Доменный процесс Железные руды, флюсы и топливо

Доменный  процесс

Железные руды, флюсы и топливо.

      Исходным  сырьём для доменного процесса  являются железная руда, топливо  и флюсы, которые должны быть  предварительно подвергнуты определённой  обработке и подготовке.

Железные руды.

      Железные  руды в зависимости от вида  соединения в них железа делятся  на оксидные и соляные (карбонатные). Кроме железа в железной руде  в сравнительно значительных  количествах присутствуют Mn, P, S, SiO₂, Al₂O₃, CaO, MaO и значительное количество других различных металлов. Содержащиеся в железной руде Fe, Mn, P, S переходят в процессе плавки и образуют с углеродом кокса в последующем чугун. Остальные элементы и соединения в руде носят названия «пустой породы». Ценность железных руд и требования, предъявляемые к ним заключаются в следующем: богатством руды по железу, малым содержанием вредных примесей (P, S, As), восстановимостью, кусковаватостью, составом пустой породы, дешевизной (ценой) руды.

      Богатство  руды по железу определяют  наличием процентного содержания  последнего. Богатыми называют руды, в которых Fe>50%. Руды, содержащие Fe, в количестве 25-50% относят к  бедным.

      Наиболее  вредной примесью в руде является  сера. Она вредна во всех случаях,  придаёт явление красноломкости  и образует пузыри в отливках. Также весьма вредной примесью  является и фосфор, придающий  явление хладноломкости. Однако  у фосфора есть положительные  свойства, так, например, в литейном  чугуне в отдельных случаях  он может быть даже желателен,  так как придаёт чугуну большую  жидкотекучесть и такой чугун  может использоваться в художественном  литье. Если в руде фосфора  повышенное количество (примерно 1%), то такие руды называются агротехническими, так как при переработке чугуна  из таких руд не сталь, получаются  высокофосфористые шлаки, необходимые  для сельского хозяйства как  удобрения. Мышьяк вредный элемент,  удалить его в шлак не удаётся,  но неминуемо затем из чугуна  переходит в сталь, что снижает  её прочность и повышает хрупкость.  Однако вредность мышьяка вопрос  спорный, так как имеется точка  зрения, что в соединении с  небольшим количеством некоторых  примесей, имеющихся в руде (например с ванадием), но может даже выполнять функции легирования.

      Особую  роль в руде играет состав  пустой породы. Если соотношение  оксидов кальция и магния, кремния  и алюминия определяются таким  соотношением:

CaO + Mg =1 (5-1) SiO₂ + Al₂O₃,

то такая руда носит  название самоплавкой. В большинстве  случаев пустая порода состоит из кремнезёма и глинозёма и приходится добавлять флюс в виде известняка. Итак, чем беднее руды, тем больше расход флюсов и топлива при выплавке чугуна. Соединения железа с кислородом, которые присутствуют в рудах, могут  быть трёх видов: магнитный оксид  железа Fe₃O₄, безводный оксид железа Fe₂O₃ и водный оксид железа Fe₂O₃ nH₂O.

     Соединение  оксида железа с диоксидом  углерода – FeCO₃ носит название карбонатного железа.

     Магнитный  оксид железа в рудах представляется  минералом – магнетитом. Такую  руду называют магнитным железняком. Это обычно богатые руды, содержащие  железа свыше 60%.

     Безводный  оксид железа представляется  в рудах минералом – гематитом.  Руды содержащие гематит называются  красным железняком. Это тоже  часто богатые руды, железа в  них 50-65%.

     Водный оксид  железа представлен в рудах  главным образом минералами: лимонитом  – Fe₂O₃ ^. H₂O и гетитом Fe₂O₃ ^. H₂O. Руды, содержащие эти минералы, называются бурыми железняками. Железа в этих рудах содержится 35-55%.

     Карбонат железа  представлен в рудах минералом  – сидеритом. Руды, содержащие  в основном сидерит, называются  шпатовыми железняками. Это зачастую  бедные руды, содержащие примерно 40% железа.

     Скопления  руд в отдельных районах Земли  носят названия месторождений.  Богатство месторождения определяется  его запасом. Для железных руд,  месторождения которых имеют  запас руд, превышающих 1 млрд. тонн, называются месторождениями  мирового масштаба (порядка).

     Одним из  наиболее освоенных и богатых  месторождений мирового масштаба  является месторождение нашей  страны – Криворожское. Руды этого  месторождения в основном красные  железняки представлены бедными  и богатыми рудами. Руды этого  месторождения де лятся по  сортности и классам. Общий  запас руд этого месторождения  около 9 млрд. тонн. Вред ных примесей  в этих рудах мало.

     Вторым крупным  месторождением мирового масштаба  у нас в стране является  Керченское месторождение, находящееся  в северной и восточной части  Крыма. Основная масса этих  руд представлена бурыми железняками.  Руды бедные, содержащие 35-40% Fe. Они  имеют повышенное содержание  марганца, фосфора и мышьяка, что  затрудняет их предел, кроме этого  они относятся к труднообогатимым. Запасы составляют 2-3 млрд. тонн.

     К крупным  месторождениям мирового масштаба  относятся: Курская магнитная  аномалия, Качканарское, Соколовско-Сорбайское, Лисановское и Аятское (ближнее  зарубежье). Из дальнего зарубежья  следует упомянуть месторождения  Скандинавии, Лотарингии, Верхних  озёр (США), Бразильское и др.

     Кроме железных  руд в доменном процессе применяют  марганцевые руды для выплавки  ферросплавов, а иногда как небольшие  добавки для выплавки передельных  чугунов. В добываемых рудах  содержание марганца чаще всего  составляет 22-45%. У нас в стране  крупным месторождением считается  Никопольское, а из стран ближнего  зарубежья Чиатурское в Грузии.

Флюсы:

     Флюсы понижают  температуру плавления пустой  породы, тем самым способствуют  переводу золы кокса и пустой  породы шихты в шлак. В некоторых  случаях флюсы способствуют удалению  серы из чугуна в шлак. В  качестве флюсов используются  известняк (чистый) – CaCO₃ или доломитизированный известняк CaCO₃ и MgCO₃/

Топливо:

     В качестве  топлива применяют специальные  коксующиеся угли и иногда  дополнительно природный газ. 

     В настоящее  время для улучшения газодинамики  доменного процесса, стабильности  хода печи, сырые материалы, предназначенные  для доменной плавки, специально  обрабатывают, придавая им кусковость, прочность и пористость. Все это  позволяет значительно улучшить  технико-экономические показатели  доменной печи.

     Итак, железную  руду или концентрат в смеси  с известняком и марганцевой  рудой окусковывают, производя агломерат  или окатыши, а коксующиеся  угли направляют на коксование  для производства кокса. В итоге,  загружаемые в доменную печь  материалы, называются шихтой, а  состоит окончательно шихта из  агломерата или окатышей (железорудная  часть шихты) и кокса (топливо  восстановительная часть шихты).

5.2.1.2.2. Окускование  железорудного сырья.

     В отечественной  и зарубежной практике используют  в основном два способа окускования  сырья: агломерацию и окомкование  (иногда пименяют третий способ  – брикетирование).

     Агломерация  – термический способ окускования мелких материалов (железорудных концентратов, рудной мелочи, пылеватых руд, колошниковой пыли) для улучшения их металлургических свойств, осуществляемый обычно путём сжигания мелкого топлива (коксовой мелочи) в самом материале за счёт непрерывного прососа воздуха. Часто в агломерационную шихту вводят флюсы (известняк). Окускование при агломерации происходит главным образом в результате образования жидких легкоплавких химических соединений, связывающих при остывании отдельные зёрна в куски.

     В  слое шихты температура достигает  1300-1500⁰С. В результате восстановления магнетита в присутствии кремнезёма образуются моносиликат закиси железа (файялит) по реакции:

2Fe₃O₄ + 3SiO₂ + 2CO = 3Fe₂SiO₄ + 2CO₂

     Температура  плавления файялита 1209⁰С и поэтому в зоне горения образуется жидкая фаза, смачивающая нерасплавленные зёрна шихты.

     Агломерацию  осуществляют в агломерационных  машинах ленточного типа, представляющих  собой непрерывную цепь спекательных  тележек с решётчатым дном – палетт.

     В результате агломерации получаются ноздревато-пористые прочные куски, называемые агломератом, а агломерационная мелочь – отсевом.

     Высота слоя насыпания шихты палетты обычно 300мм.

     Скорость движения ленты с палеттами находится в пределах 1,5-6 м/мин.

     Технико-экономические показатели работы агломерационных фабрик оцениваются по удельной производительности, т.е. съёмом агломерата в тоннах с квадратного метра площади спекания аглоленты в час.

     Суточная производительность аглоленты определяется по формуле:

П=1,44^.х^.V_ck (5-2)

Где: F-площадьспекания

Х – насыпанная масса шихты, т/м³ (обычно х = 1-2 т/м³);

V_c – вертикальная скорость спекания, м/мин (обычно V_c = 0,01-0,04 м/мин);

k – выход годного агломерата из шихты, %.

     Окомкование (окатывание) – метод окускования пылевидной рудной мелочи или тонкоизмельчённых концентратов. Процесс состоит из двух стадий: получения собственно окатышей и их упрочения высокотемпературным обжигом (1200-1300^оС) .              Окатыши получают из увлажненного концентрата в барабонных или тарельчатых окомкователях. Кроме концентрата в окомкователь подают добавки, повышающие комкуемость – известь, бетонит и др. Иногда к шихте подмешивают угольную пыль, что позволяет частично восстанавливать окатыши при обжиге. Для упрочнения окатыши подвергают обжигу, чаще всего на машинах ленточного типа. 

      Окатыши имеют форму шара Ǿ10-30 мм., с пористостью 30-40 %. В настоящее  время разработана технология  получения офлюсованных окатышей, основностью 0,5-0,55, разрабатывается  возможность производства 2-х слойных  окатышей – ядро основностью  4-5 и неофлюсованное покрытие. Существенным  преимуществом окатышей перед  агломератом является более высокая  восстановимость и сопротивление  разрушению при транспортировке,  т.е. транспортабельность. Недостаток  – невозможность получения окатышей  высокой основности и трудность  получения окатышей высокой основности  и трудность получения окатышей  совместно с марганцевой рудой  и другими добаками.

16.5. Ковка. 

 

Ковка один из самых старейших  видов обработки давлением, применяется  для получения полупродукта и  реже готовых изделий, которые называются поковками. Этот вид обработки сопровождается изменением макро- и микроструктуры, улучшением качества и свойства металла.

Для получения поковок  применяют слитки, реже катаные и  прессованные заготовки из стали  и цветных металлов. Масса слитков  составляет от 200 кг до 350 т. Слитки применяют  чаще всего многогранные. У кузнечных  слитков из углеродистой стали масса  прибыльной части составляет 20-22%-и  донной 2-3% от общей массы слитка, а у легированных сталей эти массы  увеличиваются в 1,2-1,4 раза.

Наибольшее распространение  получила свободная ковка. Различают  ручную и машинную свободную ковку.

Ручная ковка осуществляется на наковальне с помощью кувалды  и различного кузнечного инструмента (бойков, обжимок, наметок, пережимок, топоров, прошивней). Ручную ковку применяют главным образом при ремонтных и сборочных работах, а также при изготовлении мелких поковок в небольшом количестве.

Машинная свободная ковка  осуществляется на кузнечно-прессовых  машинах. Мелкие и средние поковки (массой до 750кг) обрабатываются на молотах, а крупные (массой до 350 т) на прессах.  

 

16.5.1. Операции  свободной ковки.

К основным операциям свободной  ковки относят осадку, высадку, протяжку (вытяжку), рубку, прошивку, раскатку, шоку, кручение и сварку.

При осадке происходит уменьшение высоты и увеличение поперечного  сечения заготовки. Деформация металла  при осадке характеризуется коэффициентом  уковки

_Kk=Fk/Fн

где F_k и F_H - соответственно конечная и начальная площадь поперечного сечения заготовки.

Разновидностью осадки является высадка, которая осуществляется с  помощью ограничивающего инструмента - кольца.

При протяжке или вытяжке  происходит увеличение длины заготовки  за счет уменьшения плошали поперечного  сечения. Для интенсификации процесса протяжки и получения достаточно гладкой поверхности поковки  подачу - а следует принимать равной 0,4-0,8 ширины - В бойка.

Рубку применяют для разделения заготовки на несколько частей или  для удаления концов поковок при  помощи кузнечных топоров.

Прошивку применяют с  целью получения сквозных или  глухих отверстии в металле при  помощи прошивня П, который может  быть пустым или пустотелым.

Раскатка по диаметру производится с применением оправки О, что  приводит к утончению кольца и  увеличению его диаметра.

При гибке заготовку изгибают по заданному контуру. Гибку можно  осуществлять при зажатии одного конца заготовки между бойками  ударами кувалды по другому концу. Крупные заготовки подвергают гибке в специальных гибочных штампах.