Доменная руда что это
Железные руды — виды, месторождения. Доменный процесс
Доменный процесс заключается в выплавке чугуна из железных руд в доменных печах.
Для осуществления доменного процесса нужно иметь в необходимых количествах:
подготовленные к плавке железные руды,
Руда — это горная порода, содержащая металл; обычно в руде содержатся металлы в таком количестве, которое позволяет экономически выгодно извлекать металл из руды.
Железные руды представляют собой главным образом окислы железа, соединенные с пустой породой.
Пустой породойназывается естественное минеральное соединение, не содержащее железа, например кремнезем (SiO2), глинозем (Аl2O3) и др.
Для доменного процесса используются руды, в которых содержание железа превышает 25—30%.
В зависимости от химического состава железные руды подразделяются на следующие группы:
Магнитный железняк
Магнитный железняк (магнетит), представляющий собой магнитную окись железа Fe3O1. В чистом виде магнетит содержит 72,4% железа и 27,6% кислорода и обладает магнитными свойствами.
Наиболее мощным месторождением магнитного железняка является Магнитогорское месторождение, в котором содержание железа доходит до 62%.
В 1940 г. добыча магнитогорской руды составляла 22,5% от общей добычи руды в СССР.
Красный железняк
Красный железняк (гематит) — безводная окись железа (Fe2O3). В химически чистом виде гематит содержит 70% железа и 30% кислорода.
Наиболее крупным в СССР месторождением красных железняков (гематитов) является Криворожское месторождение. В переплавку направляются руды, содержащие 40—60% железа.
Бурый железняк
Бурый железняк (лимонит) — водная окись железа (2Fe2O3 * Н2O). В чистом виде лимонит содержит 59,88% железа и 14,43% гидратной воды.
Наиболее крупным месторождением бурых железняков является Керченское месторождение, содержание железа в котором составляет 32,36%.
Руды этого месторождения отличаются также высоким содержанием фосфора (от 0,4 до 1,3%) и присутствием мышьяка от 0,05 до 0,2%.
Содержание марганца в этих рудах доходит до 11% (в среднем 1,5%).
Шпатовые железняки
Шпатовые железняки (сидериты) FeCO3. В чистом виде сидерит содержит 48,3% железа и 37,9% СO2.
Крупное месторождение шпатовых железняков находится на Южном Урале вблизи Бакальского месторождения бурых железняков.
Железорудное сырье
Человек начал изготавливать и использовать изделия из железа в период «железного» века –примерно четыре тысячи лет назад. Сегодня железные руды –одно из наиболее распространенных полезных ископаемых. Пожалуй только угли и строительные материалы извлекаются из недр в больших объемах. Более 90% железных руд используются в черной металлургии для производства чугуна и стали.
Сталь – ковкий сплав железа с углеродом ( и легирующие добавки), основной конечный продукт переработки железных руд. Сталь обладает высокой прочностью, вязкостью, способностью легко изменять форму при горячей и холодной обработке давлением, приобретать в зависимости от химического состава и способа термической обработки нужные свойства: жаропрочность, сопротивление истиранию, коррозионную стойкость. Благодаря этому сталь является важнейшим конструкционным материалом.
Продукция черной металлургии применяется во всех сферах промышленного производства, но в основном в машиностроении и капитальном строительстве.
Железная руда является сырьем для производства черных металлов. Железную руду, извлеченную из недр, в горном деле принято называть «сырой рудой».
Железорудное сырье (ЖРС) – вид металлургического сырья, которое используется в черной металлургии для производства чугуна и металлизированного продукта (DRI и HBI), а также в незначительном количестве в выплавке стали. Железорудное сырье подразделяется на два вида – подготовленное (агломерированное) и неподготовленное (неагломерированное) сырье. Подготовленное ЖРС – это сырье готовое для использования в доменных печах для производства чугуна. Неподготовленное ЖРС является сырьем для производства агломерированного сырья. Неподготовленное ЖРС – это концентрат, доменная и аглоруда. Концентрат производится, в основном, в результате магнитной сепарации измельченной железной руды с низким содержанием железа. Извлечение железа в концентрат составляет в среднем около 80%, содержание железа в концентрате 60-65%.
Окатыши производятся из железорудного концентрата с добавлением известняка в результате окомкования смеси (гранулы диаметром 1 см) и последующего обжига.
Горячебрикетированное железо не являются ЖРС, т.к. фактически это уже продукты металлургического передела. В качестве сырья для производства агломерата используются смесь из аглоруды, сидерита, известняка и железосодержащих отходов производства с высоким содержанием железа (окалина и др.). Смесь также подвергается окомкованию и спеканию.
Содержание серы в товарной руде не должно превышать 0,15%. В рудах и концентратах, используемых для производства агломерата и окатышей, допустимое содержание серы может быть до 0,6%, так как при агломерации и обжиге окатышей степень удаления серы достигает 60- 90%. Предельное содержание фосфора в руде, агломерате и окатышах 0,07-0,15%. При выплавке обычных передельных чугунов допускается наличие в железорудной части доменной шихты (не более) As 0,05-0,1%, Zn 0,1-0,2%, Cu до 0,2%. Шлакообразующие примеси разделяются на основные (Ca, Mg) и кислые (Si, Al). Предпочтительны руды и концентраты с более высоким отношением основных окислов к кислым, так как сокращается ввод сырых флюсов при последующем металлургическом переделе.
Железные руды — природные минеральные образования, содержащие железо и его соединения в таком объеме, когда промышленное извлечение железа целесообразно. Хотя железо входит в большем или меньшем количестве в состав всех горных пород, но под названием железных руд понимают только такие скопления железистых соединений, из которых в больших размерах и с выгодой в экономическом отношении может быть получаемо металлическое железо.
Различаются следующие промышленные типы железных руд:
Существует три вида железорудной продукции, использующиеся в чёрной металлургии: сепарированная железная руда (обогащённая методом сепарации рассыпчатая руда), аглоруда (спечённая, окускованная путем термической обработки) и окатыши (сырая железосодержащая масса с добавлением флюсов (обычно, известняка); формуется в шарики диаметром около 1-2 см).
Х имический состав
По химическому составу железные руды представляют собой окиси, гидраты окисей и углекислые соли закиси железа, встречаются в природе в виде разнообразных рудных минералов, из которых главнейшие: магнетит, или магнитный железняк; гётит, или железный блеск (красный железняк); лимонит, или бурый железняк, к которому относятся болотные и озерные руды; наконец, сидерит, или шпатоватый железняк (железный шпат), и его разновидность сферосидерит. Обыкновенно каждое скопление названных рудных минералов представляет смесь их, иногда весьма тесную, с другими минералами, не содержащими железа, как, например, с глиной, известняком или даже с составными частями кристаллических изверженных пород. Иногда в одном и том же месторождении встречаются некоторые из этих минералов совместно, хотя в большинстве случаев преобладает какой-нибудь один, а другие связаны с ним генетически.
Богатая железная руда
Богатая железная руда имеет содержание железа свыше 57 %, а кремнезёма менее 8…10 %, серы и фосфора менее 0,15 %. Представляет собой продукт природного обогащения железистых кварцитов, созданных за счёт выщелачивания кварца и разложения силикатов при процессах длительного выветривания или метаморфоза. Бедные железные руды могут содержать минимум 26% железа.
Выделяют два главных морфологических типа залежей богатой железной руды: плоскоподобные и линейные. Плоскоподобные залегают на вершинах крутопадающих пластов железистых кварцитов в виде значительных по площади с карманоподобной подошвой и относятся к типовым корам выветривания. Линейные залежи представляют падающие в глубину клиноподобные рудные тела богатых руд в зонах разломов, трещинуватостей, дробления, изгибов в процессе метаморфоза. Руды характеризуются высоким содержанием железа (54…69 %) и низким содержанием серы и фосфора. Наиболее характерным примером метаморфозных месторождений богатых руд могут быть Первомайское и Жёлтоводское месторождения в северной части Кривбасса. Богатые железные руды идут на выплавку стали в мартеновском, конвертерном производстве или для прямого восстановления железа(горячебрикетированное железо).
Запасы
Мировые разведанные запасы железной руды составляют порядка 160 млрд тонн, в которых содержится около 80 млрд тонн чистого железа. По данным Геологической службы США, на долю месторождений железной руды России и Бразилии приходится по 18% мировых запасов железа. Мировые ресурсы и запасы железных руд по состоянию на 01.01.2010:
Железные руды: классификация, ценность, способы добычи и применение
Классификация
Железные руды классифицируются по целому ряду признаков.
Прежде всего, наиболее важным фактором в экономическом отношении является процентное содержание железа. Поэтому руды подразделяются на ряд типов:
Что касается химического состава, то в основном это – разнообразные соединения железа с кислородом, водой и углеродом, встречающиеся в природе в виде:
Железосодержащие месторождения обычно располагают следующими видами руд:
Для полноты картины необходимо также отметить, что залежи этого вида полезных ископаемых образуются в результате:
Продукция черной металлургии.
Подводя итог в теме «железная руда: что из нее делают», нужно перечислить четыре основных продукта черной металлургии:
Факторы, определяющие ценность руд
Рентабельность разработки каждого конкретного месторождения объясняется целым набором условий:
Что касается запасов месторождения, то необходимый минимум для окупаемости вложенных средств, по расчётам экономистов, составляет 600 млн. тонн. Меньшие размеры не покрывают затрат на создание необходимой инфраструктуры: производственных мощностей, инженерных сетей, дорог, жилья, общественных сооружения.
Область использования
Сфера применения руды ограничена металлургическим производством. Она является основным сырьем для производства чугуна и различных сплавов. Таким образом, из руды делают различные металл. Однако еще 2 тысячи лет назад люди поняли, что в чистом виде железо незначительно превосходит бронзу в твердости. В результате был открыт сплав железа и углерода, который называется сталь или чугун. В первом типе материала содержится 0,1−2,14% углерода.
Следует заметить, что длительное время чугун не использовался для производства предметов. Металлурги прошлого считали его браком из-за низкой пластичности. Лишь после изобретения пушек этот материал начали применять для производства ядер. Сегодня ситуация серьезно изменилась, и чугун используется в различных областях. Лидером в черной металлургии является Китай. Эта страна значительно превосходит другие государства в производстве чугуна и сталей. При этом ведущими экспортерами являются Австралия и Бразилия.
Мировой экономике требуется все больше сырья, и во многих странах месторождения железной руды активно разрабатываются. Однако развитые государства зачастую предпочитают сократить объем собственного производства, предпочитая экспортировать относительно недорогой материал. Хотя мировые запасы железа и кажутся огромными, они все же не являются неисчерпаемыми.
Способы добычи
Способ добычи определяется в зависимости от индивидуального характера залегания рудного дела. Решающим обстоятельством конечно же выступает глубина.
Открытый
Как обычно, если полезные ископаемые расположены не далеко от поверхности земли (порядка 300 метров) и есть возможности для проведения большого объёма работ по вскрытию и перемещению грунта, то прибегают к созданию карьера. Мощными экскаваторами перемещают породы в отвалы, а дойдя до нижних слоев залежей, проводят окончательный анализ месторождения на процент содержания железа.
Окончательное решение принимает экспертная комиссия. В случае положительного результата, массы изъятой породы направляются на металлургические предприятия для дальнейшей переработки.
Закрытый
Хотя значительная масса железной руды добывается карьерным способом, но иногда приходится прибегать к строительству глубоких шахт. Происходит это в том случае, если искомые слои полезного ископаемого находятся на глубине порядка одного километра. Сам процесс заключается в прокладке вертикального ствола, от которого в дальнейшем ответвляются горизонтальные штреки.
При всех своих недостатках (дороговизна строительства и опасность эксплуатации), данный способ наиболее эффективен.
Также кроме этих двух способов в последнее время находит применение метод скважинной гидродобычи. Суть его заключается в том, что внутрь пробуренной скважины подаётся под значительным давлением вода. В результате чего, размытая струёй порода перемещается наверх.
Технология обогащения
Подготовительный процесс
Предварительным этапом обогащения железных руд является дробление и измельчение. Цель этих операций – получить массу нужной величины кусков и частиц, а также отделить пустую породу. Обычно для этого применяется грохочение (просеивание) и классификация (разделение водным потоком частиц по крупности) исходного материала.
Основной процесс
Непосредственно процесс обогащения может включать в себя один из следующих методов:
После процесса обогащения концентрат подвергают агломерации и отправляют на доменную, а затем при необходимости, и кислородно-конверторную плавку. Отходы производства могут быть использованы для извлечения редких или цветных металлов, иногда их употребляют при изготовлении песка и щебня.
Вспомогательный процесс
В ходе технологии обогащения часто приходится прибегать к вспомогательным процессам, обеспечивающим удаление ненужных фракций: пыли, шлама, влаги. Сгущение, спекание, фильтрование, сушка дают возможность получить концентрат необходимой готовности для последующего использования.
Химический состав
Ценности и свойства руды во многом зависят от количества входящих в ее состав примесей. Именно от этого зависит ценность минерала и принимается решение о целесообразности его добычи. В соответствии с процентным содержанием посторонних веществ руду принято делить на несколько групп:
Вполне очевидно, что при высоком содержании посторонних веществ для переработки руды требуется затратить больше энергии. Это в свою очередь негативно отражается на стоимости готовых изделий. Добываемая руда является совокупностью всевозможных минералов, посторонних примесей и пустой породы. Соотношение всех этих компонентов во многом зависит от месторождения.
В пустой породе также может содержаться железо, но ее переработка экономически невыгодна. Чаще всего в природе встречаются силикаты, оксиды и карбонаты железа. Кроме этого, порода может содержать и различные вредные примеси, например, фосфор, серу и т. д.
Продукты переработки
Основная цель добычи железной руды заключается в производстве из неё чёрных металлов, получаемых в процессе выплавки.
Сталь
Всем известная сталь – это соединение железа (до 45%), углерода (до 2,14%) и целого ряда других химических элементов. Марганца, кремния, азота, серы, кислорода, фосфора. При необходимости в её состав добавляют хром для повышения жаростойкости, или никель – для вязкости и улучшения антикоррозийных свойств.
В зависимости от содержания углерода C и легирующих добавок, стали подразделяются:
По своему назначению стали бывают: жаропрочные, инструментальные, конструкционные, криогенные и нержавеющие.
Возникает вполне резонный вопрос, каким же образом получают столь широкий ассортимент продукции?
Прежде всего, из агломерата под воздействием воздуха в доменных печах выплавляется чугун (более подробно речь об этом пойдёт в следующем разделе статьи).
А уж потом из чугуна путём переработки, заключающейся в уменьшении содержания углерода, и кроме него – серы и фосфора (значительное количество которых ухудшает механические свойства стали, повышая её ломкость и хрупкость), производят конечную продукцию – сталь. Осуществляются эти процессы производства стали конверторным (Бессмеровским или Томасовским), Мартеновским или электротермическим методами. В зависимости от теплофизического состояния исходного материала (расплавленное или твёрдое) и потребности выплавки некоторых сортов стали, способы производства могут варьироваться, иногда дополняя друг друга.
Чугун
Чугун представляет собой высокоуглеродистый (выше 2,14%) сплав железа. Именно благодаря этому он отличается повышенной хрупкостью. Производят его путём плавки переработанной руды в доменных печах при температуре порядка 12000C.
В зависимости от своего состава и технологии получения, различают светлый (белый), серый, ковкий, высокопрочный и передельный чугун. Впрочем, последний используется лишь как промежуточный материал для производства стали.
Ферросплав
Одно из направлений современной металлургии заключается в получении ферросплавов – соединений железа с хромом, никелем, марганцем, титаном и некоторыми другими материалами, содержащими железо в незначительных количествах. Ценность данных материалов заключается в упрощении и дешевизне легирования, проводимого с их помощью, а также употреблении в качестве средств раскисления (удаления кислорода) при выплавке металлов.
Современная металлургия располагает тремя способами получения ферросплавов:
Реализуются они с помощью плавильных горнов или электропечей.
Отрасли применения
Сфера применения железной руды практически полностью ограничена металлургией. Ее используют, в основном, для выплавки чугуна, который добывают с помощью мартеновских или конверторных печей. На сегодняшний день чугун используется в различных сферах жизнедеятельности человека, в том числе в большинстве видов промышленного производства.
Не в меньшей степени используются различные сплавы на основе железа – наиболее широкое применение обрела сталь благодаря своим прочностным и антикоррозийным свойствам.
Чугун, сталь и различные другие сплавы железа используются в:
Месторождения в России и мире
Российская Федерация располагает значительными залежами железных руд. Крупнейшими месторождениями на территории нашей страны являются:
Из крупнейших зарубежных месторождений можно выделить:
Страны, добывающие железные руды
Автор: Юрий Флоринских Все статьи этого автора
Последние статьи автора: Крупнейшие производители молока и молочной продукции в мире Алмазы: свойства, способы добычи и применение
Этапы металлургического производства.
Ответ на главный вопрос статьи «железная руда: что из нее делают» очень прост: из железных руд добывают сталь, чугун, сталистые чугуны и железо.
При этом металлургическое производство начинается с добычи основных компонентов для производства металлов: каменного угля, железной руды, флюсов. Затем на горно-обогатительных комбинатах добытую железную руду обогащают, избавляясь от пустых пород. На специальных заводах занимаются подготовкой коксующихся углей. В доменных цехах руда превращается в чугун, из которого затем производят сталь. А сталь, в свою очередь, превращается в готовый продукт: трубы, листовую сталь, прокат и прочее.
Производство черных металлов условно делят на две стадии, в первой из них получают чугун, во второй чугун преобразовывают в сталь.
От руды до чугуна
Источником железа для производства стали служит железная руда – то есть такой железосодержащий природный материал, из которого извлекать железо экономически целесообразно.
При этом столь широкое использование стали, которое мы наблюдаем в наши дни, обусловлено, в первую очередь, тем, что железо является одним из наиболее распространённых в земной коре элементов.
Однако железо находится в природе, преимущественно, в виде оксидов, реже – сульфидов. Соответственно, для получения железа в чистом виде (или в виде стали – сплава железа с углеродом) необходимо провести химическую реакцию восстановления. При этом единственным восстановителем, который целесообразно использовать для этой цели в условиях нашей планеты, является углерод.
Связано это с тем, что только углерод, благодаря тому, что растения (преимущественно деревья), используя энергию солнца, концентрируют его в процессе построения собственных «тел». При этом углерод, окисляясь в процессе горения, не только восстанавливает железо из его соединений, но и обеспечивает необходимую температуру для интенсивного протекания этого процесса (поскольку реакции восстановления железа эндотермичны и требуют затрат тепла).
На протяжении нескольких тысячелетий для производства железа из руд люди использовали собственно древесину, которую обугливали при недостатке воздуха, получая древесный уголь. При обугливании протекают эндотермические процессы удаления влаги и разложения и удаления сложных органических соединений, в результате чего использование древесного угля вместо дров позволяло достичь более высоких температур.
Для восстановления железа из руд использовался небольшой шахтный (то есть в виде сложенного из камней, глины и прочих огнеупорных материалов цилиндра) агрегат, называемый «сыродутный горн». В него слоями загружали руду и древесный уголь, а снизу подавали через трубки-фурмы необходимый для горения воздух. Поскольку температура в горне была недостаточно высока для расплавления полученного железа, оно скапливалось в нижней части в виде крицы – своего рода «железной губки», пропитанной шлаком – расплавом оксидов, которые не восстанавливались (в основном кремния и железа, а также некоторых других). В дальнейшем крицу проковывали, получая железный брусок, из которого с помощью кузнечной ковки изготавливали необходимые предметы.
Конструкции горнов у различных народов были различны, но принцип действия оставался неизменным. Такой способ применялся несколько тысяч лет, пока в XV веке в Европе не возросла потребность в металле. Для удовлетворения этой потребности размеры горнов стали увеличивать, а для подачи воздуха начали применять мощные мехи, приводимые в движение водяным колесом.
При этом температура возросла настолько, что железо стало насыщаться углеродом и плавиться: результатом плавки стала уже не железная крица, почти не содержащая углерода, а жидкий чугун – сплав железа с достаточно высоким содержанием этого элемента. Сам же сыродутный горн, увеличиваясь в размерах, постепенно превратился в доменную печь, которая и по сей день остаётся основным агрегатом для восстановления железа из руд. Отметим, что в Китае к использованию чугуна перешли ещё раньше, однако таких последствий, как в Европе, это не имело.
Таким образом, использование доменных печей обеспечило требуемую производительность, однако хрупкий чугун далеко не во всех сферах мог заменить ковкое железо. По этой причине там, где хрупкость не играла существенной роли, использовали чугун, а часть чугуна подвергали обезуглероживанию («фришеванию», т.е. «очитке»), в ходе которого получалось железо.
Для этого чугунный слиток помещали в открытый горн, заполненный горящим древесным углём, в нижнюю часть которого через фурмы подавали воздух. Чугун плавился и каплями стекал по углю в нижнюю часть горна. При этом он контактировал с потоком воздуха, в результате чего углерод окислялся и удалялся из металла. В результате в нижней части горна формировалась железная крица, которую далее обрабатывали обычным способом.
К началу XVIII века производительность доменных печей увеличилась настолько, что в отдельных странах, в первую очередь в Великобритании остро встала проблема нехватки древесины. На помощь пришли всё те же растения, только произраставшие миллионы лет назад и дошедшие до нас в виде каменного угля.
Однако проблема заключалась в том, что уголь содержит значительное количество серы, которая, попадая в металл, приводит к тому, что он трескается при ковке («красноломкость»). Тем не менее, долгие годы неудачных экспериментов увенчались успехом и в XVIII веке стало возможным выплавлять и фришевать чугун с помощью каменного угля.
Для использования в доменной печи каменный уголь, как в своё время древесину, подвергали нагреву без доступа воздуха, в результате чего из него удалялись сложные органические летучие вещества, а сам уголь превращался в достаточно прочный пористый материал – кокс. Железо же с помощью угля стали получать из чугуна в печах особой конструкции, получивших название пудлинговых.
Однако в середине XIX века значительно развившаяся европейская промышленность предъявила новые требования к свойствам используемых материалов, которым железо и чугун уже не удовлетворяли – чугун был слишком хрупким, а железо слишком мягким. Отметим, что в это время умели получать и жидкую сталь путём переплавки небольших кусочков стали в тиглях, однако производительность этого способа была очень низкой.
Для решения этой проблемы в середине XIX века англичанин Генри Бессемер разработал конструкцию бессемеровского конвертера, в котором, путём продувки жидкого чугуна воздухом стало возможно получить в значительных количествах сталь в жидком виде – литую сталь. Немного позднее англичанин Сидни Томас усовершенствовал конвертер Бессемера, в результате чего стало возможным выплавлять качественную сталь из чугуна с высоким содержанием фосфора (фосфор, как и сера – главные вредные примеси в стали).
Почти одновременно с Бессемером немцы Вильгельм (Уильям) и Фридрих Сименсы разработали печь особой конструкции, а французы, отец и сын Мартены – способ выплавки в ней литой стали из чугуна и металлолома. Последнее было особенно важно, поскольку человечество накопило к тому времени значительное количество лома, способы переработки которого были несовершенны.
До середины XX века бессемеровский и томасовский конвертера (в меньшей степени) и мартеновская печь (в большей степени) были основными агрегатами для выплавки рядовой стали из чугуна. Для выплавки же стали повышенного качества продолжали использовать тигельный способ, который на рубеже XIX и XX веков был вытеснен способом выплавки стали в электропечах (в основном – дуговых), которые также стали использоваться для производства стали повышенного качества.
Однако с развитием техники получения чистых газов в промышленных масштабах получил распространение кислородный конвертер, в котором чугун продувался не воздухом, как в конвертерах Бессемера и Томаса, а чистым кислородом. Всю вторую половину XX века этот способ вытеснял своих предшественников из металлургической практики, а в настоящее время он является главным способом получения стали из доменного чугуна.
Вторым по важности способом в настоящее время является производство стали в электропечах, которые только из агрегатов для получения стали повышенного качества стали также важными агрегатами для переплава металлического лома. Дело в том, что в конвертере можно использовать до 25 % лома, в то время как электропечь может работать полностью на ломе.
Помимо чугуна и лома электропечь может переплавлять металлизованное сырьё (DRI – железо прямого восстановления и HBI – горячебрикетированное железо) – практически чистое железо, полученное в агрегатах различной конструкции путём восстановления железорудных материалом восстановительным газом (СО и Н2).
Перейдём теперь непосредственно к технологии производства чугуна и стали. Если на протяжении всей истории человечества, до начала XX века, добытая железная руда подвергалась минимальной обработке – отмывалась от загрязнений, дробилась, сортировалась по крупности, то сейчас путь её от карьера до доменной печи весьма длителен.
Связано это с исчерпанием запасов руд с высоким содержанием железа (50-60 %) – так называемых богатых руд. Современные руды в своей массе бедные, содержащие порядка 20-30 % железа, что делает их переработку в доменной печи невыгодной из-за очень высокого расхода топлива и малого выхода чугуна, а зачастую и технологически невозможной.
Для решения этой проблемы на рубеже XIX и XX веков стали применять различные способы обогащения руд, благодаря которым от них отделяется не содержащая железа пустая порода, а содержание железа в полученном продукте возрастает, в среднем, до 60 %.
Однако, поскольку для отделения пустой породы руду необходимо подвергнуть дроблению до пудрообразного состояния, использование продукта обогащения – железорудного концентрата, в доменной печи невозможно. Проблема заключается в том, что для эффективной доменной плавки необходимо, чтобы загружаемые в печь материалы (шихта) имели оптимальную крупность (25-40 мм) для обеспечения прохода через них большого количества газов, образующихся в нижней части печи при горении кокса
Железорудные концентраты, производимые в настоящее время при обогащении руд, представлены частицами 0,1 мм и меньше. Такие мелкие рудные материалы непригодны для непосредственного использования в доменной плавке. Столб шихты высотой 20 м, сложенный из частиц такой крупности, практически непроницаем для газа. А если подобные пылевидные частицы и попадают в печь, то уже при скорости 0,5 м/с выносятся из неё восходящим потоком газа.
В настоящее время существуют три основных способа окускования железорудных материалов: агломерация, производство окатышей (окомкование) и брикетирование. Каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками, которые обуславливают их применение в конкретных производственных условиях.
Брикетирование, то есть окускование мелкодисперсных материалов посредством их прессования (обычно с добавкой связующего) исторически было первым способом окускования, однако позднее было вытеснено агломерацией и окомкованием. В настоящее время брикетирование вновь начинает использоваться на металлургических предприятиях, преимущественно для окускования пылевидных железосодержащих отходов. Однако, зачастую, из-за неудовлетворительной брикетируемости материалов используются различные связующие (как правило, цемент), что приводит к снижению технико-экономических показателей доменной плавки. Кроме того, при брикетировании отходов требуется использование усреднительного оборудования для обеспечения стабильности химсостава и свойств продукта. По этим причинам брикетирование используется лишь эпизодически на отдельных предприятиях.
Окомкование производят непосредственно на горно-обогатительном комбинате (ГОК), где руда подвергается обогащению. При этом железорудный концентрат увлажняют и смешивают со связующим – бентонитовой глиной. Затем полученную массу помещают в барабанный или чашевый окомкователь, где в ходе вращения формируются достаточно прочные шарики – окатыши. Получившиеся сырые окатыши помещают на движущуюся ленту обжиговой машины (схожей по конструкции с рассматриваемой далее агломерационной машиной), где по ходу движения они продуваются раскалёнными продуктами сгорания природного газа. При этом мельчайшие частички концентрата оплавляются и спекаются между собой, в результате чего получается прочный кусковой материал.
Таким образом, на металлургическое предприятие окатыши прибывают уже в готовом виде по железной дороге или по воде, если комбинат расположен близ реки или моря, что позволяет избежать перевозок пылевидного концентрата с неизбежными его потерями от выдувания, вытекания и при перегрузках. Однако в их производстве используется только пылевидный железорудный концентрат, что не позволяет использовать более крупнофракционные материалы, в том числе железосодержащие отходы.
Агломерат же, ввиду его склонности к разрушению при перевозке, напротив, производят непосредственно на металлургических комбинатах. Сырьём для них служит также железорудный концентрат, который поступает на предприятие с ГОКа обычно по железной дороге. Агломерация является на сегодняшний день наиболее массовым способом окускования.
Аглофабрики, как правило, располагаются на территории металлургического комбината или на небольшом расстоянии от него и тесно интегрированы в его структуру. Это связано не только с невозможностью осуществлять транспортировку агломерата на дальние расстояния, но и с возможностью использования в качестве добавок в аглошихту широкого спектра железосодержащих отходов других производств. Однако процесс агломерации является одним из наиболее экологически неблагополучных (в первую очередь по выбросам оксидов серы, углерода, а также пыли).
Агломерация как способ окускования был открыт случайно в 1887 г. английскими исследователями Ф. Геберлейном и Т. Хатингтоном в ходе опытов по десульфурирующему (обессеривающему) обжигу руд цветных металлов на колосниковой решётке.
В ходе исследований выяснилось, что при обжиге руд с высоким содержанием серы выделялось так много тепла и температура поднималась до такого уровня, что происходило приплавление обожженных кусков руды друг к другу. После окончания процесса слой руды превращался в закристаллизовавшуюся пористую массу – спёк. Куски раздробленного спёка, которые назвали агломератом, оказались вполне пригодными по своим физико-химическим свойствам для плавки в печи шахтного типа, к которым относится и доменная печь.
Сравнительная простота технологии и высокая тепловая эффективность слоевого окислительного обжига сульфидных руд привлекли внимание специалистов чёрной металлургии. Появилась идея разработать термический способ окускования железорудных материалов на базе подобной технологии. Отсутствие в железных рудах серы как источника тепла предполагалось компенсировать добавкой к руде мелких частиц топлива – угля или кокса.
Железорудный агломерат по такой технологии в лаборатории впервые был получен в Германии в 1902-1905 гг. Некоторое время для производства агломерата использовались чашевые установки (Геберлейна, Гриневальта, AIB), а также, в 20-30 гг. XX столетия, трубчатые вращающиеся печи (Полизиуса).
Поскольку каждая из упомянутых агломерационных установок обладала теми или иными существенными недостатками (один из самых серьезных – низкая производительность), ни чаши, ни трубчатые печи не получили широкого распространения в металлургии. Прорыв в области окускования руд был сделан двумя американскими инженерами А. Дуайтом и Р. Ллойдом, которые в 1906 г. разработали конструкцию, а в 1911 г. ввели в эксплуатацию первую конвейерную агломерационную машину непрерывного действия.
Процесс спекания руд шел по тому же принципу, что и в котлах Геберлейна или в чашах – тепло, необходимое для оплавления рудных зёрен, выделялось при сжигании частичек твёрдого топлива в слое железорудного концентрата или мелкой руды (аглоруды). Для горения через слой материалов (шихты) просасывался воздух, а для обеспечения прохода воздуха через слой шихты, она размещалась на колосниковой решётке. Успех в быстром и широком распространении агломерации как главного способа окускования железорудных материалов был предопределен очень удачной конструкцией агломерационой машины, обеспечивающей непрерывность процесса.
Конвейерная агломерационная машина (рис. ) состоит из следующих основных частей: спекательных тележек – паллет (днище которых представляет колосниковую решетку с зазорами 5-6 мм), перемещающихся по направляющим – стальным рельсам; вакуум-камер (обеспечивающих разряжение под колосниками паллет для просасывания воздуха); привода (состоящего из большого зубчатого колеса диаметром 4-6 м, приводимого во вращение электродвигателем).
Работает машина следующим образом. Медленно вращающееся колесо в головной части машины захватывает зубцами подкатившуюся внизу тележку и поднимает её на верхнюю ветвь направляющих, где она прижимается к предыдущей, толкает её и через неё – все остальные паллеты, находящиеся на рабочей ветви машины. При этом последняя тележка в хвостовой части машины переходит на круговой участок направляющих и далее – на «холостую» ветвь машины, имеющую небольшой уклон к головной её части.
Тележка подхватывается зубчатым колесом, поднимается вверх, и цикл повторяется. При подходе к загрузочному устройству паллета заполняется шихтой и проходит под зажигательным горном, где осуществляется воспламенение топлива шихты в поверхностном слое. В течение времени, пока тележка находится на рабочей ветви машины, через слой шихты непрерывно просасывается воздух (под действием разрежения в вакуум-камерах, который создает эксгаустер).
Скорость движения паллет подбирается такой, чтобы за время перемещения тележки от зажигательного горна до последней вакуум-камеры зона горения – формирования агломерата – прошла сверху вниз весь слой (толщиной 200-400 мм). При опрокидывании паллеты в конце машины происходит её освобождение от образовавшегося пористого агломерационного спёка, который затем охлаждается и подвергается дроблению с последующим разделением по крупности.
Кроме железорудного концентрата и топлива в состав агломерационной шихты входит молотый известняк. Он является источником оксида кальция, который необходим для того, чтобы, взаимодействуя с тугоплавким оксидом кремния, который находится в пустой породе концентрата, перевести последний в состав легкоплавких соединений, которые затем формируют в доменной печи шлак.
Второй задачей оксида кальция является связывание серы, которая, как уже говорилось, существенно ухудшает качество металла. При использовании же оксида кальция, значительное количество серы удаляется из печи со шлаком и не попадает в металл. Известняк можно добавлять и непосредственно в доменную печь, однако в этом случае источником тепла на его нагрев и осуществление реакций разложения карбонатов и гидратов, а также образования легкоплавких соединений, будет служить дорогостоящий кокс. В то же время в процессе агломерации для тех же целей используется более дешёвая коксовая мелочь – фактически отход производства кокса.
Вторым компонентом доменной шихты, помимо железорудных материалов – агломерата и окатышей, является кокс. Помимо того, что он является топливом и восстановителем, чрезвычайно высока его роль для протекания доменного процесса– поскольку он занимает большую часть объёма доменной печи и остаётся при этом твёрдым (в то время как агломерат и окатыши плавятся), именно кокс обеспечивает прохождение газов по высоте доменной печи, что определяет как производительность агрегата, так и эффективность восстановления железа из оксидов.
Как уже говорилось, кокс представляет собой продукт нагрева каменного угля без доступа воздуха. Этот процесс происходит в узких вертикальных камерах коксования, объединённых в батареи по нескольку десятков камер (рис.), между которыми располагаются простенки, в которых сжигается газообразное топливо. Таким образом, камеры чередуются с простенками, один простенок греет две соседние камеры, а одна камера обогревается двумя простенками.
Каждая коксовая печь снабжена двумя герметичными дверями по торцам. В своде печи имеются три отверстия для загрузки шихты из трех бункеров загрузочного вагона. Под печью располагаются кирпичные регенераторы.
Нагрев угольной шихты в печи происходит только посредством теплопроводности от двух её стен. Температура сгорания газов в простенках составляет 1350-1400 °С, коксуемый уголь постепенно прогревается до 1100 °С. Выделяющиеся из шихты газы немедленно отводятся из печи через специальные отверстия. «Грязный» коксовый газ через газосборник и газоотводы направляется в химические цехи. Процесс коксования занимает 17-25 часов.
С машинной стороны печь обслуживается перемещающимся по рельсовому пути коксовыталкивателем. С помощью штанги эта машина выталкивает коксовый пирог из печи в тушильный вагон. Предварительно с коксовой стороны двересъёмная машина снимает дверь. После тушения кокса (водой или инертным газом – азотом) он выгружается на наклонную рампу и конвейером направляется на коксосортировку.
Общий вид коксовой батареи:
1 – приёмный бункер для сырого каменного угля; 2 – отделение для дробления и смешения угля; 3 – распределительная башня; 4 – погрузочная тележка; 5 – камера коксования; 6 – кокс; 7 – коксовыталкиватель; 8 – тушильный вагон; 9 – тушильная башня; 10 – платформа для выгрузки охлаждённого кокса (рампа); 11 – отвод коксового газа
Как правило, кокс сортируется на классы: 0-10, 10-25, 25-40 и крупнее 40 мм. Появление доменных печей большой мощности потребовало дополнительного разделения доменного кокса на два класса: крупнее 60 и 40-60 мм. В практике коксохимического производства сложились следующие виды доменного кокса, различающиеся по крупности и месту отбора. Кокс, выдаваемый из камеры коксования, называется валовым. Кокс, прошедший сортировку по крупности, размером более 25 мм, называется металлургическим или доменным. Кокс, переданный в доменный цех и прошедший там обязательную сортировку по крупности, называется скиповым. Средний выход металлургического кокса (>25 мм) из валового составляет 93-94 %.
Помимо описанных выше коксовых батарей кокс также производят в горизонтальных камерах со сводом, а сжигание топлива (коксового газа, выделяющегося из угля при коксовании) происходит не в простенках, а непосредственно внутри камеры. Однако такой способ распространён в существенно меньшей степени и на отечественных предприятиях в настоящее время не применяется.