Производство металлов. Производство чугуна, стали, алюминия, меди.

Производство металлов. Производство чугуна, стали, алюминия, меди.

1.1. Общие сведения о металлургическом производстве

Металлургия в первоначальном значении — искусство извлечения металлов из руд. Возникла металлургия в глубокой древности: при раскопках были найдены следы выплавки меди, датированные 7–6-м вв. до н.э.

На следующем этапе развития металлургии человек научился получать из руд железо. К 1-му тысячелетию н.э. железо стало наиболее распространенным среди используемых человеком материалов. К середине 14 века появились первые доменные печи. В Англии в 1740 г . появилась тигельная плавка — первый способ производства стали. В 1856 г. был впервые осуществлен бессемеровский, в 1864 г . — мартеновский, а в 1878 г. — томасовский процессы производства стали.

Медь начали массово производить, когда в 1866 г . Семенников В. А. изобрел конвертирование штейна.

Металлургия — наука, изучающая теоретические и технологические основы промышленных способов получения металлов и сплавов. Некоторые металлы (золото, платина, серебро, медь) могут встречаться в виде самородных, остальные металлы входят в состав различных минералов (горных пород) в виде оксидов, сернистых, углекислых и других химических соединений. Общее содержание металлов (по массе) в земной коре составляет около 15 %, в том числе: алюминия — 7,45 %, железа — 4,2 %, магния — 2,1 %, титана — 1 %, хрома — 0,02 %, меди — 0,01 %, никеля — 0,008 %.

Все процессы, которые лежат в основе получения металлов и сплавов из химических соединений, подразделяют на две основные группы: пирометаллургические и гидрометаллургические.

Пирометаллургические процессы — высокотемпературные способы получения металлов и сплавов, осуществляемые при сжигании топлива, экзотермических реакциях, термической диссоциации летучих соединений, металлотермии (алюмотермии, магнийтермии), электроплавке, электролизе расплавов и т. п.

Гидрометаллургические процессы — способы получения металла посредством выделения его из растворов без нагрева до высокой температуры (ниже 300 ° С). Данный метод, например, используют для извлечения меди из бедных окисленных и самородных руд слабыми растворами серной кислоты с последующим выделением из раствора металлической меди.

Иногда в отдельную группу выделяют электрометаллургические процессы, основанные на получении металлов или сплавов при помощи электрического тока. При этом данные процессы могут являться либо пирометаллургическими (когда для извлечения металлов из руд и концентратов, их производства и рафинирования используется тепловой эффект электрических явлений), либо гидрометаллургическими, основанными на электролизе водных растворов.

Материалы, необходимые для осуществления металлургических процессов. Исходными материалами для производства металлов являются шихтовые материалы и огнеупоры.

Шихтой называют совокупность исходных материалов, необходимых для плавки, взятых в рассчитанном массовом соотношении. При производстве металлов в состав шихты входят руды или исходные металлы, топливо и флюсы.

Руда — это природное минеральное сырье, содержащее металлы или их соединения в концентрациях и формах, приемлемых для промышленного использования. Помимо соединений извлекаемого металла, руда содержит пустую породу, в составе которой нужный металл отсутствует. Например, железные руды могут содержать лишь до 50. 60 %, а медные — 2. 4 % основного элемента в исходном сырье.

Топливо может являться не только источником тепла, но и реагентом, восстанавливающим металл из его оксидов и других соединений. Основными видами топлива при производстве металлов являются каменный уголь, кокс, природный газ, мазут и др. Топливо содержит свободный углерод, углеводороды, соединения серы, кислорода, азота, различные минеральные соединения, переходящие при сгорании в золу, и др.

Флюсы — это материалы, вводимые в шихту, которые в процессе плавки взаимодействуя с пустой породой руды, золой топлива и вредными примесями, образуют легкоплавкий шлак.

Огнеупоры — это материалы и изделия на основе минерального сырья, обладающие способностью противостоять действию высоких температур (выше 1 500 °С). Они применяются для создания защитной внутренней облицовки (футеровки) металлургических печей, разливочных ковшей, химических аппаратов, ванн и т. д.

Помимо высокой термостойкости огнеупоры должны обладать химической стойкостью, контактируя с жидким металлом, и постоянством объема при резких перепадах температур.

Подготовка шихты включает обогащение руды, агломерацию и окатывание.

Процесс обогащения руды состоит из следующих основных этапов:

1) дробление и сортировка руд по крупности с целью получения оптимальных для плавки размеров кусков руды;

2) обогащение руды — получение концентрата с более высоким содержанием металла.

При обогащении руд используются способы, базирующиеся на различии физико-химических свойств содержащихся в руде минералов по сравнению с пустой породой (плотности, магнитной восприимчивости, смачиваемости поверхности различными жидкостями). К этим способам относятся промывка руды, гравитационное обогащение, магнитная сепарация и флотация.

Агломерация — это процесс изготовления кускового пористого офлюсованного материала (агломерата), заключающийся в спекании шихты. При агломерации одновременно происходит удаление из шихты вредных примесей (сера, частично мышьяк и др.).

Окатывание — это процесс окусковывания измельченной и увлажненной шихты во вращающихся барабанах с последующим обжигом полученных шарообразных комков (окатышей) в шахтной печи.

1.2. Производство чугуна

Чугун — железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% С, до 2% Mn , до 4% Si, а также Р и S . В легированных чугунах могут быть и другие элементы. Чугун является конструкционным литейным материалом и исходным материалом для получения стали.

Исходные материалы для доменного процесса. Чугун выплавляется в доменных печах. Исходными материалами для его получения являются железные руды, топливо, флюсы и огнеупоры.

Железные руды — природные минералы, содержащие оксиды железа и пустую породу. В состав пустой породы входят оксиды

кремния SiO ₂ (кремнезем), алюминия Al ₂O₃ (глинозем), кальция СаО и магния MgO. Содержание Fe в рудах составляет 30. 65 %. Для получения чугуна используются следующие виды железных руд:

1) магнитный железняк (магнетит), содержащий до 70 % Fe

в виде оксидов FeO (магнитная окись железа) и Fe₂O₃;

2) красный железняк (гематит), содержащий 55. 60 % Fe в виде оксида Fe₂O₃;

3) бурый железняк (гетит), содержащий 30. 50 % F е в виде водного оксида железа Fe₂O₃·H₂O;

4) шпатовый железняк (сидерит), содержащий 30. 40 % F е в виде карбоната FeCO₃.

В настоящее время для выплавки чугуна используется железная руда, прошедшая предварительную подготовку: дробление на куски 10. 80 мм , сортировку по крупности кусков, обогащение (частичное удаление пустой породы).

Основным видом топлива в доменном производстве служит кокс, но в отдельных случаях в дополнение к коксу используют природный газ или пылевидный каменный уголь, которые подают вместе с воздухом, необходимым для горения топлива. Кокс — это кусковое, прочное и высокопористое топливо, получаемое нагревом особых сортов коксующихся каменных углей до температуры 1 000. 1 200 °С без доступа воздуха в коксовых батареях. Для доменного процесса используются куски кокса размером 25. 200 мм и пористостью около 50 %. Кокс должен содержать не менее 80 % углерода и возможно меньшее количество серы (не более 2 %), золы (12 %), влаги (5 %) и летучих веществ (1. 2 %).

Пустая порода железных руд содержит оксиды, температура плавления которых выше развиваемой в доменной печи (Al ₂O₃ — 2040 °C, SiO₂ — 2570 °C, MgO — 2 800 °C и др.). Для удаления пустой породы и золы топлива из доменной печи применяют флюсы, снижающие температуру плавления пустой породы и ошлаковывающие золу кокса. Различают основные и кислые флюсы. К основным относятся известняк СаСО₃ и доломит СаСО₃·MgCО₃, дающие при разложении оксиды щелочной группы СаО и MgO, к кислым — кремнезем SiО₂ (кислотный оксид).

При подготовке шихты для выплавки чугуна применяются также обожженные в восстановительной атмосфере окатыши, которые содержат частично восстановленные оксиды железа, что по-

зволяет повысить производительность доменных печей. Технологический процесс окатывания состоит из нескольких стадий:

1) увлажнение шихты (влажность должна составлять 8. 10 %),

состоящей из измельченных рудных концентратов, флюса, топлива;

2) обработка шихты во вращающихся барабанах (или тарельчатых чашах) для придания ей формы шариков (окатышей) диаметром до 30 мм;

3) упрочнение окатышей сушкой при температуре 300. 500 °С;

4) обжиг при температуре 1 200. 1 350 °С.

Огнеупоры служат для футеровки рабочего пространства доменных печей. По химическому составу огнеупоры разделяют на кислые (динас и кварцит — 93. 98 % SiО₂, огнеупорность 1680. 1 800 °С), основные (магнезит — около 93 % MgO и 3 % СаО, огнеупорность 2 300. 2 500 °С; доломит — MgCО₃, СаСО₃, огнеупорность 1 750. 2 000 °С) и нейтральные (шамот — 45. 30 %

А1₂О₃ и 50. 60 % SiО₂, огнеупорность 1 600. 1 770 °С). Последние наиболее широко применяются для огнеупорной кладки доменных печей.

Устройство доменной печи. Принцип ее работы. Чугун выплавляют в доменных печах (рис. 1.1), отличающихся высокой производительностью (5 000 т в сутки и выше). Современная доменная печь — это шахтная печь высотой до 80 м и диаметром 12 м, имеющая полезный (занятый загруженными в печь материалами и продуктами плавки) объем 1 300…3 200 м 3 .

Вертикальное сечение рабочего пространства доменной печи называется ее профилем (рис. 1.1, а). Шихта 1 подается в загрузочное устройство 2. Под загрузочным устройством располагается колошник 3, из которого печные газы по трубам удаляются из печи. Ниже колошника расположена шахта 4 (коническая часть печи), которая расширяется книзу для облегчения опускания материалов и лучшего распределения газов по поперечному сечению печи. Шахта печи футеруется (выкладывается) огнеупорным шамотным кирпичом 5. Толщина кладки превышает 1 м . Ниже шахты следует распар 6 (цилиндрическая часть печи), под которым расположена часть печи в виде усеченного конуса с меньшим нижним основанием, называемая заплечиками 7. Заплечики имеют такую форму из-за сокращения объема шихтовых материалов в результате образования жидких продуктов плавки.

Рис. 1.1. Конструкция доменной печи:

а — доменная печь; б — воздухонагреватель

Нижняя цилиндрическая часть доменной печи называется горном 8. Как горн, так и заплечики оборудуются водяным охлаждением. В современных доменных печах шахта также имеет водяное охлаждение. В верхней части горна расположены водоохлаждаемые медные фурмы 12, по которым из фурменного пояса 13 в доменную печь под давлением 300 кПа подается нагретый до температуры 900. 1 200 °С воздух (расход которого составляет до 5 000 м 3 /мин), зачастую обогащенный кислородом. Количество фурм на малых печах составляет восемь, на больших (мощных) — двадцать. В нижней части горна находятся шлаковая 9 и чугун-

ная 11 летки, через которые с интервалом 2. 3 ч выпускаются жидкий шлак и чугун, скапливающиеся на лещади 10.

Каждая доменная печь работает с тремя воздухонагревателями (рис. 1.1, б). Очищенные доменные (колошниковые) газы, предназначенные для нагрева воздуха, подаваемого в фурмы доменной печи и содержащие около 30 % оксида углерода СО, смешиваются с воздухом и, сгорая в камере 14, футерованной огнеупорным кирпичом 15, при температуре около 1 300 °С проходят через насадку 16, выложенную из кирпича, отдавая ей свою теплоту, после чего через газоход 17 удаляются в атмосферу.

Объем доменной печи, занятый плавильными материалами и продуктами плавки, называется полезным объемом.

При доменной плавке производится раздельная загрузка через верхнюю часть печи (колошник) окатышей или агломерата и кокса, располагающихся в шахте печи слоями. При нагревании шихты (за счет горения кокса, стимулируемого вдуваемым в горн горячим воздухом) в печи протекают сложные физико-химические процессы, в результате чего шихта постепенно опускается вниз навстречу поднимающимся горячим газам. Взаимодействие компонентов шихты с газами приводит к образованию в нижней части печи (горне) двух несмешивающихся жидких слоев — чугуна и шлака. Непрерывная работа печи рассчитана на 4. 8 лет.

Эффективность работы доменной печи часто оценивается коэффициентом использования ее полезного объема — k (КИПО), т. е. отношением полезного объема печи V (м 3 ) К суточному выпуску чугуна Q (т): k = V/Q. Таким образом, чем меньше КИПО, тем более эффективна работа печи. На некоторых заводах КИПО равен 0,35.

Сущность доменного процесса. Доменный процесс заключается в восстановлении оксидов железа, содержащихся в руде, и в ошлаковании пустой породы. Восстановителями являются оксид углерода СО и твердый (сажистый) углерод. Работа доменной печи основана на использовании принципа противотока: вниз постепенно опускаются шихтовые материалы, а навстречу им снизу движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива.

Изменения, происходящие в потоке опускающихся твердых материалов и поднимающихся газов при их взаимодействии, осуществляются в температурных зонах доменной печи (рис. 1.1, а).

В газах, поднимающихся снизу вверх, наблюдаются следующие процессы: горение топлива, образование восстановителей (оксида углерода СО и сажистого углерода), восстановление оксидов железа. Горение топлива. Реакция происходит в области расположения фурм, где достигаются наиболее высокие температуры

Образование восстановителей.

Оксид углерода. Образовавшийся при сгорании кокса углекислый газ восстанавливается углеродом раскаленного кокса (при t > 1 000 °С) до оксида углерода:

Сажистый углерод. Вследствие понижения температуры до 400. 550 °С при движении газов снизу вверх происходит выделение твердого сажистого углерода С_саж:

Оксид углерода СО, поднимающийся из горна в верхние зоны доменной печи, является активным восстановителем, способным соединяться не только со свободным кислородом, но и выводить кислород из твердых оксидов железа и других элементов.

Сажистый углерод проникает через поры и трещины внутрь кусков руды, а также оседает на их наружной поверхности и при температуре свыше 1 000 °С восстанавливает оксид железа FeO.

В шихте, опускающейся сверху вниз, протекают следующие процессы: испарение влаги, разложение углекислых солей, удаление летучих веществ, восстановление (косвенное и прямое) оксидов железа, науглераживание железа и образования чугуна, восстановление оксидов Mn, Si, P, удаление серы и фосфора.

Испарение влаги. Полное удаление гигроскопической и химически связанной воды происходит при t = 100. 500 °С (а иногда и до 800 °С).

Разложение углекислых солей происходит при t = 300. 900 °С:

Удаление летучих веществ происходит при t = 400. 900 °C.

Восстановление оксидов железа. В доменной печи оксиды железа восстанавливаются оксидом углерода СО (косвенное восстановление) или сажистым углеродом (прямое восстановление). При этом изза различной прочности связей атомов кислорода высший оксид железа превращается в металлическое железо в следующем порядке:

Восстановление оксидов железа происходит в диапазоне температур 500. 1 100 °С по двум группам реакций: косвенное и прямое восстановление.

Косвенное восстановление происходит при низких температурах в следующей последовательности:

Прямое восстановление происходит при высоких температурах в следующей последовательности:

Восстановление оксидов железа при температуре 900. 1 000 ° С и выше происходит исключительно прямым путем. При выплавке обычных сортов чугуна от 40 до 60 % железа восстанавливается прямым путем. Наилучшие технико-экономические показатели получаются при оптимальном соотношении прямого и косвенного процессов восстановления.

Науглероживание железа и образование чугуна происходит при t > 1 200 °C:

Карбид железа Fe ₃C, растворяясь в металлической массе, понижает точку плавления науглероженного железа, которое переходит в жидкое состояние.

В условиях доменного процесса восстановленное железо растворяет до 3,5. 4 %, а в некоторых случаях до 6 % углерода и, следовательно, превращается в чугун, который плавится и стекает на дно горна.

Восстановление оксидов Mn, Si, P. Одновременно с плавлением чугуна в доменной печи происходит взаимодействие оксида углерода СО и сажистого углерода с оксидами Mn, Si, P и другими элементами.

Марганец восстанавливается из оксидов МnO₂ и Мn₃O₄ до МnО оксидом углерода СО. Из МnО марганец восстанавливается твердым углеродом при температуре более 1 000 °C:

Кремний восстанавливается сажистым углеродом при температуре более 1 450 °C:

SiO₂ + 2C = Si + 2CO.

Фосфор восстанавливается сажистым углеродом, т. е.

и почти полностью переходит в чугун.

Удаление серы и фосфора. Сера попадает в доменную печь, в основном, с коксом и с рудой и известью (частично). Для удаления серы требуются основные шлаки, содержащие в свободном виде СаО. Сера находится в металле в виде сернистых соединений FeS и MnS. Реакция поглощения шлаком серы из FeS и MnS осу ществляется при их взаимодействии с СаО:

FeS + CaO = CaS + FeO,

а также с сажистым углеродом:

FeS + CaO + C = CaS + Fe + CO.

Источником фосфора в чугуне являются минералы 3СаО·Р₂О₅ и 3FеO·P₂О₅·8Н₂О, попадающие в доменную печь вместе с рудой. При высокой температуре они восстанавливаются оксидом углерода СО, водородом, а также сажистым углеродом. В свою очередь, фосфор, взаимодействуя с железом, образует фосфид, который переходит в чугун:

Приведенные реакции химических процессов, происходящих в доменной печи, свидетельствуют о том, что доменный процесс по характеру их протекания является восстановительным.

Продукты доменной плавки. Продуктами доменной плавки являются литейный чугун, передельный чугун, ферросплавы, шлак и колошниковый газ.

Литейный чугун (после его переплавки на машиностроительных предприятиях) используется для производства чугунных отливок, а передельный чугун — для передела на сталь.

Ферросплавы с большим содержанием кремния, марганца и других элементов используются для добавки в шихту в качестве раскислителей или легирующих присадок при выплавке стали. К доменным ферросплавам относятся: ферросилиций (содержащий 9. 13 % Si и более); ферромарганец (70. 75 % Мn и более); зеркальный чугун (10. 25 % Мn и до 2 % Si).

Доменные шлаки используются для получения строительных материалов: цемента, кирпича, пористых и плотных блоков, щебенки и т. п.

Колошниковый (доменный) газ содержит до 30 % СО и до 3 % Н₂, является горючим газом и используется в доменном процессе для нагрева воздуха, подаваемого в фурмы доменной печи.

1.3. Производство стали

Сталь — сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14 %. Кроме того, в ней содержатся постоянные при-

меси (Mn, Si, S, Р) и в ряде случаев легирующие элементы (Ni, Cr, V, Mo, W и др.).

Физико-химические процессы передела чугуна в сталь. Основными материалами для производства стали является жидкий передельный чугун, стальной лом (скрап) и флюс (известняк CaCO₃).

Химический состав чугуна и стали приведен в таблице 1.1.

Шихта в металлургии — что это такое

Металлургия — отрасль производства, которая изготавливает промышленные металлы и сплавы. Ее конечная цель — получение расплава, отвечающего требованиям государственных стандартов, как по химическому составу, так и по механическим свойствам. Процесс выплавки имеет множество особенностей, каждая из которых сильно влияет на качество продукции. Одним из таких факторов являются исходные материалы или, другими словами, шихта.

Общие сведения

Шихта представляет собой набор компонентов, которые необходимы для выплавки сплава. Шихта загружается непосредственно внутрь печного оборудования. Химический состав ее разнообразен и зависит от конкретно выплавляемого материала.

В состав шихт могут входить как чистые металлы, так и отходы производства: бракованная продукция, стружка, отливки, прибыля и литники.

Помимо этого шихта содержит флюсы и шлаки. Шлаки попадают в шихту в результате загрязнения исходных материалов, в частности кремнеземом. При плавке он взаимодействует с чистым металлом, образуя оксиды железа, что и служит причиной образования естественного шлака.

Флюсы представляют собой карнолиты, фториды и хлориды натрия или кальция. Их основное назначение в шихте — защита расплавленного металла от взаимодействия с воздушной средой. Газы, содержащиеся в воздухе, особенно водород и кислород, при попадании в расплав значительно снижают его механические свойства. Также данные процессы являются причиной неоднородности химического состава металла и, как результат, неравномерного распределения прочности по площади сплава.

Виды шихт

В зависимости от типа получаемого сплава выделяют следующие разновидности шихтовых материалов:

• сталеплавильной металлургии.
• чугунолитейной металлургии.
• для металлургии цветных металлов.

Разберем теперь каждый пункт более подробно.

Чугунолитейное производство

Около 90% выплавки всего чугуна в России выполняется шихтами с использованием специальных печей — вагранок. Это вносит свои коррективы в химический состав шихтовых мемориалов, т. к. в среде присутствует избыточное количество газов.

Основными материалами шихт для чугунолитейного производства являются передельные и литейные чушковые чугуны, ферросплавы, отходы собственного производства.

Химический состав литейных чугунов регламентируется ГОСТом 4832-80. Их главная особенность — это высокий процентный состав кремния (до 3,5%). В зависимости от его содержания литейные чугуны подразделяют на марки. Также данный шихтовой материал включает в себя такие элементы как марганец (до 1,5%), фосфор (до 1,2%) и серу (до 0,05%). Масса одной чушки литейного чугуна не должна превышать 25 килограмм. Делается это для удобства транспортировки и загрузки шихты в печь.

Отличием передельных чугунных шихт (ГОСТ 805-75) от литейных является пониженное количество кремния в своем химическом составе, которое не превышает 1,3%. Такие чугуны отмечаются более высоким значением жидкотекучести, прочностных свойств и меньшей вероятностью образования отбела на поверхности металла. Недостатком же будет дополнительная необходимость в использовании ферросплавов.

Основное назначение ферросплавов при производстве чугунов — доводка сплава по составу, в частности по марганцу и кремнию. Одними из наиболее распространенных марок ферросилиция являются ФС45 и ФС75Л, включающие в своем составе соответственно 45 и 75% кремния. Остальная часть приходится на железо.

Около 75% шихт при изготовлении чугунов приходится на лом, который получается в результате отходов собственного производства или закупается на стороне. Существуют специальные стандарты (ГОСТ 2787-75), регулирующие состав вторичных отходов. В зависимости от этого лом подразделяется на определенные категории, и устанавливаются допустимые габариты и масса отдельных кусков.

Для вагранок основным материалом для топлива является шихта на основе каменноугольного литейного кокса. Согласно ГОСТ 3340-71 она подразделяется на 3 вида. Главным критерием здесь служит количество серы в составе и процент зольности. Содержание влаги во всех марках кокса не должно превышать 5%.

От доменного кокса литейная коксовая шихта отличается более высоким удельным весом, что означает наличие более высокой теплотворной способности. Как правило, в качестве флюсов применяют известковые породы, на 50% процентов состоящие из оксида кальция.

Сталелитейное производство

Шихта для плавки стальных сплавов преимущественно состоит из ферросплавов, флюсов, передельного коксового чугуна и стального лома.

Существует несколько принципиальных правил, которыми руководствуются при выборе материалов шихты:

• Шихта для сталей должна содержать минимальный процент легирующих элементов.
• Применение шихты известного происхождения. Пренебрежение данным пунктом отразится на точности химического состава полученного расплава.
• При кислом процессе выплавки (при котором огнеупорами печи служат кварцевый песок, шамотный или динасовый кирпич) необходимо использование шихтовых материалов, отличающихся пониженным содержанием серы и фосфора.
• Шихта не должна содержать следов ржавчины на своей поверхности и разнообразных неметаллических включений в своем составе (остатки формовочной смеси и песок).
• Компоненты ферросплавов должны быть предварительно просушены в термических печах для избежания попадания влаги в раскаленный расплав.

Читать статью Доменный процесс получения чугуна

Наибольшее значение на свойства стали оказывает тип флюса. Как правило, флюсы представлены в виде известняка, плавикового шпата или шамотного боя. Наибольшее распространение в производстве получил известняк, процент содержания серы и фосфора которого не превышает 2%.

Химический состав металлургического известняка регламентирован стандартами. В него входят такие элементы как оксид кальция (до 55%), оксид марганца (до 3,5%), кремнезем (до 1%), оксид железа (до 0,4%), серы (до 0,15%) и фосфора (до 0,03%).

Использование известняка предусматривает отсутствие влаги в его составе, что является проблемой, т. к. он активно впитывает ее из окружающей среды даже при непродолжительном хранении.

При плавке стали в мартеновских печах в качестве окислителя помимо традиционного кислорода применяют железосодержащие руды, но при условии, что она не имеет кремнезема и фосфора в своем составе.

Плавка сплавов цветных металлов

Шихта для выплавки цветных металлов включает в себя первичные металлы, лом соответственного типа сплава, отходы собственного производства (литники, прибыля) и специальны лигатуры.

Главной особенностью плавки цветных металлов является необходимость легирования легкоплавких сплавов тугоплавкими материалами, и наоборот. Несоблюдение данного правила приводит легкоплавкие сплавы к перегреву, а тугоплавкие сплавы к образованию зональной ликвации.

Самыми востребованными тяжелыми сплавами в цветной металлургии являются бронзы. Для их изготовления требуется наличие следующих первичных металлов:

• Медь. Поставляется чушками, листами и катодами.
• Олово. Поступает на производство прутками и чушками. Их химический состав регламентируется ГОСТом 860-89.
• Свинец. Поставляется аналогичным образов, как и вышеуказанные металлы. Содержание примесей, размер и вес указаны в ГОСТе 3778-85.

Лом медных сплавов также применяется как шихта при плавке бронз и латуней. На производстве он представлен в виде чушек. Основные требования к медному лому изложены в ГОСТе 614-79.

Вторым по популярности цветным сплавом является алюминий. В промышленности в качестве первичного металла используют алюминий марок А99 и А85 ГОСТ 11069-85.

Лом алюминия перед переплавкой подвергают предварительному рафинированию, т. е. введению в состав сплава лигатур мелкозернистого алюминия. Это необходимо для увеличения прочностных характеристик металла и снижения уровня химической ликвации.

Что такое шихта? Виды шихты, состав и назначение

Определение, что такое шихта из чего она состоит заключается в следующей формулировке. Шихта — это комплекс минералов, загружаемых внутрь доменной печи или другого высокотемпературного оборудования, для получения конечных продуктов заданного химического состава и свойств.

Можно также сказать, что шихта — это подготовленный к переплавке лом (если речь идет о металлургии). А вот понятие состав шихты носит обобщенный характер и зависит от специфики продукта, выплавляемого из прекурсора. В частности, состав шихты в металлургии это:

• обогащенная руда;
• концентрат;
• флюс;
• оборотные материалы – шлаки, съемы, а также пыль.

Дополнительно, шихта, используемая в черной металлургии, содержит в своем составе топливо: кокс или уголь. Производство цветных металлов, наоборот, обходится без топливных компонентов.

На фото угольная шихта — специальная смесь определенных марок угля, подготовленная для производства кокса

Металлизированная и металлическая шихта

Использование прекурсора конкретного состава сказывается на свойствах конечного продукта, как было указано ранее. Например, в сталеплавильном производстве, нередко используют метализированную шихту. Сталь, полученная на ее основе, превосходит метал из скрапа стабильностью состава и существенно пониженным содержанием примесей. В частности, удается снизить вдвое концентрацию таких вредных для стали элементов, как сера и фосфор, увеличивающих хрупкость металла. Получают металлизированную шихту восстановлением железной руды углеродом или газом при температуре меньшей точки плавления железа.

Альтернативно, в мартеновскую печь загружают металлическую шихту. Ее основу составляют:

• чугун – твердый или жидкий;
• стальной лом.

Важно чтобы марка металлолома соответствовала выплавляемому продукту. Если в производстве стали задействовано большое количество жидкого чугуна, в состав шихты требуется ввести окислители. Это может быть специальный мартеновский агломерат, например. Также в роли оксилителя выступают: железная руда или окатыши.

Сталеплавильное производство

Рассмотренная ранее металлическая шихта – один из четверки компонентов прекурсора для производства стали. Также туда входят:

• флюс – шлакообразующие вещества;
• окислители;
• дополнительные составляющие – раскислители, науглероживатели и легирующие добавки.

Подобный состав шихты литья 40гмфр – высокопрочной конструкционной стали и других марок этого металла. Дополнительно, в состав входят флюсы или плавни. Это шлакообразующие вещества, под которые, выполняя расчет шихты для стали необходимо учитывать тип футеровки печи:

1. Кислая. Под такую мартеновскую печь шлакообразующими веществами могут быть кварцевый песок, а также битый кирпич – шамотный или динасовый — см. лом огнеупоров.
2. Основная. Тут в качестве флюса выступает, боксит, известняк или плавиковый шпат.

Так выглядит флюсовый известняк

Под окислители используют кислородсодержащие материалы: железная руда, специальные агломераты, а также окалина. Их задача катализировать окислительные процессы. Альтернативно, интенсифицировать окисление позволяет продувка металла кислородом в газообразном состоянии.

Соответственно, класс науглероживателей образуют углеродсодержащие материалы. Они могут использоваться как на стадии приготовления шихты, так и вводиться непосредственно в жидкий металл. Этот, преимущественно кокс, а также лом электродов. Важное качество науглероживателя – чистота по вредным примесям. Особенно это относится к содержанию серы и золы.

Раскислителями в подготовке шихты выступают ферросплавы, а также металлический хром, алюминий, марганец и прочие элементы.

Читать статью Основные процессы протекающие в доменной печи реферат

На видео — Участок подготовки шихты

Шихта в производстве цветных металлов

Переработка алюминиевого лома в шихту

Материалы под плавку алюминиевых сплавов, например, отбираются соответственно стандартам: ГОСТ 11069-74 и ГОСТ 1583-93. Согласно документам, состав шихты ал5 ак5м марок металла включает:

• первичный алюминий и его литейные сплавы в чушках;
• возврат, лом;
• лигатуры.

Содержание Al в первичном алюминии составляет 99.x%, где x – цифра в марке. Так для сорта А0 концентрация 99.0%, А7 – 99.7%. Основными компонентами, наряду с алюминием в чушках отлива для шихты выступают кремний, магний, марганец и медь.

Шихта для коксования

Это фактически смесь измельченного угля различных марок. Их соотношение определяется конечным продуктом, а именно коксом заданного качества. Оптимальный состав шихты для коксования подбирается по техническому анализу сырья и ряду его характеристик:

• спекаемость;
• коксуемость;
• конечная усадка;
• давление распирания и прочие.

Оптимальная шихта редко остается строго фиксированной по составу. Это видно на примере получения металлургического кокса. Тут, под уголь кс в шихте для коксования отводится 10 – 15%. Еще 2 – 4% приходится на спекающуюся добавку. Остальной состав включает такие сорта угля:

• газовый – 45 – 55%;
• жирный – 17 – 25%;
• отощенно-спекающийся – остальное.

На сегодня, подобный состав характеризуется недостаточной коксуемостью. Оптимизировать спекаемость позволяет ввод органических добавок – каменноугольного пека, например.

Стекольная шихта

Данный прекурсор представляет смесь, включающую одновременно сыпучие и жидкие компоненты, а также микродобавки. Отличается шихта для стекла исключительными требованиями к дозировке составляющих, а также однородности химического и гранулометрического состава. Среди элементов, входящих в состав шихты могут присутствовать:

• измельченный бой стекла;
• песок;
• сода;
• мел;
• селитра;
• полевой шпат;
• глинозем;
• доломит.

Это только сыпучие компоненты. Жидкими составляющими стекольной шихты выступают вода или мазут. В качестве микродобавок применяют оксид кобальта, селен. Их вводят, как заранее подготовленную смесь с наполнителем.

Стекольная шихта для производства хрусталя

Отдельно стоит рассмотреть оборудование для загрузки стекольной шихты. Оно представляет целую станцию, состоящую из ряда узлов:

• конусная приемная воронка с уплотнителем;
• комплекс для разрезания мешка – удерживающая решетка и нож;
• вибратор, обеспечивающий дебалансировку;
• подъемно-транспротный конвейер;
• завалочная машина.

Когда загрузчик полностью заполнен, шихта переводится в карманный отдел плавильной печи.

Посмотрите интересное видео о том, как производят стекло:

Шихта для производства хрома

Прекурсор используется в производстве металлического Cr. Составными материалами выступают:

• концентрат и окись хрома;
• натриевая селитра;
• порошок из первичного Al.

Аналогично этому составляется шихта для плавки ферросплавов фнх или азотированного феррохрома. Дополнительным ее компонентом выступает хромистый шлак. Материал измельчают до фракции 0.3 – 0.8 мм и применяют как балласт при выплавке.

Флюс под такую шихту выбирается на основе трех условий:

• повышение активности окиси хрома, способствующее его извлечению;
• снижение вязкости глинозема;
• улучшение кинетики процесса.

Этим требованиям соответствует известь, с содержанием СаО более 90%. Ее предварительно измельчают до фракции 3 мм.

Чем опасна для организма шихта

Основным источником негативного воздействия на здоровье человека выступает SiO₂. Двуокись кремния – это кварцевый песок, выступающий базовым компонентом стекольной шихты. Наибольшую опасность в производстве стекла представляют операции с высокой запыленностью: сушка, дробление и просев. Уровень пыли в них достигает 50, а при ручном просеве 100 мг/м 3 . Сама пыль не так страшна, как опасна свободная двуокись кремния. Она составляет 75% пылевой завесы и способна вызывать силикоз у рабочих.

Также работа с шихтой связана с риском — нужно строго соблюдать технологию подготовки шихты, а также требуется надзор техники безопасности. Что бывает, когда такой контроль ослабевает смотрите на видео.

Видео — взрыв печки при неправильной загрузке шихты:

Что такое шихта — ее виды, роль в производстве, шихтарник

Шихта — это определенный набор компонентов, предназначенных для загрузки в топку домны или иного высокотемпературного оборудования с целью получения на выходе конечного продукта с определенными свойствами и химическим составом. Шихта в металлургии определяет состав и характеристики выплавляемого материала.

Само понятие «состав шихты» в промышленных масштабах носит обобщенный характер. Определяющим фактором для него служит конечный продукт металлургии. В качестве компонентов шихты могут выступать:

• подготовленный к переработке лом;
• обогащенная железная руда;
• концентрат;
• флюсы;
• оборотные материалы (пыль, шлак, съем).

Флюсы применяются для защиты расплавленного металла от воздействия на него активных компонентов воздушной среды. Водород и кислород, проникающие в расплав, негативно влияют на его механические свойства, а также приводят к неоднородности химической среды в расплавленном металле. Подобное воздействие влечет за собой неравномерность показателя прочности по всей массе сплава. В качестве флюсов используют хлориды, карнолиты, фториды кальция или натрия.

Попадание шлаков в шихту происходит по причине загрязнения исходного сырья кремнеземом. Его взаимодействие в процессе плавки с чистым металлом приводит к формированию оксидов железа, которые и являются источником естественного шлака.

Виды шихт

Шихтовые материалы классифицируют в зависимости от разновидности получаемого на выходе сплава:

• стали;
• чугуна;
• цветных металлов.

Компоненты, из которых формируют шихтовые материалы, оказывают прямое влияние на технические свойства конечного продукта.

Производство стали

Предназначенная для плавки стали шихта состоит из:

• ферросплавов;
• стального лома;
• флюсов;
• предельного коксового чугуна.

Читать статью Производство чугуна. Марки чугуна. Технология производства

Шихтование требует грамотного подхода к расчетам и составлению смеси, подлежащей переработке в металлургических агрегатах. Выбор компонентов для шихты при производстве стали основан на нескольких основных правилах.

1. Шихта для стали отличается низким содержанием легирующих элементов, и должна состоять только из известных компонентов. Использование шихты неизвестного происхождения неминуемо повлияет на точность состава полученного расплава с химической точки зрения.
2. На поверхности шихты не должно быть признаков ржавчины и следов неметаллических примесей (кварца или остатков формовочной смеси).
3. Компоненты ферросплавов предварительно проходят термическую обработку для исключения вероятности попадания в расплав влаги.
4. Кислотный процесс выплавки (с применением в качестве огнеупоров печи шамотного, динасового кирпича или кварцевого песка) предполагает использование шихты с низким содержанием фосфора и серы.
5. Шихтовые слитки, изготовленные из лома, повышают производительность сталеплавильных агрегатов, поскольку снижают угар металла и легирующих элементов.

Металлошихта, полученная путем восстановления железной руды газом или углеродом, используется для получения стали с минимальным количеством примесей. Основу металлической шихты составляет твердый или жидкий чугун, а также стальной лом. При этом марка лома должна соответствовать конечному продукту. Применение большого количества жидкого чугуна предполагает добавку в качестве окислителей окатышей или железной руды.

Важным компонентом, напрямую определяющим свойства стали, является тип используемого флюса. Обычно применяется известняк (содержащий не более 2% фосфора и серы), а также шамотный бой или плавиковый шпат.

Основным условием применения известняка в качестве флюса является отсутствие в нем влаги, что представляет собой серьезную проблему из-за способности данного материала активно впитывать влагу даже при краткосрочном хранении. Стандартами предписан определенный химический состав известняка. Он примерно на 55% состоит из кальция, содержит до 3,5% оксида марганца, до 1% кремнезема, до 0,4% оксида железа, до 0,15% серы, до 0,03% фосфора.

Технология плавки стали в мартеновских печах позволяет в качестве окислителя применять не только кислород, но и руду, содержащую железо, при условии, что в ее составе отсутствует фосфор и кремнезем.

Производство чугуна

Согласно статистике почти 90% выпускаемого в нашей стране чугуна приходится на технологию с применением особых печей-вагранок. Из-за избытка газов в такой рабочей среде шихта для выплавки чугуна должна иметь определенный состав.

Основными составляющими шихты на чугунолитейном производстве являются:

• литейные и передельные чушковые чугуны;
• ферросплавы;
• отходы своего производства.

Особенностью литейных чугунов служит высокое содержание (до 3,5%) кремния. На основе этого показателя происходит деление материала на марки. ГОСТ 4832-80 четко определяет химический состав литейных чугунов. Кроме кремния в них может содержаться до 1,5% марганца, до 1,2% фосфора, до 0,05% серы. Вес одной чугунной чушки не должен быть больше 25 кг для удобства их перевозки и загрузки в печь.

Передельные литейные чугуны отличаются низким (до 1,3%) содержанием кремния в своем составе. Их использование улучшает показатель жидкотекучести и прочности, снижает вероятность образования отбела на поверхности металла. Минус их применения заключается в необходимости включения в состав шихты ферросплавов.

Ферросплавы необходимы для обогащения состава сплава кремнием и марганцем. Наиболее востребованы ферросплавы марок ФС75Л и ФС45. Маркировка указывает на содержание в их составе кремния (75% и 45% соответственно, остальная часть железо).

Примерно три четверти шихт в чугунолитейном производстве составляет лом, который делится на несколько категорий согласно ГОСТ2787-75. В качестве лома предприятия используют не только собственные отходы, но и покупное вторичное сырье. К кусковому лому применяются определенные требования относительно предельного веса и габаритных размеров.

Основным топливом для печей-вагранок служит шихта с преобладанием каменноугольного литейного кокса. С учетом процентного содержания серы и показателя зольности ее делят на три типа. Важным критерием является содержание влаги (не более 5% для любой из марок). Коксовая литейная шихта обладает большим удельным весом, что положительно влияет на степень теплоотдачи.

В роли флюсов чаще всего выступает известняк, более чем на половину состоящий из оксида кальция.

Производство сплавов цветных металлов

Шихта для выплавки цветных металлов содержит:

• первичные металлы;
• лом соответствующих сплавов;
• отходы производства;
• лигатуры.

Основной особенность выплавки цветных металлов является потребность в легировании тугоплавких металлов легкоплавкими, и наоборот.

Лидером в цветной металлургии являются бронзы, для производства которых необходимы:

Вторым по степени востребованности продуктом цветной металлургии является алюминий. Повысить показатели прочности конечного материала позволяет обогащение применяемого вторичного сырья лигатурами мелкозернистого алюминия.

Подготовка шихты для коксования

Шихтование угля предполагает собой тщательное смешивание измельченного топлива различных марок. Состав смеси определяется техническими характеристиками конечного продукта, и формируется с учетом технического анализа характеристик различных видов угля (коксуемость, спекаемость, давление распирания, конечная усадка).

На практике редко применяют строго фиксированный состав смеси. К примеру, шихтовка металлургического кокса предполагает смешивание:

• 10-15% угля кс для коксования;
• 2-4% спекающаяся добавка;
• 45-55% газовый;
• 17-25% жирный;
• остальное составляет отощенно-спекающийся уголь.

Процесс коксования в его полной крассе

Повысить спекаемость поможет ввод в качестве органической добавки каменноугольного пека.

Шихтарник

При больших объемах перерабатываемых материалов на металлургическом производстве для приемки, проверки, хранения сырья и подготовки шихты используют рудные склады.

Современное производство оснащено механизированными шихтарниками, позволяющими ускорить все этапы подготовки шихты. Готовую шихту непосредственно перед обжигом подсушивают в специальных барабанах до уровня влажности в пределах 5-6%.

Для перемещения шихты в плавильные печи применяется специальное оборудование. Загрузчик шихты представляет собой сложное аппаратное оснащение, особенности конструкции которого зависят от типа плавильного оборудования и способа загрузки шихты.

Похожие записи:

1. Процессы разложения и восстановления шихтовых материалов по высоте доменной печи
2. Доменные цехи
3. Доменная печь: что такое, как появилась, как работает
4. Доменная печь: устройство доменной печи и схема доменного производства

https://eti.su/articles/over/over_1646.html