Лабораторная работа Исходные материалы металлургического производства

В металлургии при производстве чугуна и стали применяют различные исходные материалы (рис.1): руды, топливо, флюсы, огнеупоры, ферросплавы и т. д.

Цель работы: Ознакомить студентов с основными исходными материалами, их составом и областью применения.

Рис. 1 Исходные компоненты металлургического производства

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О МАТЕРИАЛАХ

Руды

Руды - природные минералы, содержащие полезные элементы в таких количествах, при которых становится экономически выгодным их промышленное использование. В металлургии наиболее широко применяются железная и марганцевая руды, бокситы (см. табл. 1).

Таблица 1

Характеристика руд металлургического производства

№ п/п	Наименование	Химический состав	Содержание в % искомого элемента	Основная пустая порода
1	Бурый железняк	NFe2O3×mH2O	25-50 Fe	Al2O3, S, P
2	Красный железняк	Fe2O3	45-65 Fe	SiO2, S, P
3	Магнитный железняк	Fe3O4	40-70 Fe	SiO2, S
4	Медный колчедан	CuS, FeS	3-5 Cu	-
5	Боксит	Al2O3×3H2O	28-70 Al2O3	SiO2, TiO2
6	Пиролюзит	MnO2	25-40 MnO2	Fe2O3, SiO
7	Болотная руда (железная)	-	10-20 Fe	-

Железные руды: магнитный, красный и бурый железняк наиболее богатые и попользуются в доменном производстве в качестве основного материала и сталеплавильном для очищения от примесей в процессе плавки. В связи с резким уменьшением разведанных запасов богатых руд (содержание железа 50% и более) широко применяются бедные руды, подвергающиеся предварительному обогащению агломерации и т. д.

Агломерат - это продукт спекания мелких фракций железной руды, окалины, колошниковой пыли, известняка и кокса. Куски агломерата прочные пористые и обогащенные до содержания железа 60%. Такой агломерат называется офлюсованным (весь кремнезем руды связывается и из него легко восстанавливается железо). В последнее время широко применяются окатыши, из которых также легко восстанавливается железо (см. табл. 2).

Таблица 2

Характеристика компонентов металлургического производства

№ п/п	Наименование	Состав, %	Краткая характеристика
1	Агломерат (офлюсованный) а) рудный концентрат б) молотый кокс в) известняк (флюс) г) колошниковая пыль (окалина)	70 20 10	Продукт спекания
9	Окатыши (пилеты) а) пылевидная руда б) глина или известь	90 10	Увлажненная смесь перемешивается в барабане до образования окатышей Æ25-30 мм

В зависимости от содержания железа в руде, расход ее в доменном производстве составляет 2-3т/т чугуна.

Марганцевая руда применяется как добавка при выплавке чугуна для введения в него марганца.

Топливо

Топливо - продукт разложения органических веществ, в которые входят углерод, водород, углеводороды, сера, зола, влага и кислород. По физическому состоянию топливо подразделяется на твердое, жидкое и газообразное.

Кокс. В современном доменном производстве основным топливом является кокс, получаемый при сухой перегонке углей без доступа воздуха при температуре 1100-1200°С. Он легкий, пористый и прочный, что обеспечивает большую его реакционную способность и образование минимального количества мелочи при транспортировке и движении шихты в доменной печи.

Расход кокса в зависимости от содержания кремния в чугуне колеблется в пределах 0,5-0,8 т/т чугуна.

Из жидкого топлива в металлургии применяются нефть, мазут.

Нефть - это природная органическая жидкость, горючей частью которой являются углеводороды, используется для работы мартеновских печей, чаще на машиностроительных заводах, а также нагревательных печей в кузнечно-прессовых термических и прокатных цехах.

Ограниченность применения нефти и мазута обусловлена высоким содержанием в них серы, которая может диффундировать в металл, ухудшая его свойства.

Из газообразного топлива наиболее широко применяются природный, коксовый и доменный газы (последний в виде смеси).

Природный газ имеет высокую теплотворную способность, удобен для транспортировки, дешевый. В последнее время является преобладающим для работы мартеновских печей и нагревательных устройств (см. табл. 3).

Таблица 3

Характеристика основных видов топлива

№ п/п	Наименование	Состав, %	Теплотворная способность, ккал/кг (м3)	Краткая характеристика
1	Каменный уголь (брикет)	-	-	Прессованная каменноугольная пыль
2	Древесный уголь	углерод – 85, зола – 10	7000	Продукт сухой перегонки древесины при нагревании без доступа воздуха
3	Бурый уголь	углерод – 35, зола – 21,	3000
4	Каменный уголь	углерод – 60, зола – 18,	6000	Природное органическое вещество
5	Антрацит	углерод – 77, зола – 12,	6700
6	Кокс	углерод – 87, зола – 11,	7000	Получается путем нагрева в печи без доступа воздуха коксующихся углей
7	Нефть	-	9500	Используется для получения (путем перегонки) жидкого топлива – мазута и др.
8	Мазут	-	10000	Применяется как топливо в мартеновских и нагревательных печах
9	Природный газ	СН4-90	8000
10	Коксовый газ	СН4-35	4500	Получается при переработке каменного угля в кокс
11	Доменный (колошниковый) газ	СН4-30	4000	Побочный продукт доменного производства
12	Генераторный газ	СН4-50, СО-25	1000	Получают путем газификации каменного угля, дров, торфа

Флюсы и шлаки. Флюсы - это материалы, которые вводятся в доменную печь или сталеплавильные агрегаты для образования легкоплавких соединений с пустой породой железной руды и вредными примесями: серой и фосфором (см. табл. 4).

Таблица 4

Характеристика флюсов и шлаков

№ п/п	Наименование	Состав, %	Характеристика, область применения
1	Известняк	СаСO3 СаO – 50	Применяется для наведения основного шлака при производстве чугуна и стали
2	Песок	СiO2 – 96 СаF2	Применяется для наведения кислого шлака
3	Плавиковый шпат	СаFe2 – 60-90	Применяется для разжижения основного шлака
4	Шлак основной	СаO – 60 SiO2 –30	Образуется в основных плавильных агрегатах (мартеновская печь, конвертер)
5	Шлак кислый	SiO2 – 45 СаO– 30	Образуется при кислой плавке в мартеновских печах, электропечах
5	Ваграночный шлак	SiO2 – 50 СаO – 20 Fe – 10 Примеси – 20	Образуется при работе вагранки
6	Доменный шлак	SiO2 – 30 Al2O3– 20 СаO+ MgO – 45 СаS, FeO – Остальное	Образуется в процессе работы доменной печи, используется при производстве цемента

Получающиеся соединения легче металла и нерастворимы в нем, поэтому они всплывают на поверхность ванны, образуя слой шлака. Флюсы вводят также для разжижения ранее образовавшегося шлака.

В зависимости от химического состава пустой породы железной руды и вида футеровки плавильного агрегата применяются кислые флюсы, состоящие в основном из SiO2 или основные, состоящие из СаO. При наличии в пустой породе большого количества применяют основной флюс и наоборот.

Получающийся в процессе металлургического производства шлак, главным образом, доменный и мартеновский, полностью используется в строительстве для производства цемента. Выход шлака составляет 0,7-0,8 т/т чугуна.

Огнеупорные материалы

Огнеупорные материалы (см. табл. 5) применяются для футеровки рабочего пространства плавильных и нагревательных печей. Они должны обладать высокой огнеупорностью (способностью не разрушаться при высоких температурах), термостойкостью (не разрушаться при резких, чередующихся колебаниях температуры), механической прочностью и химической устойчивостью при высоких температурах.

Таблица 5

Характеристика огнеупорных материалов

№ п/п	Наименование	Состав, %	Огнеупорн. 0С	Назначение
Основные
	Магнезит	MgСO3 – 95	2200	Для кладки подов и стен основных сталеплавильных печей
	Доломит	MgСO3×СaCO3	1900
	Хромомагнезит	Сr2O3, MgСO3×	2000
Кислые
	Динас	SiO2 – 96	1700	Для кладки подов и стен кислых сталеплавильных печей
Полукислые
	Шамот	SiO2 – 60 Al2O3– 40	1580-1750	Для футеровки доменных печей, вагранок, ковшей

По химическому составу огнеупоры подразделяются на основные, кислые и нейтральные. Они используются в виде кирпичей, фасонных изделий и порошков.

Порошки шамота и глины применяют для изготовления огнеупорных масс и растворов, используемых при кирпичной кладке. Магнезитовый порошок применяется для изготовления и ремонта подов основных плавильных печей.

Ферросплавы

Ферросплавы и лигатуры (см. табл. 6). Многие элементы, вводимые в стали и сплавы, как легирующие добавки и раскислители имеют высокую температуру плавления (титан (Тi) - 17250С, вольфрам (W) - 32000С), или малый удельный вес (кремний (Si) – 1,5 г/см3), поэтому они могут не расплавляться в сталеплавильной ванне, имеющей температуру 1550 - 16500С или всплывать на поверхность, окисляясь за счет кислорода атмосферы. Все это ведет к резкому уменьшению усвоения металлом нужного элемента. Поэтому основную массу легирующих элементов и раскислителей вводят в жидкий металл в виде сплава с железом (ферросплавы) или комплексного безжелезистого сплава легирующих элементов (лигатуры).

Таблица 6

Характеристика ферросплавов металлургического производства

№ п/п	Наименование	Состав, %	Назначение
1	Ферросилиций	а) Si – 45 б) Si – 90	Раскислитель легирующая добавка
2	Ферромарганец	а) Mn – 75 б) Mn – 80	Раскислитель легирующая добавка
3	Феррохром	Cr – 60	легирующая добавка
4	Ферромолибден	Mo – 55	легирующая добавка
5	Ферротитан	Ti – 25	легирующая добавка
	Ферровольфрам	W – 80	легирующая добавка
	Феррофосфор	P – 14	легирующая добавка
	Силикокальций	Ca – 30,Si – 60	Раскислитель
	АМС	Al, Mn, Si	Комбинированный Раскислитель
	Лигатура Si, Cu	Si – 92, Cu – 8	легирующая добавка
	Лигатура Ni, Al	Ni – 63, Al – 37	легирующая добавка
	Никель	Ni – 99	легирующая добавка
	Кобальт	Co – 99,9	легирующая добавка

Порядок выполнения работы и составления отчета

Студент изучает согласно настоящим методическим указаниям все материалы, находящиеся в коллекции лаборатории с занесением в отчет данных, отражающих химический состав, характеристики и области применения для 10-ти заданных материалов