Сырые материалы, применяемые при производстве черных металлов. Железные руды: определение, классификация, оценка качества.

Раздел 2. Подготовка руд к плавке и производство чугуна

Руда представляет собой полезное ископаемое, добываемое из недр земли. Это — гор­ная порода или минеральное вещество, из которого при дан­ном уровне развития техники экономически целесообразно извлекать металлы или их соединения. Такая экономическая целесообразность, прежде всего, определяется содержанием ценных металлов в минеральном веществе, т.е. так называе­мым браковочным пределом по извлекаемому металлу. Брако­вочный предел даже для одного и того же металла различен, например, для железа он составлляет 30-60 %, меди 3-5, ни­келя 0,3-1,0, а для молибдена 0,005-0,02%. Величина браковочного предела по содержанию ценного металла зависит от физических свойств и химического сос­тава горной породы, а также условий ее добычи. По мере развития техники указанные пределы постепенно снижаются и переработке подвергают все более бедные руды.

Руды обычно называют по одному или нескольким метал­лам, содержащимся в них, например железные, медные, алю­миниевые и марганцевые или медно-никелевые, медно-кобальто-никелевые и др.

Железные руды. Железо является распространенным элементом в природе. Так, по распространению в земной коре оно занимает чет­вертое место (4,2 %) после кислорода (49,7 %), кремния (26 %) и алюминия (7,45 %). Железо как составная часть входит почти во все горные породы, однако многие нельзя считать рудами. Железными рудами следует называть горные породы, из которых при данном уровне развития техники экономически целесообразно извле­кать железо. Железо, как известно, обладает сравнительно большим сродством к кислороду и в силу этого в земной коре не обнаруживается в самородном виде, а находится главным образом в соединениях с кислородом, диоксидом углерода и серой. Из большого числа встречающихся в земной коре железо­содержащих минералов промышленное значение имеют следующие минера­лы.

Магнетит - магнитный оксид железа. Руду, содержащую в основном магнетит, назы­вают магнитным железняком или магнетитовой рудой. Магне­тит Fe₃O₄ (72,4 % Fe) можно рассматривать как соединение FeO • Fe₂O₃, содержащее 31,04% FeO и 68,96% Fe₂O₃. Магнетит характеризуется высокой магнитной восприимчи­востью, и поэтому магнитные железняки пригодны для элект­ромагнитного обогащения, являющегося одним из наиболее эффективных и распространенных способов обогащения желез­ных руд.

Гематит - безводный оксид железа Fe₂O₃ (70 % Fe).Руды, содержащие в основном гематит, относят обычно к красным железнякам или гематитовым рудам. Крас­ный железняк - это продукт выветривания магнитных желез­няков, т.е. в значительной мере окисленный магнетит.

Водные оксиды железа mFe₂O₃ • nН₂О (52,3-62,9 % Fe) представлены в рудах минералами, различающимися числом молекул  воды. Это – главным образом лимонит 2Fe₂O₃ • ЗН₂О и гетит Fe₂O₃ • Н₂О. Руды, содержащие в основном эти минералы, называют бурыми железняками.

Сидери­т – карбонат железа FeCO₃ (48,3 % Fe). Руды, содержащие в основном сидерит, называют шпатовыми железняками. Они обычно встречаются в виде плотных и крепких горных пород или глинистых железняков.

Кроме указанных соединений железа, в рудах присутствуют (тоже в виде соединений) различные примеси, которые в зависимости от вида плавки могут быть полезными и вред­ными.

К вредным примесям относят серу, цинк и мышьяк. Сера вызывает красноломкость стали, а процесс ее удаления в доменном и сталеплавильном производствах связан с ухудше­нием технико-экономических показателей. Правда, серу мож­но легко удалить из руд окислительным обжигом и агломера­цией.

Цинк, хотя и не переходит в чугун, но возгоняется и, проникая в швы кладки, приводит к ее росту и разрыву металлического кожуха доменной печи.

Небольшое количество мышьяка можно удалить из руды при агломерации или лучше при специальном обжиге руды, а при доменной и сталеплавильной плавках он переходит в металл. Мышьяк придает стали хладноломкость и ухудшает ее свари­ваемость.

Такие примеси, как фосфор, никель, хром и медь, явля­ются полезными при выплавке чугуна некоторых марок, в остальных же случаях их, особенно фосфор и медь, относят к вредным примесям. Фосфор вызывает хладноломкость стали, его необходимо удалять при переработке чугуна в сталепла­вильных печах.

Ванадий и титан — полезные примеси.

Пустая порода руд в основном состоит из SiO₂, Al₂O₃, СаО и MgO, которые обычно находятся в виде различных соединений. Для доменной плавки желательно, чтобы отно­шение (СаО + MgO)/(SiO₂ + А1₂О₃) ≈ 1. В этом случае не требуются флюсы. Такую руду называют самоплавкой, однако встречается она очень редко. Чаще всего указанное отноше­ние значительно менее 1, т.е. пустая порода руд является кислой.

Помимо железнорудного компонента в процессе экстракции железа в доменной печи принимают участие так называемые флюсы и топливо.

 Флюсы и отходы производства. Флюсы вводят в доменную печь для перевода пустой породы железосодержащей шихты и золы кокса в шлак требуемого химического состава, обладающего определенными физически­ми свойствами.

Температура плавления оксидов, входящих в состав пустой породы агломерата, окатышей или руд, а также в золу кокса (SiO₂ - 1710 , А1₂О₃ – 2050, СаО - 2570, MgO - 2800 °С), значительно выше температуры шлака в доменной печи (1450—1600 °С). Вместе с тем при определенном соот­ношении указанных оксидов образуются легкоплавкие соединения, которые имеют температуру плавления ниже 1300 °С и характеризуются хорошей текучестью при 1450—1600 °С.

Необходимо также, чтобы шлаки, получаемые в доменной печи, содержали определенное количество основных оксидов (СаО и MgO) для обеспечения требуемой десульфурирующей способности. Например, рекомендуется, чтобы в шлаках от­ношение (СаО + MgO): (SiO₂ + A1₂O₃) составляло около 1,0, а отношение SiO₂: Al₂O₃ было равно 2 - 4,5.

Таким ообразом, в зависимости от состава пустой породы руды и вида топлива нужно применять основные, кислые или глиноземистые флюсы. Добываемые руды, как правило, содер­жат кислую пустую породу и характеризуются приемлемым соотношением SiO₂ и А1₂О₃, поэтому по технологическим причинам обычно применяют основной флюс — известняк, сос­тоящий из карбоната кальция СаСО₃, или доломитизированный известняк, содержащий, кроме СаСО₃ еще MgCO₃. Известняк хорошего качества содержит, %: 52—54,5 СаО; 0,6-1,0 SiO₂; 0,005-0,018 и 0,008-0,015 Р. В обычном известняке содержится 0,5-3, а в доломитизированном 5 - 10 % MgO и более.

При доменной плавке используют также некоторые отходы производства, содержащие Fe, Mn, СаО и MgO и являющиеся заменителями железных руд и флюса. К ним относят колошниковую пыль, сварочный шлак и окалину нагревательных печей, пиритные огарки и шлаки сталеплавильного производства. С целью утилиза­ции эти материалы добавляют в шихту к рудам или концентратам при их окусковании.

Топливо. Основным топливом доменной плавки является кокс — куско­вой пористый материал из спекшейся углеродистой (83—88 % С) массы, получающейся при прокаливании каменного угля без доступа воздуха. Вследствие своей прочности, термо­стойкости (способности не растрескиваться при повышении температуры) и способности не спекаться кокс сохраняет форму кусков на всем пути движения шихты от колошника до горна. Благодаря этому кокс разрыхляет столб шихты в печи, обеспечивая необходи­мую ее газопроницаемость. В нижней части печи (в заплечи­ках и горне) только кокс остается в твердом состоянии, образуя как бы подвижную дренажную решетку (коксовую на­садку), через которую в горн стекают жидкие продукты плавки, а вверх проходят газы.

Естественные твердые виды топлива не пригодны для до­менной плавки вследствие низкой термостойкости и из-за склонности к спекаемости, поэтому кокс не может быть за­менен другим топливом; возможна лишь частичная замена кокса газообразным, жидким и пылеугольным топливом.

Как топливо кокс, сгорая у фурм, обеспечивает доменную печь теплом, необходимым для нагрева и расплавления шихты и протекания процессов восстановления железа из оксидов. Кроме того, углерод кокса является восстановителем и слу­жит для науглероживания железа, а продукт сгорания кок­са — газ СО также является восстановителем.

Другие виды топлива. Кокс является дорогостоящим и де­фицитным материалом, поскольку запасы коксующихся углей во многих странах невелики.

В связи с этим в последние годы при доменной плавке часть кокса заменяют природным газом, мазутом или пыле­видным топливом. Природный газ содержит 90-98 % углево­дородов (главным образом, СН₄ и С₂Н₆) и небольшое коли­чество азота (около 1 %, а в газе Ишимбайского месторож­дения до 10 %).

Мазут представляет собой тяжелый остаток прямой пере­гонки и крекинга нефти. Горючая масса мазута содержит 84-88% С, 10-12% Н₂, 0,3-0,5% О₂ и 0,5-4% S. В ка­честве пылевидного топлива обычно используют молотый каменный уголь.