Материалы для производства цветных металлов и сплавов

РАЗДЕЛ ІІ

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Заключается в получении металлов и сплавов методом выплавки из руд и обработке при высоких температурах.

Основными сплавами, получаемыми в металлургии, является сталь и чугун, поэтому металлургическое производство состоит из доменного производства и сталеплавильного: доменные печи, мартеновские печи, конвертеры и электропечи.

Для производства чугуна, стали и сплавов цветных металлов применяют исходные сырые материалы – руду, топливо, флюсы, а также огнеупорные материалы.

Глава І

Материалы для производства цветных металлов и сплавов

§ 1. Руда

В природе большинство металлов находится в виде различных химических соединений (окислов, силикатов, карбонатов), входящих в состав сложных минералов и образующих горные породы. Для получения металлов добывают те горные руды, которые содержат в значительном количестве какой-либо металл и извлечение его экономически целесообразно. Такие породы называют рудами. Кроме соединений, содержащих добываемый металл, в руде присутствуют другие соединения, составляющие так называемую, пустую породу. В процессе обработки руды и плавки из этих соединений частично извлекаются элементы, которые становятся примесями в добываемом металле. Большая же часть пустой породы отделяется или сплавляется с флюсами, образуя шлак. Например, железная руда наряду с окислами железа содержит пустую породу, которая в основном состоит из окиси кремния, алюминия, кальция и магния, которые находятся в виде различных сложных соединений.

В зависимости от количества добываемого металла руды бывают богатыми и бедными. Богатые железные руды содержат 45-50% железа и более. Бедные руды имеют меньшее содержание железа и их подвергают специальной обработке (обогащению) для удаления из нее части пустой породы и получению продукта (концентрата) с увеличенным содержанием железа.

Пылевидные железные руды подвергаются спеканию в пористый кусковый продукт, называемый агломератом.

Процессами обработки железных руд, а также процессами непосредственного получения металлов и сплавов, и занимаются предприятия металлургической промышленности.

§ 2. Флюсы

Флюсами называется материал, загружаемый в плавильную печь для образования легкоплавкого шлака нужного состава. При производстве чугуна в шлак сплавляют: пустую породу руды, агломерата, окатышей, а также флюс, золу кокса. При производстве стали, шлак образуется из флюса, а также из окислов, сульфидов и др. соединений, получающихся из плавки. Шлак имеет меньший удельный вес, чем выплавляемый металл, поэтому он располагается над металлом и может быть удален. Во многих случаях шлак служит для защиты металла от печных газов и воздуха.

Флюсом может служить кварцевый песок при плавке в кислых печах, а также известняк или известь при плавке в основных печах.

В доменном процессе флюсом служит известняк (СаСО₃), в котором более 50% СаО или доломитизированный известняк, содержащий СаСО₃ и МаСО₃.

§ 3. Топливо

На промышленных предприятиях применяют твердое, жидкое и газообразное топливо. Оно может быть естественным (природным) или искусственным.

Основными видами топлива, применяемого в металлургических печах, является кокс, коксовый газ, мазут, доменный газ, генераторный газ и природный газ. В некоторых печах и устройствах используют также древесный уголь, торф, дерево, каменный уголь.

Кокс – основное топливо доменных печей. Получение кокса производится при нагревании без доступа воздуха коксующихся сортов каменного угля. Коксовые батареи состоят из 40 – 75 печей, представляющих собой относительно узкие (0, 4 – 0, 5 м) камеры высотой 4, 5 – 6, 0 м, выложенные огнеупорным кирпичом. Между рабочими камерами имеются обогревающие простенки, где происходит сгорание газа, нагревающего стенки печи до 1 350 – 1 420°С.

Размолотый и слегка увлажненный каменный уголь загружают в камеры, где он при нагревании, сперва размягчается, при этом из него начинают выделяться газообразные продукты, а затем спекается и отвердевает в виде пористой массы кокса, которая в процессе выделения газов растрескивается, а затем распадается на куски. Газ, выделяющийся из камеры через отверстие в своде печи, направляется в химическое отделение, где из него извлекают аммиак, бензол, смолу и др. ценные химические продукты. После этого коксовый газ используют в качестве топлива. Его теплота сгорания около 4500 ккал/м³.

Раскаленную массу («коксовый пирог») выталкивают из камеры в специальный вагон и охлаждают (тушат) водой или инертными газами, а затем отправляют на сортировку. Процесс получения кокса длится 14 – 16 ч. Прочные пористые куски кокса размером от 25 до 100 – 200 мм светло серого цвета являются хорошим топливом для доменных печей. Теплота сгорания кокса в среднем 7000 ккал/кг. Химический состав кокса в зависимости от месторождения угля: 80 – 88 % С, 0, 5 – 1, 8% S, до 0, 015 – 0, 04 % Р, 8 – 12 % золы, до 5 % влаги.

Древесный уголь – почти не содержит фосфора и серы, золы всего 1 – 2 %, поэтому способствует получению высококачественных сортов чугуна. Но он мало прочен и легко разрушается, поэтому в больших доменных печах не применим. Его теплота сгорания 7000 ккал/кг.

Мазут – является очень хорошим жидким топливом для мартеновских и др. металлургических печей. В его составе содержится: 84 – 86 % С, 10 – 13 % Н, 0, 2 – 0, 7 % S, 0, 2 – 0, 3 % золы, 0, 5 – 0, 8 % N. Теплота сгорания его – 9 500 – 10 000 ккал/кг.

Доменный или колошниковый газ получается как побочный продукт в доменном производстве. Его применяют после очистки от пыли в смеси с коксовым газом, как топливо в мартеновских печах. Или же отапливают воздухонагреватели или др. печи и устройства. Теплота сгорания – 900 – 1 000 ккал/м³.

Генераторный газ – получают в результате специального сжигания твердого топлива (дерева, бурого угля, торфа) в газогенераторах. Его используют в качестве топлива в мартеновских и др. печах. Теплота сгорания - 1 150 – 1 500 ккал/м³.

Природный газ – применяют как топливо в различных металлургических печах. Его теплота сгорания 7 900 – 12 000 ккал/м³. Природный газ является лучшим топливом для мартеновских печей.

§ 4. Огнеупорные материалы

В большинстве промышленных способов получения металлов и сплавов имеют место процессы плавки при высоких температурах. Поэтому внутреннюю облицовку (футеровку) металлургических печей и др. устройств, а также ковшей для разливки металла делают из материалов, обладающих огнеупорностью, способностью выдерживать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температур и химическому воздействию шлака и печных газов. Огнеупорные материалы применяют в виде кирпичей разных форм и размеров, фасонных изделий (трубок, пробок), а также порошков и растворов для заполнения швов между кирпичами при кладке печей.

По химическим свойствам огнеупорные материалы бывают кислые, основные и нейтральные.

Материалы, в которых содержится большое количество кремнезема (SiO₂), называются кислыми.

Материалы, в которых много извести (СаО) и окиси магния (MgO) называются основными.

Материалы с высоким содержанием глинозема (Al₂O₃) или окиси хрома (Сr₂O₃) относятся к нейтральным.

Если рабочее пространство плавильной печи выложено из кислых огнеупорных материалов, то печь называется кислой, а если из основных материалов, то основной.

По степени огнеупорности материалы разделяют на огнеупорные (1580 – 1770°С), высокоогнеупорные (1770 – 2000°С) и высшей огнеупорности (выше 2000°С).

К кислым материалам относятся:

1. кварцевый песок, в котором не менее 95% SiO₂. Применяют для наварки и набивки подин кислых сталеплавильных печей.

2. динасовый кирпич и изделия изготовляемые из кварцита и кварцевого песка, содержащего более 93 – 97% SiO₂. Огнеупорность динаса не менее 1690 – 1720°С. Им футеруют мартеновские, електросталеплавильные печи, конвертеры, коксовые печи.

К основным материалам относятся:

1. магнезитовый металлургический порошок, который получается после отжига природного магнезита (MgCO₃). Он содержит 85 – 88 % MgO и применяется для наварки и набивки подин основных сталеплавильных печей.

2. магнезитовый кирпич изготовляют из обожженного магнезита. Он содержит не менее 86 – 90% MgO, его огнеупорность более 2000° С, применяется для кладки пода и стен основных мартеновских и электросталеплавильных печей. Обладает относительно невысокой термостойкостью.

3. магнезитохромитовый кирпич содержит 60 % MgO и 8 – 13 % Сr₂O₃. Обладает огнеупорностью свыше 2000°С, термостойкостью и шлакоустойчивостью, применяется для кладки сводов мартеновских печей.

4. доломитовый порошок получают после обжига доломита (MgCO₃∙ СаCO₃) он содержит 32 – 36 % MgO и 50 – 58 % СаО. Применяется вместе с магнезитовым порошком для наварки подин и откосов основных сталеплавильных печей.

5. хромомагнезитовый кирпич содержит 42 % MgO и 15 – 20 % Сr₂O₃. Огнеупорность свыше 2000°С. Применяется в мартеновских печах.

К нейтральным материалам относятся:

1. шамотный кирпич и изделия. Их изготавливают из смеси сырой и обожженной глины. В их составе содержится 50 – 60 % SiO₂ и 30 – 42 % Al₂O₃. Огнеупорность шамота 1580 – 1730°С. Шамотные изделия применяют для футеровки доменных печей, разливочных ковшей, газогенераторов и др..

2. углеродистый кирпич, блоки и др. изделия содержат 92 % С, они высокоогнеупорные, применяются для кладки доменных печей, электролизных ванн для получения алюминия, сталеразливочных ковшей, тиглей для плавки медных сплавов.

Глава ІІ