Технологическая система производства черных металлов

      2.1.1 Технологические мероприятия подготовки шихты. Железную руду после добычи измельчают и подвергают богащению, т.е. отделяют пустую породу от основной. Различают следующие способы обогащения:

      - магнитный, основанный на ферромагнитных  свойствах основной породы магнитного  железняка.

      -флотационный, основанный на различной смачиваемости  основной и пустой породы водой,  в которую добавлено поверхностно-активное вещество(например пенообразователи).

      - гравитационный, основанный на различной  скорости осаждения основной  породы и пустой в воде из-за  различия в плотностях.

      После обогащения руду подвергают агломерации, т.е. обжигу в присутствии коксовой пыли (коксик). В ходе агломерации из руды удаляется большая часть вредных примесей (в виде газообразных и летучих оксидов) и частичное восстановление железа. Спекшийся агломерат дробят на куски около 60 - 80 мм в поперечнике. В случае проведения агломерации в присутствии флюсов получается офлюсованный агломерат. Технологически, для проведения доменного процесса удобен агломерат в виде окатышей.

  

      Кокс - продукт пиролиза (нагрев без доступа воздуха) коксующихся углей, в ходе которого из толщи угля удаляются органические и неорганические соединения, причем в угле образуются поры, что обеспечивает развитую поверхность, необходимую для интенсивного протекания доменного процесса. Образующиеся в ходе коксования коксовые газы являются смесью ценных химических соединений и в дальнейшем используются после разделения. Кокс для использования в доменном процессе дробят на куски 40 - 60 мм в поперечнике. Кокс необходим в доменном процессе как топливо, опосредованный  и непосредственный восстановитель, а также науглераживающий компонент.  

      Флюсы необходимы для удаления вредных примесей. Последние, реагируя с флюсами в ходе доменного процесса, превращаются в нерастворимый в расплавленном чугуне шлак. Флюсы представляют собой минералы - известняк(CaCO3) и доломит(CaCO3*MgCO3) - которые после добычи дробятся на соответствующие куски.

      Доменный  процесс.

      Суть  доменного процесса заключается в  ступенчатом восстановлении железа из его оксидов (основа железной руды), удалении вредных примесей с помощью флюсов и насыщении железа углеродом. Доменный процесс проводят в доменной печи, относящейся к печам шахтного типа высотой до 30м и диаметром ~ 3м. Печь состоит из 5-ти частей, выложена изнутри огнеупорным кирпичем и обшита в нижней части стальным листом; имеется система водяного охлаждения. Каждая из частей печи, имеет свое специальное назначение и связана с  друг с другом. Примерное соотношение размеров частей и их технологическое назначение рассматривается на нижерасположенной схеме.

                                                                

                              1-колошник – служит для порционной загрузки шихты и очистки от пыли доменных газов.  

  

                                 2-шахта - в ней происходят основные процессы восстановления железа из его оксидов.

                                                                                                                                                                                                                                                                                            

                                                                                                                                                                                                                                            

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

                                                                                                                                                                                                                                                                     

                                                                                                                                                                                                     

                                              3-распар – самая широкая часть печи, в которой самая высокая температура и про-

                                                     исходят процессы окончательного  восстановления железа и насыщения его

                                                    углеродом 

          4 -заплечики – в них находятся расположенные по окружности фурмы, через которые

                                             вдуваются раскаленные воздух, природный газ и водяные пары.

                                     5-горн  - в нем скапливаются расплавленные чугун (внизу) и шлак (вверху), которые

           периодически  выпускаются через летки (нижнюю  и верхнюю).      

      Кокс  в кислороде воздуха сгорает с выделением большого количества тепла; образующийся углекислый газ (СО₂) реагирует при высоких температурах с коксом (С), давая угарный газ (СО). Последний является хорошим восстановителем и ступенчато превращает оксид железа (руду) в губчатое железо, которое, насыщаясь углеродом, плавится и стекает в горн в виде чугуна. В нижней части шахты и распаре температура настолько высокая, что происходит и прямое восстановление железа углеродом кокса. 

       С + О₂     СО₂ +   Q     СО₂ + С      СО

                                                       

                       CO                    CO                CO                                                              

       Fe₂O₃                  Fe₃O₄                FeO               Fe             

                      CO₂                   -CO₂            -CO₂                                                                               

                                                                +С, -СО                                    

        

      Кокс  является источником тепла, опосредованным восстановителем, непосредственным восстановителем  и науглераживающим компонентом. Так - как кокс является самой дорогой  частью шихты и затраты на него составляют ~ 50% затрат по сырью, то экономия его - основная часть технологических мероприятий, связанных с подготовкой шихты и проведением доменного процесса. 

      2.1.2 Мероприятия, связанные с экономией кокса, как топлива.

      1.Обогащение  железной руды. Кокс не тратится на нагрев пустой породы; уменьшаются транспортные затраты.

      2.Вдувание  природного газа. Газ, будучи дешевле, сгорает с выделением тепла.

      3.Утилизация  тепла. Вдуваемые в доменную печь газовые потоки нагреваются в специальных печах – кауперах, за счет тепла и теплотворной способности доменных газов, которые сжигаются в печах - кауперах. 

      2.1.3 Мероприятия, связанные с экономией кокса, как восстановителя.

      1.Агломерация  железной руды. Частичное восстановление железа происходит за счет дешевого коксика – отхода коксового производства. Кроме того,  уменьшается потребность во флюсах, что повышает съем чугуна с единицы объема печи.

      2.Вдувание  природного газа – сгорая, газ образует СО₂ – источник основного восстановителя – СО. 

      2.2. Технологические  основы производства стали.

      Сталь – железо, с содержанием углерода до 2%, содержащее мало вредных примесей (P, S, Si) c возможным наличием легирующих добавок. В качестве легирующих добавок используются различные элементы, изменяющие свойства стали.

  

      Методы  передела чугуна в сталь.

      Суть  передела чугуна в  сталь является в  удалении лишнего  углерода, удалении вредных примесей и раскислении  полученной стали (удалении оксида железа). 

      2.2.1 Кислородно-конверторный метод передела чугуна в сталь. Кислородный конвертор представляет собой кувшинообразный сосуд, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом, обшитый снаружи стальным листом и способный наклоняться с помощью поворотного механизма. Конвертор имеет летку для выпуска стали и шлака и горловину, через которую загружают шихту и опускают медную водоохлаждаемую фурму для вдувания кислорода. Исходным сырьем служит передельный чугун, стальной скрап (металлолом), флюсы.

      Перед началом процесса конвертор наклоняют, заливают расплавленный чугун, засыпают скрап и флюсы. Затем его переводят в вертикальное положение, опускают фурму и начинают вдувать кислород. Железо чугуна при температуре  плавления реагирует с кислородом (горит), образуя оксид железа с выделением большого количества тепла, которого достаточно для поддержания шихты в расплавленном состоянии. Оксид железа растворяется в шихте и реагирует с избытком углеродом чугуна, окисляя его до СО. Вредные примеси (S, P) окисляются до оксидов и, реагируя с флюсами, превращаются в нерастворимый в стали шлак. Через 30 – 50 минут дутье кислорода прекращают, фурму поднимают и проводят раскисление, т.е. удаляют образовавшийся избыток FeO, который существенно ухудшает качество стали. Раскисление проводят, добавляя ферромарганец, ферросилициум, а потом – алюминий. В зависимости от технологии раскисления различают сталь «спокойную» и «кипящую». При изготовлении «кипящей» стали, дутье кислорода прекращают раньше, и удаление углерода происходит за счет накопившегося FeO. Выделяющиеся при этом пузырьки СО создают впечатление, что сталь кипит. Раскисление проводят в изложнице, куда добавляют ферросилициум. “Кипящая” сталь дешевле, более пластична и легко поддается механической обработке, однако легко корродирует и не обладает хорошей прочностью. Производительность конвертора достигает 250-350 тонн стали за  30-50 минут.        
 
 
 
 
 
 
 

               O₂                      Fe  +  O₂                 FeO + Q            FeO +  C              Fe  +   CO                                         

                                               

                                       FeO  +   Mn(Si, Al)                  Fe   +   MnO(SiO₂, Al₂O₃)                          

                                                                                                                Флюсы

                                                 S(P)  +  O₂              SO₂(P₂O₅)                  Шлак

                                                                                                                                                                         

                                                                                                                                                                                         

                                                                                                                                                                                            
 

      2.2.2 Мартеновский способ производства стали.

      Источником  тепла служит газ, сжигаемый в  печи, в присутствии воздуха, обогащенного кислородом. Для снижения затрат топлива  применяется утилизация тепла с  помощью регенераторов. Сырьем является чугун и стальной скрап. Окислителем  служит железная руда. Данным методом можно как переделывать чугун в сталь, так и передалывать сталь в другие виды стали, можно получать также высоколегированные стали. Производительность метода - до 950 тонн стали за 8-16 часов. Мартеновский метод является технологически устаревшим, т.к. строительство печей требует больших капиталовложений, тратится большое количество топлива, а производительность значительно ниже, чем при кислородно-конверторном методе.