Залізні та марганцеві руди

У природних умовах майже всі метали, крім платини, золо­та, срібла й самородної міді, перебувають у сполуках з іншими хімічними елементами.

Руда є гірською породою, з якої економічно вигідно вилуча­ти метал. Руда складається з рудної речовини, пустої породи й домішок. До рудної речовини входять сполуки металу: оксиди, гідроксиди та карбонати. Пуста порода звичайно містить піско­вик (SiО₂), глиняні речовини (А1₂О₃ • SiО₂ • 2Н₂О), рідше вапняк (СаСО₃) і доломіт (СаСО₃ • MgCО₃). Шкідливі домішки — це фос­фор, сірка, арсен. У рудах, наприклад залізних, можуть бути також корисні домішки: марганець, хром, нікель, ванадій, воль­фрам, молібден.

Залізні руди. Найпоширенішими залізними рудами є заліз­няки: магнітний, червоний, бурий і шпатовий. За запасами за­лізних руд Україна посідає перше місце в світі

Магнітний залізняк Fe₃О₄ — мінерал від сірого до чорного кольору, містить 55...65 % заліза, дуже щільний і тому важко відновлюється, має магнітні властивості.

Червоний залізняк Fe₂О₃ має колір від червоного до темно-сірого, містить 55...60 % заліза, пористий, тому легко віднов­люється, має мало шкідливих домішок. Це найпоширеніша в світі руда, її поклади маємо в Кривому Розі.

Бурий залізняк 2Fe₂О₃ • ЗН₂О від жовтого до буро-жовтого кольору, містить 30...50 % заліза, найлегше відновлюється серед залізних руд. Руди бурого залізняку із багатьох басейнів мають значну кількість фосфору й сірки. Добувають бурий за­лізняк у Керчі.

Шпатовий залізняк FeCО₃ містить 30...40 % заліза. Колір руди від сірого до жовтого. Руда легко відновлюється.

Вміст заліза в промислових рудах має тенденцію до змен­шення, оскільки запаси багатих руд поступово вичерпуються.

Марганцеві руди. Марганець у рудній речовині є у вигляді оксидів і карбонатів: МпО₂, Мп₂О₃, Мп₃О₄, МпСО₃. Пустою поро­дою є переважно глина й пісковик. Кількість марганцю в рудах становить 25...45 %. Україна за запасами марганцевих руд за­ймає перше місце в світі. Найбільші їх родовища в Нікополі — близько З0 % світових запасів.

Флюси

Флюсом називається матеріал, що утворює легкоплавку речовину з тугоплавких золи палива й пустої породи руд. Отри­мана речовина — шлак. Водночас флюси можуть знижувати кількість шкідливих домішок у металі. Густина шлаку мен­ша від густини металу, в зв'язку з чим шлак спливає на по­верхню металу й захищає його від атмосфери печі. Щоб уни­кнути взаємодії шлаку з футерівкою печі, в кислі печі вво­дять кислі флюси, а в основні печі — основні флюси. До кис­лих флюсів належить кварцевий пісок, в основі якого SiО₂, до основних — вапняк СаСО₃, або доломітизований вапняк, що містить СаСО₃ і MgCО₃. Здебільшого пуста порода руд має надлишок SiО₂. Тому для утворення шлаку додають основ­ний флюс. Найкращі за складом запаси вапняків є в Донбасі й у Криму.

Підготовка залізних руд до плавлення

Техніко-економічні показники роботи доменної печі знач­ною мірою залежать від складу залізної руди. Тому попередньо її спеціально обробляють, щоб підвищити вміст заліза й досяг­нути однорідності за хімічним складом. Для цього застосову­ють: подрібнення, просіювання, збагачення та грудкування.

Руду подрібнюють на грудки потрібної величини на спеці­альних дробарках різних конструкцій. Процес енергомісткий, отже, й дорогий.

Після подрібнення руду просіюють або осаджують у воді, щоб розділити її на різні фракції за розмірами грудок. Для виплавляння у доменній печі розмір грудок становить 10... 80 мм, для агломерації — 5...8 мм, для магнітного збагачення — 0,1 мм.

Збагачують руду (на вміст заліза) шляхом промивання, маг­нітної сепарації тощо.

Промивання сильним струменем води відокремлює від руди частинки піску й глини, так що частка заліза зростає на 2...З %.

Магнітна сепарація — головний спосіб збагачення залізних руд. Вона зводиться до притягування електромагнітом із тонко подрібненої руди частинок, які мають магнітні властивості, й подальшого їх відокремлення від пустої породи.

Агломерація полягає в спіканні дрібних частинок руди, флюсу та коксу при температурі 1300...1500 °С на агломераційних ма­шинах, під час якого пуста порода руди й флюс у вигляді вап­няку частково розплавляються, виділяються шкідливі доміш­ки (сірка, арсен), розкладаються карбонати й утворюються шмат­ки пористого офлюсованого матеріалу — агломерату. Під час цього руда частково відновлюється до Fe₃О₄ і незначною мірою — до FeO.

Грудкування застосовують, щоб отримати грудки завбіль­шки 5...40 мм зі зволоженої тонкорозмеленої суміші залізної руди, флюсу й твердого палива в спеціальному пристрої, що обертається. Для кращого злипання між собою частинок сумі­ші додають незначну кількість (1...2 %) високоякісної глини — бентоніту. Грудки висушують і обпалюють при 1200...1300 °С з метою надання їм високої міцності й пористості. Порівняно з агломератом, грудки міцніші й тому менше руйнуються під час транспортування.

Використання агломерату й грудок для виплавляння чавуну дає змогу уникнути подачі в доменну піч флюсу, підвищує її продуктивність і зменшує витрати коксу.

Будова доменної печі

Доменна піч є шахтною піччю безперервної дії і використо­вується для виплавляння чавуну. Вона має сталевий кожух 5 (рисунок 1), викладений зсередини футерівкою 6 переважно з шамотної цегли. Робочий простір печі складається з колошни­ка 9, шахти 4, розпару 3, заплечиків 12 і горна 13.

Рисунок 1 Схема конструкції (а) і профіль (б) доменної печі: 1 — жолоб для чавуну; 2 — фурма; 3 — розпар; 4 — шахта; 5 — кожух; 6 — футерівка; 7 — великий конус; 8 — газовивідна труба; 9 — колошник; 10 - чаша;

11 — малий конус; 12 — заплечики; 13 — горно; 14 — жолоб для шлаку

Колошник 9 — це верхня частина доменної печі. Він має за­сипний апарат для завантаження шихти та газовивідні труби 8, що відводять з печі доменний газ. Засипний апарат складається з чаші 10, малого конуса 11 і великого конуса 7. Шихтові мате­ріали (офлюсований агломерат, кокс та ін.) подають у засипну чашу. Під час опускання малого конуса вони зсипаються на ве­ликий конус. Великий конус опускається, коли малий конус за­критий, і шихтові матеріали потрапляють у шахту. Неодночасне відкривання конусів запобігає виходу газів із печі в атмосферу.

Шахта має вигляд зрізаного конуса, повернутого великою ос­новою вниз, що полегшує вільне опускання шихтових матеріалів. У шахті йде теплообмін між гарячим газом, що рухається вго­ру, і шихтовими матеріалами, що опускаються вниз. Під час цього залізо відновлюється, навуглецьовується та плавиться.

Розпар3 — найширша частина печі, де плавиться пуста поро­да руд і частина флюсу, утворюючи шлак, а в твердому стані залишається кокс і решта флюсу.

Заплечики 12 мають форму зрізаного конуса, повернутого ве­ликою основою вгору. Така форма пов'язана зі зменшенням об'єму матеріалів внаслідок переходу їх у рідкий стан.

Між заплечиками й горном рівномірно розташовані по колу охолоджувані водою мідні труби — фурми 2, крізь які подаєть­ся у простір печі під тиском до 0,25 МПа гаряче повітря, необ­хідне для горіння палива. Нагріте повітря зменшує витрату палива й інтенсифікує доменний процес.

Горно 13має форму циліндра. У верхній його частині згоряє паливо, у нижній — закінчується утворення шлаку й нагрома­джується рідкий чавун і шлак. Чавун періодично випускають по жолобу 1 в міру його нагромадження в горні, а шлак випус­кають по жолобу 14.

Висота печі більш ніж утричі перевищує її діаметр, завдяки чому тепловий коефіцієнт корисної дії печі сягає 85 %. Для підвищення тривкості футерівки її охолоджують водою, що циркулює в холодильниках.

До допоміжних агрегатів доменної печі належать транспортні засоби: для шихтових матеріалів, чавуну і шлаку, а також бункери, вагони-ваги, повітронагрівачі тощо.

Шихтові матеріали надходять на рудний двір, звідки їх по­дають вагоном-вагою в бункер, а з бункера — у скіпову вагонет­ку. Вагонетка рухається по рейках і перекидається над засипним апаратом доменної печі. Тепер вагонетку заміню­ють транспортером безперервної дії.

Повітронагрівач — це теплообмінний апарат циліндричної форми заввишки 40 м. Він складається зі сталевого кожуха, викладеного вогнетривкою цеглою.

Доменна піч має три-чотири повітронагрівачі.

У сучасних доменних печах повітря, що подається у фурми, збагачують киснем до 30 %. У печах поряд з коксом використо­вують природний газ і кам'яновугільний порошок. Надмірне збагачення дуття киснем економічно невиправдане.

Розплавлений чавун і шлак розливають у ковші — чавуно­вози і шлаковози, які рухаються по залізничних рейках.