Производство стали в электропечах

Выплавка стали в электропечах получает все большее развитие. Отсутствие окислительного пламени и незначительный доступ воздуха, а то и полное его отсутствие дают возможность создать в печах нейтральную или восстановительную среду и весьма полно раскислять сталь. Высокая температура в печи позволяет наводить высокоизвестковые шлаки для более полного удаления серы и фосфора. Благодаря возможности лучшего управления плавкой удается выдавать сталь точно заданного состава.

В настоящее время этот способ широко применяют для выплавки высококачественных углепородистых и легированных сталей, а также ферросплавов.

Печи бывают дуговые и индукционные.

Плавка в дуговых печах. Преимущество имеют основные электропечи, в которых получаю высококачественную сталь с минимальным содержанием серы и фосфора.

При нагреве электрическими дугами в плазме дуги развивается температура 10000^оС и выше.

Шихта для плавки в дуговой печи состоит на 90 % и более из скрапа и металлизированных окатышей, чугуна 5-10 %.

Для окисления примесей в расплавленный металл погружают железную руду и окалину, а для наводки необходимого шлака - флюсы. К концу первого (окислительного) периода плавки в основном заканчивается удаление фосфора, остаточное содержание фосфора не превышает 0,01-0,02 %.

Задача второго периода - окончательная очистка от примесей. Для этого наводят новый шлак из извести и плавкого шпата или шамота с последующей добавкой молотого кокса.

Сначала металл раскисляют, забрасывая ферромарганец и ферросилиций или комплексный сплав марганца, кремния и железа - силико-марганец.

 

FeO + Si→2Fe + SiO₂ + ∆H

FeO + Mn →Fe + MnO + ∆H

FeO + C →Fe + CO + ∆H

 

Сера переходит в шлак по реакции

 

FeS + CaO →FeO + CaS +∆H

 

В перегретом шлаке углерод кокса, реагирует с известью, образует карбид кальция

CaO + 3C→CaC₂ +CO

FeO + CaC₂→3Fe + CaO +2CO

           ^{раскислитель}

3MnO + CaC₂→3Mn + CaO + 2CO

 

Раскисление производят также порошковыя ферросилицием или алюминием.

При электроплавке стали широко применяют продувку кислородом (если в шихте много легированных отходов). В этом случае получают большую экономию дорогих ферросплавов, электроэнергии электродов. Производительность печей увеличивается на 20-30 %.

Плавка в индукционных печах. Работа индукционных печей основана на передаче электромагнитной энергии путем индукции. Индукционные печи применяют при производстве слитков и фасонного литья из высоколегированных, для выплавки углеродистых сталей с минимальным содержанием углерода и различных других сплавов.

 

Металлургия цветных металлов

 

Цветные металлы - медь, никель, кобальт, алюминий, магний, титан, свинец цинк, олово, - обладают ценными свойствами и поэтому несмотря на относительно высокую стоимость широко применяются в промышленности.

Однако во всех случаях, когда это возможно, цветные металлы заменяют черными металлами или неметаллическими материалами.

 

Производство меди

 

Медь по применению в промышленности занимает одно из первых мест среди цветных металлов. Высокая пластичность, электро- и теплопроводность, повышенная коррозийная стойкость - ценнейшее свойство меди. Вследствие высокой электропроводности медь - лучший металл для электромашиностроения, изготовление кабелей и проводов для передачи электроэнергии. Медь является основой в сплавах, широко применяемых во всех отраслях машино- и приборостроения.

 

Медные руды

 

Медные руды делятся на две основные группы: сульфидные, в которых медь связана с серой в составе сульфидных минералов и окисленные, где медь входит в виде оксидов. Встречается самородная медь с массовым содержанием Cu до 99,9 %. На сульфидные руды приходится около 80 % всех мировых запасов меди. Наиболее распространен в сульфидных рудах халькопирит (медный колчедан) CuFeS₂. За ним следует халькозин (медный блеск) Cu₂S, борнит Cu₂FeS₃ и реже ковеллин CuS. Из окисленных руд наиболее распространен малахит CuCO₃∙Cu(OH)₂

Среднее содержание меди в промышленных рудах составляет 1-2 %, минимальное 0,3 %. Руды, содержащие 3 % меди и более считаются богатыми. В состав пустой породы медных руд входит кварц, барит, кальцит и различные алюмосиликаты.

 

Получение меди

 

Около 20 % меди получают из руд гидрометаллургическим способом, при котором руда обрабатывается растворителем, переводящим медь в раствор. Из раствора медь осаждают электролизом или химическим способом. Этот способ применяют для переработки бедных окисленных и самородных руд.

Основную массу меди получают пирометаллургическим способом, т.е. выплавляют из сульфидного медного концентрата (продукта обогащения руды флотацией).

Полученные медные концентраты подвергают обжигу в многоподовых печах или в печах «кипящего слоя» для окисления железа, уменьшения содержания серы, удаления мышьяка, сурьмы и других примесей. Основные реакции при обжиге:

 

FeS + 3,5O₂→Fe₂O₃ +2 SO₂ + ∆H

Cu₂S + 1,5O₂→Cu₂O + SO₂ +∆H

 

Основным продуктом обжига является огарок, который плавят в пламенных отражательных, шахтных или электрических печах. В результате плавки получают два несмешивающихся расплава: на поду печи - штейн - расплав сульфидов, поверх его шлак - расплав оксидов, в который переходит вся пустая порода и большая часть железа в окисленном состоянии. Основные реакции плавки:

 

Cu₂S + 6 Fe₂O₃ →2 Cu + 4Fe₃O₄ +SO₂

2Cu + FeS →Cu₂S + Fe

Fe + Fe₃O₄→ 4FeO

FeO + SiO₂ →Fe₂SiO₄

^{флюс         шлак}

Cu₂S + FeS →штейн

 

Переработка штейна осуществляется в конвертерах, где через жидкий штейн в присутствии кварцевого флюса продувают воздух, в результате чего сера выгорает по реакции:

FeS + 1,5O₂ →FeO + SO₂

а железо шлакуется 2FeO + SiO₂ →Fe₂SiO₄

                                                                                              ^шлак

 

Сернистый газ отводится по газопроводу на очистку от пыли и на производство серной кислоты; шлак сливается из конвертера и в конвертере остается почти чистый сульфид меди. На этом заканчивается первый период плавки. После удаления шлака белый штейн продувают на черновую медь (второй период), при этом происходит окисление сульфидов меди:

 

Cu₂S + 1,5O₂→Cu₂O +SO₂

Cu₂O + Cu₂S →6Cu +SO₂

                               ^{черновая медь}

 

Реакции окисления серы и железа обеспечивают поддержание в конвертере t =1250-1350^оС, черновая медь содержит 98,5-99,5 % Cu и до 1,5 % рудных примесей, главным образом железа, серы, кислород, а также никель, кобальт и др. металлы (Ag, Au). Черновая медь подвергается огневому и электролитическому рафинированию.

Огневое рафинирование

Производят в отражательных печах для удаления железа, серы и др. примесей, ухудшающих свойства меди. Медь окисляется:

 

Cu +½O₂→Cu₂O

Cu₂O +Ме→МеO + 2Cu

            ^{примесь}

МеО +SiO₂→nМеО∙mSiO₂

                        _шлак

Электролитическое рафинирование

 

Производят с целью получения наиболее чистой меди (99,99 % Сu) и попутного извлечения золота, серебра, селена, теллурия, которые почти всегда содержатся в конвертерной меди и при огневом рафинировании полностью остаются в ней.

 

К                                                    А⁺ (Cu

 

толщина катода СuSO₄ + H₂SO₄

=0,6-0,7 мм          (200 г/л)

Cu²⁺ + 2ē→Cu                               Cu - 2ē→Cu⁺²    

 

Нерастворимые примеси и в их числе золото, платина, серебро, селен, теллур в виде твердых частиц (шлам) собираются на дне ванны, их периодически удаляют.

Медь первичная по ГОСТ 859-78 подразделяется на марки с массовым содержанием Cu от 99,950 до 99,993 %. Медь поставляется в качестве полуфабрикатов в виде прутков, листов, лент, проволоки, фольги и др.