Тема 1. Развитие технологических схем получения черных металлов Значение и роль черных металлов
Черные металлы – это сплавы на основе железа. Наибольшее применение черные металлы находят в виде углеродистых и легированных сталей и сплавов, а также специальных марок чугунов. В зависимости от назначения и областей применения различают:
чугуны;
конструкционные стали, применяемые для строительства зданий, сооружений, мостов, судов, машин, оружия и т.п.;
инструментальные стали (углеродистые и легированные);
стали с особыми физическими свойствами (нержавеющие, жаростойкие, коррозионностойкие, электротехнические и др.).
Широкое применение и огромное значение черных металлов в развитии техники, производительных сил общества и человеческой цивилизации в целом объясняется, широким спектром механических свойств сплавов на основе железа.
В последнее время появились и другие конструкционные материалы, конкурирующие со сталью, главным образом алюминий, магний, титан и их сплавы, а также пластмассы, железобетон. Однако, опыт показал, что решающее значение черных металлов по-прежнему сохраняется, т.к. на долю черных металлов и в настоящее время приходится ~95 % всего объема потребления конструкционных материалов отраслями машиностроения. На долю заменителей железа приходится всего лишь около 5 %.
Современная схема производства черных металлов
В современных условиях производство изделий из черных металлов осуществляется по двухступенчатой схеме (рис.1.1). Сырьем для производства черных металлов служат руды.
Руда – горная порода, извлечение из которой полезных элементов экономически оправдано при существующем уровне развития техники и технологии. Подготовка руды к доменной плавке заключается в дроблении, обогащении и окусковании. Дробление и измельчение осуществляются до размеров, обеспечивающих экономически оправданное извлечение железа из рудных материалов.
При обогащении отделяется железосодержащий концентрат от пустой породы. В зависимости от состава руды выбирается тот или иной способ обогащения. Большая часть железных руд (свыше 95 % ) обогащаются методами сухой и мокрой магнитной сепараций. Часть руд (в основном полиметаллические руды) обогащается методом флотации и в тяжелых суспензиях.
Рис. 1.1. Упрощенная схема производства изделий из черных металлов
В современных условиях содержание железа в концентрате достигает 60-65 %. Для получения сырья с необходимыми металлургическими свойствами концентраты подвергаются окусковсанию. Наиболее широкое распространение получили процессы агломерации и производства окатышей. При окусковании железорудного сырья в шихту вводятся флюсы, которые обеспечивают требуемые физико-химические свойства шлака.
Концентраты с содержанием железа 65-68 % используются для производства окатышей, которые восстанавливаются в агрегатах бескоксовой металлургии. Эти окатыши практически не содержат примесей и применяются для производства высококачественных сталей. Объем производства стали из металлизованных окатышей не превышает 5% от общего объема производства.
Основная часть железорудных концентратов проплавляется в доменных печах. При этом получается чугун с содержанием углерода 4,2-4,8 % и примесями других элементов. Топливом при производстве чугуна является каменноугольный кокс, углеводородные добавки и пылеугольное топливо. Кокс получают путем пиролиза коксующихся углей в коксовых печах. Для получения одной тонны кокса используется (в зависимости от качества угля) от 1600 до 1700 кг. угля.
Менее 5% чугуна, выплавляемого в доменных печах, используется для производства изделий методом литья, а свыше 95 % ч для производства стали.
Сталь выплавляют в мартеновских печах (в настоящее время менее 3%) кислородных конвертерах и электродуговых печах. Высококачественные стали выплавляют в агрегатах спецэлектрометаллургии.
В современных условиях в сталеплавильных печах выплавляется так называемый полупродукт, который доводится до заданного химического состава и рафинируется в агрегатах внепечной обработки. В агрегате ковш-печь в расплав вводятся ферросплавы и металл дополнительно нагревается за счет электрической дуги. Также в этом агрегате осуществляется продува металла инертным газом для удаления неметаллических включений.
Удаление газов из стали и дополнительное её рафинирование осуществляется за счет обработки в вакууматорах.
После указанных выше технологических операций сталь разливается в слитки, которые методами обработки металлов давлением и механической обработки превращаются в готовые изделия.