Основы металлургического производства

Металлургия - одна из наиболее энергоемких отраслей промышленности. Системы энергообеспечения являются неотъемлемой частью металлургического производства и выпускники – теплоэнергетики востребованы различными службами, обеспечивающими работу всего комплекса. Металлургия - одна из наиболее энергоемких отраслей промышленности, в которой используются различные типы печных установок, теплообменных устройств, систем газо и водоснабжения.

Для того, чтобы управлять энергетикой этих агрегатов, бакалавр - теплоэнегетик должен знать технологию производства, изучать его слабые и сильные стороны, быть в курсе современных тенденций не только в энергетике, но и в металлургии. Любой сбой в энергообеспечении этих агрегатов может привести к аварийной ситуации, связанной с жизнью обслуживающего персонала и работой всего металлургического комплекса.

Теплотехнические и технологические процессы, протекающие в металлургических печах, сложны и многообразны. Металлургический завод полного цикла включает в себя следующие комплексы: подготовки руды, выплавки чугуна, выплавки стали, прокатное производство.

Металлургия – область науки и отрасль промышленности, охватывающая различные процессы получения металлов из руд и других материалов, а также процессы, способствующие улучшению свойств металлов и сплавов.

В природе в чистом виде металлы встречаются очень редко. К ним относятся золото, серебро, медь. Остальные металлы находятся в виде соединений – руд, которые принято называть полезными ископаемыми. Железо имеет особое значение в общемировом производстве металлов. На железо и его сплавы приходится свыше 90%. Широкое применение стали в различных областях техники объясняется её ценными физическими и механическими свойствами, а также тем, что железные руды широко распространены в природе, а производство чугуна и стали сравнительно дешево и просто.

Промышленная классификация металлов. Металлыи сплавы условно подразделяют на две основные группы - черные и цветные. Такая классификация сложилась исторически. К черным металлам относят железо и его сплавы (чугун, сталь, ферросплавы – сплавы железа с легирующими элементами). Остальные металлы составляют группу цветных.

Химически чистое железо в промышленности практически не применяется, поскольку обладает невысокими механическими свойствами. Элементом, оказывающим главное влияние на механические свойства черных металлов, является углерод, в зависимости от его содержания черные металлы делят на сталь и чугун.

Сталью называют железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2,14%. Чугуном является железоуглеродистый сплав, содержащий углерода от 2,14% до 6,67%. Сталь обладает значительно более высокими механическими свойствами (прочностью, твердостью, пластичностью и др.) по сравнению с чугуном. Основное назначение чугуна - служить сырьем для получения стали, поэтому используемый для производства стали чугун называется передельным.

Сталь в начале получают в виде расплава, затем формируют заготовку определенной формы путем охлаждения расплава в специальных машинах непрерывного литья, после чего в процессе прокатки формируют из заготовки лист, круг, сложный профиль.

В технологических процессах, которые применяют для получения конечного продукта, используется многообразие металлургических агрегатов – печей, непохожих друг на друга ни по форме, ни по технологическому назначению, ни по энергетическому обеспечению.

Любая печь как энергетический агрегат может быть представлена общей схемой: "источник энергии" → "теплота" → "объект тепловой обработки (материалы)". В этой общей схеме должны быть звенья, соединяющие источник энергии с объектом её приложения.

В топливных печах эти звенья представлены наиболее полно. Можно выделить следующие четыре звена тепловой работы топливной печи:

1) сжигание топлива, т.е. превращение химической энергии топлива в теплоту, носителями которой являются продукты горения - дымовые или печные газы;

2) движение печных газов, с помощью которых теплота переносится во все зоны рабочего пространства, а отработанные газы уходят из печи;

3) внешний теплообмен, т.е. передача теплоты от печных газов излучением и конвекцией на поверхность нагреваемых материалов;

4) внутренний теплообмен, т.е. перенос теплоты от поверхности материалов (кусков, массивных изделий) к их середине теплопроводностью.

Задачей теплоэнергетика является осознанное управление процессами теплообмена, позволяющее минимизировать энергетические затраты на производство конечного продукта.

Развитие металлургии идет по пути совершенствования методов плавки и разливки металла, механизации и автоматизации производства, внедрения новых перспективных технологических процессов, обеспечивающих необходимое качество выпускаемой продукции.

6.1. Современная черная металлургия и её продукция

Современное металлургическое производство полного цикла представляет собой сложный комплекс различных производств, связанный с месторождениями руд, коксующихся углей, наличием энергетических мощностей. Оно включает следующие комбинаты, заводы, цехи (рис. 6.1):

шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей;

горно-обогатительные комбинаты, где подготавливают руды к плавке, дробят и обогащают их;

коксохимические заводы или цехи для производства кокса для доменных печей, где осуществляют подготовку углей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов;

энергетические цехи для получения сжатого воздуха для дутья доменных печей, кислорода, а также очистки газов металлургических производств;

доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов;

заводы для производства ферросплавов;

сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные) для производства стали;

прокатные цехи, в которых слитки стали перерабатывают в сортовой прокат - балки, рельсы, прутки, проволоку, лист и т. д.

Рис. 6.1. Схема современного металлургического производства

Основой современной черной металлургии является двухступенчатая схема производства, которая состоит из выплавки чугуна в доменных печах и различных способов его передела в сталь.

При доменной плавке происходит избирательное восстановление железа из руды при посредстве углерода кокса. Одновременно с этим из руды восстанавливаются фосфор и в небольших количествах марганец и кремний; железо науглероживается и частично насыщается серой. В результате из руды получают чугун - сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, серой и фосфором.

Передел чугуна в сталь производят в конвертерах, мартеновских и электрических печах. В этих агрегатах происходит избирательное окисление примесей чугуна таким образом, что в процессе плавки они переходят в шлак и газы. В результате получают сталь (сплав железа с углеродом с содержанием углерода меньше 2%) заданного химического состава.

Основной продукцией черной металлургии являются:

1) чугуны - передельный, используемый для передела на сталь, и литейный для производства фасонных чугунных отливок на машиностроительных заводах; основное количество (до 60 %) выплавляемого чугуна - передельный;

2) ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана) для производства легированных сталей;

3) стальные слитки для производства сортового проката (рельсов, балок, прутков, полос, проволоки), а также листа, труб и т, д.;

4) стальные слитки для производства крупных кованых деталей машин (валов, роторов, турбин, дисков и т. д.), называемые кузнечными слитками.

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

Руда. В природе большинство металлов находится в виде химических соединений (окислов, силикатов, карбонатов, сернистых соединений), входящих в состав различных минералов, образующих горные породы.

Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения. Этот уровень определяется содержанием извлекаемого 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. Например, железная руда содержит окислы железа Fe₃О₄, Fе₂О₃, Fе₂О_3*Н₂О, карбонат железа FеСО_3, а также пустую породу, состоящую в основном из SiO₂, А1₂О₃, СаО, МgО. Руду обычно называют по одному или нескольким металлам, которые в них содержатся: железные, медные, алюминиевые, марганцевые, медно-никелевые, железомарганцевые и т. д.

В зависимости 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 заключается 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.

Топливо. Основными видами топлива, применяемого в металлургических печах, являются кокс, природный газ, мазут, а также доменный (колошниковый) и коксовый газ. Для доменного процесса требуется прочное, неспекающееся твердое топливо, которое служит не только горючим для нагрева шихты 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 искусственное твердое топливо - кокс. Кокс должен обладать также высокой механической прочностью, чтобы не разрушаться в доменной печи под действием массы столба шихтовых материалов. Важное значение имеет размер кусков кокса — кусковатость, он должен быть 25 - 60 мм. Теплота сгорания кокса составляет 29,3 МДж/кг

Кокс получают в коксовых печах сухой перегонкой каменного угля специальных коксующихся сортов (нагрев без доступа воздуха) при температуре 1000 - 1200°С. В процессе коксования измельченная угольная шихта размягчается, из нее выделяются летучие газообразные продукты, а затем она спекается в пористый коксовый «пирог». При выделении газов в процессе коксования «пирог» растрескивается и при выдаче из печи распадается на куски. Газы удаляются из печи и направляются в химическое отделение, где из них извлекают бензол, фенолы, каменноугольную смолу и другие ценные продукты. После этого газ, который называется коксовым, может использоваться в качестве топлива в энергетике металлургического производства.

Процесс коксования длится 15 - 17 ч. Кокс охлаждают водой (мокрое тушение) или инертным газом (сухое тушение). 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, которая в процессе плавки может переходить в металл и ухудшать его свойства. В доменной плавке часть кокса заменяют природным газом, мазутом или пылевидным твердым топливом.

Природный газ содержит 90 - 98% углеводородов (в основном метан СН₄) и до 1% азота. Теплота его сгорания 33 - 40 МДж/м³.

Флюсы. Это материалы, способствующие формированию шлака в плавильной печи. Пустая порода железных руд содержит окислы, температура плавления которых значительно выше температур, 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 текучестью при 1450 - 1600°С. Для перевода пустой породы руды и золы кокса в шлаки с определенными химическими свойствами в доменную печь при плавке загружают флюсы. Шлаки, образующиеся в доменной печи, должны содержать необходимое количество основных окислов (СаО, МgО), которые способствуют удалению серы из металла, в который она может попасть из кокса и железной руды при плавке. Поэтому при выплавке чугуна в доменных печах в качестве флюса используют известняк СаСО₃ или доломитизированный известняк, содержащий СаСО₃ и МgСО₃.

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.

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, высокоглиноземные, шамотные).

Кварцевый песок (не менее 95% SiO₂) - кислый огнеупорный материал. 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 порошок содержит 85 - 88% МgO. Из него изготовляют магнезитовый кирпич (86 - 90% МgO). Он обладает высокой термостойкостью.

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.