Технологический процесс выплавки чугуна

      Интенсивное развитие металлургии  центра связано с добычей железных  руд. Почти вся руда добывается  открытым способом. Основные запасы железных руд КМА по категории А+В+С составляют около 32 млрд.т. Общегеологические запасы руд, в основном железистых кварцитов с содержанием железа 32-37%, достигают миллиона тонн. Крупные разведанные и эксплуатируемые месторождения КМА расположены на территории Курской и Белгородской областей (Михайловское, Лебединское, Стойленское, Яковлевское и др.). Руды залегают на глубине от 50 до 700 м. Затраты на 1 тонну железа в товарной руде наполовину ниже, чем в криворожской руде и ниже, чем в карельской и казахстанской рудах. КМА – крупнейший район по добыче железных руд открытым способом. В целом добыча сырой руды около 39% российской добычи (на 1992 г.).

      Центральная металлургическая база  включает крупные предприятия  полного металлургического цикла: Новолипецкий металлургический комбинат (г. Липецк), и Новотульский завод (г. Тула), металлургический завод “Свободный сокол” (г. Липецк), “Электросталь” под Москвой (передельная качественная металлургия). Развита малая металлургия на крупных машиностроительных предприятиях. Введен в действие Оскольский электрометаллургический комбинат по прямому восстановлению железа (Белгородская обл.). Сооружение этого комбината – самый большой в мире опыт внедрения бездоменного металлургического процесса. Преимущества этого процесса: высокая концентрация взаимосвязанных производств – от окомкования сырья до выпуска конечного продукта; высокое качество металлопродукции; непрерывность технологического процесса, что способствует соединению всех технологических участков металлургического производства в одну высокомеханизированную линию; значительно большая мощность предприятия, не требующего кокса для выплавки стали.

      В зону влияния и территориальных  связей Центра входит и металлургия  Севера европейской част России, на который приходится более 5% балансовых запасов железных руд Российской Федерации и свыше 21% добычи сырой руды. Здесь действуют достаточно крупные предприятия – Череповецкий металлургический комбинат, Оленегорский и Костомукшский горно-обогатительные комбинаты (Карелия). Руды Севера при невысоком содержании железа (28-32%) хорошо обогащаются, почти не имеют вредных примесей, что позволяет получать высококачественный металл.

 

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

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

      Черная металлургия Сибири и  Дальнего Востока еще не завершила своего формирования. Поэтому на основе эффективных сырьевых и топливных ресурсов возможно в перспективе создание новых центров.

       Черная  металлургия  с  полным   технологическим  циклом   служит  важным  районообразующим  фактором. Кроме  многочисленных  производств,  возникающих  на  основе  утилизации  разного  рода  отходов  при  выплавке   чугуна  и  коксовании  угля,  она  притягивает  к  себе  сопутствующие  отрасли. 
    Для размещения  металлургии полного цикла особенно  большое  значение   имеют  сырьё  и  топливо . На  1  тонну чугуна  требуется 1,2 - 1,5 тонн угля (с учётом  потерь  при обогащении   и коксовании ),  1,5 тонн  железной  руды   ( в зависимости от  ее  качества ) , свыше   0,5  флюсовых известняков и до  30 м ³  оборотной воды . Это подчёркивает  важность  взаимного транспортно-географического положения сырьевых  и топливных баз , источников  водоснабжения и вспомогательных материалов.

     В  Северном экономическом   районе    выплавляется  15,5 % чугуна  и 12,7  % стали России.  Большая потребность в металле, в частности петербургского  машиностроения,  обусловила   в своё  время   размещение  в Череповце (Вологодская  область )  металлургического завода  полного цикла,  ставшего  к  настоящему  времени    одним  из  крупнейших    комбинатов  и   единственным   во  всей  северной зоне  европейской части. Он  работает   в  основном  на  рудах  Мурманской  области   и коксующихся углях Печорского  и Кузнецкого  бассейнов, на  флюсовых  известняках   Ленинградской  области   (Пикалево ) . В  силу   отдаленности  сырьевой  и  топливной  базы ,  а  также  сравнительно  дорогой  добычи  угля  себестоимость   чугуна  , получаемого  в  Череповце , несколько  выше  себестоимости   металла ,  выплавляемого  на  других  заводах  Европейской  части .        Но  для  крупнейшего  потребителя  -  машиностроения 

С.- Петербурга    и  всей  Северной    зоны  металл  Череповца  обходится  дешевле, чем привозной.

             Черная металлургия имеет следующие особенности сырьевой базы:

• сырье характеризуется относительно большим содержанием полезного компонента – 17% в сидеритовых рудах до 53-55% в магнетитовых железняках. На долю богатых руд приходится почти пятая часть промышленных запасов, которые используются, как правило, без обогащения. примерно 2/3 руд требуют обогащения простым и 18% - сложным методом обогащения;
• разнообразие сырья в видовом отношении (магнетитовые, сульфидное, окисленное и др.), что дает возможность использовать разнообразную технологию и получать металл с самыми различными свойствами;
• различные условия добычи (как шахтная, так и открытая, на долю которой приходится до 80% всего добываемого в черной металлургии сырья);
• использование руд, сложных по своему составу (фосфористые, ванадиевые, титаномагнетитовые, хромистые и т.п.). При этом более 2/3 составляют магнетитовые, что облегчает возможности обогащения.

 

    Металлургический  комплекс – это  взаимообусловленное  сочетание следующих  технологических  процессов:

 

• добыча  и подготовка сырья к переработке (добыча, обогащение, агломерирование, получение необходимых концентратов и др.);

 

• металлургический  передел – основной технологический  процесс с получением чугуна, стали, проката черных и цветных металлов, труб и др.;

 

• производство  сплавов;

 

• утилизация  отходов основного производства и получение из них различных  видов продукции.

 

      В зависимости от сочетания  этих технологических процессов  выделяются следующие типы производств  в металлургическом комплексе.

      Производства полного цикла, которые представлены, как правило, комбинатами, в которых одновременно действуют все названные стадии технологического процесса.

      Производства неполного цикла – это предприятия, в которых осуществляются не все стадии технологического процесса, например, в черной металлургии производится только сталь и прокат, но отсутствует выпуск чугуна, или производится только прокат. К неполному циклу относятся также электротермия ферросплавов, электрометаллургия и др. Предприятия неполного цикла, или “малой металлургии” называются передельными, представлены в виде отдельных подразделений по производству литейного чугуна, стали или проката в составе крупных машиностроительных предприятий страны.

 

                          4. Технологический  процесс выплавки  чугуна

       Металлургией чугуна называется раздел металлургии, изучающий процессы и технологию производства чугуна. Протекание этих процессов в отдельных агрегатах - доменных и мартеновских печах, конвекторах, электропечах и т.д. - имеет свои особенности, оказывающие решающее влияние на технико-экономические показатели их работы.

       Производство  чугуна требует знания свойств сырья  и подготовки его к плавке, закономерностей  доменного процесса, устройства доменных печей и цехов, а также технологии и организации доменного производства.

       Доменное  производство представляет собой следующую  схему. Поступающие на металлургический завод руду, концентрат (продукт  обогащения руды), и флюс направляют на фабрику окускования, где из них  производят агломерат или окатыши. Отсеянный от мелочи агломерат направляют в доменный цех. Одновременно туда попадают кокс и дополнительный флюс. Агломерат, флюс и отсеянный от мелочи кокс загружают в доменную печь. Дутье, подаваемое воздуходувкой, подогревают в воздухонагревателе до температуры 1100-1350°С и нагнетают в печь. Одновременно с дутьем можно также подавать технологический кислород, который выделяют из воздуха на специальных установках. С целью снижения расхода кокса в печь могут вводиться другие виды топлива и восстановители: природный газ, коксовый газ, мазут, пылевидное топливо. Оксиды железа, являющиеся полезной частью руды, всегда сопровождаются балластными соединениями, не содержащими железо, которые называются пустой пороем. Пустая порода состоит, главным образом, из кремнезема SiО2, небольшого количества Al2O3, извести СаО, оксида магния MgO.

       Флюсом  доменной плавки чаще всего является известняк СаСО3, который после разложения в печи превращается в СаО. Необходимость введения в печь флюса объясняется тем, что остающаяся после восстановления оксидов железа пустая порода вследствие тугоплавкости расплавиться в печи не может. Добавление флюса резко снижает температуру плавления породы, она вместе с флюсом расплавляется, образуя жидкий шлак.

       В настоящее время в качестве топлива  для доменной печи применяют кокс, который вследствие высокой прочности  и пористости является наиболее подходящим видом топлива.

       Продуктами доменной плавки являются жидкий чугун, жидкий шлак и колошниковый газ.

       Чугун представляет собой многокомпонентный  сплав на основе железа, содержащий углерод, кремний, марганец, серу и фосфор. Различают три основных вида продукции: передельный чугун, перерабатываемый в сталь, литейный чугун, из которого отливают изделия; ферросплавы, предназначенные для использования в сталеплавильных цехах.

       Шлак  представляет собой балластные, т.е. не содержащие железо, оксиды, вносимые в доменную печь с рудой, агломератом, золой кокса и флюсом - SiO2, Аl2O3, CaO, MgO. Он используется для производства строительных и вяжущих материалов.

       Колошниковый  газ, выходящий из печи, является газообразным топливом и содержит 20% оксида углерода, до 5-6% водорода и около 0,5% метана. Часть колошникового газа сжигается в воздухонагревателях при подогреве дутья, а остальной используется как энергетическое топливо в нагревательных печах, в котельных и т.д.

       Доменный  процесс является процессом восстановительным, т.к. сущность его заключается в восстановлении оксидов железа из руды.

       Доменная  печь является шахтной печью. Внутренние очертания печи по вертикальному  сечению называются профилем. В горизонтальном сечении печь круглая.

       Верхняя цилиндрическая часть печи 6 называется колошником, и предназначена для загрузки материалов. Ниже располагается шахта 5, представляющая собой расширяющийся книзу конус. Это расширение необходимо для облегчения опускания твердых материалов, увеличивающихся в объеме при нагревании. К нижней части шахты примыкает наиболее широкая цилиндрическая часть 4, называемая распаром, в котором происходит плавление шихты. Ниже распара расположены заплечики 3, имеющие форму усеченного конуса с меньшим основанием внизу, т.к. объем материалов вследствие плавления уменьшается. Нижней частью печи является цилиндрический горн 2, в котором происходит горение кокса и собираются жидкие продукты плавления.

       Агломерат, руда, известняк и кокс загружаются  на колошник доменной печи специальным  засыпным аппаратом. Назначение аппарата состоит в правильном распределении загружаемых материалов по горизонтальному сечению печи. При неправильном распределении потоки газа, проходя через тонкий слой руды, будут выходить из печи с высокой температурой и высоким содержанием восстановительных газов, т.е. их энергия будет использоваться недостаточно. Вследствие горения кокса в горне и уменьшения объема шихты из-за плавления чугуна и шлака загруженные на колошник материалы непрерывно опускаются в нижнюю часть печи. Навстречу опускающимся материалам движется поток восстановительных газов. Доменный процесс является восстановительным противоточным процессом, т.к. он заключается во взаимодействии опускающихся сверху вниз материалов и поднимающегося снизу вверх потока нагретых восстановительных газов, образующихся в горне при горении кокса. Интенсивность теплообменных и восстановительных процессов определяет технико-экономические показатели плавки.