СОВРЕМЕННОЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Железо было известно еще в доисторические времена, однако широкое применение нашло значительно позже, так как в свободном состоянии встречается в природе крайне редко, а получение его из руд стало возможным лишь на определенном уровне развития техники. Способ получения железа из руд был изобретен в западной части Азии во II тыс. до н.э. В Европе и Древней Руси в течение многих веков железо получали по сыродутному процессу: железную руду восстанавливали древесным углем в горне, устроенном в яме; в горн мехами нагнетали воздух, продукт восстановления — крицу ударами молота отделяли от шлака и из нее выковывали различные изделия.

По мере усовершенствования способов дутия и увеличения высоты горна температура процесса повышалась и часть железа науглероживалась, т.е. получался чугун; этот сравнительно хрупкий продукт считали отходом производства. Отсюда название чугуна «чушка», «свинское железо» — английское pig iron. Позже было замечено, что при загрузке в горн не железной руды, а чугуна также получается низкоуглеродистая железная крица, причем такой двухстадийный процесс оказался более выгодным, чем сыродутный. В XIV в. чугун начали выплавлять не только как полупродукт для дальнейшего передела, но и как материал для отливки различных изделий. К тому же времени относится и реконструкция горна в шахтную печь («домницу»), а затем и в доменную печь.

В середине XVIII в. в Европе начал применяться тигельный способ получения стали, который был известен на территории Сирии еще в ранний период Средневековья, по в дальнейшем оказался забытым — расплавление мелких кусков сплавов железа с углеродом и чугуна в небольших сосудах (тиглях) из высокоогнеупорной массы. Таким способом изготовляли, в частности, булат и его разновидность — дамасскую сталь.

Булат (от перс, пулад) — углеродистая литая сталь, которая благодаря особому способу изготовления отличается своеобразной структурой и видом («узором») поверхности, высокой твердостью и упругостью. Узорчатость булатной стали связана с особенностями выплавки и кристаллизации. Тигельная сталь характеризовалась весьма высоким качеством, но процесс был дорогим и малопроизводительным.

Промышленный переворот XVIII — начала XIX вв., изобретение паровой машины, железных дорог, крупных мостов и парового флота вызвали громадную потребность в железе и его сплавах. Массовое производство стали началось в середине XIX в., когда были разработаны бессемеровский, томасовский и мартеновский способы плавления.

Поиски металла, превосходящего по свойствам чугун и более дешевого, чем тигельная сталь, привели к созданию Генри Бессемером (Англия) конвертора, в котором жидкий чугун превращался в железо при выжигании углерода продувкой воздухом (1856). Новый способ получения металла назвали бессемеровским. Сидни Томас (Англия) усовершенствовал бессемеровский процесс (1878), что позволило перерабатывать железные руды с большим содержанием фосфора. Однако и томасовская сталь была низкого качества.

В 1864 г. Пьер Мартен (Франция) разработал процесс получения стали с использованием предложенного незадолго до этого Ф. Сименсом (Германия) способа регенерации тепла отходящих газов для повышения температуры в рабочем пространстве плавильных печей. При поступлении в печь подогретых газа и воздуха создавалась высокая температура, позволяющая переплавлять железный лом, которого в промышленно развитых странах становилось все больше и больше. Сталь получали не в виде теста, а в жидком состоянии, ее выпускали в ковш и использовали не только для литья, но и для проката. В отличие от конверторных способов получения стали, мартеновский процесс характеризовался малой требовательностью к химическому составу исходного материала, качество мартеновской стали было выше конверторной. Поэтому мартеновская печь и заняла ведущее место в железоделательном производстве.

В XX в. получил распространение электросталеплавильный процесс, дающий сталь высокого качества, но главенствующее положение среди способов производства стали занимал мартеновский процесс, на долю которого приходилось около 80% выплавляемой в мире стали.

Вместе с вдуваемым воздухом в конвертор попадало большое количество азота (воздух состоит на 1/5 из кислорода и на 4/5 из азота), который повышает хрупкость металла. Идея подавать в конвертор вместо воздуха кислород известна давно, но производство кислорода в больших количествах было дорогим. В 1960-х гг. начали применять в конверторах кислород, подавая его сверху по трубке (днище в конверторах, работающих на кислороде, сплошное, без отверстий). Так появился новый способ производства стали — кислородно-конверторный.

Основой современной металлургии стали является двухступенчатая схема, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных способов его передела в сталь заданного химического состава (рис. 1.1).

Важнейшей продукцией черной металлургии являются:

  • 1 )чугуны — передельный (до 90%), используемый для передела на сталь, и литейный для производства фасонных чугунных отливок на машиностроительных заводах;
  • 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.).

Цветные металлы и сплавы на их основе[1], которые имеют не сходные с черными металлами и сплавами физико-механические свойства, используют в машиностроении, самолетостроении, электронике и т.д. Наиболее широко применяют медь (Си), алюминий (А1), магний (Mg), никель (Ni), титан (Ti), вольфрам (W), бериллий (Be), германий (Ge), кремний (Si).

Основная продукция цветной металлургии:

  • 1) слитки цветных металлов для сортового проката (уголков, полос, прутков и т.д.);
  • 2) слитки (чушки) цветных металлов для фасонных отливок на машиностроительных заводах;
  • 3) лигатуры — сплавы цветных металлов с легирующими элементами для производства сложных легированных сплавов для фасонных отливок;
  • 4) слитки чистых и особо чистых металлов.
Общая схема процесса производства чугуна и стали

Рис. 1.1. Общая схема процесса производства чугуна и стали

Материалы для производства металлов и сплавов — руда, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.

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

Промышленной рудой называют горную породу (содержащую искомый металл или его соединения, пустую породу и примеси), из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения. Например, железа должно быть не менее 30%, меди — 3—5%, молибдена (Мо) — 0,005—0,02%.

Руды обычно называют по 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. Богатая железная руда (более 50% железа) содержит оксиды железа Fe304, Fe203, FeC03, Fe203H20 и пустую породу Si02, Al203, CaO, MgO. Бедные руды специально обрабатывают (обогащают) — удаляют часть пустой породы для получения концентрата с повышенным содержанием добываемого металла.

Комплексные руды кроме основного металла содержат сопутствующие металлы и другие элементы, имеющие потребительскую ценность. Например, железные руды содержат в значительных количествах S, Со, Ni, V, Си, Zn, Pb, которые связаны не с главным минералом — магнетитом, а с сульфидами, которые при простой схеме обогащения переходят в концентрат, являющийся самостоятельной рудой содержащей 45—50% S, 0,2—0,4% Со, 0,7—1,2% Си.

Флюсом называется материал, загружаемый в плавильную печь для образования легкоплавких соединений (шлаков) из оксидов, сульфидов и других соединений, образующихся при плавке. Шлаки играют важную роль в физико-химических процессах металлургического производства: предохраняют расплавленный металл от вредного воздействия газовой среды печи (т.е. от окисления и газонасыщения), обеспечивая получение металла с требуемыми химическим составом и свойствами, очищая металл от нежелательных примесей.

Если какое-либо вещество растворяется в двух соприкасающихся, но не смешивающихся жидкостях, то его распределение между этими жидкостями происходит до установления определенного соотношения, постоянного для данной температуры. В процессе плавки в металлургической печи образуются несмешивающиеся расплавленный металл и шлак с меньшей, чем металл, плотностью; изменяя состав шлака, можно удалять в него нежелательные примеси из металла (серы, фосфора и т.д.). Регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управления металлургическими процессами.

В современных металлургических агрегатах процессы плавки происходят при температурах 1600—1800 °С, 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, порошков и растворов, необходимых для заполнения швов между кирпичами при кладке печей.

По химическим свойствам огнеупорные материалы подразделяют на кислые (большое количество кремнезема Si02), основные (CaO, MgO) и нейтральные (много А12Ол и Сг203). Если рабочее пространство плавильной печи выложено из кислых огнеупорных материалов, то печь называют кислой, а если из основных — основной.

При высоких температурах в рабочем пространстве плавильных печей шлаки взаимодействуют с футеровкой печи, поэтому в печах с кислой футеровкой применяют кислые шлаки, а в печах с основной футеровкой — основные шлаки. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (Si()2, Р2О5), и основным, если в его составе преобладают основные оксиды (CaO, MgO, FeO и т.д.).

Основным топливом доменного процесса является искусственное неспекающееся твердое топливо повышенной прочности — кокс (нем. koks, англ. соке)у которое служит также и химическим реагентом для восстановления железа из руды. Его получают из каменного угля (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) в коксовых печах сухой перегонкой (без доступа воздуха) за 14—16 ч при температуре 950—1050 °С. Важными для доменной плавки показателями качества кокса являются зольность, содержание серы (ухудшает свойства металла), кусковатость — размер кусков кокса должен быть 25—60 мм, механическая прочность (кокс нс должен разрушаться в доменной печи под действием массы шихтовых материалов). Теплота сгорания кокса составляет около 29,3 МДж/кг.

Из газообразных продуктов, выделяющихся в процессе коксования из угольной массы, извлекают бензол, фенолы, каменноугольную смолу и другие ценные продукты. В зависимости от вида сырья различают каменноугольный, пековый электродный и нефтяной кокс. Естественные виды топлива (природный газ, мазут) не обладают необходимыми свойствами, так как спекаются и недостаточно прочны.

  • [1] Основы производства цветных металлов рассмотрены в гл. 10.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >