Высокотемпературные процессы черных металлов в производстве

где V— полезный объем доменной печи, м³; Q — количе­ство чугуна, выплавляемого в среднем за сутки, т. Чем меньше КИПО, тем выше производительность доменной печи. В СССР КИПО в среднехМ колеблется от 0,5 до 0,7.

Технико-экономические показатели работы доменной печи зависят от содержания железа в руде, степени ее подготовки к плавке, качества топлива, степени интенси­фикации процесса, конструкции печи и полезного объема печи, степени автоматизации и механизации процессов доменного производства.

Производство стали.Похимическохму составу сталь делится на углеродистую и легированную.

Углеродистая сталь — сплав железа с углеродом (до 2 %). В стали содержится также марганец (до 0,8 %), крем­ний (до 0,4 %), а также вредные примеси — фосфор (до 0,07%) и сера (до 0,06%).

В зависимости от содержания углерода углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3 —0,6% С) и высокоуглеродистые (свыше 0,6% С).

В легированные стали кроме перечисленных выше элементов для получения особых свойств дополнительно вводят такие элементы, как хром, никель₃ вольфрам, мо­либден, ванадий и т. д. В зависимости от количества ле­гирующих присадок легированные стали делятся на низ­колегированные (до 2,5 %), среднелегированные (до 2,5 — 5%), высоколегированные стали (свыше 5%).

В современной металлургии сталь выплавляют в кис­лородных конвертерах, мартеновских и электрическихпе­чах (дуговых и индукционных). Для получения стали осо­бо высокого качества применяют рафинирование или электрошлаковый переплав. При одинаковом заданном составе исходных материалов свойства стали в сильной мере зависят от способа ее получения.

Исходным материалом для производства стали являются передельный чугун и скрап (стальной и чу­гунный лом, стружка, обрези и т. п.).

Суть процесса производства стали сводится к удале­нию из чугуна избытков углерода, кремния, марганца, серы, фосфора и др. Для этого расплав железа нагревают до высоких температур. Нагрев осуществляется двумя способами: химической теплотой, полученной в результате окисления примесей в чугуне, или теплотой, полученной за счет сжигания топлива или превращения электриче­ской энергии в тепловую.

Среди наиболее важных тенденций развития сталепла­вильного производства следует указать на преимуще­ственный рост выплавки стали кислородно-конвер­терным способом (снижение доли мартеновской стали), увеличение мощности агрегатов, совершенствование тех­нологии плавки, расширение сортамента сталей. На­чинают развиваться и внедоменные способы производ­ства стали.

Свыше половины всей выплавляемой в мире стали производится в кислородно-конвертерных цехах. К пре­имуществам кислородно-конвертерного способа относят­ся высокая интенсификация плавки за счет продувки кис­лородом, стабильность сортамента выплавляемой стали, возможность получения высококачественных сталей, в том числе низколегированных сталей для листового и сортового проката, труб, химического оборудования, для электротехнических целей и т. д. Резкое увеличение емкости конвертеров до 250 — 350 т, интенсивность про­цессов окисления, стойкость футеровки конвертеров, со­кращение продолжительности плавки до 30 мин — все это делает кислородно-конвертерный способ производ­ства наиболее перспективным. Один конвертер вмести­мостью 250 т дает 1200 тыс. т стали в год, тогда как мартеновская печь (500 т) дает около 400 тыс. т стали в год.

Однако наиболее совершенным методом производ­ства стали является ее выплавка в- электропечах, в ко­торых можно получать более высокие температуры (до 6000 °С)₁ чем в иных методах. Это позволяет получить стали с максимальным удалением вредных примесей (серы и фосфора) и стали с большим содержанием туго­плавких легирующих элементов. В электропечах отме­чается снижение потерь железа вследствие его угара, так как процесс ведется с меньшим доступом воздуха, но при более высокой интенсивности.

В настоящее время наблюдается возрастание темпов производства стали в электропечах. Однако развитие электрометаллургии носит сдержанный характер вслед­ствие малой производительности процесса, большого по­требления электроэнергии, высокой себестоимости стали (продолжительность плавки в 100-тонной печи составляет 6-7 ч при расходе электроэнергии на 1 т стали около 600 кВт-ч).

Кислородно-конвертерный процесс. Сущность этого способа получения стали заключается в том, что через расплавленный чугун продувается технически чистый (95,5 %) кислород, который, соединяясь с примесями, уво­дит их в шлак и отходящие газы, очищая тем самым металл.

Конвертер, показанный на рис. 5.4, представляет со­бой стальной сосуд грушевидной формы с глухим дном. Наружная часть — кожух 4 изготовляется из толстоли­стовой стали. Внутренняя часть фу­терована основным огнеупорным ма­териалом. Конвертер цапфами 2 .опи­рается на стойки 1 и имеет возмож­ность поворачиваться вокруг оси цапф, что необходимо при таких операциях, как заливка жидкого чу­гуна в конвертер, выпуск стали и шлака.

Подвод кислорода в конвертер под давлением 0,9—1,4 МПа осу­ществляют сверху через горловину с помощью водоохлаждаемой мед-

ной фурмы 3. Сначала в конвертер загружают холод­ные материалы: стальной скрап, известь, железную руду, затем заливают расплавленный чугун. Конвертер устанав­ливается в вертикальное положение и подается кислород­ное дутье. Первый период плавки характерен окислением железа

Fe + 0,5О₂ àFeO + Q.

Затем оксид железа окис­ляет кремний и марганец:

2FeO + Si à2Fe + SiO₂ + Q

Рис. 5.4 FeO + MnàFe + MnO + Q

Полученные оксиды, соединяясь между собой (и окси­дом кальция), образуют шлак.

Второй период — окисление углерода

FeO+CàFe+CO-Q

Загруженный в конвертер известняк при температуре свыше 1000 °С распадается с образованием оксида каль­ция

СаСО₃àСаО + CQ₂ - Q

Дефосфорация (удаление фосфора) осуществляется с помощью оксида кальция

2Р + 5FeO + 4СаОà(СаО)₄ • Р₂О₅ + 5Fe + Q

Полученное нерастворимое соединение (СаО)₄Р₂О₅ удаляется в шлак.

Одновременно происходит процесс десульфурации (удаление серы)

FeS + СаОàFeO + CaS + Q

Завершающей операцией является раскисление стали, которое производят доя частичного удаления из распла­ва кислорода, присутствующего в виде оксида железа FeO, который уменьшает прочность, снижает ее пластич­ность:

FeO + MnàFe + MnO + Q

2FeO + Si2àFe + SiO₂ + Q

3FeO + 2A1à3Fe + A1₂O₃ + Q

По степени раскисления различают кипящую, спокой­ную и полуспокойную сталь. Кипящая — наименее рас­кисленная сталь, образующаяся при раскислении одним ферромарганцем. Впечатление «кипения» придают ей вы­деляющиеся пузырьки СО. Спокойная сталь — пол­ностью раскисленная (ферромарганцем, ферросилицием, алюминием). В результате введения раскислителей выде­ление пузырьков СО прекращается.

В кислородных конвертерах можно выплавлять и низ­колегированную сталь. В этом случае в конце плавки в конвертер или в ковш при выпуске стали загружают со­ответствующие ферросплавы.

Вместимость современных конвертеров 300 — 500 т. Продолжительность плавки 25 — 30 мин. Преимуществом кислородно-конвертерного способа является высокая производительность процесса, простота устройства пе­чи, отсутствие необходимости использования топлива для нагрева металла, невысокие эксплуатационные рас­ходы.

Мартеновский способ получения стали из чугуна, сталь­ного и железного лома с добавкой руды отличается большой продолжительностью (4—12 ч) и худшими тех­нико-экономическими показателями. Например, по себе­стоимости мартеновская сталь на 3 — 5 % выше себестои­мости кислородно-конвертерной стали, а по удельным капитальным вложениям больше на 20 — 30%; 12 боль­шегрузных мартеновских печей могут быть заменены двумя кислородными конвертерами по 400 т каждый, обеспечивая ту же годовую производительность. По этой причине в большинстве развитых стран выплавку в мар­теновских печах сокращают и новые печи не строят. Старые печи ставят на консервацию, заменяют на кон­вертеры либо переделывают в двухванные. В двухванных печах под одним сводом печи располагаются две одина­ковые плавильные емкости. Пока в одной ванне идет продувка кислородом и выплавка стали, в другой тепло­та раскаленных отходящих газов утилизируется на про­ведение подготовительных операций по подогреву и рас­плавлению шихты. Это экономит топливо и время на проведение процесса. Замена однованных мартеновских печей двухванными снижает капитальные затраты, повы­шает производительность печи, сокращает расход топлива и огнеупоров.

В зависимости от футеровки печи различают основ­ной и кислый мартеновский процессы. Наиболее распро­странен основной процесс. В зависимости от исходных ма­териалов мартеновский процесс делится на скрап-процесс и скрап-рудный процесс. При скрап-процессе шихта co­rn

держит до 60 — 85% стального лома (скрапа) и 15 — 40% передельного чугуна в чушках, а при скрап-рудном про­цессе основной частью шихты является жидкий чугун, а остальное — небольшие добавки скрапа (10—15%), же­лезной руды и флюсов. Скрап-рудный процесс осущест­вляется на заводах, имеющих доменное производство, а скрап-процесс — в металлургических цехах машино­строительных заводов. Печи работают на природном га­зе или мазуте. Окислителями углерода и примесей чугуна являются оксиды железа, раскислителями — ферроспла­вы. Физико-химические основы окисления примесей, удаление фосфора и серы, шлакообразования и раскисления аналогичны описанным в конвертерном способе про­изводства стали. Скорость и ход плавки корректируют тепловым режимом и введением различных шлакообразующих веществ.

Мартеновский процесс обеспечивает возможность переработки в неограниченном количестве стального ло­ма, а также чугуна (даже твердого) любого сплава. Стали с высокой температурой плавления и улучшенными каче­ственными показателями варят в электропечах.

Производство стали в электрических печах. В электри­ческих дуговых и индукционных печах отсутствие окисли­тельного пламени и незначительный доступ воздуха создают восстановительную атмосферу и обеспечи­вают возможность более тщательного раскисления ста­ли. Дуговая электрическая печь, устройство которой схематично показано на рис. 5.5, имеет стальной ко­жух 7, выложенный изнутри огнеупорным материалом. Съемный свод имеет отверстия для электродов 2, ко­торые могут перемещаться по вертикали для регулирова­ния дуги. Электроды закрепляются в электрододержателях, соединенных со вторичной об­моткой печного трансформатора. Электрическая дуга, образующаяся между электродами и загруженным металлом, развивает температуру до 10000 °С.

Завалка шихты осуществляется через боковое окно 3 или сверху (при наличии съемного свода). После загрузки печи металлической шихтой электроды опускаются и вклю­чается ток.

Выпуск готового металла проис-

Рис. 5.6

ходит через летки 5. Для наклона печи (при выпуске шлака и готового металла) печь имеет дугообразные сегменты 4, опирающиеся на ролики. Поворот осущест­вляется с помощью гидравлического или электрического привода. Если надо выпустить шлак, печь наклоняется на 10-15° в сторону рабочего окна. При выпуске металла печь наклоняется на 45° в сторону выпускного желоба.

Шихта для плавки в дуговых печах содержит 90% стального скрапа и 10% передельного чугуна. Емкость современных дуговых печей доходит до 200 — 300 т. В индукционных печах выплавляются нержавеющие, жаропрочные стали. Наибольшее распространение полу­чили высокочастотные печи (рис. 5.6). Такие печи пред­ставляют собой тигель i, вокруг которого располагается спиральный многовитковый индуктор 2, выполненный из медной трубки, в которой циркулирует вода для охлаж­дения индуктора. Тигель и индуктор установлены в кар­касе 3 печи. При пропускании тока через индуктор загру­женный в тигель металл находится в быстро переменном электромагнитном поле и разогревается индуктированными токами. Загрузка шихты осуществляется сверху, а выпуск готового металла — через сливной желоб 4.

Широкое распространение получил разработанный в институте электросварки им. Е. О. Патона процесс электрошлакового переплава стали (ЭШП). Перепла­вляемый металл в виде расходуемого электрода 1 (рис. 5.7) плавится в слое шлака 2, нагретого до 2000 °С. Капли металла, проходящего через слой шлака, рафинируются и собираются в кристаллизаторе 3. Там жидкий металл постепенно охлаждается и твердеет.

Электронно-лучевой переплав- (ЭЛП) применяют для получения сталей особо высокой чистоты. Плавление ме­талла в форме расходуемого электрода происходит в глубоком вакууме под действием направленного пото­ка электронов, излучаемых катодной пушкой.

В целях улучшения качества стали ее обрабатывают синтетическими шлаками, применяют внепечное вакуумированное или разливают в струе аргона. Для более эф­фективного использования печей применяют дуплекс-процесс.

Внедоменные способы получения стали. Из многочис­ленных способов прямого восстановления железа наибо­лее перспективными и прогрессивными являются: восста­новление в «кипящем» слое, получение губчатого железа и металлизация рудно-угольно-флюсовых окатышей.

Сущность способа восстановления железа в «кипя­щем» слое иллюстрируется рис. 5.8. Мелкоизмельченная обогащенная руда или концентрат 1 из бункера 2 подает­ся на решетку 3 подины печи, через которую под давле­нием 0,15 МПа пропускают водород (или другой газо­образный восстановитель). Под давлением водорода ча-

Рис. 5.7 Рис. 5.8

стицы руды оказываются во взвешенном состоянии, образуя «кипящий» слой 4. Восстановленные частицы в виде железного порошка «переливаются» через порог 5 печи.

Недостатком данного процесса является то, что зерна концентрата в процессе восстановления слипаются, что вызывает снижение температуры процесса и соответ­ственно снижает скорость процесса восстановления. Про­изводительность таких печей 300 т/сут.

Губчатое железо получают в туннельных (в капсулах) или шахтных печах.

В карбидокремниевые капсулы загружается твердое топливо и известняк, затем мелкоизмельченная руда, да­лее опять слой восстановителя и известняка. Капсулы устанавливают на вагонетки и подают в туннельную печь. Капсулы выдерживают определенное время, а за­тем медленно охлаждают при температуре 1200 °С. По­лученное в виде труб губчатое железо дробят и измель­чают до состояния порошка.

Наиболее экономичным и перспективным способом прямого восстановления железа является получение ме­таллизированных окатышей. В обжиговых установках или шахтных печах получают окатыши со степенью ме­таллизации до 85 — 95 %, которые используют в электро­плавильном производстве для получения высокопрочных конструкционных легированных сталей.

Интенсификация технологических процессов в черной металлургии направлена на повышение производитель­ности работы оборудования, экономии материальных и энергетических затрат при улучшении качества гото­вой продукции на основе безотходной, энерго- и ресурсо­сберегающей технологии. В доменном производстве — это ввод в эксплуатацию новых агрегатов большой единичной мощности (до 5000 м³ и более), повышение степени подготовки сырья к плавке, усовершенствование процесса дутья путем применения кислорода, смешанно­го дутья, дополнительного вдувания таких видов топ­лива, как мазут, в целях экономии кокса, а также повыше­ния давления в рабочем пространстве под колошником, полная утилизация отходов: шлаков, доменных газов и рекуперация теплоты.

Повышение температуры дутья также является одним из направлений интенсификации доменного процесса. Повышение температуры дутья на 100 °С сокращает рас­ход кокса примерно на 20 кг.

Разливка стали. Готовую сталь из печи сливают в разливочный ковш, а из ковша в изложницы — чу­гунные или стальные формы.

Существуют два способа разливки стали в изложницы: разливка сверху и разливка сифоном. При разливке свер­ху каждая изложница заполняется металлом отдельно; при разливке сифоном металл заливается в центральный литник, от которого металл по каналам подводится к из­ложницам снизу.

Наиболее прогрессивным методом разливки стали является непрерывная разливка, при которой металл не­прерывно поступает в кристаллизатор, охлаждаемый во­дой. Полузастывший слиток вытягивается вниз ролика­ми. Окончательное затвердевание слитка происходит в системе вторичного охлаждения.

Непрерывная разливка стали имеет ряд преимуществ перед другими методами разливки. С применением УНРС (установки непрерывной разливки стали) исклю­чается необходимость подготовки составов с изложница­ми, прокатки слитков на обжимных станах, блюмингах и слябингах. Слитки, полученные при непрерывной раз­ливке, имеют хорошее качество, плотную мелкозерни­стую структуру, хорошо деформируются в холодном и горячем состоянии, а также характеризуются высокой однородностью механических свойств в продольном и поперечном направлениях.

Высокотемпературные процессы в производстве цветных металлов

Цветная металлургия страны — одна из важнейших отраслей народного хозяйства. Прогресс техники, на­чиная от освоения космического пространства и кончая электротехникой, химическим оборудованием и радио­электроникой, тесно связан с развитием технологии про­изводства цветных металлов. Интенсификация экономики требует развивать цветную металлургию опережающими темпами, совершенствовать добычу и глубокую ком­плексную переработку полиметаллических руд, а также внедрять в производство гидрометаллургические, элек­трохимические, микробиологические и плазменные про­цессы, применяя глубокий вакуум, атмосферу инертных газов, электронно-лучевые, экстракционно-сорбционные и так называемые автогенные процессы с использова­нием кислородного дутья.

Известны два способа извлечения меди из руд: пиро-металлургический и гидрометаллургический. Пирометал-лургическим способом получают около 90 % меди. Сырь­ем для производства служат сульфидные руды, содержа­щие не только сульфид меди, но и сульфиды железа, а также сульфиды других металлов, пустую породу. Главной стадией обработки руды служит плавка на штейн. Для повышения эффективности процесса до плав­ки медную руду подвергают обжигу в различных печах для окисления железа (уменьшения содержания серы, удаления примесей). В результате обжига образуется об­жиговый газ (где главным компонентом является SO₂), а также обожженный медный концентрат, поступающий в отражательные печи для плавки на штейн. Процесс плавки проходит при температуре 1550-1600 °С. В ре­зультате сложных многостадийных физико-химических превращений образуется штейн, состоящий из 80 — 90% сульфидов меди. Для плавки помимо отражательных применяют электрические печи, однако они энергетически маловыгодны.

Следующей стадией технологического процесса про­изводства меди является передел первичного штейна на черновую медь. Первичный штейн продувают в конвертере воздухом. В результате много­стадийных превращений происходит окисление примесей (FeS), образование шлака, слив этого шлака, после чего остается так называемый белый штейн, содержащий 80 % меди. При дальнейшей продувке воздухом конвертера происходит реакция окисления сульфида меди

2Cu₂S + ЗО₂ à2Cu₂O + 2SO₂

с последующим взаимодействием по реакции

Cu₂S + 2Cu₂O à 6Cu + SO₂

Полученная в конвертере медь, называемая черновой, со­держит до 3 % примесей и для улучшения качества под­вергается последующему рафинированию.

Применяют два способа рафинирования меди — огне­вой (в отражательных печах) и электролитический. Элек­тролитическое рафинирование меди является наиболее совершенным, так как получается медь с высокой сте­пенью чистоты (99,99%).

Пирометаллургические процессы служат основой по­лучения не только меди, но и свинца, никеля и других цветных металлов.

Гидрометаллургический способ широкого применения не нашел. Этот способ используется при переработке бедных окисленных и самородных руд.

Важными направлениями технического прогресса в пирометаллургии являются разработка и внедрение новых технологических процессов с применением кисло­родного дутья, обжиг в «кипящем слое», автотермичные процессы, а также внедрение таких процессов, как кислородно-факельная, кивцэтная плавка, состоящая из обжига руд в циклонных печах, с последующим переде­лом в электротермических печах. Кивцэтный процесс, разработанный советскими учеными, является образ­цом комплексного использования сырья и совмещения различных технологических операций. В результате за один технологический прием из коллективных суль­фидных полиметаллических концентратов извлекают медь в штейн, черновой свинец, цинк — в металл или воз­гоны цинка. Кроме того, получают элементарную серу и богатые серосодержащие газы, служащие ценным сырь­ем химической промышленности для производства сер­ной кислоты.

Важным металлом современности является титан, ко­торый получают магниетермией, восстанавливая метал­лическим магнием жидкий тетрахлорид титана в атмос­фере аргона в стальном герметическом реакторе, поме­щенном в электропечь, по реакции TiCl₄ + 2Mg à Ti -f 4- 2MgCl₂. Так же получают ниобий, тантал.

Медь, свинец, цинк, никель, титан и многие другие — вот неполный перечень цветных металлов, получаемых высокотемпературными процессами,