487
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Пермский государственный технический университет»
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА, СТАЛИ, АЛЮМИНИЯ, МЕДИ, ТИТАНА И МАГНИЯ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Пермь 2010
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. |
ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА............................................................. |
4 |
|
1.1. Исходные материалы.............................................................. |
4 |
|
1.2. Обогащение руд....................................................................... |
5 |
|
1.3. Подготовка материалов к доменной плавке.......................... |
7 |
|
1.4. Выплавка чугуна...................................................................... |
9 |
2. |
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ.............................................................. |
18 |
|
2.1. Конвертерные способы......................................................... |
18 |
|
2.2. Мартеновский способ ........................................................... |
23 |
|
2.3. Получение стали в электрических печах ............................ |
28 |
|
2.4. Разливка стали и получение слитков................................... |
33 |
3. |
ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ................................................... |
41 |
|
3.1. Алюминиевые руды .............................................................. |
42 |
|
3.2. Производство глинозема....................................................... |
43 |
|
3.3. Электролитическое производство алюминия..................... |
45 |
|
3.4. Рафинирование алюминия.................................................... |
49 |
4. |
ПРОИЗВОДСТВО МЕДИ................................................................ |
52 |
|
4.1. Медные руды......................................................................... |
52 |
|
4.2. Получение медных штейнов ................................................ |
53 |
|
4.3. Переработка медного штейна в черновую медь................. |
56 |
|
4.4. Рафинирование меди............................................................. |
59 |
5. |
ПРОИЗВОДСТВО ТИТАНА........................................................... |
63 |
|
5.1. Титановые руды..................................................................... |
64 |
|
5. 2. Получение титана................................................................. |
65 |
6. |
ПРОИЗВОДСТВО МАГНИЯ.......................................................... |
72 |
|
6.1. Получение магния................................................................. |
73 |
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................... |
77 |
3
1. ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА
Чугун и сталь − это сплавы на основе железа, содержащие определённое количество углерода.
1.1. Исходные материалы
Железо в чистом виде в земной коре находят редко, что обусловлено большой склонностью его к окислению. В земной коре содержится примерно 5 % железа в виде оксидов, карбонатов, сульфидов и других соединений. Наиболее крупные и богатые оксидами железа скопления минералов называют месторождениями железных руд. Рудами называют горные породы, которые технически возможно и экономически целесообразно перерабатывать для изготовления содержащихся в них металлов.
К железным рудам относят красный, бурый, магнитный и шлаковый железняки. Эти руды содержат много соединений железа, из которых его извлекают, и относительно мало пустой породы, легко отделяющейся при переработке. Магнетиты (главным образом в виде Fe3O4) − наиболее богатые железные руды − содержат 40…70 % Fе, но восстанавливаются труднее других руд, так как являются плотными горными породами. Различают также красный железняк (гематит) в виде Fe2O3 и бурый железняк − водный окисел Fe2O3 H2O. Вредными примесями в железных рудах являются сера, фосфор, мышьяк.
Производство чугуна осуществляют в доменных печах, где для его выплавки кроме железных руд требуются флюсы и кокс.
Флюсы вводят в доменную печь для того, чтобы не допустить «зарастания» рабочего пространства печи и обеспечить плавку
4
пустой породы руды и золы топлива при необходимой температуре: не слишком высокой, чтобы не тратить много топлива, и не слишком низкой, при которой оксиды железа еще не успевают восстановиться. Так как пустая порода железных руд обычно содержит кремнезем, в качестве флюса в доменных печах часто применяют известняк СаСО3, содержащий минимальное количество вредных примесей.
Каменноугольный кокс в современном доменном производстве используется следующим образом: во-первых, служит топливом и обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры и, во-вторых, обеспечивает восстановление оксидов железа (см. ниже). Каменноугольный кокс содержит 82…88 % твердого углерода, 5…10 % золы, однако всегда содержит и серу
(0,5…2 %).
1.2. Обогащение руд
Обогащением называют предварительную обработку руды, не изменяющую химический состав основных минералов и их агрегатное состояние. Обогащением из руды отделяют часть пустой породы, оставшуюся часть называют концентратом.
Наиболее известны и широко применяются магнитное, гра-
витационное и флотационное обогащение.
Магнитное обогащение применяют для минералов, имеющих большую магнитную восприимчивость. Применяют как сухую, так и мокрую магнитную сепарацию. Магнитные сепараторы, работающие в водной среде, часто дают лучшие результаты.
Магнитную сепарацию с успехом применяют для обогащения бедных железных руд, имеющих вкрапления магнетита, а также для очистки или сортировки металлических отходов (стружки, опилки, лом).
5
Гравитационное обогащение основано на различии в плотности и скорости падения зерен минералов в жидкостях и на воздухе. Простейший его вид − промывка водой железных руд для отделения песчано-глинистой пустой породы. Однако большего эффекта можно достичь, применяя отсадочные машины, концентрационные столы и другие аппараты. Эти машины успешно используют при обогащении руд цветных металлов.
Обогащение флотацией для железных руд в целом применяют редко, в основном − для бедных руд цветных металлов. Флотация незаменима при обогащении комплексных руд, содержащих несколько металлов, а также сульфидных руд, содержащих примерно 1 % Cu, плавить которые очень дорого.
Сущность флотации состоит в избирательном прилипании некоторых минеральных частиц, взвешенных в водной среде, к поверхности пузырьков воздуха, с помощью которых эти минеральные частицы поднимаются на поверхность. Через пульпу пропускают пузырьки воздуха. Вследствие различной смачиваемости минералов частицы, плохо смачиваемые водой (или другой жидкостью, в которой протекает обогащение), прикрепляются к пузырькам воздуха и, поднимаясь с ними на поверхность, образуют минерализованную пену и тем самым отделяются от других, хорошо смачиваемых минералов, которые тонут и остаются в пульпе.
Для флотационного обогащения необходимо:
а) тонко измельчить руду до частиц размером меньше 0,1 мм, что дает возможность получить кусочки руды, состоящие из одного минерала, и значительно уменьшить количество сростков нескольких минералов, а также позволит мелким пузырькам воздуха поднимать на поверхность тяжелые минералы;
б) получить в пульпе множество мелких пузырьков воздуха и создать условия для образования на поверхности пульпы устойчивой пены.
6
Для флотации применяют комплекс машин, позволяющих быстро и многократно повторять процесс флотации, и разные реагенты, вводимые в пульпу для усиления или подавления отдельных физических свойств ее элементов. Общий расход флотационных реагентов невелик − 50…300 г на 1т руды.
1.3. Подготовка материалов к доменной плавке
Доменная печь работает нормально, если она загружена кусковым материалом оптимального размера. Слишком крупные куски руды и других материалов не успевают за время их опускания в печи прореагировать на всей глубине, и часть материала расходуется бесполезно; слишком мелкие куски плотно прилегают друг к другу, не оставляя необходимых проходов для газов, что вызывает различные затруднения в работе печи. Наиболее удобны для доменной плавки куски размером 30…80 мм в поперечнике. На рудниках руду просеивают через так называемые грохоты, и куски более 100 мм в поперечнике подвергают дроблению до необходимых размеров.
При добыче руды в рудниках и дроблении материалов наряду с крупными кусками образуется и мелочь, которая также непригодна к плавке в шахтных печах. Возникает необходимость окускования этих материалов до требуемых размеров. Для этого в металлургии наиболее широко применяют агломерацию (спекание), проводимую на больших ленточных агломерационных машинах непрерывного действия. Исходными материалами для агломерации служат рудная мелочь и колошниковая пыль − отход доменного производства. Эти материалы смешивают с небольшим количеством (8…12 %) мелкого кокса, называемого коксиком, с размером в поперечнике менее 3 мм, или каменноугольной мелочью. Часто в шихту добавляют мелкий, недостаточно спекшийся агломерат.
7
Слегка увлажненную (5…6 % влаги) и хорошо перемешанную шихту слоем 200…300 мм загружают на колосниковые решетки палет, образующих рабочую ленту машины, и затем поджигают с поверхности под камерой зажигания, расположенной над лентой. Под колосниковой решеткой имеются короба, в которых создается небольшой вакуум (остаточное давление 6…12 кПа), обеспечивающий просасывание воздуха через слой агломерационной шихты и перемещение зоны горения коксика с поверхности шихты в ее нижние слои. В зоне горения развивается высокая температура (до 1500 °С), вследствие чего образуется небольшое количество жидкой фазы, которая склеивает куски руды после перемещения зоны горения и охлаждения материала.
В результате образуется ноздревато-пористый черно-серый продукт спекания − агломерат. Производительность крупных агломерационных машин достигает 2,5 тыс. т агломерата в сутки.
Часто производят так называемый офлюсованный агломерат, получаемый путем дополнения в агломерационную шихту мелких кусочков флюса (обычно известняка). В процессе агломерации известняк СаСО3 разлагается, выделяя СО2, и участвует в образовании агломерата. Офлюсованный агломерат еще в большей степени, чем обычный, увеличивает производительность доменных печей (на 10…25 %) и уменьшает расход кокса на доменную плавку (на 7…20 %).
Окускование рудной мелочи проводят и другими способами. В металлургии нередки случаи брикетирования − простейшего способа окускования порошковых материалов путем прессования их смеси с какими-либо связующими материалами (глиной, жидким стеклом, смолой и т. п.). Вынутые из прессов брикеты в зависимости от характера связующего сушат на воздухе или обжигают для придания им необходимой прочности.
Применяют также метод окускования −производство окатышей. Рудную мелочь и пыль с небольшим количеством связующего (глина
8
или известь) и небольшим увлажнением (до 8…10 %) помещают в смеситель типа пустотелого барабана или наклонной неглубокой чаши. Рудная шихта, вращаясь в барабане (чаше), пересыпается с места на место, слипается, образуя круглые окатыши размером 25…30 мм.
Затем окатыши сушат или обжигают. Это делает их достаточно прочными для применения в крупных доменных печах, а также сохраняет от разрушения при транспортировке. Обжиг в восстановительной атмосфере позволяет частично восстановить оксиды железа и повысить тем самым производительность доменных печей.
1.4. Выплавка чугуна
Получение чугуна из железных руд осуществляется в доменных печах, которые являются крупнейшими современными шахтными печами. Большинство действующих печей имеют полезный объем 1300…3000 м3 − объем, занятый загруженными в них материалами и продуктами плавки, высоту примерно 50 м и предназначены для выплавки в сутки до 2000 т чугуна.
Сущность доменной плавки сводится к раздельной загрузке в верхнюю часть печи, называемую колошником, агломерата, кокса и флюсов, располагающихся в шахте печи слоями. При нагреве шихты за счет горения кокса, обеспечиваемого вдуваемым в горн горячим воздухом, в печи идут сложные физико-химические процессы, и шихта постепенно опускается навстречу поднимающимся горячим газам. В результате взаимодействия компонентов шихты и газов в нижней части печи, называемой горном, образуются два несмешивающихся жидких слоя − чугун и шлак.
На рис.1 показана схема современной доменной печи объемом 2700 м3. Два наклонных подъемника с опрокидывающимися скипами вместимостью до 17 м3 доставляют агломерат, кокс и другие добавки на высоту 50 м к засыпному устройству доменной печи, состоящему из двух поочередно опускающихся конусов.
9
В верхней части горна расположены фурменные отверстия (16…20 шт.), через которые в печь под давлением 300 кПа подается обогащенный кислородом воздух при температуре 900…1200 °С.
|
|
|
|
|
10000 т агломерата |
||
|
|
|
|
|
2500 т кокса |
||
|
|
|
|
|
|
||
Колошникового газа |
9 |
|
|||||
|
|
|
|
||||
13 млн т |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Колошник |
||||
8 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Шахт |
|
|
воздуха |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 млн м3 |
||||||
|
|
|
|
|
|
Распар |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
600000 м3 |
природного газа |
|||||
|
Заплечники |
|
|||||||||||||
7 |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
500000 м3 |
кислорода |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
Горн |
|
|
|
||||||
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2500 т |
|||||
5000 т |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
шлака |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
чугуна
4
Рис. 1. Схема доменной печи объемом 2700 м3 и ее примерный суточный баланс: 1 − воздухопровод дутья; 2 − шлаковая летка; 3 − шлаковоз; 4 − лещадь; 5 − чугуновоз; 6 − летка для чугуна; 7 − фурменный прибор; 8 − газоходы;
9 − засыпное устройство
Жидкий чугун выпускают каждые 2…3 ч (а в крупных печах − ежечасно) поочередно через две или три летки, которые для этого вскрывают с помощью электробура. Выливающийся из печи чугун выносит с собой и шлак, находящийся над ним. Чугун направляется по желобам литейного двора в чугуновозные ковши, расположенные
10