия. В каждом валке вырезается как бы половина профиля будущего изделия. Когда валки сближаются друг с другом, получается, как говорят металлурги, ручей, или калибр. На каждой паре валков таких калибров несколько. Первый имеет форму, только отдаленно похожую на форму изделия, следующие все больше приближаются к ней, и, наконец, последний калибр в точности соответствует тем размерам и форме изделия, какие надо получить. Сталь неподатлива, и ее приходится деформировать постепенно, пропуская через все калибры по очереди. Именно поэтому большинство станов имеет не одну пару валков, а несколько. Станины с валками (их называют клети) устанавливают: параллельно либо в ряд, либо в шахматном порядке. Раскаленная заготовка мчится по рольгангам из клети в клеть, да еще в каждой клети движется то вперед, то назад, проходя через все калибры.
Сейчас все большее распространение получают высокопроизводительные станы непрерывной прокатки. Здесь клети стоят последовательно одна за другой. Миновав одну клеть, заготовка попадает во вторую, в третью, в четвертую и т.д. После каждого обжатия заготовка вытягивается, и каждая последующая клеть должна за тот же промежуток времени пропустить через себя заготовку все большей длины. Некоторые непрерывные станы прокатывают металл со скоростью 80 метров в секунду (290 километров 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 Всесоюзном научно-исследовательском институте металлургического машиностроения были созданы принципиально новые станы литейнопрокатные. У них процессы непрерывного литья совмещены в единый поток с непрерывной прокаткой. Сегодня десятки таких станов работают в нашей стране для прокатки стальной, алюминиевой и медной проволоки. Потребность в трубах для транспортировки нефти и природного газа на дальние расстояния вызвала необходимость создать трубные станы. Диаметр нефтяных и газовых труб увеличился. Первые трубопроводы были диаметром 0,2 метра, затем стали выпускать трубы больших диаметров - вплоть до 1,4 метра.
Применяются две принципиально различные технологии производства труб. Первый способ: заготовку нагревают до 1200-1300 градусов Цельсия, а затем на специальном стане в ней проделывают отверстие (ее прошивают) - получается короткая труба (гильза) с толстыми стенками. Потом гильзу раскатывают в длинную трубу. Так получают бесшовные трубы. Второй способ: стальной лист или ленту сворачивают в трубу и сваривают по прямой линии или по спирали.
Большой производительностью обладают непрерывные агрегаты шовно-стыковой сварки труб. Это комплекс из десятков машин и механизмов, работающих в одной технологической линии. Здесь все автоматизировано: на долю оператора, управляющего комплексом, остается только нажимать кнопки на пульте управления. Начинается процесс с нагрева непрерывной стальной ленты.
Затем машины сворачивают ее в трубу, сваривают по шву, вытягивают в длину, уменьшают в диаметре, калибруют, разрезают на части, нарезают резьбу.500 метров труб ежеминутно - такова производительность комплекса.
В последние годы появилось новое направление: на прокатных станах изготавливают не заготовки, а сразу готовые детали машин. На таких станах прокатывают автомобильные и тракторные полуоси, шпиндели текстильных веретен, детали тракторов, электродвигателей, буровых машин. Здесь прокатка вытеснила трудоемкие операции: ковку, штамповку, прессование и механическую обработку на различных металлорежущих станках - токарных, фрезерных, строгальных, сверлильных и др.
Изучив технологию добычи, обогащения и переработки сырья в черной и цветной металлурги, можно сделать следующие выводы.
Металл - основа народного хозяйства. Он и сегодня является фундаментом созидания, основным материалом, которым пользуется человек. Если проследить весь ход истории, то легко заметить, что с ростом цивилизации, повышением благосостояния общества увеличивается потребность в металле.
По сходству металлы объединяют в несколько групп. Это благородные металлы, цветные и черные. К группе черных металлов в основном относятся железо и его сплавы (чугун и сталь), которые составляют более 90 процентов всех металлов применяемых в современном производстве.
Железо - металл, который можно получить в чистом виде только в стенах лаборатории, создавая для этого специальные "тепличные" условия. Оно очень активно, моментально вступает в химические реакции с окружающей средой, соединяется с различными элементами и быстро окисляется.
Цветная металлургия относится к числу сложнейших по производственной структуре отраслей промышленности. На предприятиях этой отрасли решаются вопросы поиска и разведки месторождений руд цветных металлов, и др. полезных ископаемых, применяемых на производстве, добычи и обогащения рудного сырья, получения чистых цветных металлов и сопутствующей товарной продукции (солей, серной кислоты, элементарной серы и т.п.), производства сплавов, литья и обработки давлением различных металлических материалов.
1. И.А. Зубович. Неорганическая химия. - М.: "Высшая школа", 1989
2. Масляк П.О., Шищенко П.Г. Географія України: Пробний підручн. для 8-9 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.
Дополнение 1
  
|
