Полезное ископаемое при производстве чугуна и стали
Производство чугуна и стали
Ключевые слова конспекта: производство чугуна, производство стали, железная руда, чугун, сталь, руда, кокс, силикат кальция, пирит, доменная печь.
ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА. ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ
По объёму производства и потребления железо является важнейшим металлом. Обычно железо используется в виде сплавов. Отрасль промышленности, производящая железо и его сплавы, – чёрная металлургия.
Источником получения железа является железная руда. В руде основными компонентами являются соединения железа:
- Fe3O4 – магнетит (магнитный железняк),
- Fe2O3 – гематит (красный железняк),
- Fe2O3nH2O – лимонит (бурый железняк),
- FeS2 – пирит (железный колчедан, серный колчедан).
Пирит сначала обжигают (в ходе производства серной кислоты), а огарок (Fe2O3) используют в производстве чугуна.
Продуктами производства являются чугун и сталь.
Чугун – сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет более 2%, а также имеются примеси кремния, фосфора, серы и марганца.
Производство чугуна осуществляют в доменных печах (см. рис). Сырьём для производства являются железная руда, кокс, известняк и горячий воздух.
Доменную печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом и коксом. (Агломерат – это определённым образом подготовленная руда, спечённая с флюсом, в данном случае – с известняком.) Через специальные отверстия (фурмы) в нижнюю часть домны подаётся горячий воздух, обогащённый кислородом. В нижней части домны кокс сгорает, образуя СO2, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои накалённого кокса, взаимодействует с ним и образует СО:
Руда последовательно претерпевает превращения:
В руде присутствует также пустая порода, которую образует главным образом кремнезём – SiO2. Это тугоплавкое вещество. Для превращения его в легкоплавкие соединения к руде добавляется флюс. Обычно это известняк. При взаимодействии его с кремнезёмом (SiO2) образуется силикат кальция:
СаСO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2↑ (800 °С)
Образующийся силикат легко отделяется в виде шлака.
При восстановлении руды железо получается в твёрдом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи – распар – и растворяет в себе углерод. Образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть домны, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки периодически выпускают через особые отверстия.
Когда металлическое железо выделяется в жидком состоянии, в нём сравнительно хорошо растворяется углерод. При кристаллизации такого раствора образуется чугун – сплав железа с углеродом. Он обладает высокой хрупкостью из-за большого содержания в нём карбида железа Fe3C (цементита), который образуется в результате побочных реакций:
3Fe + С = Fe3C
3Fe + 2СО = Fe3C + СO2
В чугуне содержатся примеси фосфора, серы. Сера ухудшает текучесть чугуна и вызывает красноломкость стали – хрупкость при нагревании до температуры красного каления. Фосфор вызывает хладноломкость стали – хрупкость при обычной температуре.
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ
Сталь – сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет менее 2%.
Сущность получения стали из чугуна заключается в уменьшении содержания углерода в металле и возможно более полном удалении примесей – серы и фосфора, а также в доведении содержания кремния, марганца и других элементов до требуемых пределов.
Существует несколько способов переработки чугуна в сталь: мартеновский, бессемеровский и томасовский. Они различаются методами окисления.
В бессемеровском и томасовском способах окисление осуществляется кислородом воздуха, продуваемого через расплавленный металл. Во всех процессах углерод, содержащийся в металле, окисляется до СО и СO2, удаляемых из реакционной зоны. Кремний Si, марганец Мn, хром Сг и другие металлы, окисляясь, переходят в шлак в виде SiO2, МnО и т. д.
Механизм процесса окисления может быть представлен следующим образом. В первую очередь окисляется часть железа. Часть образующихся оксидов растворяется в металле и взаимодействует с примесями:
С + FeO ⇆ Fe + СО
Si + 2FeO ⇆ 2Fe + SiO2
2P + 5FeO ⇆ 5Fe + P2O5
Для максимального удаления примесей серы и фосфора необходимо, чтобы в процессе передела чугуна получались основные шлаки; это достигается путём добавления известняка или извести. Сера, содержащаяся в чугуне в виде FeS, реагирует с оксидом кальция СаО:
FeS + СаО = CaS + FeO
Образующийся сульфид кальция переходит в шлак. Образовавшийся P2O5 также взаимодействует с известью, образуя фосфат кальция, переходящий в шлак:
3СаО + P2O5 = Са3(РO4)2
Бессемеровский и томасовский способы осуществляют в конвертерах. Конвертеры – аппараты грушевидной формы, изготовленные из специальной котельной стали (кожух) и футерованные изнутри огнеупорными материалами.
Конспект урока по химии «Производство чугуна и стали. Доменная печь». Выберите дальнейшее действие:
- Вернуться к Списку конспектов по химии
- Найти конспект в Кодификаторе ОГЭ по химии
Чугун – это сплав на основе железа. Его главное достоинство – долговечность. Изделия из чугуна широко применяют в станкостроении, производстве труб и радиаторов отопления, сантехнических изделий. Для производства большинства видов чугуна применяют литье, но и в ковке этот материал очень пластичен. Таким способом делают ограждения, декор для интерьера, например, каминные решетки, флюгеры, кованые калитки и ворота. Сырьем для производства чугуна служат рудные материалы, флюсы, кокс.
Руда
Основные виды сырья для производства чугуна – железные руды, кремнезем, глинозем, пустые породы с содержанием оксидов кальция и магния.
Руда, кроме основного материала, содержит и дополнительные компоненты – ценные и редкоземельные металлы. Если их содержание невелико, они используются в производстве чугуна. Если же процентное содержание позволяет извлекать из них, например, молибден, ванадий или никель, такую руду разделяют на компоненты.
Породу, добытую из недр, переводят из сырой в товарную. Происходит это в несколько этапов:
- Дробление для раскрытия рудного минерала.
- Грохочение для калибрования кусков разного размера.
- Окускование с целью получения крупных кусков руды из мелких.
- Агломерация (спекание).
- Обогащение для отделения пустой породы.
- Обжиг – для удаления серы, воды и углекислоты.
- Усреднение состава для достижения однородности.
После всех подготовительных процедур руду направляют на переплавку. Это делают в доменных печах на металлургических комбинатах.
Разновидности
В промышленном применении наиболее ценными являются руды:
- магнитный железняк, в котором содержание Fe колеблется от 45 до 70% и почти отсутствуют вредные примеси;
- красный железняк (55-60% Fe);
- бурый железняк (35-50%), основной недостаток – значительное количество вредных примесей;
- шпатовый железняк (30-45%).
Основные месторождения этих руд в нашей стране сосредоточены на Урале, в Сибири и ЦФО.
Свойства
Характеристики руды определяет ее химический состав. Чем выше содержание основного компонента, тем она ценнее.
Тип железной руды | Содержание Fe, % |
бедная | < 45 |
средняя | От 45 |
богатая | 60-65 |
очень богатая | > 65 |
Наличие вредных примесей и количество пустой породы делает производство металла из руд низкого качества более дорогостоящим. Чем выше содержание железа и меньше дополнительных компонентов, тем выше качество чугуна и дешевле его производство.
Стоимость железной руды на бирже находится на уровне 85 долларов за 1 тонну (на 18.02.2020).
Флюсы
Минеральные вещества, которые добавляют в руду при выплавке, способствуют снижению температуры плавления и удалению шлака – золы, пустой породы, серы. Флюсами служат доломит, известняк, мартеновский шлак, кварц, кремнезем.
Топливо
При выплавке чугуна применяют прочные и стойкие к истиранию материалы. Основное топливо – кокс. Его получают путем спекания без доступа кислорода из каменного угля. Качественный кокс содержит незначительное количество золы и серы. Он прочный и способен выдержать давление расплавляемой руды, не разрушаясь.
Еще один источник топлива – древесина. Ее жгут без доступа воздуха для получения угля. Однако ее крепость и дороговизна позволяют использовать такое топливо в металлургии регионов, богатых нестроевым лесом.
В качестве добавки к коксу применяют антрацит. У него высокая теплотворная способность, малая зольность и низкое содержание серы.
В последнее время стали широко применять для выплавки чугуна торфяной кокс. С таким топливом сплав получается высокого качества при меньшей стоимости.
Стоимость тонны кокса для доменных печей составляет 14 500 рублей.
Производство чугуна требует значительных затрат на предварительную подготовку – добычу и обогащение железных руд и флюсов, производство топлива. Сам металл плавят в доменных печах для дальнейшего производства прочных и долговечных изделий. Чугунные материалы применяют в машиностроении, производстве сантехнического оборудования, декоре. Рекомендуем посмотреть существующих производителей чугуна и произвести конкурентную разведку.
21.02.2020
Производство модульных зданий
Суть бизнеса, штат сотрудников и требования к помещению. Виды зданий, этапы производства, необходимые материалы и оборудование. Клиенты и рынки сбыта.
14.03.2020
Производство чугуна: сырье, технологии и оборудование
Оформление лицензии, штат сотрудников и требования к помещению. Виды и маркировка чугунов, процесс производства, необходимое сырье и оборудования. Поиск каналов сбыта.
14.03.2020
Открытие цеха по изготовлению металлоконструкций
Юридическое оформление, наем сотрудников и поиск помещения. Выбор направления производства, закупка сырья и материалов, оборудование цеха. Технология производства металлоконструкций, реклама и поиск клиентов.
12.03.2020
Цех по производству металлических изделий
Как определить направление бизнеса, составить ассортимент и закупить сырье. Этапы производства металлических изделий. Выбор помещения, персонала и подбор необходимого оборудования.
04.03.2020
Производство профильной трубы
Подбор помещения и персонала, виды профильной трубы, необходимые материалы. Технология производства, оборудование и контроль качества продукции. Каналы сбыта.
02.03.2020
Для производства металлов необходимы следующие материалы:
- руда;
- топливо;
- флюсы;
- огнеупорные материалы.
Руда
Руда представляет собой полезное ископаемое, добываемое из недр земли. Это горная порода, из которой при данном уровне развития техники экономически целесообразно извлекать металлы. Например, в настоящее время целесообразно перерабатывать руды, если содержание металла в них составляет:
- железа – 20 – 60%;
- меди – 1 – 3%;
- никеля – 0,3 – 1,0%;
- молибдена – 0,005 – 0,02%.
По мере развития техники указанные пределы постепенно снижаются и переработке подвергаются руды с меньшим содержанием полезного компонента.
Руда состоит из минералов, содержащих полезный металл и так называемую пустую породу. Пустая порода может быть:
- кремнистой, представленной кварцем – SiO2;
- глиноземистой, содержащей значительное количество глинозема – Al2O3;
- магнезиальной, содержащей в своем составе соединения магния.
В зависимости от содержания добываемого металла руды бывают богатые и бедные. Бедные руды обогащают, то есть удаляют из руды часть пустой породы, в результате получают концентрат с повышенным содержанием добываемого металла.
Руды обычно называются по одному или нескольким металлам, содержащимся в них. Например, железные, марганцевые, медные, хромоникелевые, железо-ванадиевые и др.
Запасы руд делят в зависимости от степени изученности на несколько категорий, обозначаемых буквами латинского алфавита А, В, С.
К категории А (промышленные запасы) относятся месторождения, по которым проведено разведочное бурение по частой сетке скважин и форма рудного тела выявлена с достаточной точностью. Утверждение месторождения по категории А является основанием для начала строительства металлургического завода.
К категории В (вероятные запасы) относятся месторождения, обуренные по редкой сетке скважин, что делает затруднительным определение точной формы рудного тела. Если месторождение отнесено к категории В, то это может служить основанием для проектирования, но не для строительства металлургического завода.
К категории С (ориентировочные запасы) относят месторождения, форма рудного тела в которых известна лишь в самых общих чертах, по естественным обнажениям или геофизическим данным. Запасы руды по категории С могут использоваться только при перспективном планировании развития металлургии.
Сумма запасов (А + В + С) называется общими балансовыми запасами руд.
Топливо
Топливо в металлургической промышленности используется в виде кокса, природного газа, мазута. Оно служит не только как горючее для нагрева и расплавления материала, но и как реагент в химических реакциях металлургических процессов.
Флюсы
Флюсы представляют собой материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды и золой топлива. Такое соединение называют шлаком. Он имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому располагается над металлом, защищая металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды SiО2, Р2О5 и основным, если в его составе больше основных оксидов – СаО, MgО.
Огнеупорные материалы
Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего слоя (футеровки) металлургических печей. Они должны:
- выдерживать нагрузки при высоких температурах;
- противостоять резким изменениям температур, химическому воздействию шлака и печных газов.
Огнеупорность материала определяется температурой его размягчения.
По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяют на:
- кислые;
- основные;
- нейтральные.
Кислые
Кислые – это материалы, содержащие значительное количество кремнезема SiO2. Например, кварцевый песок (95% SiО2), динасовый кирпич.
Основные
Основные – это материалы, содержащие основные оксиды (СаО, MgО). Например, магнезитовые кирпич, порошок.
Нейтральные
Нейтральные – это материалы, содержащие большое количество Al2O3 и Cr2O3. Например, хромомагнезитовые, шамотные кирпичи.
При высоких температурах футеровка печи взаимодействует с флюсами и шлаками. Если в печи, имеющей футеровку, выложенную основным огнеупорным материалом, применять кислые флюсы, то в процессе плавки образуются кислые шлаки, которые, взаимодействуя с основной футеровкой, будут разрушать ее. То же произойдет, если в печи, выложенной огнеупорными материалами из кислых оксидов, применить основные флюсы. Поэтому в печах с кислой футеровкой используют кислые шлаки, а в печах с основой – основные.
Высокой огнеупорностью обладают углеродистые материалы, содержащие до 92% углерода в виде графита. Материалы применяются в виде кирпичей, блоков для кладки лещади доменных печей, электролизных ванн для получения алюминия, тиглей для наплавки медных сплавов.
ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ
Общая схема производства изделий из чугуна и стали
Строительные изделия из черных сплавов получают путем восстановительной плавки железных руд и производства чугуна, содержащего более 2 % углерода с последующим переделом в сталь путем снижения содержания углерода в сплаве в металлургических агрегатах (конвертерах, мартеновских печах). Строительные материалы из чугуна и стали получают либо способом литья, либо путем механической обработки заготовок (прокатка, прессование и др.). Строительные конструкции изготавливаются путем сварки или клепки заготовок, применяются соединения на болтах.
Производство чугуна (доменный процесс)
Основано на восстановительной плавке железных руд в доменных печах. Чугун получают из смеси сырьевых компонентов (шихты), состоящей из железных и марганцевых руд, флюсов и топлива (рис. 13.8).
Железные руды
Красный железняк (гематит) содержит 55-70 % Fe в виде Fe2O3.
Бурый железняк содержит 35-55 % Fe в виде Fe2O3*nH2O (гидрооксида железа).
Магнитный железняк (магнетит) содержит 50-69 % Fe в форме Fe3O4.
Шпатовый железняк (сидерит) содержит 30-40 % Fe в виде FeCO3.
Флюсы
В состав руд входят пустая порода и вредные примеси (сера, фосфор и др.), которые необходимо удалить. С этой целью в шихту вводятся флюсы, образующие с примесями легкоплавкие вещества. Химический состав флюса определяется составом пустой породы. Если пустая порода состоит преимущественно из SiO2, то в качестве флюса используется известняк (CaCO3) или доломит (MgCO3*CaCO3).
Если пустая порода состоит из CaCO3, то вводят кислые флюсы, содержащие SiO2 и Al2O3 (кварц, глинистый сланец).
При выборе флюса учитывается также необходимость удаления вредных примесей (серы, фосфора и других), которые переходят в шлак.
Топливо
Топливо должно иметь сравнительно высокую прочность и состоять преимущественно из углерода. Этим требованиям соответствует кокс, который получают нагреванием каменного угля без доступа воздуха при максимальной температуре 950-1050 °С. При этом образуется попутный продукт – сырая каменноугольная смола. В доменном процессе кокс используется как топливо и восстановитель.
Подготовка шихты к плавке
Флюсы и железную руду дробят и разделяют на фракции, бедные руды обогащают.
Мелкие фракции брикетируют (прессование, спекание и другое). Соотношение компонентов в шихте устанавливается расчетом так, чтобы получить чугун необходимого состава.
Доменная печь – это высокая шахтная печь (рис. 13.9 и рис. А.85).
Имеет металлический кожух из листовой стали и внутри – футеровку из огнеупорного кирпича. По высоте условно разделяется на пять зон, имеющих собственное название.
Шихта подается наверх скиповым подъемником, попадает в засыпной аппарат и далее в колошник. Шихта загружается порциями (подачами или колошами).
Воздух для горения подается в печь в верхнюю часть горна под давлением 0,5-1,0 атм (0,05-0,10 МПа) через стальные коробки (фурмы), предварительно воздух нагревается до 650-900 °C в воздухонагревателях.
Сырьевая смесь постепенно и непрерывно опускается вниз вследствие сгорания кокса в верхней части горна (в области фурм). В этой зоне температура достигает 1700-1800 °C и идут реакции:
С + O2 → CO2 и CO2 + C = 2СО;
H2O + С = H2 + CO.
Газообразные продукты поднимаются вверх и являются восстановителями (CO, H2 и углерод топлива). Восстановительные процессы начинаются в верхней части печи, ускоряются с повышением температуры и при 950 °C и выше проходят за счет углерода кокса. Восстановление газами идет выше распара, а углеродом – в распаре, заплечиках и горне:
3Fe2O3 + CO(H2) = 2Fe3O4 + CO2(H2O);
2Fe3O4 + 2СО(2Н2) = 6FeO + 2СO2(2Н2O);
6FeO + 6СО(6Н2) = 6Fe + 6СO2(6Н2O).
Далее происходит плавление и образование расплавов чугуна и шлака. Чугун насыщается углеродом:
3Fe + 2СО = Fe3C + CO2.
Жидкие шлак и чугун собираются в горне и не смешиваются, вследствие высокого различия плотности, образуя два слоя – жидкого чугуна (внизу) и шлака (вверху). В шлаковый расплав переходят вредные примеси. Одновременно происходит восстановление Mn, Si и Р, которые содержатся в шихте и переходят в чугун.
Расплавы чугуна и шлака периодически (4-6 раз в сутки) удаляются из доменной печи через верхнюю (шлаковую) и нижнюю лётки. Шлаковый расплав направляется в отвал или на грануляцию, а чугун разливается в формы (заготовки – чушки), либо направляется на передел в сталь.
Доменная печь работает непрерывно после пуска (задувки) в течение 3,5-4 лет с кратковременными остановками для устранения неполадок.
Производство стали
Сталь отличается от чугуна более низким содержанием углерода, кремния, марганца, серы и фосфора, что обеспечивается окислением кислородом воздуха в процессе плавки в различных металлургических агрегатах. Применяются агрегаты трех типов – конвертеры, мартеновские и электрические печи.
Конверторный способ производства стали
В зависимости от типа огнеупорной футеровки конвертера различают две разновидности процесса – бессемеровский и томасовский (рис. 13.10).
При бессемеровском (кислом) процессе футеровку выполняют из кислых огнеупоров (динасовый огнеупорный кирпич), при томасовском (основном) процессе применяют основной (доломитовый) огнеупорный кирпич.
При производстве стали преобладают окислительные процессы. Оксиды удаляются с отходящими газами или переходят в шлак.
Бессемеровский процесс применяют при производстве стали из чугуна с низким содержанием серы и фосфора, образуются кислые шлаки, в которых эти примеси не растворяются. Бессемеровский способ производства разделяют на три периода.
1. Период образования шлака (4-5 мин). Идут экзотермические процессы:
2Fe + O2 = 2FeO;
Si + 2FeO → SiO2 + 2Fe;
Mn + FeO = MnO + Fe.
Температура расплава повышается, образуется кислый шлак.
2. Период пламени (8-12 мин). Начинается окисление углерода:
С+ FeO = Fe+ CO↑.
Угарный газ сгорает на воздухе, образуя факел.
3. Период бурого дыма (1-2 мин). Начинается окисление железа, поэтому вводят ферросилиций, ферромарганец и сталь выливают в ковш.
Томасовский процесс применяется при производстве стали из чугуна с высоким содержанием фосфора. В конвертер вводят известь (CaO) и затем заливают жидкий чугун, образуется основной шлак. Томасовский способ также разделяют на три периода. Первые два периода совпадают с бессемеровским процессом, в течение третьего периода (3-5 мин)
2Р + 5FeO + 4СаО = (CaO)4 * P2O5 + 5Fe.
Образуется фосфат кальция, который переходит в шлак, шлак сливают, вводят раскислители и выливают сталь.
Если при производстве стали конвертерным способом воздух обогащают кислородом, то способ производства называется кислородноконвертерным. Конвертерный способ производства стали применяется сравнительно редко.
Мартеновский способ производства стали
Этот способ производства стали самый распространенный. Применяют печи, состоящие из рабочего пространства, двух примыкающих к нему головок печи и камер (регенераторов) для подогрева горючего газа и воздуха (рис. 13.11). Регенераторы выкладывают из огнеупорного кирпича, они используются для подогрева воздуха, необходимого для окислительных процессов и горения топлива. Регенераторы включаются попеременно через 15-20 мин. В то время, когда одна пара камер нагревает воздух и газ до 1100 °C, другая пара нагревается отходящим газом. Теплота, необходимая для расплавления стали, выделяется при сгорании природного газа.
В зависимости от состава руды и чугуна, под печи футеруется кислыми или основными огнеупорами, соответственно различают основной и кислый мартеновские процессы. В зависимости от применяемых исходных материалов возможны различные варианты мартеновского процесса.
1. Скрап-рудный процесс. Загружают жидкий чугун, металлический скрап, железную руду и флюсы.
2. Скрап процесс – загружается чушковый чугун, металлолом, железная руда (твердая шихта).
3. Рудный процесс – используется жидкий чугун из доменной печи и вводится железная руда для окисления примесей.
Преимуществом мартеновского процесса является возможность использования металлического лома и железной руды.
Шихта нагревается, плавится, выгорают примеси за счет взаимодействия с кислородом воздуха, при этом образуются два слоя – расплав стали (внизу) и жидкий шлак. Окисление углерода вызывает кипение расплава. Далее вводят ферросилиций и ферромарганец и выпускают сталь. При основном процессе часть шлака удаляют и вводят известь.
Производство стали в электрических печах
Электрические печи являются более совершенными, позволяют более точно определить химический состав стали, получать легированные стали, достигнуть более полного удаления вредных примесей.
Применяются электрические печи двух типов: дуговые и индукционные. В дуговых печах нагревание и плавление металла производится электрической дугой (разрядом), возникающим между графитовыми электродами. Индукционные печи имеют обмотку, по которой пропускается переменный электрический ток. Под действием управляемого переменного электромагнитного поля в металле, находящемся в печи и являющимся вторичной цепью, возникает переменный ток, обеспечивающий нагревание и расплавление.
Применяется также дуплекс-процесс, совмещающий выплавку стали в двух плавильных агрегатах – мартеновской и электрической печах, что позволяет получать высококачественную сталь.
До появления доменных печей применялось производство стали путем прямого восстановления железа из руды и науглероживания (кричный процесс). Железную руду смешивали с восстановителем (древесный уголь), нагревали и производили механическую обработку (ковку). В современных условиях восстановление железа производится во вращающихся печах, получают губчатое железо, которое используется при производстве стали.