процесс горения твердого углерода

Лекция 1
Общая характеристика производства чёрных и цветных металлов и сплавов,
их значение для промышленного комплекса страны. Классификация черных и
цветных металлов и сплавов. Современное состояние производства металлов в
Казахстане, странах ближнего и дальнего зарубежья. Перспективы металлургии в
связи с развитием новой техники и инновационных технологий. Экономические
предпосылки развития металлургического производства.
Металлургией называется наука о способах производства металлов и сплавов на их
основе, а также отрасль промышленности, производящая металлы и сплавы.
Развитие металлургии идет по пути дальнейшего совершенствования методов
подготовки сырья, технологии выплавки металлов и внедрения более совершенных
методов производства, обеспечивающих улучшение технико-экономических показателей
и качества готовой продукции.
Металлы делятся на две основные группы – черные и цветные. К черным
металлам относятся: железо, марганец и хром, остальные металлы условно называются
цветными.
Согласно промышленной классификации, цветные металлы подразделяются на
следующие группы:
1. Тяжелые металлы: медь, свинец, никель, цинк, олово, а также кобальт, кадмий,
мышьяк, сурьма, висмут, ртуть.
2. Легкие металлы: алюминий, магний, а также щелочные и щелочно-земельные
металлы (ЩЗМ).
3. Благородные металлы: золото, серебро, платина и платиноиды (осмий, иридий,
рутений, палладий).
4. Редкие и радиоактивные металлы, в свою очередь подразделяющиеся на группы:
1) тугоплавкие – титан, цирконий, ванадий, ниобий, тантал, молибден, вольфрам; 2)
легкие – литий, рубидий, цезий, бериллий; 3) рассеянные – галлий, индий, таллий,
германий, теллур, рений; 4) редкоземельные – скандий, иттрий, лантан и лантаноиды; 5)
радиоактивные – радий, актиний и актиноиды, полоний.
Широкое применение черных металлов обусловлено их ценными физическими и
механическими свойствами, широким распространением железных руд в природе, а
также сравнительно дешевым производством чугуна и стали.
Цветные металлы используют и в виде первичных металлов и в виде прокатов,
сплавов, порошков, химических соединений, лигатур.
В качестве сырья для производства металлов используют разнообразные по
химическому составу и формам нахождения извлекаемых металлов руды (оксидные,
сульфидные, самородные и др.). Многообразие руд, которые к тому же обычно являются
комплексными, предопределяет разнообразие технологических схем и многостадийность
процессов получения металлов.
Процессам получения металлов предшествуют трудоемкие и довольно длительные
операции подготовки руд: сортировка, усреднение, дробление, измельчение, обогащение,
окускование, обжиг. Первые пять операций являются физико-механическими, а
окускование и обжиг – физико-химическими. Дальнейшая переработка концентратов или
руд (с достаточно высоким содержанием извлекаемого металла) проводится по
различным технологическим схемам, предусматривающим вначале получение чернового
металла, a затем его рафинирование (очистку) от примесей. Особое внимание при этом
уделяется так называемым безотходным технологиям, обеспечивающим эффективное
извлечение всех металлов и полную утилизацию отходов производства.
Процессы, используемые в современном металлургическом производстве,
подразделяются на пирометаллургические, протекающие при высоких температурах,
гидрометаллургические, осуществляемые в водных и солевых растворах при нормальном
или повышенном давлении и нормальных или умеренно высоких температурах (20–200
°C).
В металлургии железа можно выделить ряд переделов: подготовка сырья,
восстановление железорудных окатышей (агломерата) в доменных печах; окислительное
рафинирование чугуна в сталеплавильных агрегатах; выплавка ферросплавов.
Технология выплавки цветных металлов основана на применении комплекса пирои гидрометаллургических методов (обжиг, плавка, возгонка, выщелачивание, электролиз,
дисцилляция и др.
Шихта – смесь материалов в определенной пропорции для переработки в
металлургических агрегатах.
Руда – это полезное ископаемое, содержащее искомый элемент (Ме), в таком
количестве и такого качества, которые допускают экономически выгодное извлечение
его в промышленном масштабе.
Перспективы развития металлургии
Главное направление развития черной металлургии в перспективе - улучшение качества
выпуска более эффективных видов продукции. Этого можно достичь благодаря:
опережающему росту сырьевой базы, повышению содержания железа, марганца и хрома
в концентратах, освоению технологии обогащения окисленных железных кварцитов,
изменению пропорций между способами выплавки стали в пользу кислородноконвертерного и электростатического переделов при абсолютно сокращении
мартеновского способа, экономичных и специальных видов труб, применению
прогрессивных технологий, развитием порошковой металлургии, специальных
переплавов, внепечной обработки стали, непрерывной разливки стали, более полному
использованию лома и металлосодержащих отходов, сосредоточении добычи
металлургического сырья на самых крупных и выгодных по условиям эксплуатации
месторождениях при широком развертывании открытого способа добычи руды.
Главное направление развития цветной металлургии в перспективе - создание
бактериальной металлургии. С помощью микробов стало возможно получать различные
металлы без термической обработки руды. Уже реализованы такие процессы, как
выщелачивание меди из сульфидных материалов, извлечение марганца выщелачиванием
из кислых карбонатных руд. Микробиологические процессы имеют большое значение
при переработке труднообогащаемых руд, содержащих золото, а также удалении из
коксующихся углей такой вредной примеси, как сера. В результате развития
бактериальной металлургии будет уменьшаться количество пирометаллургических
предприятий, себестоимость ископаемых, расходов на очистку атмосферы и сточных
вод, площади земли, занимаемые шахтами, обогатительными фабриками и т.д.
Тема 1. Характеристика сырьевой базы Республики Казахстан для
производства цветных металлов: месторождения, типы руд, добывающие и
перерабатывающие предприятия, оценочные запасы, производительность по
товарному продукту.
В настоящее время металлургическая отрасль республики работает достаточно
ритмично, обеспечивая налоговые отчисления в бюджет, но это достигается путем
широкомасштабного экспорта металла первичной обработки.
В последние годы в развитии металлургической отрасли выявлены ряд проблем,
которые могут стать сдерживающие фактором развития металлургических предприятий;
назовем некоторые из них:
1. снижение разведанных ресурсов (месторождений сырья)
2. износ основных фондов, который достиг критического уровня – 50%
3. низкая инновационная активность
4. не развиваются 4 – ый и 5 – ый переделы
5. постоянный рост тарифов на энергию ресурсы и услуги ж/д транспорта
6. усложнение сырьевой направленности отечественной металлургии.
Для реформирования металлургии необходимы системные преобразования, т.е.
обеспечение одновременной и последовательной реализации всего комплекса мер.
Необходимо широкое внедрение инноваций во всех производственных переделах, т.е.
крупномасштабные инвестиции в производство.
В стратегии развития Казахстана до 2030г цветная металлургия определена в
качестве одной из приоритетных отраслей, способной обеспечить вхождение Казахстана
в число стран с высоким уровнем развития. В условиях международного разделения
труда одной из основных специализации Казахстана является металлургическая
промышленность.
В сфере промышленного производства на долю горно-металлургического
комплекса в общем объеме ВВП приходится 23,7%.
В запасе W, Pb, Zn, Cu, Au, U, V, Ag и другие республики входит в десятку
ведущих стран мира. В стране сосредоточено более 50% мировых запасов W, 25% - U,
19% - Pb, 13% - Zn, 10% - Cu%. Республика занимает 1-ое место по запасам V, W и Zn, 2ое U, Cr, 3-е – асбеста, 9-ое место – Cu и Au (таблица 1).
По запасам Pb по данным геологической службы США мы занимаем 4-ое место, по
нашим данным – 1 место. Мы являемся крупнейшими производителями Re (1 – 2 места),
Be (1-4 места), хромовой руды, титановой губки (2- место), Та, Nb, Ga, Таллия, As (3
место), U (4 место), V (5 место), Bi (6 место) Рафинированной Cu, Zn, Cd, B, S (7 место),
Mg (8 место), Ag (9 место), Pb (11 место), Zn (11 место), Mo (16 место).
В цветной металлургии работают 40 подземных и 30 открытых рудников, 21обогатительная фабрика, 11 металлургических заводов.
Таблица 1 – Место Казахстана в мире по запасам и производству цветных металлов
Из 200 крупнейших мировых компаний к сырьевому сектору относятся 90, на долю
которых приходится более 80% общего объема реализованной продукции.
В их числе есть компании Казахстана (всего 13):
ЕПА (евразийская промышленная ассоциация) – 2ое место по добыче хромовой
руды, 3-е по выпуску ферросплавов и галлия. 9-ое по добыче глинозему и 15-ое по
добыче железной руды.
УК ТМК (Усть-Каменогорский титано0магниевый комплекс) – 2-ое место по
выпуску Ti – губки.
НАК «Казатомпром» - 2ое место по производству Ве (бериллия), 3-е – Та, 4-ое по
добыче U.
«КазЦинк» – 7–ое место по выпуску рафинированного цинка;
«Казахмыс» – 9-ое место по выпуску меди;
«Жайремский ГОК» – 5-ое место по производству Mn – руд;
«Южполиметалл» – 6-ое место по производству Bi (высмута);
РГП «Жезказганредмет» - 4-ое место в мире по производству Re (рения);
«Костанайасбест» - 3-е место по производству асбеста.
Цветные металлы, как правило подразделяются:
1) По металлу – основе (Ni, Al)
2) Легкие (⟨ρ 5 г/см3) – Al, Mg, Ti, Li.
3) Тяжелые (⟨ρ 5 г/см3) – Cu, Ni, Pb, Sn, Zn.
4) Легкоплавные (⟩ПЛt 6000 С)
5) Тугоплавные (⟩ρ 16000 С) W, Мo, Nb, Ta, V, Zn.
6) PPM – редкие рассеянные металлы (галлий, индий, селен, рений)
7) PЗМ - редкоземельные металлы ( лантакойды скандий, иттрий )
8) Радиоактивные элементы: уран; торий.
Металлургия, как отрасль промышленности, включает:
1) добычу руд
2) их обогащения
3) производство металлов
4) рафинирование
5) частично их переработку на сплавы и цемент.
В более узком значении металлургическое производство имеет своей задачей
получение чистых металлов из руд их концентратов.
Как научная дисциплина металлургия рассматривает и разрабатывает способы
извлечения металлов из рудного сырья и теоретические основы протекающих при этом
процессе.
ЛЕКЦИЯ 2
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГОРЕНИЯ
Общая характеристика и разновидности процессов горения в металлургии
Физико-химические основы процессов горения в газовых смесях и твердого углерода.
Термодинамика реакций горения углерода
Горение – сложный физико-химический процесс, при котором химическое превращение
сопровождается выделением энергии и тепло- и массообменном с окружающей средой.
Основой процесса горения является химическая реакция между окисляемым горючим
веществом и окислителем. Для протекания процесса горения необходимы:
- наличие горючего и окислителя;
- контакт между ними на молекулярном уровне;
- тепловые условия, обеспечивающие протекание химических реакций с высокими
скоростями.
От процессов окисления горение отличают:
- высокая температура;
- быстротечность во времени;
- неизотермичность;
- переменность концентраций компонентов по мере их взаимодействия;
- изменение структуры и формы поверхности реагирования во времени.
разновидности процессов горения
1. По агрегатному состоянию участников: гомогенное горение (горение газовых систем);
гетерогенное горение (горение твѐрдых и жидких горючих); горение конденсированных
систем. (не содер. летучих веществ)
Примеры различных видов горения по агрегатному состоянию участников:
Гомогенное горение:
Горение органических веществ в кислороде
CH4 (г.)+ 2O2 (г.) = CO2 (г.) + 2H2O (пар)
Горение в присутствии других газообразных окислителей
H2 (г.) + Cl2 (г.) = 2HCl (г.)
Разложение нестойких веществ (озона)
2O3(г.) = 3O2(г.)
Гетерогенное горение:
Горение жидкого гидразина:
N2H4(ж.) + O2(г.) = N2(г.) + 2H2O(пар)
Горение углерода:
C(тв.) + O2(г.) = CO2(г.)
Разложение нестойких веществ (ацетилена)
C2H2(г.) = 2C (тв.) + H2(г.)
Горение конденсированных систем:
KClO3(тв.) + Al(тв.) = KCl(тв.) + Al2O3(тв.)
2NH4NO3(тв.) =2N2(г.) + 4H2O(пар) + O2(г.)
2. По скорости распространения процесса: Дефлаграционное горение – медленное
распространение процесса (при помощи теплопроводности или диффузии (Диффу́зия —
процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между
молекулами или атомами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их
концентраций по всему занимаемому объёму); Детонационное горение – быстрое
распространение процесса (при помощи ударной волны).
3. По аэродинамическим условиям: Ламинарное горение – гладкий фронт пламени;
Турбулентное горение – сильно искривлѐнный фронт пламени.
Сжигание газов производится в топочной камере, куда горючая смесь подается через
горелки. В топочном пространстве в результате сложных физико-химических процессов
образуется струя горящего газа, называемая факелом.
В зависимости от способа подачи воздуха, необходимого для горения, возможны
следующие виды сжигания газов:
- диффузионный;
- кинетический;
- диффузионно-кинетический (смешанный).
Диффузный метод горения заключается в подаче к фронту горения газа под
давлением, а воздух - из окружающего пространства за счет молекулярной или
турбулентной диффузии. При этом смешение происходит параллельно с горением, и
поэтому скорость самого процесса горения зависит и определяется скоростью
смесеобразования.
Происходит процесс горения при контакте между газом и воздухом. К струе
газа (рис.2.4,а) диффундирует воздух, а из струи газа в воздух - газ. Процесс
горения происходит в фронте горения, тонком поверхностном слое факела, к
которому из внутренней части факела поступает газ, а из топки - воздух. В результате
процесса сжигания выделяются продукты сгорания, которые в
свою очередь осложняют взаимную диффузию газа и воздуха и горение протекает
медленно с образованием частиц сажи. Поэтому диффузионное горение можно
охарактеризовать как достаточно длинное и светящееся пламя.
К преимуществам диффузионного метода сжигания относятся: отсутствие
проскока пламени, высокая устойчивость пламени при изменении тепловых
нагрузок, равномерность температуры по длине пламени.
недостатки: вероятность термического распада углеводородов, низкая интенсивность
горения, потребность в больших топочных объемах, вероятность неполного сгорания
газа.
Кинетический метод горения заключается в подаче к месту горения газовоздушной
смеси, которая образуется в горелке полностью. Газовоздушная смесь сгорает в
коротком факеле в виде голубого прозрачного конуса.
К плюсам данного метода относят: малую вероятность химического недожога,
небольшую длину пламени, высокую температура факела.
А к минусам: необходимость в стабилизации газового пламени.
Диффузионно-кинетический метод сжигания газа используется:
- при предварительном неполном смешении газа с воздухом без образования однородной
смеси
- при частичном предварительном смешении газа с воздухом, при котором
образуется однородная смесь с недостатком окислителя в начальной смеси.
Осуществляется диффузионно-кинетический метод сжиганием факела, который имеет
два фронта горения (рис.2.4,в и г): кинетический, в виде голубого прозрачного конуса, и
диффузионный, в котором происходит догорание топлива, факел при этом прозрачный
бледно-голубого цвета.
В горелках, имеющих неполное предварительное смешение (рис.2.4,в) воздух
продвигается в полном объеме, из горелки выходит плохо перемешанная неоднородная
газовоздушная смесь, а воздух к диффузионному фронту горения поступает из
внутренней части факела.
Частичное предварительное смешение (рис.2.4,г) горелки создает условия для
предварительного смешения газа только с частью воздуха, необходимого для полного
сгорания газа, а остальной воздух поступает из окружающей среды непосредственно к
факелу. В этом случае сначала выгорает во фронте
кинетического горения лишь часть газа, смешанная с первичным воздухом, а
оставшаяся часть газа, разбавленная продуктами сгорания, выгорает после
присоединения кислорода вторичного воздуха из топки во фронте диффузионного
горения.
ПРОЦЕСС ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО УГЛЕРОДА
Содержание углерода в металлургических средах (газовой, шлаковой и металлической)
существенно влияет на состав и свойства этих фаз, особенно газовой.
Рассмотрим наиболее важные из возможных взаимодействий углерода с
окислителями.
В результате реагирования углерода с кислородом одновременно образуются оба
окисла углерода СО и СО2, но в разных соотношениях.
1. Реакция неполного сгорания углерода
2С + О2 = 2СО, GТ(2.1) =  221 120  180Т Дж/моль.
2. Реакция полного сгорания
С + О2 = СО2,
GТ(2.2) =  393 260  2,3Т Дж/моль.
3. Реакция газификации (Газифика́ция — преобразование органической части
твёрдого или жидкого топлива в горючие газы при высокотемпературном (1000—
2000 °C)нагреве с окислителем) углерода водяным паром до СО (высокотемпературная
область)
2С + 2Н2О = 2СО + 2Н2,
GТ(2.3) = 271 080  288Т Дж/моль.
4. Реакция газификации углерода паром Н2О до СО2 (низкотемпературная
область)
С + 2Н2О = СО2 + 2Н2, GТ(2.4) = 98 960  110,6Т Дж/моль.
5. Реакция газификации углерода
С + СО2 = 2СО, GТ(2.5) = 172 140  177,7Т Дж/моль.
Наибольший интерес представляет реакция (2.5), являющаяся эндотермической
(Эндотерми́ческие реа́кции —химические реакции, сопровождающиеся поглощением
теплоты.
Для
эндотермических
реакций
изменение энтальпии и внутренней
энергии имеют положительные значения (
,
),.: Н298 (2.5) = 172,6 кДж.
По отношению PCO PCO2 , которое устанавливается реакцией газификации углерода,
можно судить о влиянии твердого углерода на состав газовой фазы системы С  СО 
СО2 в широком температурном интервале. Равновесный состав этой газовой атмосферы
представлен на рис. 2.1.
Согласно принципу Ле Шателье (если на систему, находящуюся в устойчивом
равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия
(температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле), то в системе
усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия)
повышение давления смещает равновесие реакции газификации углерода влево, то есть
при неизменной температуре равновесная газовая смесь обогащается двуокисью СО 2.
При понижении давления концентрация СО в газовой фазе увеличивается.
Гетерогенный процесс взаимодействия углерода с окислителем состоит из ряда
стадий:
1) турбулентная диффузия (бурном перемешивании горючего газа и окислителя)
окислителя в газовом потоке к поверхности раздела фаз;
2) молекулярная диффузия через гидродинамический слой (тонкий слой жидкости у
поверхности) толщиной Г, где сохраняется ламинарное течение (Ламинарное Течение течение, при котором жидкость (или газ) перемещается слоями без перемешивания;
3) адсорбция (Адсорбция — увеличение концентрации растворенного вещества у
поверхности
раздела
двух фаз вследствие
нескомпенсированности
сил
[1]
межмолекулярного взаимодействия на разделе фаз . ) окислителя на поверхности
углерода;
4) химическое взаимодействие с образованием адсорбированных продуктов (СО2 при
низких температурах и СО при высоких);
5) десорбция (процесс, обратный адсорбции, то есть удаление адсорбированного
вещества с поверхности адсорбента) продуктов реакции;
6) диффузия (молекулярная и турбулентная) продуктов реакции в газовый поток.
% СО
100
80
Р < 1 ат м
Р=1 атм
60
40
P > 1 ат м
20
8 00
10 0 0
120 0
Т, К
Состав газовой атмосферы (СО  СО2) в равновесии с твердым углеродом
Лимитирующей в процессе окисления углерода является адсорбционнокинетическая стадия, объединяющая в себе стадии 3, 4 и 5. Лимитирующей может быть и
молекулярная диффузия.
Скорость диффузии в расчете на единицу поверхности можно рассчитать по
формуле
C  Cпов
(2.6)
VD  D о
   Со  Cпов  ,

где D – коэффициент диффузии,  – коэффициент массопереноса, Со и Спов –
концентрация окислителя в объеме газовой фазы и на поверхности углерода,
соответственно.
Скорость
химического
взаимодействия
определяется
концентрацией
адсорбированного реагента Спов:
n
(2.7)
Vх.р  КVCпов
,
где К – константа скорости реакции, зависящая экспоненциально от температуры
энергии активации процесса, n – порядок реакции (в данном случае n = 1).
Если процесс взаимодействия углерода с газовой фазой происходит в
стационарном режиме, т.е. без изменения скорости во времени, то скорость этого
процесса Vпроц определяется как
Vпроц = V х.р = VD .
(2.8)
Подставляя в (2.8) соотношения (2.6) и (2.7), в итоге получаем наблюдаемую
скорость процесса окисления углерода:
КCоб
Vпроц 
.
(2.9)
К 
В зависимости от соотношения величин К и  возможны следующие режимы
окисления:
– кинетический при  >>K;
– диффузионный при К>> ;
– диффузионно-кинетический при К   .
Термодинамический анализ реакции (2.5) позволяет выявить условия распада
монооксида углерода. Это возможно в газовых атмосферах с большим отношением
CO CO 2 и при понижении температуры. Величина GТ для реакции
2СО = СО2 + С
уменьшается с понижением температуры, но кинетически без катализатора осуществить
данную реакцию, используемую, например, в процессе цементации, затруднительно.
Для окисления связи «С  О» в молекуле СО нужна каталитическая твердая
поверхность, наиболее сильным катализатором является железо. При этом основными
стадиями процесса распада СО с образованием твердого мелкодисперсного углерода
будут следующие:
1) адсорбция молекулы СО на поверхности катализатора, приводящая к ослаблению
связи «С  О»;
2) процесс распада при ударе активной молекулы СО газовой фазы об
адсорбированную по реакции
СО + Соадс = СО2 + С.
Термодинамика реакции горения с участием твердого углерода
Реакция горения углерода с CO2:
C(гр) + CO2(г) → 2CO(г), ΔНº298 = 41080 кал. (1.47)
Графит окисляется за счет CO2 с поглощением тепла, этот процесс играет важную роль в
шахтных печах, но так же идет обратная реакция:
2CO(г) → C(гр) + CO2(г), в восстановительных металлургических процессах.
Необходима оценка состояния равновесия.
C = K – Ф + 2 = 2 – 2 +2 = 2.
Равновесная концентрация: %СО = f(Т, p).
Она не зависит от концентрации исходного газа, так как реакция эндотермическая,
повышение температуры смещает равновесие вправо, то есть равновесная концентрация
CO увеличивается, а концентрация CO2 уменьшается. В гетерогенных реакциях
изменение объема определяется только разностью числа молей газообразных веществ:
продуктов и реагентов.
Данное превращение сопровождается повышением объема.
С повышением давления равновесие сместится влево.
Из таблицы следует, что при повышении температуры Kp увеличивается. Вблизи 1000 K,
примерно 700 °C, KP = 1, то есть в зоне умеренных температур, реакция идет обратимо.
В области высоких температур реакция идет необратимо в сторону образования CO, так
как K1 >> 1. Соответственно при низких температурах реакция идет в противоположном
направлении.
Особенности выше приведенной реакции в том, что границы обратимости находятся в
пределах от 400 до 1000 °C.
Процессы образования и диссоциации сульфидов, оксидов, хлоридов и фторидов
Образование и диссоциация оксидов и других соединений
Общие закономерности процессов окисления железа и других металлов
Теоретические основы процессов восстановления
Восстановление металлов и применяемые восстановители. Восстановление оксидов железа
водородом и окисью углерода
Металлотермия
Восстановление металлов из оксидов углеродом. Карбидизация
Теоретические основы окислительной плавки
Железоуглеродистые расплавы, металлургические шлаки, их свойства
Процессы превращений при отвердевании шлаков. Термодинамика окисления примесей
металлического расплава
Исходные материалы металлургического производства и их подготовка. Подготовка
руд к плавке
Руды, их характеристика. Значимость для промышленности страны. Принципы
обогащения руд. Физико-химические основы процессов окускования руд: агломерация и
производство окатышей. Экономическая целесообразность подготовки материалов для
металлургического производства.
Исходные материалы металлургического производства
руда
флюсы
топливо
огнеупорные материалы
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 (оксиды и гидрооксиды, силикаты,
карбонаты, сернистые соединения), и пустой породы (оксидов 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 (4550 %), которые сразу используют в металлургическом производстве, и бедные (35-45 %),
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.
Флюс – это материал, загружаемый в плавильную печь для образования
легкоплавкого соединения с пустой породой руды, концентрата, золой топлива. Эти
соединения называют шлаком.
Назначение флюса: 1 – удаление оксидов 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 оксиды (SiO2, Р2О5) и
основным – если основные (CaО, MgO, FeO).
При высоких температурах рабочего пространства печи шлаки могут
взаимодействовать с футеровкой печи, в результате чего происходит разрушение
футеровки. Для предотвращения этого в печи вводят флюсы однотипные с футеровкой:
для основной футеровки – основные, для кислой – кислые. Футеровка (нем. Futter —
подкладка, подбой) — специальная отделка для обеспечения защиты поверхностей от
возможных механических, термических, физических и химических повреждений.
Топливо – это органические соединения, которые выделяют при сжигании тепло,
необходимое для поддержания металлургического процесса.
В металлургических печах топливом являются кокс, природный газ, мазут,
доменный газ. Кокс получают из коксующихся каменных углей путем сухой перегонкой
(Разложение веществ (жидких или твердых) на составные части с помощью кипячения,
нагревания) при температуре 10000С без доступа воздуха и выдержкой в течение 15-20
часов. 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.
Кокс должен содержать не менее 80% углерода и возможно меньшее количество
вредных составляющих: серы (2%), золы (12%), влаги (5%) и летучих веществ (1-2%).
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 – остаток после отгонки
из нефти бензина, керосина и дизельного топлива с содержанием углерода до 88% и
доменным газом – побочный продукт при выплавке чугуна в доменной печи с
содержанием горючих составляющих (до 32% CO, до 8% H2, до 0,5% метана CH4 и др.).
Эти виды топлива создают восстановительную атмосферу в печи, что приводит к
экономии кокса.
Огнеупорами называют материалы и изделия, изготовленные, главным образом, на
основе минерального сырья, которые применяются для внутренней футеровки
плавильных агрегатов, находящихся под действием высоких температур (более 1700 °С),
разъедающего действия металлов, шлаков и газов; истирания и ударов от загружаемой
шихты и др.
Подготовка руд к плавке.
При производстве черных и цветных металлов исходное сырье подвергается
специальной подготовке с целью увеличения содержания ценных составляющих в
концентрате, повышения его однородности по крупности кусков и химическому составу.
Обогащение руды – совокупность операций по первичной обработке с целью удаления
пустой породы и увеличение содержания металла в руде.
это обогащение в
магнитном
поле,
основанное
на
различии
магнитных свойств
разделяемых
компонентов
это
процесс
обогащения
полезных
ископаемых,
основанный
на
избирательном
прилипании частиц
минералов
к
поверхности
раздела двух фаз:
жидкость – газ;
жидкость
–
жидкость и др.
Электрическая
и
магнитная
сепарация. Сепарация
такого рода основана
на
различной
поверхностной
проводимости
или
магнитной
восприимчивости
разных минералов.
процесс, в котором
разделение
минеральных
частиц,
отличающихся
плотностью,
размером
или
формой,
обусловлено
различием
в
характере
и
скорости
их
движения
под
действием
сил
тяжести и сил
сопротивления
среды разделения.
Полученная таким образом обогащенная руда (концентрат), для улучшения
металлургических свойств, перерабатывается в кусковые материалы агломерацией или
окатыванием.
Агломерация – термический способ спекания (окускование) рудного концентрата (4050%), возврата мелкого агломерата, рудной мелочи и колошниковой пыли; известняка
(15-20%) и кокса при температуре 1300-1500°С в специальных агломерационных
машинах. Окускование при агломерации происходит, главным образом, в результате
образования жидких легкоплавких химических соединений, связывающих при
остывании отдельные фракции (зерна) в куски. Продукт процесса агломерации –
агломерат – основное сырье для черной и цветной металлургии, который позволяет
повысить производительность доменных печей на 10-25% и уменьшить расход кокса на
10-20%.
Окатывание – метод окускования пылевидной рудной мелочи или тонкоизмельченных
концентратов, спекание которых затруднительно. Предварительно увлажненный
материал (концентрат, флюсы и топливо) превращается в комки (окатыши – шарики
диаметром 25-30 мм) во вращающемся барабане или в тарельчатом грануляторе.
Для придания им надлежащей прочности их высушивают и обжигают в шахтных печах
при 1200-1350 °С. Применение офлюсованных окатышей позволяет улучшить процесс
плавки и повысить производительность плавильных агрегатов, снизить энергоемкость.
ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ
Доменное производство
Для обеспечения нормального хода металлургического процесса и получения
чугуна заданного сорта нужно получить шихту, состоящую из трех основных частей,
взятых в заранее рассчитанном, строго определенном соотношении:
1) железорудный материал;
2) кокс – главный источник тепловой энергии, он выполняет также роль восстановителя
(железо в рудах содержится обычно в окисленном состоянии);
3) флюсы – материалы, необходимые для уменьшения температуры плавления пустой
породы.
Любая руда или концентрат содержит большее или меньшее количество пустой
породы. В состав железных руд в качестве пустой породы обычно входят следующие
соединения: Al2O3 (tпл= 2040 °C), CaO (tпл=2570 °C), SiO2 (tпл =1728 °C), MgO (tпл
=2800 °C). Однако при определенных соотношениях указанных оксидов образуются
легкоплавкие составы, температура плавления которых не превышает 1300 °С.
Соотношение кислых и основных оксидов для этого должно быть близко к единице:
(Al2O3 + SiO2): (CaO + MgO) = 1:1.
Обычно в пустой породе железных руд преобладают кислые оксиды (Al2O3 и
SiO2), поэтому в качестве флюсов используется известняк или известь. Общая
характеристика железных руд Железная руда - это горные породы, содержащие железо в
такой форме и в таком количестве, что его экономически целесообразно извлекать при
современном уровне развития техники. К железным рудам относятся:
- красный железняк (основной минерал - гематит – Fe2O3) – это богатые железные руды
с содержанием железа не менее 55 %, содержат небольшое количество вредных
примесей;
- магнитный железняк (основной минерал - магнетит – Fe3O4) отличается от остальных
железных руд магнитными свойствами, содержит не менее 50 % железа, но часто
содержит вредные примеси, особенно серу;
- бурый железняк (основной минерал - лимонит – Fe2O3 х nH2O) обычно это бедные
железные руды, содержание железа не превышает 35-40 %.Часто содержат повышенное
количество фосфора.
Подготовка руд к плавке
Перед загрузкой в доменную печь руду необходимо измельчить, усреднить,
частично удалить пустую породу. Для этого руду подвергают той или иной подготовке.
В наиболее сложных случаях руда подвергается полному комплексу операций, который
включает:
- дробление, измельчение и классификацию;
- обогащение;
- усреднение;
- окускование.
Дробление, измельчение и классификация
Дробление проводят в несколько этапов:
- крупное дробление 1500-250 мм;
- среднее дробление 250-50 мм;
- мелкое дробление 50-5 мм;
- измельчение до 02,-0,4 мм.
Для дробления используют щековые (для крупного и среднего дробления),
конусные (для крупного, среднего и мелкого дробления), валковые (для среднего и
мелкого дробления), молотковые (для среднего и мелкого дробления) дробилки.
Измельчение проводят в шаровых или стержневых мельницах.
Грохочение – это разделение материала на классы крупности при помощи решеток или
механических сит для частиц диаметром более 1 мм.
Классификация – разделение материалов по классам крупности на основе разности
скоростей падения, для частиц меньше 1 мм (бывает водная и воздушная).
Обогащение
Обогащение – это процесс, который обеспечивает повышение содержания полезного
компонента и уменьшение содержания вредных примесей путем отделения рудного
минерала от пустой породы. В результате обогащения получают концентрат и хвосты.
Для обогащения руд используют целый ряд методов.
Водная промывка
то особенно__