МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.

Промышленная руда - это природное минеральное образование, содержащее какой-либо металл или несколько металлов в концентрациях, при которых экономически целесообразно их извлечение. Руда состоит из рудного минерала, содержащего один ценный элемент (например, железо, марганец) или несколько ценных металлов - комплексные руды (полиметаллические), например, медно-никелевые руды, железомарганцевые, хромоникелевые и др. Кроме рудных минералов в состав руды входит пустая порода - минералы, которые отделяются от рудных минералов при обогащении или переходят в шлаки при плавке.

В зависимости от содержания добываемого металла руды бывают богатые и бедные. Перед использованием руды обогащают, т.е. удаляют из руды часть пустой породы. В результате получают концентрат с повышенным содержанием добываемого металла. Использование концентрата улучшает технико-экономические показатели работы металлургических печей.

Флюсы - это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования шлаков - легкоплавких соединений с пустой породой руды или концентратом и золой топлива.

Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается в печи над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе отношение основных оксидов (CaO, MgO и др.) к кислотным оксидам (SiO₂, Р₂О₅) не более 1,5, и основным, если это отношение составляет 2,15 ... 4.

Топливо - это горючие вещества, основной составной частью которых является углерод, которые применяются с целью получения при их сжигании тепловой энергии. В металлургических печах используют кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ.

Кокс получают на коксохимических заводах в коксовых печах сухой перегонкой при температуре > 1000 °С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80 ... 88 % углерода, 8 ... 12 % золы, 2 ... 5 % влаги, 0,5 ... 0,8 % серы, 0,02 ... 0,2 % фосфора и 0,7 ... 2 % летучих продуктов. Для доменной плавки кокс должен содержать минимальное количество серы и золы. Куски кокса должны иметь размеры 25 ... 60 мм. Кокс должен обладать достаточной прочностью, чтобы не разрушаться под действием шихтовых материалов.

Природный газ содержит 90 ... 98 % углеводородов (СН₄ и С₂Н₆) и 1 % азота. Мазут содержит 84 ... 88 % углерода, 10 ... 12 % водорода, небольшое количество серы и кислорода. Кроме того, используют доменный или колошниковый газ - побочный продукт доменного процесса.

Огнеупорные материалы - это материалы и изделия преимущественно на основе минерального сырья, обладающие огнеупорностью не ниже 1580 °С. Их применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. Огнеупорные материалы способны выдержать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температур, химическому воздействию шлака и печных газов. Огнеупорность материала - это способность противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур. Количественно огнеупорность характеризуется температурой его размягчения. По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяют на кислые, основные, нейтральные.

Материалы, содержащие большое количество кремнезема SiO₂, называют кислыми (динасовые, кварцеглинистые), например кварцевый песок (95 % SiO₂), динасовый кирпич, огнеупорность которых до 1700 °С; материалы, содержащие основные оксиды (CaO, MgO), - основными (магнезитовый кирпич и металлургический порошок, магнезитохромитовый кирпич, огнеупорность которого более 2000 °С); содержащие большое количество А1₂О₃ и Сr₂О₃ - нейтральными (хромомагнезитовые, высокоглиноземные, шамотные, например шамотный кирпич, содержащий 50 ...60 % SiO₂ и 30 ... 40 % А1₂О₃). Его огнеупорность достигает 1750 °С.

При высоких температурах футеровка печи взаимодействует с флюсами и шлаками. Если в печи, выложенной основным-огнеупорным материалом, применять кислые флюсы, то взаимодействие шлака и футеровки приведет к ее разрушению. То же произойдет, если в печи, выложенной огнеупорными материалами из кислых оксидов, применить основные шлаки. Поэтому в печах с кислой футеровкой используют кислые шлаки, а в печах с основной - основные.

Углеродистые кирпич и блоки содержат до 92 % С в виде графита и обладают высокой огнеупорностью. Применяются для кладки лещади доменных печей, электролизных ванн для получения алюминия, тиглей для плавки и разливки медных сплавов.