Основные понятия и определения металлургических процессов

Методы получения металлов из руд (концентратов) можно разделить на пирометаллургические и гидрометаллургические.

Пирометаллургические процессы - это химические процессы, протекающие в металлургических агрегатах при высоких (700-2000°С) температурах. Это различные виды плавок и обжига.

Принцип гидрометаллургического способа переработки руд заключается в следующем: извлекаемый металл переводится в раствор, раствор отделяется от твердого остатка (пустой породы), а затем металл выделяется из раствора в форме элемента или химического соединения. Это процессы выщелачивания, сорбции, экстракции, цементации и т.д.

В металлургическую переработку, как правило, поступает не один металлосодержащий материал (напр., концентрат), а смесь разных сортов рудного сырья с флюсами и оборотами. Смесь поступающих в переработку материалов (без топлива) называется шихтой. Общие требования к качеству металлургических шихт сводятся к следующим:

1. Постоянство химического состава

2. Однородность по химическому, минералогическому и гранулометрическому составу,

3. Оптимальная крупность компонентов шихты,

4. Оптимальная влажность.

Кроме рудного сырья в металлургии широко используют другие полезные ископаемые, в первую очередь – флюсы и топливо.

Флюсами называются минеральные добавки, используемые в пирометаллургических процессах для корректирования состава получающихся шлаков. Как правило, в качестве флюсов используют кварц и известняк.

Кварц является кислым флюсом, состоящим в основном из кремнезема SiO₂. Кроме SiO₂ в кварце могут присутствовать в небольших количествах другие оксиды, например CaO, Al₂O₃, Fe₂O₃ и другие. Содержание SiO₂ в кварцитах может меняться в широких пределах – от 60 до 95 %. Чем чище используемый кварц, тем меньше его расход, выход отвальных шлаков и потери ценных металлов.

Известняк, состоящий в основном из CaCO₃, относится к основным флюсам. При нагревании до температур выше 900-1000 С, он разлагается по реакции

CaCO₃ -> CaO+CO₂.

Образующийся при разложении известняка оксид кальция и является флюсующим реагентом. Содержание СаО в чистом СаСО₃ равно 56%. На практике используют известняки, содержащие 45-52% СаО, остальное приходится на долю примесных оксидов: MgO, SiO₂, Fe₂O₃ и другие. Известняк в больших количествах обычно применяют при переработке шихт с повышенным содержанием кремнезема.

Расходование больших количеств топлива в металлургических процессах обусловлено широким применением процессов, проводимых при высоких температурах.

Под топливом понимают вещества, имеющие в своём составе горючие компоненты, при химическом взаимодействии которых с кислородом выделяется большое количество тепла.

Топливом для металлургических печей, как правило, служат искусственно приготовленные виды топлив: кокс, мазут, коксовый и доменный газ - они лишены многих недостатков, присущих естественным видам топлив. В металлургической промышленности используют все виды топлива – твердое, жидкое и газообразное.

Кокс – наиболее широко используется как твердое топливо в металлургических (особенно шахтных и доменных) печах. Это продукт сухой перегонки без доступа воздуха специальных сортов каменного угля (т.н. «коксующиеся угли») при высоких температурах 1100-1200 С. Процесс идет 12-15 ч и из 1 т угольной шихты получается 700-750 кг кокса. Кокс содержит порядка 86-88 % углерода, 9-12 % золы, 0,5-2% серы, 0,8-1,5 % летучих веществ. Серьезные требования предъявляются к прочности кокса.

Мазут – жидкое топливо. Это остаток после крекинга (перегонки нефти). Он состоит из тяжелых фракций углеводородов. Содержание углерода в нем 83-85%, 10-11 % водорода. Остальное – зола, влага, сера. Сложность использования мазута в качестве топлива – необходимость его предварительного подогрева до 70-90 С для снижения вязкости. Только тогда возможно его распыление или сжигание.

Газообразные виды топлива – природный газ, доменный и коксовый газ и их смеси.

Горение топлива осуществляется за счет кислорода дутья: воздуха (21% кислорода), смеси воздуха с кислородом (обогащенное дутье) или технологического кислорода (95-98% кислорода). Эффективность сжигания топлива снижается при высокой его влажности и большом содержании золы. Влага требует затрат тепла на испарение и нагрев ее паров до температур горения, а зола ухудшает качество топлива и условия его сжигания. Для получения высоких температур в металлургии стремятся использовать топливо с высокой теплотворной способностью и низким содержанием золы.

Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяет природный газ (теплота сгорания 35000-37700 кДж/кг), мазут, кокс (26000-32000 кДж/кг) и высококалорийный каменный уголь (21000-29000 кДж/кг).