Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Металлургия — это наука о промышленных способах получения металлов. Различают черную и цветную металлургию.

Черная металлургия — это производство железа и его сплавов (сталь, чугун и др.).

Цветная металлургия — производство остальных металлов и их сплавов.

Широкое применение находят сплавы металлов. Наиболее распространенные сплавы железа — чугун и сталь.

Чугун — это сплав железа, в котором содержится 2-4 масс. % углерода, а также кремний, марганец и небольшие количества серы и фосфора.

Сталь — это сплав железа, в котором содержится 0,3-2 масс. % углерода и небольшие примеси других элементов.

Легированные стали — это сплавы железа с хромом, никелем, марганцем, кобальтом, ванадием, титаном и другими металлами. Добавление металлов придает стали дополнительные свойства. Так, добавление хрома придает сплаву прочность, а добавление никеля придает стали пластичность.

Основные стадии металлургических процессов:

1. Обогащение природной руды (очистка, удаление примесей)
2. Получение металла или его сплава.
3. Механическая обработка металла

Производство чугуна

Необходимое оборудование

Для производства чугуна необходима огромная доменная печь. Габаритные размеры такой печи впечатляют: высота 30 метров, внутренний диаметр 12 метров.

• Самая широкая часть доменной печи носит название – распар.
• Нижнюю часть называют горном (через нее в печь попадает горячий воздух).
• Самая верхняя часть доменный печи называется шахта. Она имеет верхнее отверстие, которое носит название калашник. Калашник закрывается специальным затвором.

В основе работы доменной печи лежит противоток. Воздух подается снизу, а материалы (кокс, флюсы и руда) заправляются сверху. Кокс необходим для нагрева, расплавления и восстановления руды. Без флюса не сможет образоваться шлак. А руда – это основное сырье для производства чугуна.

Кроме доменной печи для производства чугуна обязательно потребуются:

• вагонетки,
• специальный кран,
• бункеры,
• транспортеры
• и другое, в условиях металлургического завода.

Сырье

Совокупность веществ

В состав железной руды входит рудное вещество и пустая порода, которая состоит: из песчаника с примесью глинистых веществ, из кварцита, из известняка и из доломита. Под рудным веществом подразумевают карбонаты железа, окислы и силикаты.

В руде может присутствовать разное количество рудного вещества. В зависимости от этого она бывает богатая и бедная. Бедную руду отправляют на обогащение, а богатую сразу используют в производстве.

Железные руды бывают нескольких видов:

1. Бурый железняк. В состав входит железо в форме водных окислов. Общее процентное содержание железа составляет 25-50%. Пустая порода такого железняка может быть кремнисто-глиноземной и отличаться глинистостью.
2. Красный железняк. Материал имеет второе название – гематит. Железо в структуре этого железняка представлено в форме безводной окиси. В таком железняке очень мало вредных примесей, а самого железа содержится 45-55%. Цвет руды располагается в диапазоне от темно-красного до темно-серого.
3. Магнитный железняк. Железо представлено в форме закиси-окиси и составляет от общего количества 30-37%. У такой руды черный или темно-серый цвет. Пустая порода представляет собой кремнеземистую массу с другими окислами.
4. Шпатовый железняк. Имеет второе название сидерит. Цвет у этого вещества грязно-серый или желтовато-белый. Этот материал легко поддается восстановлению. Железняк достаточно легко окисляется и переходит в форму бурого известняка. Железо в шпатовом железняке представлено в форме углекислой соли.

О том, какие вещества являются сырьем для производства чугуна, читайте ниже.

Расчет

Для производства чугуна в количестве одной тонны потребуется:

• Три тонны железистой руды.
• Одна тонна топливного кокса.
• Флюс (количество зависит в зависимости от типа руды).
• Двадцать тонн воды.

Далее рассмотрена технология производства чугуна.

Технологии

Технология производства чугуна состоит из следующих стадий:

1. Подготовка руды. Суть ее заключается в пересортировке руды по размеру кусков и химическому составу. Руду крупных размеров дробят на более мелкие части, а фракции в виде пыли или мелких частиц, наоборот, окусковывают. В основе процессе окускования лежит агломерация, в процессе которой происходит спекание шихты и образование пористого продукта. Так же на этом этапе проводят процедуру обогащения бедных руд. В процессе переработки большая часть пустой породы удаляется, содержание железа увеличивается.
2. Подготовка топлива. Кокс подвергают грохочению. В результате этого процесса удаляется ненужная мелочь, которая может привести к потери тепла в процессе плавки.
3. Подготовка флюсов. Флюс так же измельчают и отсеивают мелочь. После этого все материалы загружаются в печь.
4. Доменный процесс производства. Доменную печь заправляют коксом, затем агломератором (руда спеченная с флюсом) и снова коксом. Температура для выплавки поддерживается благодаря вдуванию подогретого воздуха. В горне сгорает кокс и образуется углекислый газ. СО2 проходит через кокс и образует СО. Окись углерода восстанавливает основную часть руды. При восстановлении железо становится твердым. Оно постепенно переходит в более горячую часть доменной печи, где растворяет внутри себя углерод. В результате образуется чугун. Жидкий чугун вытекает в специальные ковши, откуда его выливают в предназначенные для него формы или сборники-смесители.

Кратко о производстве и производителях (изготовителях) чугуна в России и странах мира расскажет заключительный раздел статьи.

Доменное производство чугуна

Известные производители

На долю мировых производителей чугуна приходится около 900 млн. тонн продукции в год. Если сравнивать объемы производства, то лидирует: Китай (550 млн. тонн чугуна за год), затем Япония (уже 69 млн. тонн), после Россия (45 млн. тонн), Индия (29 млн. тонн в год) и Южная Корея (27 млн. тонн).

• В Китае чугун и сталь производят на пяти комбинатах: Баотоусский, Баошанский, Шунганский, Аньшанский и Уханьский.
• Самыми крупными предприятиями России в области переработки чугуна считаются Магнитогорский, Челябинский комбинат, ООО «Уральская сталь», Череповецкий металлургический комбинат, Новокузнецком металлургическим комбинатом и другие.

Доменное изготовление чугуна подробно рассмотрено в этом видео:

Способы производства стали

Существует несколько методов производства стали, каждый обладает своими определенными достоинствами и недостатками. От выбранного способа зависит то, с какими свойствами можно получить материал. Основные способы производства стали:

1. Мартеновский метод. Данная технология предусматривает применение специальных печей, которые способны нагревать сырье до температуры около 2000 градусов Цельсия. Рассматривая способы производства легированных сталей, отметим, что этот метод также позволяет проводить добавление различных примесей, за счет чего получаются необычные по составу стали. Мартеновский метод основан на применении специальных печей.
2. Электросталеплавильный метод. Для того чтобы получить материал высокого качества проводится производство стали в электропечах. За счет применения электрической энергии для нагрева сырья можно точно контролировать прохождение процесса окисления и выделения шлаков. В данном случае важно обеспечить появление шлаков. Они являются передатчиком кислорода и тепла. Данная технология позволяет снизить концентрацию вредных веществ, к примеру, фосфора и серы. Электрическая плавка может проходить в самой различной среде: избыточного давления, вакуума, при определенной атмосфере. Проводимые исследования указывают на то, что электросталь обладает самым высоким качеством. Применяется технология для производства качественных высоколегированных, коррозионностойких, жаропрочных и других видов стали. Для преобразования электрической энергии в тепловую применяется дуговая печь цилиндрической формы с днищем сферического типа. Для обеспечения наиболее благоприятных условий плавки внутреннее пространство отделывается при использовании жаропрочного металла. Работа устройства возможна только при подключении к трехфазной сети. Стоит учитывать, что сеть электрического снабжения должна выдерживать существенную нагрузку. Источником тепловой энергии становится электрическая дуга, возникающая между электродом и расплавленным металлом. Температура может быть более 2000 градусов Цельсия.
3. Кислородно-конвертерный. Непрерывная разливка стали в данном случае сопровождается с активным вдуванием кислорода, за счет чего существенно ускоряется процесс окисления. Применяется этот метод изготовления и для получения чугуна. Считается, что данная технология обладает наибольшей универсальностью, позволяет получать металлы с различными свойствами.

Способы производства оцинкованной стали не сильно отличаются от рассматриваемых. Это связано с тем, что изменение качеств поверхностного слоя проходит путем химико-термической обработки.

Существуют и другие технологии производства стали, которые обладают высокой эффективностью. Например, методы, основанные на применении вакуумных индукционных печей, а также плазменно-дуговой сварки.

Производство стали

Это процесс производство стали который сводится в сущности к выжиганию из чугуна примесей, к окислению их кислородом воздуха. То, что делают металлурги, рядовому химику может показаться бессмыслицей: сначала восстанавливают окисел железа, одновременно насыщая металл углеродом, кремнием, марганцем (производство чугуна), а потом стараются выжечь их. Обиднее всего, что химик совершенно прав: металлурги применяют явно нелепый метод. Но другого у них не было.

Главный металлургический передел — производство стали из чугуна — возник в XIV в. Сталь тогда получали в кричных горнах. Чугун помещали на слой древесного угля, расположенный выше фурмы для подачи воздуха.

При горении угля чугун плавился и каплями стекал вниз, проходя через зону, более богатую кислородом,— мимо фурмы. Здесь железо частично освобождалось от углерода и почти полностью от кремния и марганца. Затем оно оказывалось на дне горна, устланном слоем железистого шлака, оставшегося после предыдущей плавки. Шлак постепенно окислял углерод, еще сохранившийся в металле, отчего температура плавления металла повышалась, и он загустевал.

Образовавшийся мягкий слиток ломом поднимали вверх. В зоне над фурмой он еще раз переплавлялся, при этом окислялась еще какая-то часть содержащегося в железе углерода. Когда после переплавки на дне горна образовывалась 50—100-килограммовая крица, ее извлекали из горна и тут же отправляли на проковку, цель которой была не только уплотнить металл, но и выдавить из него жидкие шлаки.

Производство стали в пудлинговой печи

Наиболее совершенным железоделательным агрегатом прошлого была пудлинговая печь, изобретенная англичанином Генри Кортом в конце XVIII в. (Кстати, он же изобрел и прокатку профильного железа на валках с нарезанными в них калибрами. Раскаленная полоса металла, проходя через калибры, принимала их форму.)

Пудлинговая печь Корта загружалась чугуном, а подина (дно) и стены ее были футерованы железной рудой. После каждой плавки их подновляли. Горячие газы из топки расплавляли чугун, а потом кислород воздуха и кислород, содержащийся в руде, окисляли примеси. Пудлинговщик, стоящий у печи, помешивал в ванне железной клюшкой, на которой осаждались кристаллы, образующие железную крицу.

После изобретения пудлинговой печи в этой области черной металлургии долго не появлялось ничего нового, если не считать разработанного англичанином Гунстманом тигельного способа получения высококачественной стали. Но тигли были малопроизводительны, а развитие промышленности и транспорта требовало все большего и большего количества стали.

Для подвода дутья служит огнеупорное днище со многими отверстиями. Конвертер имеет устройство для поворота в пределах 300°, Перед началом работы конвертер кладут «на спину», заливают в него чугун, пускают дутье и только тогда ставят конвертер вертикально.

Кислород воздуха окисляет железо в закись FeO. Последняя растворяется в чугуне и окисляет углерод, кремний, марганец… Из окислов железа, марганца и кремния образуются шлаки. Такой процесс ведут до полного выгорания углерода.

Затем конвертер снова кладут «на спину», отключают дутье, вводят в металл расчетное количество ферромарганца — для раскисления. Так получается высококачественная сталь.
Способ конвертерного передела чугуна стал первым способом массового производства литой стали.

Передел в бессемеровском конвертере, как выяснилось позже, имел и недостатки. В частности, из чугуна не удалялись вредные примеси — сера и фосфор. Поэтому для переработки в конвертере применяли главным образом чугун, свободный от серы и фосфора. От серы впоследствии научились избавляться (частично, разумеется), добавляя в жидкую сталь богатый марганцем «зеркальный» чугун, а позже и ферромарганец.

С фосфором, который не удалялся в доменном процессе и не связывался марганцем, дело обстояло сложнее. Некоторые руды, такие, как лотарингская, отличающиеся высоким содержанием фосфора, оставались непригодными для производства стали.

Выход был найден английским химиком С. Д. Томасом, который предложил связывать фосфор известью. Конвертер Томаса в отличие от бессемеровского был футерован обожженным доломитом, а не кремнеземом. В чугун во время продувки подавали известь. Образовывался известково-фосфористый шлак, который легко отделялся от стали. Впоследствии этот шлак даже стали использовать как удобрение.

Революция в стале плавлении

Самая большая революция в сталеплавильном производстве произошла в 1865 г., когда отец и сын — Пьер и Эмиль Мартены — использовали для получения стали регенеративную газовую печь, построенную по чертежам В. Сименса. В ней, благодаря подогреву газа и воздуха, в особых камерах с огнеупорной насадкой достигалась такая высокая температура, что сталь в ванне печи переходила уже не в тестообразное, как в пудлинговой печи, а в жидкое состояние.

Ее можно было заливать в ковши и формы, изготовлять слитки и прокатывать их в рельсы, балки, строительные профили, листы… И все это в огромных масштабах! Кроме того, появилась возможность использовать громадные количества железного лома, скопившегося за долгие годы на металлургических, и машиностроительных заводах.

Последнее обстоятельство сыграло очень важную роль в становлении нового процесса. В начале XX в. мартеновские печи почти под кость?» вытеснили бессемеровские и томасовские конвертеры, которые хотя и потребляли лом, но в очень малых количествах.

Конвертерное производство могло бы стать исторической редкостью, такой же, как и пудлинговое, если бы не кислородное дутье. Мысль о том, чтобы убрать из воздуха азот, не участвующий в процессе, и продувать чугун одним кислородом, приходила в голову многим видным металлургам прошлого; в частности, еще в XIX в. русский металлург Д. К. Чернов и швед Р. Окерман писали об этом.

И в то время кислород был слишком дорог. Только в 30-40-х годах нашего столетия, когда были внедрены дешевые промышленные способы получения кислорода из воздуха, металлурги смогли использовать кислород в сталеплавильном производстве. Разумеется, в мартеновских печах. Попытки продувать кислородом чугун в конвертерах не привели к успеху: развивалась такая высокая температура, что прогорали днища аппаратов.

В мартеновской печи все было проще: кислород давали и в факел, чтобы повысить температуру пламени, и в ванну (в жидкий металл), чтобы выжечь примеси. Это позволило намного увеличить производительность мартеновских печей, но в то же время повысило температуру в них настолько, что начинали плавиться огнеупоры. Поэтому и здесь кислород применяли в умеренных количествах.

В 1952 г. в австрийском городе Линце на заводе «Фест» впервые начали применять новый способ производства стали — кислородно-конвертерный. Чугун заливали в конвертер, днище которого не имело отверстий для дутья, было глухим. Кислород подавался на поверхность жидкого чугуна.

Выгорание примесей создавало такую высокую температуру, что жидкий металл приходилось охлаждать, добавляя в конвертер железную руду и лом. И в довольно больших количествах. Конвертеры снова появились на металлургических заводах. Новый способ производства стали начал быстро распространяться во всех промышленно развитых странах. Сейчас он считается одним из самых перспективных в сталеплавильном производстве.

Достоинства конвертера состоят в том, что он занимает меньше места, чем мартеновская печь, сооружение его гораздо дешевле, а производительность выше. Однако в конвертерах сначала выплавляли только малоуглеродистые мягкие стали. В последующие годы был разработан процесс выплавки в конвертере высокоуглеродистых и легированных сталей.

Статья на тему производство стали

Газы в металлургии

Пирометаллургия — отрасль, подразумевающая постоянное газообразование. Газы должны регулярно удаляться из печей вместе с пылью. Они бывают технологическими и топливными.

Образование технологических газов происходит во время протекания сложных процессов. Они состоят из углекислоты, водных паров, оксида углерода и сернистого ангидрида. Также при некоторых процессах в металлургии наблюдается выделение газообразного хлора и других хлоридов. Когда топливо сгорает, происходит выделение углекислоты и водного пара. Температура газов, выделяющихся во время реакций, составляет от 800 до 1300С, но иногда она бывает и больше.

Сейчас на любом металлургическом производстве используются комплексные технологии переработки газов:

• с применением оксида серы;
• высокие температуры;
• процесс обезвоживания и т.д.

Технология выплавки

Плавление — процесс, посредством которого металл получают либо в виде элемента, либо как простое соединение из его руды путем нагревания выше температуры плавления обычно в присутствии окислителей, таких как воздух, или восстановителей, таких как кокс.

В технологии выплавки стали металл, который сочетается с кислородом, например оксидом железа, нагревается до высокой температуры, и оксид образуется в сочетании с углеродом в топливе, выходящим как монооксид углерода или диоксид углерода.
Другие примеси, все вместе называемые жилами, удаляются добавлением потока, с которым они объединяются, образуя шлак.

В современных плавках стали используется отражательная печь. Концентрированная руда и поток (обычно известняк) загружаются в верхнюю часть, а расплавленный штейн (соединение меди, железа, серы и шлака) вытягивается снизу. Вторая термообработка в конвертерной печи необходима для удаления железа из матовой поверхности.

Первая стадия производства стали — расплавление породы

Происходит расплавление шихты и нагревается ванна жидкого металла. Температура металла невысокая, энергично окисляется железо, образуется оксид железа и окисляются примеси: марганец, кремний и фосфор.

Самая важная задача этой стадии производства стали – это удаление фосфора. Для этого нужно проводить плавку в основной печи, где шлак будет содержать оксид кальция (CaO). Фосфорный ангидрид — P2O5 будет образовывать с оксидом железа непрочное соединение (FeO)3 x P2O5. Оксид кальция – как более сильное основание, по сравнению с оксидом железа, и при не очень высоких температурах связывает P2O5 и превращает его в шлак.

Для того чтобы удалить фосфор, нужна не очень высокая температура, ванны шлака и металла, достаточное содержание в шлаке FeO. Для того чтобы увеличить в шлаке содержание FeO и ускорить окисление примесей добавляется в печь окалина и железная руда, наводя железистый шлак. Постепенно, по мере удаления из металла в шлак фосфора, содержание в шлаке фосфора повышается. Так что нужно убрать данный шлак с зеркала металла, а затем заменить его новым со свежими добавками оксида кальция.

Мартеновский способ

Суть данной технологии заключается в переработке чугуна и другого металлолома при применении отражательной печи. Производство различной стали в мартеновских печах можно охарактеризовать тем, что на шихту оказывается большая температура. Для подачи высокой температуры проводится сжигание различного топлива.

Схема мартеновской печи

Рассматривая мартеновский способ производства стали, отметим нижеприведенные моменты:

1. Мартеновские печи оборудованы системой, которая обеспечивает подачу тепла и отвода продуктов горения.
2. Топливо подается в камеру сгорания поочередно, то с правой, то с левой стороны. За счет этого обеспечивается образование факела, который и приводит к повышению температуры рабочей среды и ее выдерживание на протяжении длительного периода.
3. На момент загрузки шихты в камеру сгорания попадает достаточно большое количество кислорода, который и необходим для окисления железа.

При получении стали мартеновским способом время выдержки шихты составляет 8-16 часов. На протяжении всего периода печь работает непрерывно. С каждым годом конструкция печи совершенствуется, что позволяет упростить процесс производства стали и получить металлы различного качества.

Особенности производства

Металлургическое производство предполагает цикл технологических процессов, которые могут осуществляться как целиком на одном предприятии, так и на разных. Этапы:

• выплавка чугуна;
• производство стали;
• прокатное производство.

Таким образом, на предприятиях полного цикла осуществляются все вышеперечисленные этапы. Если же завод изготавливает только прокат, то такие производства называют предельными.

На данный момент в мире отдается предпочтение развитию малой металлургии, где производство стали и проката идет на машиностроительных заводах, а это значительно снижает затраты на конечную продукцию. Однако крупные комбинаты полного цикла остаются действующими.

Перспективы развития

Основные перспективы развития российской металлургии открываются за счёт решения двух основных проблем:

• Несоответствия уровня производства требованиям рынка по качественным и количественным показателям.
• Модернизации, которую необходимо проводить с помощью внедрения современных технологий самого высокого научного уровня.
• Наиболее эффективными направлениями в этом плане, являются:
• Дальнейшее преимущественное применение бездоменных способов плавки.
• Более широкое использование вторичных ресурсов. В свете истощения существующих месторождений и трудностей освоения новых, именно это направление является особо актуальным!
• Повышение доли сплавов и другой продукции высокого научно-технологического уровня.
• Внедрение энергоёмких, но в то же время экономичных технологий.
• Ресурсо- и энергосбережение.
• Уменьшение экологического загрязнения.

Все эти направления нашли своё отражение в стратегиях развития металлургического производства на 2014-2020 годы и на перспективу до 2030 года.