Исходные материалы для металлургического производства

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы. В природе большинство металлов находятся в связанном виде, в виде химических соединений, которые входят в состав минералов, образующих руды или горные породы.

Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне техники экономически выгодно и целесообразно извлекать металлы или их соединения.

Руда состоит из минералов, содержащих металл (окислов и гидроокисей), силикатов, карбонатов, сернистых соединений), и пустой породы (окислов кремния, алюминия, кальция и магния). Руды называют по одному или нескольким металлам, которые входят в их состав. Например, железные, медные, медно-никелевые и т. д. Целесообразность извлечения металлов из руды определяется их содержанием в руде. Например, для железных руд – не менее 30-50 % Fe, для медных – не менее 3-5 % Cu, для молибденовых – не менее 0,005 – 0,02 % Mo.

В зависимости от концентрации добываемого металла, руды бывают богатыми, которые сразу используют в металлургическом производстве, и бедные, которые поступают в металлургическое производство после обогащения или удаления пустой породы. После обогащения получают концентрат или продукт с повышенным содержанием металла по сравнению с исходной рудой.

Железные руды содержат железо в различных соединениях: в виде оксидов Fe₃O₄, Fe₂O₃; гидроксидов Fe₂O₃ ·H₂O, карбонатов FeCO₃ и др., а также пустую породу, состоящую в основном из оксидов SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO и др. К железным рудам относятся магнитный железняк Fe₃O₄ (55 – 60 % Fe), красный железняк Fe₂O₃ (55 – 60 % Fe), бурый железняк, содержащий гидраты оксидов железа 2Fe₂O₃·3H₂O и Fe₂O₃·H₂O (37 – 55 % Fe); шпатовые железняки, содержащие FeCO₃ (30–40 % Fe).

Кроме железной руды используют марганцевые руды для выплавки ферромарганца (10 – 82 % Mn), а также передельных чугунов, содержащих до 1 % Mn. Марганец в рудах содержится в виде оксидов и карбонатов. Хромовые руды используют для выплавки феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов – хромомагнезитов. Комплексные руды, содержащие никель, ванадий, кобальт используют для выплавки легированного чугуна.

Топливо – это органические соединения, которые выделяют при сжигании тепло, необходимое для поддержания металлургического процесса. В металлургических печах топливом являются кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ. Кокс получают в коксовых печах сухой перегонкой каменного угля коксующихся сортов при температуре 1000⁰С (без доступа воздуха).Угольная масса при коксовании размягчается и из нее начинают выделяться газообразные продукты, затем она спекается в пористую массу. При выделении газов масса растрескивается и распадается на куски. Длительность коксования 14-16 часов. Затем кокс выталкивают из печи и сушат водой.

Важным показателем качества кокса является зольность и содержание серы, которые должны быть минимальны. Оптимальный размер кусков кокса – 25-60 мм. Кокс должен быть достаточно прочным, чтобы не разрушаться под действием массы шихтовых материалов в доменной печи.

При доменной плавке часть кокса заменяют природным газом, который содержит 90 – 98 % углеводородов (CH₄ – метан, C₂H₆ - пропан), мазутом (тяжелый остаток крекинга нефти, содержит до 85 % углерода и водород с малым количеством серы и фосфора), доменным газом (побочный продукт доменного производства) или пылевидным топливом. Эти виды топлива создают восстановительную атмосферу в печи, что приводит к экономии кокса.

Флюс – это материал, загружаемый в плавильную печь для образования легкоплавких соединений с пустой породой руды, концентрата, золой топлива. Эти соединения называют шлаком. Назначение флюса: 1 – удаление окислов пустой породы; 2 – удаление золы топлива; 3 – удаление вредных примесей (серы, фосфора).

Шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому в печи располагается над металлом и не перемешивается с ним. Назначение шлака – защита металла от печных газов воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе кислые окислы (SiO₂, Р₂О₅), и основным – если основные (CaО, MgO, FeO). При высоких температурах рабочего пространства печи шлаки могут взаимодействовать с футеровкой печи: основная футеровка с кислым шлаком и наоборот. Для предотвращения разрушения футеровки в печи с основной футеровкой вводят основные флюсы, с кислой – кислые. Выбор флюсов определяется также составом пустой породы руды. Если пустая порода представляет из себя песчано-глинистую, то в качестве флюса используют CaCO₃ или даломит. В случае известковой пустой породы в качестве флюса применяют кварцит и другие песчаные составы, главным образом, на основе SiO₂.

Изменяя состав шлака, можно менять соотношение примесей между металлом и шлаком, т.е. удалять нежелательные примеси (серу и фосфор) из этого шлак металла в шлак. Для этого убирают шлак с поверхности металла и добавляют новый нужного состава.

Огнеупорные материалы применяют для внутренней облицовки (футеровки) печей и ковшей для разливки. Основное требование – выдерживать нагрузки при высоких температурах, а также резкие перепады температур, химическое воздействие шлаков и печных газов. Огнеупорность материала определяется в °С. Обычно в качестве футеровки используют кирпичи, а также порошки или растворы, предназначенные для заполнения швов между кирпичами в кладке. По химическим свойствам огнеупочные материалы подразделяются на кислые, основные и нейтральные.

Кислые (динасовые, кварцеглинистые) – на основе кремнезема SiO₂. Содержат не менее 90 % SiO₂ и имеют огнеупорность до 1700 ⁰С.

Основные (магнезитовые, магнезитохромитовые, доломитовые) – на основе основных окислов CaO, MgO. Магнезитовый кирпич содержит до 95 % MgO и его огнеупорность достигает 2000 – 2400 ⁰С. Доломитовый кирпич представляет собой горную породу, состоящую из MgCO₃ и CaCO₃, содержащий до 60 % CaCO₃. Его огнеупорность достигает 1800 – 1850 ⁰С.

Нейтральные (хромомагнезитовые, высокоглиноземные, шамотные) – на основе окислов Al₂O₃ и Cr₂O₃. Шамот представляет из себя наиболее широко применяемый в теплотехнике материал, который содержит SiO₂ и Al₂O. Теплостойкость его не высока, но он самый дешевый.

Все эти огнеупорные материалы используются для футеровки металлургических комбинатов в различных комбинациях, как правило, многослойных.