Металлургия железа

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА

Выплавка чугуна и стали

Современное металлургическое производство чугуна и стали состоит из сложного комплекса различных производств (рис. ):

Схема современного металлургического производства

1. Шахт и карьеров по добыче руд, каменных углей, флюсов, огнеупорных материалов.

2. Горно-обогатительных комбинатов, на которых подготовляют руды к плавке, обогащают их, удаляя часть пустой породы, и получают концентрат - продукт с повышенным содержанием железа по сравнению с рудой.

3. Коксохимических цехов и заводов, на которых осуществляют подготовку коксующихся углей, их коксование (сухую перегонку при температуре ~1000°С без доступа воздуха) в коксовых печах и попутное извлечение из них ценных химических продуктов: бензола, фенола, каменноугольной смолы и др.

4. Энергетических цехов для получения и трансформации электроэнергии, сжатого воздуха, необходимого для дутья при доменных процессах, кислорода для выплавки чугуна и стали, а также очистки газов металлургических производств с целью охраны природы и сохранения чистоты воздушного бассейна.

5. Доменных цехов для выплавки чугуна и ферросплавов.

6. Заводов для производства различных ферросплавов.

7. Сталеплавильных цехов - конвертерных, мартеновских, электросталеплавильных для производства стали.

8. Прокатных цехов, в которых нагретые слитки из стали перерабатываются в заготовки (блюмы и слябы) и далее в сортовой прокат, трубы, лист, проволоку и т. п.

Современное производство стали основано на двухступенчатой схеме, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных способов последующего его передела в сталь. В процессе доменной плавки, осуществляемом в доменных печах, происходит избирательное восстановление железа из его окислов, содержащихся в руде. Таким образом из руды получают чугун - сплав железа с углеродом более 2,14 %, кремнием, марганцем, серой и фосфором.

Передел чугуна в сталь осуществляют в металлургических агрегатах: в конвертерах, мартеновских и электрических печах. В них из-за ряда происходящих химических реакций осуществляется избирательное окисление примесей чугуна и перевод их в процессе плавки в шлак и газы. В результате получают сталь заданного химического состава.

Продукция черной металлургии. Основной продукцией черной металлургии являются передельный чугун, литейный чугун, доменные ферросплавы, стальные слитки и прокат.

Передельный чугун, используемый для передела на сталь, содержит,%: С -4,0 - 4,4; Si до 0,6 -0,8; Mn до 0,25 - 1,0; P 0,15 - 0,3 и S 0,03- 0,07. Некоторые марки чугуна, предназначенные для передела в сталь в конвертерах, имеют пониженное до 0,07 % содержание фосфора. До 90 % всего выплавляемого чугуна приходится на чугун передельный.

Литейный чугун, предназначенный для производства фасонных отливок способами литья на машиностроительных заводах, имеет повышенное содержание кремния (до 2,75 - 3,25).

Ферросплавы - сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и других металлов. Их применяют для раскисления и производства легированных сталей. К ферросплавам относят доменный ферросилиций, содержащий 9 –13 % Si и до 3 % Mn; доменный ферромарганец, содержащий 70 –75 % Mn и до 2 % Si; зеркальный чугун с 10 – 25 % Mn и до 2% Si.

Стальные слитки, полученные в изложницах или кристаллизаторах, подвергают обработке давлением (прокатке, ковке). Прокат используют непосредственно, в конструкциях (мостах, зданиях, железобетонных конструкциях, железнодорожных путях, станинах машин и т. д.), в качестве заготовок для изготовления деталей резанием и заготовок для последующей ковки и штамповки.

Форму поперечного сечения прокатанного металла называют профилем. Совокупность различных профилей разных размеров называют сортаментом. Сортамент прокатываемых профилей разделяют на следующие группы: заготовки, сортовой прокат, листовой прокат, трубы и специальные виды проката.

Заготовки прокатывают в горячем состоянии непосредственно из слитков. Заготовки квадратного сечения с размерами от 150*150 до 450*450 мм называют блюмами. Они предназначены для последующей прокатки на сортовых станах и в качестве заготовок для изготовления поковок ковкой. Заготовки прямоугольного сечения толщиной 65 - 300 мм и шириной 600 - 1600 мм называют слябами. Их используют для прокатки толстых листов.

Сортовой прокат по профилю подразделяют на две группы: простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и сложной - фасонной формы (швеллеры/двутавровые балки, рельсы, уголки и т. д.).

Листовой прокат подразделяют по назначению (судостроительный, электротехнический, автолист и т. д.) и по толщине. Листовую сталь с толщиной 4 -160 мм называют толстолистовой, а с толщиной 0,2 - 4 мм - тонколистовой. Листы с толщиной менее 0,2 мм называют фольгой.

Трубы также подразделяют по назначению и способу изготовления. Они бывают бесшовные и сварные (с прямым и спиральными швами).

Специальные виды проката - колеса и оси железнодорожных вагонов, кольца, зубчатые колеса, периодические профили и т. п. Периодическим профилем называют прокатанную заготовку, форма и площадь сечения которой периодически изменяются вдоль оси.

Побочными продуктами металлургического производства являются коксовальный газ и извлекаемые из него ценные химические продукты, а также доменный шлак и колошниковый газ. Доменным шлаком называют легкоплавкое соединение флюса (СаСО_>3> - известняк) с пустой породой руды и золой топлива. Шлак используют для строительства дорог, из него изготовляют шлаковату, шлакоблоки, цемент, а колошниковый (доменный) газ после очистки от пыли используют как топливо для нагрева воздуха. вдуваемого в доменную печь, а также в цехах металлургических заводов.

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

Чугун — железоуглеродистый сплав, содержащий более 2 % углерода. Кроме углерода, в нем всегда присутствуют кремний (до 4 %), марганец (до 2 %), а также фосфор и сера. Чугун является основным исходным материалом для получения стали, на что расходуется примерно 80 – 85 % всего чугуна. Вместе с тем чугун — наиболее распространенный литейный сплав.

РУДЫ, ФЛЮСЫ И ТОПЛИВО

Железные руды — основной исходный материал для выплавки чугуна. Рудный минерал (рудное вещество) чаще всего представляет собой окислы железа, хорошо восстанавливающиеся в условиях доменной плавки. Пустая порода обычно состоит из кварца и песчаников с примесью глин.

Руды содержат 60 % железа и больше, наиболее бедные 30 – 40 %.

Красный железняк. Рудный минерал -гематит ( Fe_>2>O_>3>), обычно содержит 50 –60 % Fe. Это наиболее распространенный вид руды во всем мире.

Магнитный железняк. Рудный минерал — магнетит (FeO * Fe_>2>O_>3>), магнитная окись железа, в руде 55 – 60 % Fe.,в т.ч.,%: FeO * Fe_>2>O_>3> -78-85; S- 0,02- 2,5; 0,02 -0,7 P; SiO_>2>, Al _>2>O_>
3>, CaO – 5-10.

Бурый железняк. Рудный минерал - водные окислы железа, в руде обычно содержится 30-50 % Fe.

Шпатовый железняк. Рудный минерал -сидерит, карбонат железа (FeCO_>3>), в руде обычно 30 – 40 % Fe.

Железистые кварциты. Рудный минерал - магнетит или гематит. Эти руды содержат 35 – 40 % Fe с кремнистой пустой породой.

Титаномагнетиты. Комплексная руда, содержащая 15 – 20 % Fe, рудными минералами которой являются магнетит и ильменит FeO*TiO_>2>, титансодержащий минеоал.

Марганцевая руда входит в состав шихты доменных печей при выплавке некоторых марок чугуна, а также ферромарганца (до 82 % Мn). В ней марганец находится в виде пиролюзита МnО_>2> и других соединений. Содержание марганца в руде обычно составляет 25 – 50 %.

Доменные флюсы необходимы для удаления из доменной печи тугоплавкой пустой породы руды и золы топлива. Сплавляясь с флюсом, они образуют легкоплавкий сплав – доменный шлак. В качестве флюса используют известняк ( CaCO_>3>).

Топливо в доменной печи служит не только источником тепла, но реагентом, обеспечивающим восстановление железа из руды и образование чугуна. Кокс является главным видом топлива в доменных печах.

Кокс представляет собой твердую пористую спекшуюся массу, получающихся из коксующихся каменных углей после удаления из них летучих веществ в специальных печах путем пиролиза, т.е. разложения при прокаливании измельченного угля без доступа воздуха при 950- 1100⁰С в течение 15- 18 ч.

Металлургический кокс в среднем содержит 85- 90 % углерода, 0,5 – 2 % серы, до 0,2 % фосфора, около 1 % летучих, 10 -13 золы, до 5 % влаги.

Побочными продуктами металлургического производства являются коксовальный газ , а также доменный шлак и колошниковый газ.

Коксовый газ содержит 46-63 % водорода, 21- 27 % метана, 2-7 % оксила углерода, 4- 18 % азота. Он используется как топливо в коксовых и других печах, а также как сырье в химической промышленности.

Доменный (колошниковый) газ – побочный продукт при выплавке чугуна в доменных печах. Его используют на металлургических заводах в качестве топлива в чистом виде или в смеси с коксовым газом.

Доменным шлаком называют легкоплавкое соединение флюса (СаСО_>3> - известняк) с пустой породой руды и золой топлива. Шлак используют для строительства дорог, из него изготовляют шлаковату, шлакоблоки, цемент, а колошниковый (доменный) газ после очистки от пыли используют как топливо для нагрева воздуха. вдуваемого в доменную печь, а также в цехах металлургических заводов.

Производство чугуна.

В настоящее время для выплавки чугуна используют лишь около 5 % сырой железной руды; 95 % всей руды до плавки подвергают предварительной подготовке.

Доменная печь работает нормально, если она загружена кусковым материалом оптимального размера. В металлургии применяют процессы получения кусковой шихты: агломерацию ( спекание); окатывание (производство окатышей).

Агломерацию — процесс окускования мелкой руды, концентратов и т. п. спеканием — наиболее часто проводят на машинах ленточного типа. Они представляют собой конвейер, состоящий из большого количества спекательных тележек, двигающихся по направляющим рельсам (рис.).

«Днищем» этих тележек служит колосниковая решетка. На нее загружается тонкий слой мелкого агломерата (постель), чтобы агломерируемая шихта не сыпалась книзу. Затем загружается тщательно перемешанная, увлажненная (7—9 %) и окомкованная шихта. Ее основные железосодержащие компоненты следующие: мелкая и пылеватая железная руда (крупность менее 10 мм), железорудный концентрат, возврат агломерата (менее 10 мм), колошниковая пыль (см. с. 38), иногда окалина, мелкая металлическая стружка и т. д. Топливом (4 – 6 % от массы шихты) служат коксик - мелкий кокс (менее З мм) и антрацитовый штыб (пыль).

Рис. . Схема агломерационной машины:

/~барабанный питатель для загрузки шихты; 2—направляющие рельсы;

3 — зажигательный горн; 4— спекательные тележки; 5— вакуум-камеры (эксгаустеры)

Сущность агломерации поясняет схема, приведенная на рис. 3. После зажигания газовыми горелками начинается горение топлива, причем зона горения постепенно перемещается вниз. Воздух просасывается через слой шихты (200 - 350 мм) с помощью вакуумных устройств (эксгаустеров). В зоне горения при 1300 - 1500° С происходит спекание шихты в пористый продукт - агломерат. При нагревании образуются, а затем расплавляются относительно легкоплавкие соединения. Образующиеся жидкие фазы обтекают, смачивают и связывают твердые частицы шихты. При последующем охлаждении жидкость затвердевает, обеспечивая образование прочных кусков агломерата.

При агломерации происходит частичное восстановление окислов железа.

Fe_>2>O_>3> + CO = FeO

FeO + CO = Fe + CO_>2>

Из руды на 85- 95% удаляется сера:

FeS_>2> + 2O_>2> = FeO + 2SO_>2>

Куски агломерата размером более 10 мм направляются в доменный цех. Более мелкий агломерат возвращается на переработку (возврат).

Рис. . Схема процесса спекания:

1 — колосниковая решетка; 2 — постель; 3—слой агломерируемой шихты; 5— зона горения и спекания; 5 — слой агломерата

В нашей металлургии применяют только офлюсованный агломерат. Для его получения в шихту вводят мелкоизмельченный флюс – известняк. Применение офлюсованного агломерата улучшает условия образования шлака в доменной печи, ускоряет процесс плавки, уменьшает затраты топлива, приводит к значительному повышению производительности дменной печи ( на 25- 30 %) и снижению расхода кокса (до 20 % ).

Окатывание (производство окатышей).

Тонкоизмельченные концентраты обладают пониженной газопроницаемостью. Их спекание на агломерационных машинах оказалось малопроизводительным и экономически невыгодным. Эффективным способом окускования таких концентратов является окатывание.

Сзема производства окатышей из тонкоизмельченного концентрата ( меньше 0,5 мм) , известняка ( флюс) и возврата (отбракованых окатышей). Для лучшего окатывания шихту увлажняют ( 8- 10 %) и в ее состав добавляют небольшое количество связующего- бентонитовой глины и др.

Сырые окатыши диаметром 20- 30 мм получают во вращающихся барабанах или тарельчатых грануляторах ( рис ). Далее окатыши подвергают сушке ( 200 – 400 ^оС), а затем обжигу при 1300 – 1400 ⁰С.

При нагреве до 1000- 1050 ^о С Fe_>3>O_>4> окисляется до Fe_>2>O_>3>; при более высокой температуре происходит рекристаллизация: из мелких зерен Fe_>2>O_>3>образуются крупные_>>зерна и мостики между ними, что приводит к упрочнению окатыщей В офлюсованных окатышах упрочнение происходит такжк из –ща образования жидкой фазы.

После охлаждения окатыши сортируют на грохоте; фракция < 10 мм возвращается на перработку (возврат)

Устройство доменной печи

Сущность доменной плавки сводится к раздельной загрузке в верхнюю часть печи, называемой колошником, агломерата, кокса и флюсов, располагающихся в шахте печи слоями и выгрузкой продуктов плавки ( чугун и шлак) из нижней части печи через летки, а через верх удаляются газы. При нагревании шихты за счет горения кокса, которое обеспечивает вдуваемый в горн горячий воздух, 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. показана схема доменной печи. Два наклонных подъемника с опрокидывающимися скипами доставляют агломерат, кокс и другие добавки на высоту 50 м к засыпному устройству доменной печи, состоящему из двух поочередно опускающихся конусов.

В верхней части горна расположены фурменные отверстия (16— 20 шт.), через которые в печь под давлением около 300 кПа (3 ат) подается обогащенный кислородом воздух при температуре 900—1200 °С.

Жидкий чугун выпускают каждые 3 - 2 ч (а в крупных печах ежечастно) поочередно через две или три летки, которые для этого вскрывают с помощью электробура. Выливающийся из печи чугун направляется по желобам литейного двора в чугуновозные ковши, расположенные на железнодорожных платформах. Шлак, выливающийся с чугуном, предварительно отделяют от чугуна в желобах с помощью перекрывающих затворов и направляют в шлаковозы. Кроме того, часть шлака иногда выпускают из доменной печи до выпуска чугуна через шлаковую летку. После выпуска чугуна летку забивают пробкой из огнеупорной глины с помощью электромагнитной пушки.

Печь монтируют в прочном сварном стальном кожухе, интенсивно охлаждаемом водой. Внутри печь выкладывают высококачественным шамотным кирпичом, а отдельные части печи изготовляют из прессованных углеродистых блоков.

Рис. . Схема доменной печи 2700 м³ и ее примерный суточный баланс:1 — чугунная летка; 2 — шлаковая летка; 3 — фурменный прибор; 4 — лещадь; 5 — чугу-нопоз; 6 — шлаковозы; 7 — газоотводы; 8 — засыпное устройство; 9 — фундамент; 10 — воздухопривод дутья

Условно процесс, протекающий в доменной печи, можно разделить на следующие этапы:

горение углерода топлива;

разложение компонентов шихты;

восстановление окислов;

науглероживание железа;

шлакообразование.

Горение углерода топлива происходит главным образом возле фурм, где основная масса кокса, нагреваясь, встречается с нагретым до температуры 900—1200 °С кислородом воздуха, поступающим через фурмы. Образовавшаяся при этом углекислота вместе с азотом воздуха, поднимаясь, встречается с раскаленным коксом и взаимодействует с ним по реакции СО _>2> + С = 2СО.

Эта реакция обратима, причем ее равновесие сдвигается вправо при повышении температуры и влево при понижении.

Восстановление окислов может происходить окисью углерода, углеродом и водородом. Главная цель доменного процесса - восстановление железа из его окислов. Восстановление окислов железа идет ступенчато по следующей схеме: Fе_>2>О_>3> → Fе_>3>O_>4>→ FeO → Fe.

Главную роль в восстановлении окислов играет окись углерода:

Эта реакция практически необратима, протекает легко при очень низкой концентрации СО в газовой фазе. Для развития следующей реакции вправо необходимы температура не ниже 570 °С и значительный избыток СО в газах:

Fе_>3>O_>4> + СО = 3 FeO + СО _>2> + Q.

Затем происходит образование твердой железной губки по реакции

Науглероживание железа происходит за счет взаимодействия твердого губчатого железа с печными газами, содержащими значительное количество СО:

Образование сплава железа с углеродом, имеющего температуру плавления ниже, чем чистое железо, приводит к формированию капель жидкого чугуна, которые, стекая в нижнюю часть печи через слой раскаленного кокса, еще более насыщаются углеродом.

Шлакообразование активно развивается при прохождении шихты в области распара после окончания процессов восстановления окислов железа в доменной печи. Шлак состоит из окислов пустой породы и золы кокса, а также флюса, специально добавленного в печь, чтобы обеспечить достаточную жидкотекучесть шлака при температуре 1400—1450 °С. Основные составляющие доменного шлака — кремнезем (30—45 %), окись кальция (40—50 %), глинозем (10— 25 %).

Шлаки, получаемые в доменной печи, в последние годы широко используют в промышленности, перерабатывают на цемент и другие строительные материалы (шлаковую вату для теплоизоляции, шлаковые блоки и др.).

В верхней части печи из шихты отделяются газообразные продукты реакций и азот воздуха. Газы, выделяющиеся из доменной печи, называют обычно колошниковыми. Газ состоит из 26—32 % окиси углерода, 9—14 % двуокиси углерода и 54—58 % азота.

Восстановление других элементов

В доменную печь с шихтовыми материалами попадают марганец, кремний, сера и другие элементов в виде различных химических соединений. Эти элементы частично или полностью восстанавливаются и входят в состав чугуна, улучшая или ухудшая его свойства.

Марганец: Высшие окислы марганца восстанавливаются до закиси марганца (Mn) окисью углерода, аналогично окислам железа:

MnO _>2> →Mn_>2>O_>3> → Mn_>3>O_>4> → MnO

При температуре выше 1100 ^оС протекает реакция с образованием марганца:

MnO + CO → Mn + CO_>2>

Кремний находится в пустой породе руды и в золе кокса в виде свободного кремнезема SiO_>2> или в виде силикатов (SiO_>2>* 2 CaO и др.).

Восстановление кремния происходит из кремнезема по реакции:

SiO_>2> + 2 C = Si + 2CO

Эта реакция протекает с поглощением тепла при температурах не ниже 1450 ⁰С.

Другие полезные примеси – никель, ванадий, титан и т.д. – попадают в доменную печь в виде примесей железной руды. При доменной плавке никель восстанавливается и переходит в чугун полностью, хром – на 85- 95 %, ванадий –на 70 – 80 %.

Фосфор – вредная примесь железных руд находится в них главным образом в виде P_>2>O_>5>*3 CaO. Весь фосфор, внесенный шихтой, восстанавливается и переходит в чугун практически полностью.

Сера - особенно вредная примесь в чугуне ( а также в стали). Основное количество серы вносит кокс, часть железная руда, агломерат, окатыши.

Вдоменной печи 10 -20 % серы удаляется в виде соединений (SO_>2>, H _>2>S)/ Остальная часть серы переходит в чугун и в шлак в виде сульфидов FeS, CaS/

В условиях доменной плавки основным способом десульфуризации, т.е. удаления серы из металла, является образование сульфида кальция по реакции

FeS + CaO = FeO + CaS

Сульфид кальция нерастворим в чугуне и находится в шлак. Наиболее интенсивно эта реакция протекает при прохождении капель чугуна через слой шлака.

Из этого следует, что одним из основных условий удаления серы из металла является достаточное количество извести СаО в шлаке.

Часть серы удаляется с помощью магнезита, а также марганца:

FeS + MgO = FeO + MgS

FeS + MnO = FeO + MnS

Сульфид магния нерастворим в металле, а сульфид марганца растворяется незначительно.

Важным процессом является шлакообразование. Начинается процесс примерно в распаде печи. Первичный шлак образуется в результате сплавления CaO, SiO_>2>? Al_>2>O_>3> и других окислов, находящихся в составе флюса и пустой породы. При определенных соотношениях по массе эти тугоплавкие окислы могут образовывать легкоплавкие смеси – сплавы с температурой плавления 1150- 1200 ^оС. Стекая вниз и накапливаясь в горне, шлак существенyо изменяет свой состав. В результате взаимодействия с расплавленным чугуном и остатками несгоревшего кокса в шлаке восстанавливаются окислы железа и марганца, в нам растворяются сульфиды железе и марганца, зола кокса и т.д. Химический состав шлака определяет состав чугуна и поэтому при выплавке передельных, литейных и других чугунов всегда подбира ют шлак соответствующего состава.

Типовой состав шлака: 40-50 % CaO; 38-40 % SiO _>2> 7-10 % Al_>2>O_>3>.