Обогащением называют обработку руды, не изменяющую химического состава основных минералов и их агрегатного состояния. Обогащением из руды отделяют часть пустой породы, в результате в оставшейся части, называемой концентратом, процентное содержание рудной массы увеличивается. Отделенную от руды пустую породу называют хвостами, если она не представляет никакой ценности, при обогащении ее отбрасывают. В технике в зависимости от характера рудных минералов применяют много различных способов обогащения. Наиболее известны и широко применяются: рудоразборка, магнитное, гравитационное и флотационное обогащение.
Магнитное обогащение применяют к минералам, имеющим большую магнитную восприимчивость. Такие минералы отделяют магнитом или электромагнитом от других минералов. По степени притягиваемости магнитом различают: минералы сильномагнитные, среднемагнитные, слабомагнитные и немагнитные.
Аппараты, применяемые для магнитного обогащения, называют магнитными сепараторами. Если необходимо магнитное обогащение крупных кусков (120—150мм), используют магнитные сепараторы, работающие в воздушной среде. Для мелких кусков (менее 8 мм) применяется как сухая, так и мокрая магнитная сепарация.
Гравитационное обогащение основано на различии в плотности и скорости падения зерен минералов в жидкостях и на воздухе. Простейшим ее видом является промывка водой железных руд для отделения песчано-глинистой пустой породы.
Однако больший эффект можно достичь, применяя отсадочные машины или концентрационные столы.
Доменная печь работает нормально, если она загружена кусковым материалом оптимального размера. Слишком крупные куски руды и других материалов не успевают за время их опускания в печи прореагировать в их внутренних слоях и при этом часть материала расходуется бесполезно; слишком мелкие куски плотно прилегают друг к другу, не оставляя необходимых проходов для газов, что вызывает различные затруднения в работе, наиболее удобным материалом для доменной плавки являются куски от 00 до 80мм в поперечнике.
Поэтому добываемые на рудниках куски руды просеивают через так называемые грохоты, и куски более 100 мм в поперечнике подвергают дроблению до необходимых размеров. При дроблении материалов, как и при добыче руды в рудниках, наряду с крупными кусками образуется и мелочь, тоже не пригодная к плавке в шахтных печах. Возникает необходимость окускования этих материалов до нужных размеров.
Получение чугуна из железных руд осуществляется в доменных печах. Доменные печи являются крупнейшими современными шахтными печами. Большинство действующих сейчас доменных печей имеет полезный объем 1300—2300 м3 — объем, занятый загруженными в нее материалами и продуктами плавки. Эти печи имеют высоту примерно 30 м и дают в сутки по 2000 т чугуна.
Сущность доменной плавки сводится к раздельной загрузке в верхнюю часть печи, называемой колошником, руды (или агломерата), кокса и флюсов, располагающихся, поэтому в шахте печи слоями. При нагревании шихты за счет горения кокса, которое обеспечивает вдуваемый в горн горячий воздух, в печи идут сложные физико-химические процессы (которые описаны ниже) и шихта постепенно опускается вниз навстречу горячим газам, поднимающимся вверх. В результате взаимодействия компонентов шихты и газов в нижней части печи, называемой горном, образуются два несмешивающихся жидких слоя — чугун и шлак.
Материалы подаются к печи двумя скиповыми подъемниками с опрокидывающимися ковшами вместимостью по 17 м3, доставляющими агломерат, кокс и другие добавки к засыпному устройству на высоту 50 м. Засыпное устройство доменной печи состоит из двух поочередно опускающихся конусов. Для равномерного распределения материалов на колошнике печи малый конус с цилиндром после каждой засыпки поворачивается на заданный угол (обычно 60°).
В верхней части горна располагаются фурменные отверстия (16—20 шт.), через которые в печь подается под давлением около 300 кПа горячий, обогащенный кислородом воздух при температуре 900—1200° С.
Жидкий чугун выпускается каждые 3—4 ч поочередно через две или три летки, которые для этого вскрываются с помощью электробура. Выливающийся из печи чугун выносит с собой и шлак, находящийся над ним в печи. Чугун направляется по желобам литейного двора в чугуновозные ковши, расположенные на железнодорожных платформах. Шлак, выливающийся с чугуном, предварительно отделяется от чугуна в желобах с помощью гидравлических запруд и направляется в шлаковозы. Кроме того, значительную часть шлака обычно выпускают из доменной печи до выпуска чугуна через шлаковую летку. После выпуска чугуна летка закрывается путем ее забивки пробкой из огнеупорной глины с помощью пневматической пушки.
Условно процесс, протекающий в доменной печи, можно разделить на следующие этапы: горение углерода топлива разложение компонентов шихты; восстановление окислов; науглероживание железа; шлакообразование.
Горение углерода топлива происходит главным образом возле фурм, где основная масса кокса, нагреваясь, встречается с нагретым до 900—1200°С кислородом воздуха, поступающим через фурмы.
Образовавшаяся при этом углекислота вместе с азотом воздуха поднимается вверх и, встречаясь с раскаленным коксом, взаимодействует с ним по реакции
СО2 + СТВ=2СО
Разложение компонентов.шихты протекает различно — в зависимости от ее состава. При работе на буром железняке важнейшими процессами здесь являются разрушение гидратов окиси железа и окиси алюминия, разложение известняка по реакции
СаСО3=СаО+СО2
Восстановление окислов может происходить окисью углерода, углеродом и водородом. Главной целью доменного процесса является восстановление железа из его окислов. Согласно теории академика Б а и к о в а восстановление окислов железа идет ступенчато по следующей схеме
Fе2О3 -Fе3О4 -FеО –Fе
Главную роль в восстановлении окислов играет окись углерода
ЗРе2О3 + СО = 2Ре3О4тв + СО2 + (З^
Эта реакция практически необратима, протекает легко при очень низкой концентрации СО в газовой фазе. Для развития этой реакции вправо необходимы температура не ниже 570° С и значительный избыток СО в газах
Fе3О4 + СО = ЗFеО + СО2 – Q
Затем происходит образование твердой железной губки
FеОтв + СО = Fетв + С02 + Q3.
Одним из главных показателей работы доменных печей, используемых для сравнения результатов деятельности различных заводов, является коэффициент использования полезного объема доменной печи (КИПО):
K = V/Q.
Он равен отношению полезного объема V (м3) к суточному выпуску чугуна Q (т). Так как производительность печи Q стоит в формуле в знаменателе, то чем меньше коэффициент использования полезного объема доменной печи, тем лучше она работает. Средний КИПО в СССР в начале 70-х годов был около 0,6, в то время как в 1940 г. он равнялся 1,19, а в 1913 г. — 2,3.
Наилучший КИПО, равный 0,39—0,42, был достигнут в последние годы на Череповецком металлургическом заводе.
Для производства чугуна кроме доменных печей применяют различное вспомогательное оборудование. Наибольшее значение среди них имеют воздухонагреватели. Для успешной работы современной доменной печи объемом 2700 м3 в нее требуется вдувать с помощью мощных воздуходувок около 8 млн. м3 воздуха и 500000м3 кислорода в сутки.
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ
Конвертором принято называть большую стальную реторту, футерованную огнеупором. Вместимость современных конверторов достигает 250—400 т. Конвертор имеет стальную цилиндрическую часть, отъемное, легко заменяемое днище и конусообразную горловину. Цилиндрическая часть конвертора крепится в литом стальном кольце, имеющем две цапфы, которыми оно опирается на подшипники двух стоек. Поэтому конвертор может поворачиваться вокруг оси цапф, что необходимо для его обслуживания (заливки исходного чугуна, взятия проб, выливки готовой стали и т.д.). Одна из цапф — полая, она соединяется одним воздухопроводом с турбовоздуходувкой, а другим — с воздушной коробкой днища конвертора. Воздушная коробка днища конвертора соединяется с отверстиями фурм, проходящими через все днище.
Конверторы для бессемеровского процесса футеруется динасом, а для томасовского процесса доломитом.
Недостатком бессемеровского процесса является ограниченная гамма чугунов, которые могут перерабатываться этим способом, так как при бессемеровском способе не удается удалить из металла такие примеси, как серу и фосфор, в том случае, если они содержатся в чугуне. Кроме того, получаемая в конверторе сталь хрупка из-за насыщения ее азотом, содержащимся в воздухе.
Мартеновский способ является основным способом, дающим около 70% высококачественной стали, выплавляемой в мире.
Мартеновский способ получил широкое применение благодаря возможности использования различного сырья и разнообразного топлива. В настоящее время мартеновский процесс различают в зависимости от используемого сырья: скрап-процесс, если его шихта состоит из стального лома (60—70%) и твердого чушкового чугуна (30—40%). Эта разновидность процесса применяется на заводах, не имеющих доменного производства (Московский завод «Серп и молот» и др.). Широко применяется и скрап-рудный процесс, характерный тем, что его шихта состоит на 20—50% из скрапа и на 50—80% из жидкого чугуна, который после выпуска из доменных печей хранится в больших бочкообразных футерованных внутри огнеупорным кирпичом хранилищах, называемых миксерами. Этот процесс называется скрап-рудным потому, что для ускорения окисления примесей чугуна в печь загружают, кроме того, гемати-товую железную руду в количестве 15—30% от массы металлической части шихты.