Исходные материалы для производства металлов и сплавов

Для производства металлов используют руды, флюсы, топливо, огнеупорные материалы.

Рудой называют горные породы, содержащие металлы в необходимых количествах. Железные руды содержат 30…60 % металла. Содержание цветных металлов в рудах составляет 2…5 %

Руда состоит из минералов, содержащих металл в виде оксидов, сульфидов, карбонатов и пустой породы (в основном, кремнезема SiO₂, глинозема Al₂O₃), в составе которой находятся также примеси серы, фосфора, мышьяка и др.

Флюсом называют материалы, образующие при плавке шлак  легкоплавкое соединение пустой породой руды, золы топлива и неметаллических включений. Шлак обладает меньшей плотностью, чем выплавляемый металл, поэтому он располагается над ним и может быть слит в процессе плавки.

При выплавке черных металлов в качестве флюсов используют кварцевый песок (SiO₂ ) известняк CaCO₃, и другие соединения кальция или магния.

Топливом в металлургических процессах служит кокс, природный, доменный или коксовый газ, мазут.

Кокс получают сухой перегонкой коксующихся каменных углей без доступа воздуха при температуре 1000…1100 С. При такой обработке из угля извлекаются и ценные побочные продукты: бензол, фенолы, а также улавливается коксовый газ.

Природный газ состоит в основном из метана CH₄.

Доменный газ  побочный продукт при выплавке чугуна в доменной печи, содержит значительное количество горючих составляющих (до 32 % СО, до 4 % Н₂).

Мазут  тяжелый остаток перегонки нефти, содержит до 88 % С, 10…12 % Н₂ и небольшое количество кислорода и серы.

Огнеупорные материалы применяют для внутренней облицовки (футеровки) печей. По химическому составу огнеупорные материалы подразделяют на кислые, основные и нейтральные.

К кислым относятся динасовый кирпич (с высоким содержанием кремнезема SiO₂), к основным  доломит и магнезит (с большим содержанием оксидов MgO, CaO) к нейтральным  материалы из оксидов Al₂O₃, Cr₂O₃, MgO и т.д. (шамот).

Производство чугуна

Чугун выплавляют из железных руд пирометаллургическим способом в доменных печах, используя для этого твердое топливо  кокс и флюсы.

Железные руды содержат железо в виде оксидов. Пустой породой обычно является песчаник и глинистые вещества. К основным железным рудам относятся: магнитный железняк; красный железняк; бурый железняк, шпатовый железняк.

Топливо выполняет роль не только горючего, но и восстановителя железа из руды. Этим требованиям удовлетворяет  кокс.

Флюсами при выплавке чугуна в доменной печи служат известняк CaCO_3. Назначение  перевод пустой породы в шлак, а также удаление серы.

Огнеупорным материалом для футеровки доменной печи служит шамот.

Подготовка руд к плавке

Перед плавкой железные руды подвергают обработке для увеличения содержания железа в шихте, повышения однородности по размеру и химическому составу.

Обогащение руды. Увеличение содержания железа в руде достигается различными способами обогащения: промывкой руды водой; гравитацией, отделение тяжелой руды от легкой пустой породы (вибрирующее сито). Магнетитовые руды обогащают способом магнитной сепарации.

Для улучшения процесса плавки обогащенную руду (концентрат) перерабатывают в кусковые материалы агломерацией или окатыванием.

Агломерация - спекание руды (40…50 %), известняка (15…20 %) и кокса при температуре 1300…1500  С в специальных агломерационных машинах. При этом из руды удаляется часть примесей и образуется пористый материал  агломерат. Применение агломерата позволяет повысить производительность доменных печей на 10…25 % и уменьшить расход кокса на 10…20 %.

Окатывание - окускование измельченных концентратов. Для этого концентрат, флюсы и топливо увлажняют и загружают во вращающийся гранулятор или барабан, где образуются окатыши диаметром 25…30 мм. Готовые окатыши высушивают и обжигают при 1200…1350 С. Использование окатышей, как и агломерата, улучшает доменную плавку, повышает производительность доменной печи, уменьшает расход топлива.