Реферат: черная металлургия

1.3.3 Конверторные газы

Концентрация SO₂
в отходящих газах в газоходе снижается вследствие очень больших подсосов воздуха через напыльник в газоходную систему. С целью повышения концентрации SO₂
в газах для получены из него серной кислоты на предприятии установлены герметичные напыльники.

На графике приведён состав конверторных газов по ходу продувки

Рис 2. Состав конверторных газов по ходу продувки

1- обычный режим продувки;

2,3 – продувка обогащённой массы, перелитых из других конверторов;

4,5 – продувка штейна, залитого на оставленный в конверторе шлак;

6 – продувка после загрузки ферроникелевых «жуков»;

7 – продувка одного ковша штейна

1.3.4 Конверторная пыль

В результате интенсивной продувке расплава воздухом конвертерный процесс всегда сопровождается некоторым разбрызгиванием массы, которая выносится в газоходную систему и там оседает в виде конверторной пыли,

Частично из конвертера выносится мелкая фракция кварцевого флюса и холодных присадок.

Примерный состав конвертерной состав пыли приведен ниже, %:

Ni ………………….9,0-12,0 Fe…………………….16,0-25,0

Cu…………………10,0-15,0 S………………………10,0-12,0

Co………………….0,3-0,4 SiO₂
……………………22,0-30,0

Конвертерная пыль является оборотным материалом. Крупную фракцию конвертерной пыли перерабатывают в конвертерах, а мелкую — в руднотермических электропечах.

Специфика отрасли

Руды цветных металлов, как было выше сказано, содержат малое количество добываемого элемента. Поэтому на тонну той же меди необходимо до 100 т руды. Из-за большой потребности в сырье цветная металлургия, по большей части, располагается вблизи своей сырьевой базы.

Цветные руды для своей переработки требуют большого количества топлива или электроэнергии. Энергетические затраты достигают половины общих затрат, связанных с выплавкой 1 т металла. В связи с этим металлургические предприятия располагаются в непосредственной близости от производителей электроэнергии.

Производство редких металлов в основном основано на восстановлении из соединений. Сырье поступает с промежуточных этапов обогащения руд. Из-за небольших объемов и трудности производства получением редких металлов занимаются лаборатории.

Металлургия тяжелых металлов

Получение меди

Основными этапами получения чистой меди являются выплавка черновой меди и ее дальнейшее рафинирование. Черновая медь добывается из руд, а низкая концентрация меди в уральских медных колчеданах и большие ее объемы не позволяют перенести производственные мощности с Урала. В качестве резерва выступают: медистые песчаники, медь-молибденовые, медь-никелевые руды.

Рафинирование меди и переплавка вторичного сырья производится на предприятиях, которые удалены от источников добычи и первичной плавки. Благоприятствует им низкая стоимость электричества, так как для получения тонны меди расходуется до 5 кВт энергии в час.

Металлургический завод

Утилизация сернистых газов с последующей переработкой послужила стартом для получения серной кислоты в химической промышленности. Из остатков апатитов производит фосфатные минеральные удобрения.

Получение свинца и цинка

Металлургия цветных металлов, таких как свинец и цинк, имеет сложную территориальную разобщенность. Добычу руды ведут на Северном Кавказе, в Забайкалье, Кузбассе и на Дальнем Востоке. А обогащение и металлургический передел проводится не только возле мест выемки руды, но и на других территориях с развитой металлургией.

Свинцовые и цинковые концентраты богаты на химическую элементную базу. Однако сырье имеет разное процентное содержание элементов, из-за чего не всегда цинк и свинец можно получить в чистом виде. Поэтому технологические процессы в районах различны:

1. В Забайкалье получают только концентраты.
2. На Дальнем Востоке получают свинец и цинковый концентрат.
3. На Кузбассе получают цинк и свинцовый концентрат.
4. На Северном Кавказе ведут передел.
5. На Урале производят цинк.

1. Размещение предприятий отрасли

Размещение предприятий цветной металлургии зависит от многих экономических и природных условий, особенно от сырьевого фактора. Заметную роль, помимо сырья, играет топливно-энергетический фактор.

На территории России сформировано несколько основных баз цветной металлургии. Различия их в специализации объясняются несхожестью географии лёгких металлов (алюминиевая, титано-магниевая промышленность) и тяжёлых металлов (медная, свинцово-цинковая, оловянная, никель-кобальтовая промышленности).

1.1. Тяжёлые металлы

Производство тяжёлых цветных металлов в связи с небольшой потребностью в энергии приурочено к районам добычи сырья.

• По запасам, добыче и обогащению медных руд, а также по выплавке меди ведущее место в России занимает Уральский экономический район, на территории которого выделяются Красноуральский, Кировградский, Среднеуральский, Медногорский комбинаты.
• Свинцово-цинковая промышленность в целом тяготеет к районам распространения полиметаллических руд. К таким месторождениям относятся Садонское (Северный Кавказ), Салаирское (Западная Сибирь), Нерченское (Восточная Сибирь) и Дальнегорское (Дальний Восток).
• Центром никель-кобальтовой промышленности являются города Норильск (Восточная Сибирь) и Мончегорск (Северный экономический район), а также поселок городского типа Никель (Мурманская область).

1.2. Лёгкие металлы

Для получения лёгких металлов требуется большое количество энергии. Поэтому сосредоточение предприятий, выплавляющих легкие металлы, у источников дешёвой энергии — важнейший принцип их размещения.

• Сырьём для производства алюминия являются бокситы Северо-Западного района (Бокситогорск), Урала (город Североуральск), нефелины Кольского полуострова (Кировск) и юга Сибири (Горячегорск). Из этого алюминиевого сырья в районах добычи выделяют окись алюминия — глинозём. Получение из него металлического алюминия требует больших затрат электроэнергии. Поэтому алюминиевые заводы строят вблизи крупных электростанций, преимущественно ГЭС (Братской, Красноярской и др.)
• Титано-магниевая промышленность размещается преимущественно на Урале, как в районах добычи сырья (Березниковский титано-магниевый завод), так и в районах дешёвой энергии (Усть-Каменогорский титано-магниевый завод). Заключительная стадия титано-магниевой металлургии — обработка металлов и их сплавов — чаще всего размещается в районах потребления готовой продукции.

5. Применения металлов

• Медь обладает пластичностью и высокой электропроводностью. Именно поэтому она нашла свое широкое применение в электрических кабелях.
• Золото и серебро очень тягучи, вязки и инертны, поэтому используются в ювелирном деле (особенно золото, которое не окисляется). Золото также используется для изготовления неокисляемых электрических соединений.
• Железо и сталь обладают твердостью и прочностью. Благодаря этим их свойствам они широко используются в строительстве.
• Алюминий ковок и хорошо проводит тепло. Он используется для изготовления кастрюль и фольги. Благодаря своей низкой плотности — при изготовлении частей самолётов.

Характеристика Центральной металлургической базы

Металлургическая база — группа металлургических предприятий, использующих общие рудные и топливные ресурсы и обеспечивающих главные потребности хозяйства страны в металле.

Центральная база черной металлургии располагается на территории Центрального, Центрально-Черноземного и Волго-Вятского экономических районов. Здесь, в Центральном экономическом районе, находится крупнейший железорудный район России, обеспечивающий 45% общероссийской добычи железной руды. Основная часть руды добывается в карьерах Белгородской и Курской областей, однако наиболее ценные руды с высоким содержанием железа залегают в более глубоких горизонтах и отрабатываются рудниками подземной добычи.

Масштабы развития металлургического передела в Центральной базе заметно скромнее уральских (22% чугуна, 16% стали, 17% готового проката и 15% труб общероссийского производства). Большая часть чугуна и стали Центральной базы производится на одном из крупнейших в стране и современном в технологическом отношении Новолипецком металлургическом комбинате. В Старом Осколе находится единственный в России, построенный по немецкой технологии металлургический завод, где из железорудного концентрата методом химического восстановления получают железо, а затем электросталь, минуя стадию производства чугуна

Этот прогрессивный способ металлургического передела не требует кокса и обладает низкими нормами водопотребления, что исключительно важно в Центрально-Черноземном экономическом районе, испытывающем дефицит пресной воды и не обладающем собственными ресурсами топлива

Из других предприятий металлургического передела выделяются Косогорский чугунолитейный и Новотульский металлургический заводы, а также сталелитейный завод «Электросталь» в одноименном городе Подмосковья. В городе Орел функционирует крупный сталепрокатный завод. Заметно уступают им по своей мощности Кулебакский, Выксунский и Омутнинский заводы Волго-Вятского экономического района, специализирующиеся на выпуске высококачественных специальных сталей для машиностроения. Большое развитие в Центральной базе черной металлургии получила малая металлургия — производство черных металлов и их сплавов, а также изготовление проката в металлургических цехах машиностроительных заводов Центра и Волго-Вятского района.

Основное преимущество Центральной базы черной металлургии заключается в расположении ее на территории крупнейшего в стране железорудного бассейна и в непосредственной близости от машиностроительных центров и других потребителей черных металлов.

Главные недостатки Центральной базы — отсутствие коксующихся углей, напряженный топливно-энергетический баланс и дефицит воды. Наиболее перспективными направлениями дальнейшего развития Центральной базы черной металлургии является форсирование железорудной промышленности как с целью более полного покрытия отечественных потребностей в ее продукции, так и для расширения экспортных поставок, а также увеличение мощности металлургического передела на основе передовой технологии Старо-Оскольского металлургического завода и развитие малой металлургии.

1.1.2 Флюсы

Флюсы — материалы, применяемые в металлургических процессах с целью образования или регулирования состава шлака, предохранения расплавленных металлов от взаимодействия с внешней газовой средой, а также служащие для связывания окислов при пайке и сварке металлов.

Кварцевый флюс (70-75% SiO₂
) при конвертировании штейнов отвечает всем необходимым требованиям. Необходимо отметить, что кварцевый флюс в конверторном процессе применяют еще и в качестве регулятора температуры. Так же в качестве флюса применяется речной песок (65-68% SiO₂
).

По техническим условиям содержание кремнезема SiO₂
не должно быть ниже 67 %. Обычно предпочитают флюсы с максимальным содержанием кремнезема, поскольку в этом случае расход флюса минимален, а процесс шлакообразования протекает наиболее успешно. Влажность кварцевого флюса не должно превышать 2 %.

1.2. Теоретические основы процесса конвертирования медно-никелевых штейнов

Руда с низким содержанием металлов подвергается переработке на обогатительной фабрике в городе Заполярном. Полученный медно-никелевый сульфидный концентрат поступает в цех обжига, также расположенный в Заполярном. Обожженные окатыши поступают на рудную электроплавку в плавильный цех в поселке Никель. В сернокислотном цехе перерабатывают газы конверторного передела, содержащие в среднем 3% диоксида серы.

Богатые сульфидные медно-никелевые руды перерабатываются по схеме прямой селективной флотации с последовательным получением медного, никелевого, пирротинового концентратов и отвальных хвостов. Далее производится плавка.

Конвертирование штейнов — один из основных металлургических процессов в производстве меди и никеля. Конвертерный передел является частью плавильного цеха. В нем размещаются конвертеры — агрегаты, в которых перерабатывается медно-никелевый штейн, поступающий из рудно-термических и обеднительных электропечей. Целью конвертерного процесса является удаление из штейна практически всего железа и получение продукта, который называется файнштейном. В файнштейн с возможной полнотой должны быть извлечены никель, медь, кобальт, благородные (платина, рутений, родий, иридий, осмий) металлы.

В конверторах расплавленный штейн продувают воздухом в присутствии вводимого в конвертер кварцевого флюса. Образующее при продувке закисное железо FeO взаимодействует с кварцем флюса, образуя силикат типа фаялита [(FeO)₂
ґSiO₂
].

В операции конвертирования получают три конечных продукта: файнштейн; конверторный шлак и запыленные отходящие газы, содержащие сернистый ангидрид (SO₂
).

Конверторный шлак направляют на операцию обеднения для обеспечения более высокого извлечения ценных металлов в файнштейн.

Конверторные газы после очистки от пыли, поступающей в оборот, выбрасывают в атмосферу или передают на сернокислотный завод для получения серной кислоты.

Файнштейн далее поступает на операцию разделения никеля и меди.

Сульфиды железа, кобальта, никеля и меди, из которых в основном состоит штейн, каждый в отдельности, при температуре конвертирования (1200С-1300o
С) обладает высоким сродством к кислороду. Это означает, что каждый сульфид способен активно окисляться кислородом по следующим реакциям:

FeS+0,5ґO₂
=FeO+SO₂
;

CoS+0,5ґO₂
=CoO+SO₂
;

Cu₂
S+0,5ґO₂
=2ґCu+SO₂
;

2ґCu+0,5ґO₂
=Cu₂
O ;

Ni₃
S₂
+1,5ґO₂
=3ґNiO+2ґSO₂
.

Высокое сродство к кислороду при температурах конверторного процесса имеют также свободные металлы — железо, кобальт, никель и медь — и поэтому, они каждый в отдельности, весьма, активно взаимодействуют с кислородом.

При совместном присутствии в расплаве металлы и сульфиды окисляются не одновременно, а в определенной последовательности в соответствии с величинами их сродства к кислороду или сере.

а) не содержащих свободных металлов.

При продувке воздухом медно-никелевого штейна, не содержащего свободных металлов, в начале кислородом воздуха будет окисляться наиболее активная составляющая расплава FeS по реакции FeS+0.5ґO₂
=FeO+SO₂
.

Находящийся в расплаве FeS защищает сульфиды Со, Ni и Cu от окисления, так как обменные реакции MeO+FeS=MeS+FeO, где Me означает Со, Ni, Cu, протекают слева направо. Основная реакция конвертирования неметаллизированных штейнов:

2ґFeS+3ґO₂
+SiO₂
= (FeO)₂
ґSiO₂
+2ґSiO₂
.

При конвертировании большее значение имеет процесс образования магнетита (Fe₃
O₄
). Магнетит образуется при конвертировании любых штейнов вследствие окислительного характера процесса.

2.2 Литейные алюминиевые сплавы

Наиболее широко распространены сплавы системы Al-Si- силумины.

Силумин имеет сочетание высоких литейных и механических свойств, малый удельный вес. Типичный силумин сплав АЛ2 (АК12) содержит 10-13% Si, Подвергается закалке и старению (АК7 (АЛ9), АК9 (АЛ4).

3. Цинк и его сплавы

Цинк
– вязкий металл голубовато-серого цвета. Металл с небольшой температурой плавления (419 градусов С) и высокой плотностью (7,1 г/см3
). Прочность цинка низкая (150 МПа) при высокой пластичности.

Цинк применяют для горячего и гальванического оцинкования стальных листов, в полиграфической промышленности, для изготовления гальванических элементов. Его используют как добавку в сплавы, в первую очередь в сплавы меди (латуни и т.д.), и как основу для цинковых сплавов, а также как типографский металл.

В зависимости от чистоты цинк делится на марки ЦВ00 (99,997% Zn), ЦВ0 (99,995% Zn), ЦВ (99,99% Zn), Ц0А (99,98% Zn), Ц0 (99,975% Zn), Ц1 (99,95% Zn), Ц2 (98,7% Zn), ЦЗ (97,5% Zn).

Цинковые сплавы широко применяются в машиностроении и разделяются на сплавы для литья под давлением, в кокиль, для центробежного литья и на антифрикционные сплавы. Основными легирующими компонентами цинковых сплавов являются алюминий, медь и магний. Отливки из цинковых сплавов легко полируются и воспринимают гальванические покрытия.

Состав, свойства и применение некоторых цинковых сплавов:

– ЦА4 содержит 3.9-4.3%Al, 0,03-0,06% Mg, временное сопротивление 250-300 МПа, пластичность 3-6%, твердость 70-90HB). Применяется при литье под давлением деталей, к которым предъявляются требования стабильности размеров и механических свойств.

– ЦАМ10-5Л содержит 9,0-12,4%Al, 4,0-5,5% Cu, 0,03-0,06% Mg, временное сопротивление не менее 250 МПа, пластичность не менее 0,4%, твердость – не менее 100HB. Из сплава изготавливают подшипники и втулки металлообрабатывающих станков, прессов, работающих под давлением до 200-10000 Па.

– ЦАМ9-1.5 содержит 9,0-11,0%Al, 1,0-2,0%Cu, 0,03-0,06% Mg, временное сопротивление не менее 250 МПа, пластичность не менее 1%, твердость не менее 90HB. Сплав применяют для изготовления разных узлов трения и подшипников подвижного состава.

4. Магний и его сплавы

Магний
– металл серебристо-белого цвета. Температура плавления магния 650°С. Кристаллическая решетка гексагональная. Отличается низкой плотностью (1,74 г/см3
), хорошей обрабатываемостью резанием, способностью воспринимать ударные и гасить вибрационные нагрузки.

В зависимости от содержания примесей установлены следующие марки магния: Мг96 (99,96% Mg), Мг95 (99,95% Mg), Мг90 (99,90% Mg), магний высокой чистоты (99,9999% Mg).

Магний химически активный металл, легко окисляется на воздухе. Чистый магний из-за низких механических свойств (временное сопротивление 100-190 МПа, относительное удлинение 6-17%, твердость 30-40НВ) как конструкционный материал практически не применяют. Его используют в пиротехнике, в химической промышленности для синтеза органических соединений, в металлургии различных металлов и сплавов как раскислитель, восстановитель и легирующий элемент.

2. История

На металлургическом заводе. Картина Адольфа фон Менцеля, 1875 год

Первые свидетельства того, что человек занимался металлургией, относятся к 5-6 тысячелетиям до н. э. и были найдены в Майданпеке, Плочнике и других местах в Сербии (в том числе медный топор 5500 лет до н. э., относящийся к культуре Винча), Болгарии (5000 лет до н. э.), Палмеле (Португалия), Испании, Стоунхендже (Великобритания). Однако, как это нередко случается со столь давними явлениями, возраст не всегда может быть точно определён.

В культуре ранних времён присутствуют серебро, медь, олово и метеоритное железо, позволявшие вести ограниченную металлообработку. Так, высоко ценились «Небесные кинжалы» — египетское оружие, созданное из метеоритного железа 3000 лет до н. э. Но, научившись добывать медь и олово из горной породы и получать сплав, названный бронзой, люди в 3500 годы до н. э. вступили в Бронзовый век.

Получение железа из руды и выплавка металла было гораздо сложнее. Считается, что технология была изобретена хеттами примерно в 1200 году до н. э., что стало началом Железного века. Секрет добычи и изготовления железа стал ключевым фактором могущества филистимлян.

Следы развития чёрной металлургии можно отследить во многих прошлых культурах и цивилизациях. Сюда входят древние и средневековые королевства и империи Среднего Востока и Ближнего Востока, древний Египет и Анатолия (Турция), Карфаген, греки и римляне античной и средневековой Европы, Китай, Индия, Япония и т. д. Нужно заметить, что многие методы, устройства и технологии металлургии первоначально были придуманы в Древнем Китае, а потом и европейцы освоили это ремесло (изобретя доменные печи, чугун, сталь, гидромолоты и т. п.).

Тем не менее, последние исследования свидетельствуют о том, что технологии римлян были гораздо более продвинутыми, чем предполагалось ранее, особенно в области горной добычи и ковки.

1.2.2 Тепловая работа конвертора

Конвертерный процесс осуществляется за счет тепла экзотермических реакций окисления свободного железа(Fe) и его сульфида(FeS) и ошлакования закиси железа и по этому не требует использования топлива. Основные реакции конвертирования:

6ґFe+3ґO₂
+3ґSiO₂
=3ґ[(FeO)₂
ґSiO₂
]+448800
кал

2ґFeS+3ґO₂
+SiO₂
= (FeO)₂
ґSiO₂
+2ґSO₂
+246080
кал

Продувка металлизированных штейнов имеет значительно большие резервы тепла, чем продувка насыщенных серой не металлизированных расплавов. Основные данные по температурному режиму процесса конвертирования Сu-Ni штейнов:

Температура штейна рудотермических печей, o
C…………………1100-1200

Оптимальная температура массы в конвертере в период

набора, o
C………………………………………………………………1220-1250

Оптимальная температура массы в конвертере в период

варки файнштейна, o
C……………………………………………………1180

Температура, o
C:

конвертерных шлаков…………………………………………….1150-1290

конвертерных газов…………………………………………………950-1000

Количество холодных присадок зависит от степени металлизации штейна и ряда факторов, связанных с емкостью конвертера и характером поведения процесса. В условиях комбината «Печенганикель» количество холодных присадок составляет 10-20 %.

Расчет состава и количества штейна

Cодержание Cu в штейне – 45%.

Cодержание S в штейне – 25%

Расчет самоплавкого шлака

При

Балансовое уравнение по кальцию

Дано:

Cостав флюса

1) SiO2-70% 2) СaO – 56%

Прочие – 30% Прочие – 0,08%

W=6 W=0

W=6

Расчет необходимого количества дутья

FeS + 3/2O2 = FeO + SO2

1/2S2 + O2 = SO2

PbS + 3/2O2 = PbO + SO2

ZnS + 3/2O2 = ZnO + SO2

Расчет тепла

Расчет прихода тепла

1.

2.

а) FeS + 3/2O2 = FeO + SO2 + 11025

б) 1/2S2 + O2 = SO2 +70900

в) ZnS + 3/2O2 = SO2 + ZnO +105560

г) PbS + 3/2O2 = SO2 + PbO +99760

д) 2FeO + SiO2 = (FeO)2 * SiO2 + 22200

е) CaO + SiO2 = CaO*SiO2 +21500

а)

б)

2CuFeS2 = Cu2S + 2FeS + 1/2S2

FeS2 = FeS +1/2S2

2CuS = Cu2S + 1/2S2

в)

г)

д)

е)

Расчет расхода тепла

На нагрев от 25 до 100 C

Эндотермические реакции

1) 4CuFeS2 — 2Cu2S + 4FeS + S2 — 78600

2) 2FeS2 — 2FeS + S2 — 64600

3) CuS — ½Cu2S + ¼ S2 — 10675

4) CaCO3 — CaO + CO2 — 42500

Потери тепла

Примем потери = 15% от 15607,47 ккал

Расчет необходимого количества дутья

На 1 кг угля.

С + O2 = CO2 + 94052 ккал

Окончательный состав отходящих газов

Баланс по теплу

*Погрешность вычислений = 0,000168%

Заключение

В данной курсовой работе был составлен тепловой и материальный баланс процесса плавки на штейне на примере плавки в жидкой ванне или процессе А.В.Ванюкова, который был выбран из-за своих технико-экономических показателей.

Технологический процесс А.В.Ванюкова позволил перевести в конверторный шлак 24% кварца, 3% меди, 52% железа, 17,32% кислорода; в 45%-тый медный штейн: почти 20% железа, 25% серы; в шлак после добавления кварцевого и известнякового флюсов перешло: 33% кварца и 6% оксида кальция (согласно требуемым показателям), а также 33.63% железа и около 0.6% меди.

В работе также был рассчитан тепловой баланс процесса, что позволило сделать следующие выводы: тепло на нагрев конверторного шлака составило 4638,9 ккал, на реакции окисления и шлакообразования: 85720,01 ккал, на нагрев штейна, шлака и отходящих газов с учетом требуемого топлива в размере 0,694 кг угля (95% C, 5% прочих) : 10289.08 ккал, 30132,28 ккал и 20751,2 ккал соответственно. Испарение влаги потребовало 4290,22 ккал, а потери составили 14146,15 ккал.

Отходящие газы приняли окончательный вид: SO2 ~ 53,83%, CO2 ~ 7,35%, N2 ~ 12,74%. Необходимо заметить то, что объем требуемого дуться на сжигание 0,694 кг топлива составил 1,36 нм3.

Таким образом, на примере данной работы, мы еще раз убедились в том, что процесс плавки по технологии А.В.Ванюкова является одним из лучших по своим технико-экономическим показателям, и, я надеюсь, что с развитием науки и появлением свободных денежных средств у предприятий, а также НИИ, позволит в будущем его усовершенствовать.

От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.