Материалы для доменного производства

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

Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения. Этот уровень определяется содержанием добываемого металла в руде. Например, для железа он составляет не менее 30 … 50 %, для меди 3 …. 5 %, для молибдена 0,005… 0,02 %.

Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, и пустой породы, в состав которой входят различные примеси. Например, железная руда содержит окислы железа Fe₃О₄, Fе₂О₃, FеСО₃, Fе₂О₃Н₂О, а также пустую породу, состоящую в основном из SiO₂, А1₂О₃, СаО, МgО. Руды обычно называют по одному или нескольким металлам, которые в них содержатся. Например, железные, медные, алюминиевые, марганцевые, медно-никелевые, железомарганцевые и т. д.

Взависимости от содержания добываемого материала, руды бывают богатые и бедные. Богатые железные руды содержат 45 … 50 % железа и более. Бедные руды (с малым содержанием добываемого металла) специально обрабатывают - обогащают. Обогащение состоит в удалении из руды части пустой породы. В результате получают концентрат - продукт с повышенным содержанием добываемого металла по сравнению с рудой. Использование концентрата позволяет улучшить технико-экономические показатели работы металлургических печей.

Железные руды содержат железо в различных соединениях.

Магнитный железняк (магнетит), содержащий магнитную окись железа Fе₃О₄, добывают в виде плотных кусковых пород (55… 60 % железа). Пустая порода - SiO₂. Наиболее крупные месторождения этой руды в нашей стране – Соколовское и Курская магнитная аномалия и др. Из стран СНГ добывают магнитный железняк в Казахстане (Сарбайское месторождение).

Красный железняк (гематит) содержит Fе₂О₃ и имеет красноватый цвет (55… 60 % Fе). В нем пустая порода содержится в виде SiO₂ и известняка СаСО₃ Крупные месторождения этой руды в нашей стране - Криворожское, Курская магнитная аномалия, Атасуйское и др.

Бурый железняк содержит гидраты окислов железа 2Fе₂О_{3 ·} ЗН₂О и Fе₂О_3·Н₂О (37….55 % Fе). Бурый железняк широко распространен в земной коре. Богатые месторождения его в нашей стране - Керченское, Аятское, Лисаковское.

Шпатовые железня к и содержат FеСО₃ (~ 30 … 40 % Fе). Богатые залежи шпатового железняка в нашей стране находятся в Бакальском месторождении. Мы располагаем богатейшими в мире месторождениями железных руд. Более 48 % мировых разведанных запасов железных руд приходится па долю бывшего СССР.

Марганцевые руды применяют для выплавки ферросплавов с 10 … 82 % Мn, а также передельных чугунов, содержащих до 1 % Мn. Марганец в рудах содержится в виде окислов и карбонатов: МnО₂, Мn₂О₃, Мn₃О₄, МnСО₃ и др. В рудах обычно содер­жится не более 22 … 45 % Мn. Наиболее крупные месторождения марганцевых руд имеются в Грузии - Чиатурское и на Украине - Никопольское.

Бурый железняк (лимониты) представляет собой водную окись железа n Fe₂O₃ · mH₂O c содержанием железа Fе до 20…50 %. Из бурого железняка добывается до 3 % чугуна. Пустая порода – разнообразная по составу, содержит серу и фосфор. Чаще встречается лимонит - 2 Fe₂O₃ · 3H₂O с содержанием 57,14 железа и 25,3 % воды. Месторождение - Керченское (Крым), Лисаковское (Кустанайская область Казахстана), Алапаевское (Свердловская область).

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железа до 30…40 % в виде карбоната FеСО₃ (углекислая соль). Сидерит разрабатывается на Бакальском меторождении в Челябинской области (г. Бакал) с середины 18 века. Разведенные запасы сидеритов 904 млн. т. (1976 г) с содержанием железа 29…33 % .

Хромовые руды используют для производства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов - хромомагнезитов. Хромовые руды содержат сложные соединения хрома - хромит (FеО, Сг₂О₃), магнохромит (Мg, Fе) Сг₂О₄ и др. В рудах обычно содержится около 40% Сг₂О₃ . Наша страна располагает богатейшими в мире запасами хромовых руд.

Комплексные руды используют для выплавки природно-легированных чугунов. Это железомарганцевые руды, содержащие, кроме железа, до 20% Мn (Атасуйское месторождение), хромоникелевые руды с 37 - 47% Fе, до 2% Сг, до 1% Ni (Халиловское месторождение), железованадиевые руды, содержащие до 0,17 - 0,35% V.

Топливо. Основными видами топлива, применяемого в металлургических печах, являются кокс, природный газ, мазут, а так - же доменный или колошниковый газ. Для доменного процесса требуется прочное, неспекающееся твердое топливо, которое служит не только горючим для нагрева шахты и ее расплавления, но и химическим реагентом для восстановления железа из руды. Естественные виды топлива не обладают необходимыми свойствами, так как они спекаются и недостаточно прочны. Поэтому для доменной плавки применяют твердое топливо - кокс. Кокс получают в коксовых печах сухой перегонкой при температуре 1000…1200 °С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. Для коксования используют смесь углей, взятую в определенном соотношении. В процессе коксования угольная масса размягчается и из нее начинают выделяться газообразные продукты, а затем она спекается в пористую массу. При выделении газов в процессе коксования эта масса растрескивается и распадается на куски. Газообразные продукты удаляются из печи и направляются в химическое отделение, где из них извлекают бензол, фенолы, каменноугольную смолу и другие ценные продукты. Процесс коксования длится 15 …20 ч. Затем кокс удаляют из печи и тушат водой или инертным газом. В коксе содержится 80… 88 % С; 8… 12 % золы; 2 … 5 % влаги; 0,5 … 1,8 % S; 0,02… 0,2 % Р и до 1,2 % летучих продуктов. Важными для доменной плавки показателями качества кокса являются зольность и содержание серы, которые должны быть минимальными. Сера - вредная примесь. В процессе плавки она может переходить в металл и ухудшать его свойства. Важное значение для хода плавки имеет размер кусков кокса - кусковатость. Размер кусков кокса должен быть 25 - 60 мм. Кокс должен обладать также высокой механической прочностью, чтобы не разрушаться в доменной печи под действием массы шихтовых материалов. Теплота сгорания кокса составляет обычно 29,3 МДж/кг.

При доменной плавке часть кокса заменяют природным газом, мазутом или пылевидным топливом.

Природный газсодержит 90 … 98 % углеводородов (СН₄ и С₂Н₆) и до 1 % азота. Теплота его сгорания 33 … 50 МДж/кг. Мазут - тяжелый остаток, крекинга нефти. Он содержит 84 … 88 % С, 10… 12 % Н₂, небольшое количество серы и кислорода. Эти виды топлива создают восстановительную атмосферу в доменной печи и улучшают восстановление окислов железа из руды, что приводит к экономии кокса. Кроме этого, используют доменный или колошниковый газ, который является побочным продуктом доменного процесса.

Флюсы. Пустая порода железных руд содержит окислы, температура плавления которых значительно выше развиваемых в доменной печи (А1₂О₃ – 2040 °С, СаО – 2570 °С, МgО - 2800 °С). Однако при определенном количественном соотношении этих окислов образуются легкоплавкие соединения - шлаки, имеющие температуру плавления ниже 1300 °С и обладающие хорошей жидкотекучестью при 1450 … 1600 °С. Для перевода пустой породы руды и золы кокса в шлаки требуемого химического состава с определенными химическими свойствами в доменную печь при плавке загружают флюсы. Шлаки, образующиеся в доменной печи, должны содержать определенное количество основных окислов (СаО, МgО). Это необходимо для удаления серы из металла, в который она может переходить из кокса и железной руды при плавке. Поэтому при выплавке чугуна в доменных печах в качестве флюса используют известняк СаСО₃ или доломитизированиый известняк, содержащий СаСО₃ и МgСО₃.

Рекомендуется, чтобы в шлаке отношение содержания (СаО + МgО)/(SiO₂ - А1₂О₃) 1. Обычно пустая порода руды состоит в основном из SiО₂ и А1₂О₃. Суммарное содержание этих оксидов не должно превышать 1 %.

Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные окислы (SiO₂, Р₂Оз), и основным, если в его составе преобладают основные окислы (СаО, МgО, FеO и т. д.).

При высоких температурах рабочего пространства плавильных печей шлаки могут взаимодействовать с футеровкой печи. Если в печь, выложенную огнеупорным материалом, в состав которого входят основные окислы (основная футеровка – CaO, MgO, Cr₂O₃), вводить кислые флюсы (содержащие SiO₂), то взаимодействие шлака и огнеупорного материала футеровки печи приведет к ее разрушению. То же произойдет, если в печь, выложенную огнеупорными материалами, в состав которых входят кислотные окислы (кислая футеровка), вводить основные шлаки. Поэтому в печах с кислой футеровкой применяют кислые шлаки, а в печах с основной футеровкой - основные.

При плавке в печах с кислой футеровкой используют в качестве флюса кварцевый песок, состоящий в основном из SiO₂, а в печах с основной футеровкой - известняк (СаСО₃) или доломитизированный известняк, содержащий СаСО₃ или МgСО₃.

Шлаки, образующиеся к процессе планки в металлургических печах, играют большую роль для получения металла с требуемыми химическим составом и свойствами.

В процессе плавки в металлургической печи образуются две несмешивающиеся среды: расплавленный металл и шлак. В соответствии с законом распределения, если какое - либо вещество растворяется в двух соприкасающихся, но не смешивающихся жидкостях, то распределение вещества между этими жидкостями происходит до установления определенного соотношения, постоянного для данной температуры. Поэтому, изменяя состав шлака, можно менять соотношение между количеством примесей, входящих в состав металла и шлака, таким образом, что нежелательные примеси будут удаляться в шлак. Удаляя шлак с поверхности металла, и, наводя новый путем подачи флюса нужного состава, можно управлять процессами удаления вредных примесей из металла (серы, фосфора и т. д.). Регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управления металлургическими процессами.

Огнеупорные материалы. В современных металлургических агрегатах процессы плавки происходят при высоких температурах. Поэтому внутреннюю облицовку (футеровку) металлургических печей и ковшей для разливки металла делают из огнеупорных материалов, способных выдерживать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температур, химическому воздействию шлака и печных газов. Огнеупорными называют материалы, способные противостоять высоким температурам, не расплавляясь при определенных условиях испытания. Огнеупорность материала определяется в °С.

Огнеупорные материалы применяют в виде кирпичей разных размеров и форм, а также порошков и растворов, необходимых для заполнения швов между кирпичами при кладке печей.

По химическим свойствам огнеупорные материалы подразделяют па кислые, основные и нейтральные. Материалы, содержащие большое количество кремнезема SiO₂, называют кислыми (динасовые, кварцеглинистые); содержащие основные окислы (СаО, Mg0) - основными (магнезитовые, магнезитохромитовые, доломитовые); содержащие большое количество Аl₂О₃ и Сг₂0₃ - нейтральными (хромомагнезитовые, высоко глиноземные, шамотные).

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

Кварцевый песок (не менее 95 % SiO₂) - кислый огнеупорный материал. Его применяют для набивки и наварки подин кислых сталеплавильных печей. Из кварцевого песка и кварцита изготовляют динасовый кирпич, содержащий 93 … 95 %. SiO₂. Огнеупорность динаса составляет 1690…1720 °С. Этим кирпичом футеруют кислые мартеновские и электросталеплавильные печи.

Магнезитовый металлургический порош о к содержит 85…88 % МgO. Его применяют для набивки и наварки подин основных сталеплавильных печей. Из него изготовляют магнезитовый кирпич (86… 90 % МgO). Огнеупорность такого кирпича более 2000 °С. Его применяют для кладки пода и стен основных мартеновских и электросталеплавильных печей. Он обладает высокой термостойкостью. Магнезитохромитовый кирпич содержит 60 % МgО и 8 … 13 % Сг₂О₃. Обладает огнеупорностью (более 2000 °С), термостойкостью и шлакоустойчивостью. Применяется для кладки сводов мартеновских печей.

Доломитовый кирпич содержит 32 … 36 % МgО и 50 … 56 % СаО; применяют вместе с магнезитовым порошком для наварки подин и откосов основных сталеплавильных печей. Смолодоломитовый кирпичизготовляют из доломитового порошка с каменноугольной смолой, используют для футеровки кислородных конвертеров. Смолодоломитомагнезитовый кирпичсодержит 32 … 50 % МgО, 38 … 54 % СаО и до 4 % SiO₂; применяют для футеровок кислородных конвертеров. Хромомагнезитовый кирпичсодержит 42 % МgО и 15…20 % Сг₂О₃. Огнеупорность его более 2000 °С, применяют в мартеновских печах для кладки шлаковиков.

Шамотный кирпич - нейтральный материал. Содержит 50…. 60 % SiO₂ и 30 …. 42 % А1₂О₃. Огнеупорность его 1580 …. 1730 °С, применяют для футеровки доменных печей, воздухонагревателей, различных ковшей и т. д.

Высокоглиноземистый кирпич содержит 72 …. 95 % А1₂О₃ и имеет огнеупорность 1820 …. 1920 °С.

Углеродистый кирпич и блоки содержат до 92 % С. Обладают высокой огнеупорностью. Применяют для кладки лещади доменных печей, электролизных ванн для получения алюминия, тиглей для плавки и разливки медных сплавов.