Технология производства черных металлов

Обновлено: 14.05.2024

Современное металлургическое производство – это сложная система различных производств, базирующихся на месторождениях руд, коксующихся углей, энергетических комплексах, оно включает:

– шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей;

– КХЗ, где осуществляют подготовку углей и коксование;

– энергетические цехи для получения сжатого воздуха и кислорода;

– доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов;

– сталеплавильные цехи для производства стали;

– прокатные цехи, в которых слитки перерабатывают в рельсы, балки, листы, трубы и т.д.

На рисунке 2.1 приведена технологическая схема современного двухстадийного (классического) производства черных металлов.

Основными цехами металлургического комбината являются: доменный; сталеплавильный; прокатные.

Исходным сырьём металлургического предприятия является:

– железная руда, предварительно обогащенная и окускованная;

– флюсы, добытые в карьерах и также прошедшие предварительную обработку.

Производство чугуна на металлургических заводах состоит из двух основных этапов:

– подготовка исходных материалов (шихты) к плавке;

ШМ доменной плавки являются железосодержащие компоненты (агломерат, окатыши), кокс и флюсы. Подготовка железосодержащей части шихты состоит в обогащении руды и окусковании с получением агломерата или окатышей. Обогащение производится с целью повышения содержания полезного компонента (железа) в руде, что существенно улучшает ее металлургические свойства. Окускование сырья способствует повышению газопроницаемости столба шихтовых материалов в доменной печи, улучшению восстановительной способности газового потока, уменьшению выноса газовым потоком мелких фракций шихты из доменной печи, увеличивается производительность доменных печей, сокращается расход кокса.

Кокс является продуктом переработки коксующихся углей. Качество кокса характеризуется химическим составом, физико-механическими свойствами и зависит от свойств исходных углей, их подготовки к коксованию, технологии коксования и обработки готового кокса.

Флюсы служат для придания легкоплавкости пустой породы руды, ошлакования золы кокса и получения жидкоподвижного шлака. В качестве флюса обычно применяют известняки их вводятся в доменную печь обычно в виде офлюсованных агломерата и окатышей или в виде кускового материала.

Рисунок 1.1 – Технологическая схема современного двухстадийного

На рисунке 1.2 приведена общая схема доменного производства.

Продукцией черной металлургии является:

– чугуны, выплавляемые двух видов: передельный, используемый для передела в сталь и литейный, используемый для производства отливок в литейных цехах.

– ферросплавы для выплавки легированных сталей;

– стальные слитки для производства различного проката (рельсов, балок, листа, труб и др.), а также для изготовления крупных кованых валов, дисков, роторов турбин. Доменная печь является уникальным агрегатом, имеющая следующие особенности.

1. Противоточный характер движения материалов.

2. Энергетически малозатратный (экономный) агрегат.

3. Минимальное количество вредных выбросов и пыли.

4. Наличие в одном агрегате одновременного зон твердого, жидко-твердого и жидкого состояния.

5. Наличие большого температурного перепада от 0 до 2200 °С.

6. Большой перепад давлений от 10 до 500 кПа.

7. Большой объем доменных печей в 5500 м 3 печь 5580 м.

8. Кампания доменной печи длится от 10 до 40 лет, за одну кампанию доменная печь выплавляет от 20 до 40 млн. т чугуна.

Суточная производительность 12000-13000 т.

Рисунок 1.2 – Общая схема доменного производства

Доменное производство имеет недостатки: работает на дорогом дефецитном коксе; требует окускования шихты, аглофабрики и производства по изготовлению окатышей. Это все требует огромных капитальных, энергетических затрат и сопровождается загрязнением окружающей среды.

Технология производства черных металлов

Производство черных металлов из железной руды — сложный технологический процесс, который может быть условно разделен на две стадии. На первой стадии получают чугун, а на второй — его перерабатывают в сталь. Чугуном называют сплав железа с углеродом (2. 6,67 %), кроме них в состав сплава могут входить кремний, марганец, сера, фосфор и др. Исходными материалами для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы. Наиболее часто применяемые железные руды: красный (Fe2O3), магнитный (Fe3O4), бурый (Fe2O3-nH2O), шпатовый (РеСОз) железняки, содержащие 30. 70 % железа и пустую породу из различных природных химических соединений (SiO2, А12Оз и др.) и вредные примеси (серы, фосфора). Топливом служит кокс — продукт сухой перегонки (без доступа воздуха) коксующихся каменных углей. Флюсы (плавни) — известняки, доломиты, кварц, песчаники применяют для понижения температуры плавления пустой породы и перевода ее и золы топлива в шлак. Основным способом производства чугуна из руд в настоящее время является доменный процесс, заключающийся в восстановлении железа из руд (оксидов) при высокой температуре и отделении его от пустой породы руды.

Чугун выплавляют в доменных печах (9.2) объемом до 5000 м3, куда руду, кокс и флюсы загружают чередующимися слоями, опускающимися вниз печи под влиянием собственной массы. В нижнюю часть печи — горн через отверстия — фурмы подают под давлением нагретый воздух, необходимый для поддержания горения топлива. Кокс, сгорая в верхней части горна, образует СО2 ;ij[C+O2 = CO2), который поднимается вверх по печи и, встречая на своем пути раскаленный кокс, переходит в оксид углерода: CO2-f-: - f-C=2CO. Оксид углерода восстанавливает оксиды железа до чистого железа по схеме Fe2O3->-F3O4-»-FeO-> - HFe. Этот процесс может быть представлен следующими реакциями: 3F9Q3+ ;+ СО = 2F3O4 + СО2; 2Fe3O4+2CO=6FeO+2CO>; 6FeO+6CO = 6Fe+6CO2. В нижней части печи часть восстановленного железа соединяется с углеродом и образуется карбид железа Fe3C (науглероживание железа). Затем происходит расплавление науглерржен-ного металла, который стекает в горн доменной печи, при этом насыщение железа углеродом продолжается. В результате плавления происходит восстановление не только железа, но и других элементов, находящихся в руде (Si, Mn, P), которые, а также часть серы в виде FeS переходят в чугун. В горн стекает также расплавленый шлак и всплывает над чугуном, так как его плотность меньше, чем чугуна. Расплавленные чугун и шлак периодически выпускают через специальные отверстия — чугунную и шлаковую летки, сначала шлак, а затем — чугун. Объем доменных печей достиг 5 тыс. м3, что обеспечило улучшение коэффициента использования полезного объема, снижение расхода топлива на 1 т передельного чугуна. Получают большое развитие механизация и автоматизация основных процессов при производстве чугуна. В доменном процессе широко используется повышенное давление и более высокий нагрев дутья, автоматическое регулирование температур, снижение влажности дутья, промывка углей перед коксованием, а также кислород для интенсификации процессов производства. В результате доменной плавки могут быть получены различные виды чугунов: передельные (80. 90%), идущие в основном на производство стали; литейные (8. 18 %), предназначаемые для получения чугунных отливок; ферросплавы. (2. 3%), содержащие повышенное количество марганца, кремния. Ферросплавы применяют как добавки при производстве стали.

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ /

Основной способ производства черных металлов — получение чу­гуна из руды и последующая его переработка в сталь. Для получения стали используют также металлолом. В последние годы начало разви­ваться непосредственное производство стали из железных руд.

Производство чугуна. Чугун получают в доменных печах высоко­температурной (до 1900° С) обработкой смеси железной руды, твердого топлива (кокса) и флюса. Флюс (обычно известняк СаСОД необходим для перевода пустой породы (состоящей в основном из Si02 и А1203), содержащейся в руде, и золы от сжигания топлива в расплавленное состояние. Эти компоненты, сплавляясь друг с другом, образуют доменный шлак, который представляет собой в основном смесь сили­катов и алюминатов кальция.

Доменная печь — очень большое инженерное сооружение. Полез­ный объем печи — 2000. 3000 м3, а суточная производительность —

5000.. .7000 т. В печь (рис. 7.1) сверху через устройство загружают шихту, а снизу через фурмы 7 подают воздух. По мере продвижения шихты вниз ее температура поднимается. Кокс, сгорая в условиях ограниченного доступа кислорода, образует СО, который, взаимодей­ствуя с оксидами железа, восстанавливает их до чистого железа, окисляясь до С02. Железо плавится и при этом растворяет в себе углерод (до 5 %), превращаясь в чугун. Расплавленный чугун стекает в низ печи, а расплав шлака 2, как более легкий, находится сверху чугуна. Чугун и шлак периодически выпускают через летки и в

ковш. На каждую тонну чугуна полу­чается около 0,6 т огненно-жидкого шлака.

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ /

Р и с. 7.1. Схема доменной печи:

1 — летка для выпуска жидкого чугуна; 2 — расплавленный шлак; 3 — загрузочное устройство; 4 — газоотводная труба; 5— капли расплавленного чугуна; 6 — капли шла кового расплава; 7 — фурма для подачи воздуха; 8~ летка для выпуска расплавлен­ного шлака; 9 — жидкий чугун

Доменный шлак — ценное сырье для получения строитель­ных материалов: шлакопортланд - цемента, пористого заполнителя для бетонов — шлаковой пемзы, шлаковой ваты, шлакоситаллов и ДР-

Чугун главным образом (около 80 %) идет для производства стали, осталь­ная часть чугуна используется для по­лучения литых чугунных изделий.

В зависимости от состава разли­чают белый и серый чугуны. Белый чугун твердый и прочный, содержит большое количество цементита; в се­ром из-за присутствия кремния це­ментит не образуется и углерод вы­деляется в виде графита.

Производство стали. Сталь полу­чают из чугуна и железного металло­лома и специальных добавок, в том числе и легирующих элементов плав­лением в мартеновских печах, кон­верторах или электрических печах.

Выплавкй стали — сложный процесс, складывающийся из целого ряда хи­мических реакций между сырьевой шихтой, добавками и топочными га­зами. Выплавленную сталь разливают на слитки или перерабатывают в заготовки методом непрерывной разливки.

Изготовление Стальных изделий. Стальные слитки — полуфабрикат, из которого различными методами получают необходимые изделия. В основном применяют обработку стали давлением: металл под дейст­вием приложенной силы деформируется, сохраняя приобретенную формі*. При обработке металла давлением практически нет отходов. Для облегчения обработки сталь часто предварительно нагревают. Различают следующие виды обработки металла давлением: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка. Наиболее распространен­ный метод обработки — прокатка; им обрабатывается более 70 % по­лучаемой стали.

При прокатке стальной слиток пропускают между вращающимися

валками прокатного стана, в результате чего заготовка обжимается, вытягивается и в зависимости от профиля прокатных валков приобре­тает заданную форму (профиль). Прокатывают сталь в холодном со­стоянии. Сортамент стали горячего проката — сталь круглая, квадрат­ная, полосовая, уголковая равнобокая и неравнобокая, швеллеры, двутавровые балки, шпунтовые сваи, трубы, арматурная сталь гладкая и периодического профиля и др.

При волочении заготовка последовательно протягивается через от­верстия (фильеры) размером меньше сечения заготовки, вследствие чего заготовка обжимается и вытягивается. При волочении в стали появляется так называемый наклеп, который повышает ее твердость. Волочение стали обычно производят в холодном состоянии, при этом получают изделия точных профилей с чистой и гладкой поверхностью. Способом волочения изготовляют проволоку, трубы малого диаметра, а также прутки круглого, квадратного и шестиугольного сечения. 7

Ковка — обработка раскаленной стали повторяющимися ударами молота для придания заготовке заданной формы. Ковкой изготовляют разнообразные стальные детали (болты, анкеры, скобы и т. д.).

Штамповка — разновидность ковки, при которой сталь, растяги­ваясь под ударами молота, заполняет форму штампа. Штамповка может быть горячей и холодной. Этим способом можно получать изделия очень точных размеров.

Прессование представляет собой процесс выдавливания находящей­ся в контейнере стали через выходное отверстие (очко) матрицы. Исходным материалом для прессования служит литье или прокатные заготовки. Этим способом можно получать профили различного сече­ния, в том числе прутки, трубы небольшого диаметра и разнообразные фасонные профили.

Холодное профилирование — процесс деформирования листовой или круглой стали на прокатных станах. Из листовой стали получают гнутые профили с различной конфигурацией в поперечнике, а из круглых стержней на станках холодного профилирования путем сплющивания — упрочненную холодносплющенную арматуру.

Технология черных металлов

Черные металлы – это смеси железа и различного количества углерода, которые отличаются кристаллическими решетками.

К черным металлам относятся все классы сталей и чугунов. Классификация металлов основывается на разделении элементов по их химическому составу и свойствам. Согласно этому критерию, металлы делятся на следующие классы:

  1. Редкоземельные металлы.
  2. Железные металлы.
  3. Щелочноземельные металлы.
  4. Тугоплавкие металлы.
  5. Урановые металлы.

Тугоплавкие металлы – это класс металлов, обладающих высокой температурой плавления и стойкостью к изнашиванию, к ним относятся храм, титан, ванадий, молибден, ниобий, цирконий, рутений, родий, осмий, иридий, гафний, тантал, рений, а также вольфрам.

Классификацией черных металлов предусмотрено выделение сталей легированных и нелегированных или углеродистых, в которых основным компонентом является углерод. В состав легированных сталей входит один или несколько легирующих элементов, которые улучшают определенные свойства сплава. Такие стали широко используются при изготовлении ответственных деталей, деталей несущих большую нагрузку, а также испытывающих сильное фрикционное воздействие или температурный режим. Все виды стали разные и имеют определенное предназначение и отличительные свойства, приобретаемые, например, в процессе термической обработки. Некоторые виды хорошо поддаются литью, прокатке или прессованию, а другие очень мягкие и могут обрабатываться вручную. В чугунах содержится гораздо больше углерода, чем в сталях, он обладает хорошими литейными свойствами. Чугуны делятся на следующие виды:

  1. Чугуны с вермикулярным графитом для отливок.
  2. Литейные чугуны.
  3. Чугуны с шаровидным графитом.
  4. Передельные чугуны.
  5. Высоколегированные чугуны.
  6. Антифрикционные чугуны.
  7. Низколегированные чугуны.
  8. Ковкие чугуны.

Готовые работы на аналогичную тему

Литейный чугун применяется для литья, чем способствует наличие в его составе пластинчатого графита. Ковкие чугуны обладают хорошей пластичностью и отлично поддаются ковке. Некоторые виды черных металлов, например, чугуны с шаровидным графитом, благодаря своей структуре широко используются в производстве деталей, обладающих очень высоким качеством.

Основы технологии производства черных металлов

Основной способ производства черных металлов заключается в получении чугуна из железной руды и его последующей переработкой в сталь. Иногда для получения стали может быть использован металлический лом. Чугун получают в доменной печи в результате высокотемпературной (1900 градусов по Цельсию) обработки смеси, флюса и твердого топлива - кокса. Флюс, в качестве которого в большинстве случаев используется известняк, нужен для перевода пустой горной породы в руде, а также золы от сжигания топлива в расплавленное состояние. Данные составляющие сплавляются с друг другом и образуют доменный шлак, представляющий собой смесь алюминатов кальция и силикатов.

Доменная печь является большим инженерным сооружением. Ее полезный объем составляет от 2000 до 3000 кубометров, производительность за сутки в среднем 5000 - 7000 тонн. Пример схемы доменной печи представлен на рисунке ниже.

Рисунок 1. Схема доменной печи. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Здесь: 1 - летка для выпуска жидкого чугуна; 2 - расплавленный шлак; 3 - загрузочное устройство; 4 - газоотводная труба; 5 - капли расплавленного чугуна; 6 - капли шлакового расплава; 7 - фурма для подачи воздуха; 8 - летка для выпуска расплавленного шлака; 9 - жидкий чугун.

В печь через загрузочное устройство загружается шихта, а через фурму подается воздух. Продвижение шихты сопровождается увеличением ее температуры. Кокс, который сгорает в условиях ограниченного кислорода, образует окись углерода, которая в результате взаимодействия с оксидами железа, восстанавливает их до чистого железа и окисляется до углекислого газа. Железо плавится, при этом в нем растворяется до 5 % углерода, и превращается в чугун. Жидкий чугун стекает в низ печи, расплав шлака остается сверху чугуна. В среднем на одну тонну чугуна получается около 600 килограммов шлака.

Доменный шлак является ценным сырьем, которое используют для изготовления шлаковой пемзы, шлакопортланд-цемента, шлакоситаллов, шлаковой ваты и других строительных материалов.

Сталь получается из железного металлолома со специальными добавками, в том числе легирующими элементами, и чугуна, посредством плавления в конверторных, электрических или мартеновских печах. Выплавка стали представляет собой сложный технологический процесс, который состоит из большого количества химических реакций между сырьевой шихтой, добавками, а также газами для топки. Выплавленная сталь разливается на слитки и затем перерабатывается в заготовки посредством непрерывной разливки.

Нужны еще материалы по теме статьи?

Воспользуйся новым поиском!

Найди больше статей и в один клик создай свой список литературы по ГОСТу

Автор этой статьи Дата последнего обновления статьи: 17.06.2022

Эксперт по предмету «Материаловедение» , преподавательский стаж — 5 лет

Автор24 - это сообщество учителей и преподавателей, к которым можно обратиться за помощью с выполнением учебных работ.

Металлургическая промышленность

Базовой отраслью промышленности РФ, которая определяет жизнеспособность экономики, является металлургическая промышленность. Кроме этого это одна из ключевых направлений развития экономики страны, так как ее доля в ВВП составляет 5%.

Металлургическая промышленность – это отрасль тяжелой промышленности, которая включает в себя процессы изготовления металлов из руд или других материалов, а также металлических сплавов.

В структуру металлургической промышленности входят следующие процессы: непосредственное производство металлов; горячая и холодная обработка металлических изделий; сварка; нанесение металлических покрытий.

Сама процедура изготовления металлических изделий состоит из трех этапов: добыча и подготовка руды; переплавка; использование и утилизация.

В процессе производства металлов используется различное сырье. В зависимости от того, какое именно сырье применяется, выделяют черную и цветную металлургическую промышленность. К первой категории относятся металлы, в состав которых входят железо, марганец и хром. К другой группе – все остальные металлы.

Под черной металлургической промышленностью понимается извлечение из недр земли и последующая обработка руд черных металлов, а также сталелитейное и чугунолитейное производства, прокат заготовок и изготовление сплавов из железа.

Продукция, которая производится на металлургических комбинатах является: основной (или конечным продуктом); побочной (или той, что появляется при изготовлении основных изделий); попутной (или той продукцией, которая остается после производства основной и побочной продукции и может применяться как вторичное сырье).

Основной продукцией черной металлургической промышленности считается металлопрокат, чугун, метизы и др.

Если сравнивать черную с цветной металлургией, то при производстве цветных металлических изделий затрачивается много энергии. Это объясняется низким содержанием полезных веществ в цветных металлах и большими объемами отходов, которые требуют определенных способов утилизации.

Основными видами цветных изделий являются сортовый и листовой прокат.

Факторы размещения черной и цветной металлургии

Если рассматривать общие факторы размещения отраслей металлургиечкой промышленности, то выделяют три типа металлургических баз в России:

  • база, которая работает с собственной рудой и углем;
  • база, которая использует или собственную, или привозную руду, или работает одновременно с двумя видами;
  • база, которая функционирует рядом с угольными месторождениями или недалеко от потенциального и реального потребителя

Основными факторами, которые влияют на расположение металлургических центров, являются:

  1. потребительский (близость крупных потребителей стали – машиностроительные комплексы);
  2. экологический (устаревшие предприятия, которые применяют «грязный» способ изготовления изделий – доменный процесс);
  3. транспортный (предприятия из-за отдаленности от топливных источников используют привозные руду и уголь)
  4. сырьевой (предприятия, которые располагаются непосредственно рядом с местонахождением руды).

Базой для развития машиностроения и металлообработки является именно отрасль черной металлургии. Ее продукция используется практически во всех сферах экономики. Россия входит в пятерку мировых производителей черных металлов вместе с США, Японией, Китаем и Германией.

Производственную базу черной металлургии составляют предприятия полного цикла: чугун — сталь — прокат, а также комбинаты, которые выпускают чугун — сталь, сталь — прокат и отдельно чугун, сталь, прокат.

Факторы размещения предприятий черной металлургии довольно разнообразны. Особыми факторами выделяют в производстве электросталей и ферросплавов. Россия достаточно обеспечена сырьем для черной металлургии, но размещены железные руды и топливо на территории страны неравномерно.

Рисунок 1. Основные факторы размещения предприятий черной металлургии. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Цветная металлургия в России развивается на основе применения собственных больших месторождений разнообразных руд цветных, благородных и редких металлов, а также на добыче алмазов. РФ занимает второе место после США по выпуску продукции цветной металлургической промышленности. В структуре промышленности 47 горнодобывающих предприятий, из которых 22 – это алюминиевая промышленность. В России производится более 70 разнообразных цветных металлов.

В территориальной организации предприятий цветной металлургии ярко выражена сырьевая ориентация. Это связано с большим разнообразием добываемых сырья и материалов для производства цветных изделий.

Рисунок 2. Основные факторы размещения предприятий цветной металлургической промышленности. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

География металлургического комплекса

Мировая металлургическая промышленность представлена в 98 странах. Из этих пятьдесят государств занимаются добычей руды. Лидерами считаются Китай, Россия, Бразилия, Индия и Австралия. Эти страны экспортируют до 80% всего добываемого сырья.

В настоящее время ежегодно добывается более 1 млрд т железной руды. Основные месторождения распределены следующим образом:

  1. зарубежная Азия - 310 млн. т;
  2. Латинская Америка – 235 млн. т;
  3. страны СНГ – 180 млн. т;
  4. Австралия и Океания – 170 млн. т;
  5. Северная Америка – 95 млн. т;
  6. Африка – 50 млн. т;
  7. зарубежная Европа -20 млн. т.

Большая часть мировых запасов руд требует первичной обработки в процессе производства из-за среднего и низкого качество материала. Высокого качества руда практически отсутствует.

Огромные запасы руды находятся в Китае, а полезное железо добывается на территории РФ. Компаниями-лидерами, в чьих руках мировой процесс добычи и производства руды и материалов, являются: Arcelor Mittal; Hebei Iron & Steel; Nippon Steel.

Первая организация образовалась в результате слияния индийских и люксембургских компаний. В ее состав входят 60 предприятий, в том числе и российское «Северсталь-Ресурс» и украинское «Криворожсталь»

В России металлургическая промышленность находится на втором месте после нефтегазовой отрасли. На территории РФ размещены три базы черной металлургии, непосредственно вблизи источников руды и угля: на Урале, в Сибири и в центральной части страны.

Самым крупным и старым предприятием является Уральское, производящее половину всей продукции черной металлургии в России. Крупнейшие предприятия – Чусовский металлургический завод и Челябинский металлургический комбинат.

Самая молодое месторождение – Сибирская металлургическая база. Запасы сырья практически исчерпаны. Представлены два металлургических комбината – Западно-Сибирский и Кузнецкий.

Крупным металлургическим заводом Центральной базы считается Новолипецкий металлургический комбинат. На его долю и еще пяти крупных центров металлургии приходится 93% выпускаемой продукции. Это ПАО «Северсталь», ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», «Евраз», ОАО «Мечел», ОАО «Металлоинвест».

Читайте также: