Металлургия, металловедение и конструкционные материалы

Кузьмин Б.А.

Металлургия, 1971 г.

1. Исходные материалы

Чистое железо редко находят в поверхностных слоях земной коры. Благодаря большой склонности к окислению в земной коре встречаются обычно окислы железа в смеси с окисленными соединениями других элементов. Сейчас насчитывается около 200 различных минерал-лов, содержащих железо. Наши ведущие геологи академики В. И. Вернадский и А. П. Виноградов считают, что в земной коре (до глубины 16 км) содержатся около 5% железа в виде окислов, карбонатов, сульфидов и других соединений. В отдельных местах земной коры имеются значительно большие скопления соединений железа. Наиболее крупные и богатые окисленными соединениями железа скопления минералов называют месторождениями железных руд. А вообще рудами называют горные породы, которые технически возможно и экономически целесообразно перерабатывать для извлечения содержащихся в них металлов.

К железным рудам в настоящее время в большинстве стран относят красный, бурый, магнитный и шпатовый железняки. Эти руды содержат значительное количество рудного вещества или соединений железа, из которого оно извлекается, и относительно небольшое количество пустой породы, легко отделяющейся при переработке.

В зависимости от количества рудного вещества различают богатые и бедные руды. Железные руды принято называть богатыми, если они содержат более половины железа, но это понятие меняется со временем.

Пустой породой руды называют такие минералы, которые не вносят серьезных технологических осложнений в металлургическую переработку и легко отделяются от рудных минералов или в процессе обогащения (см. ниже), или переходят в шлаки при плавке. Пустой породой в железных рудах чаще всего являются: кремнезем, каолин, реже доломит и магнезит. В рудах обычно выделяют вредные примеси, которые осложняют металлургические переделы, и, загрязняя основной металл, снижают его свойства. В железных рудах к вредным примесям обычно относят: серу, мышьяк и фосфор.

Красный железняк (гематит) содержит железо, главным образом, в виде Fe203 — безводной окиси железа. Пустой породой в нем обычно бывает кремнезем. Содержание железа в красных железняках колеблется от 45 до 65% при малом содержании вредных примесей. Гематит хорошо восстанавливается в доменных печах.

Бурый железняк (лимонит) содержит железо в форме водных окислов типа nFe203-mH20 с переменным количеством гидратной вдаги. Собственно лимонитом обычно называют минерал, содержащий 57,14% Fe203 и 25,3% Н20 и имеющий желтую окраску. Обычно бурый железняк содержит 25—50% Fe, но гидратная влага, легко удаляемая при плавке, делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению. Ее пустая порода обычно состоит из глины. Бурые железняки многих месторождений содержат значительные количества серы и фосфора и других вредных примесей.

Магнитный железняк (магнетит) содержит железо главным образом в виде Fe304 (закись-окись железа), обладающей хорошо выраженными магнитными свойствами. Пустой породой, сопутствующей ему, бывают кремнеземистые минералы. Магнетиты содержат железа от 40 до 70% и являются наиболее богатыми железными рудами, но восстанавливаются труднее других руд, так как являются плотными минералами. Эти руды в некоторых месторождениях содержат до 1—2% серы.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли FeC03. Его пустая порода содержит алюмосиликаты и магнезит, а содержание железа колеблется от 30 до 37%. С целью повышения процента железа эти руды перед плавкой обжигают, удаляющийся при этом углекислый газ делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению.

В природе часто встречаются руды, содержащие несколько полезных металлов. Такие руды принято называть комплексными. В некоторых железных рудах, кроме железа, содержатся полезные металлы: марганец, хром, никель и другие металлы, которые при плавке восстанавливаются и растворяются в железе — легируют его. Поэтому такие руды принято называть природно легированными.

Кроме железлых руд, для производства чугуна требуются и другие материалы. К ним в первую очередь следует отнести марганцевую руду, флюсы и кокс.

Марганцевые руды загружаются вместе с железными рудами в доменную печь, если поступающая на плавку железная руда содержит недостаточное количество марганца для получения чугуна Необходимого качества. Марганцевые руды содержат марганец в виде различных окислов (Мп02, Мп304, Мп203) с общим содержанием марганца в пределах от 25 до 40%. Их пустая порода состоит чаще всего из глинистых песчаников, которые могут быть частично отделены простой промывкой.

Флюсы вводят в доменную печь для того, чтобы обеспечить плавку пустой породы руд и золы топлива при необходимой температуре: не слишком высокой, чтобы не тратить много топлива и не допустить «зарастания» рабочего пространства печи, и не слишком низкой, при которой окислы железа еще не успевают восстановиться. Количество а характер добавляемых флюсов зависят от количества и химического состава пустой породы и определяются расчетным путем. Так как пустая порода железных руд обычно содержит кремнезем, в качестве флюса в доменных печах применяют чаще всего известняк СаС03, содержащий минимальное количество вредных примесей (лучше совсем без них).

Каменноугольный кокс в современном доменном производстве играет двоякую роль. Во-первых, служит топливом и обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры и, во-вторых, обеспечивает восстановление окислов железа (см. ниже). Благодаря своей большой механической прочности, пористости и значительной теплотворной способности он применяется теперь повсеместно и почти вытеснил применявшийся ранее для этих целей древесный уголь. Каменноугольный кокс содержит 82—88% твердого углерода, от 5 до 10% золы, но, к сожалению, всегда содержит и серу от 0,5 до 2,0%. Способ его получения из коксующихся каменных углей и его внешний вид известны из курса химии.

2, Огнеупорные материалы

Производство чугуна и многие другие процессы получения и термической обработкиметаллов проводят при высоких температурах и для их осуществления необходимо изготовлять различные аппараты (печи, ковши, дымовые трубы и др.) из материалов, выдерживающих силовые и тепловые нагрузки и стойких против воздействия расплавленных масс, горячих паров и газов.

Материалы, применяемые для футеровки рабочего пространства этих аппаратов, называют огнеупорными. Их изготовляют, главным образом, из устойчивых природных минералов, придавая им форму кирпичей, порошков и различных фасонных изделий.

По химическим свойствамОгнеупорныеизделия делят на кислые, основные и нейтральные.

Характерным кислым огнеупором является динасовый кирпич, изготовляемый из кварца (93—96% Si02) с небольшой добавкой извести (2—3% СаО) для связи. Он имеет огнеупорность (температуру размягчения под действием собственного веса) 1650—1730° С и применяется для кладки печей, работающих с кислыми шлаками, содержащими много Si02.

Характерным основным огнеупором является магнезитовый кирпич, изготовляемый из обожженного при высокой температуре природного магнезита (91—94% MgO, остальное СаО, А1203, Si02, Fe203). Кроме того, широко применяется в виде порошка основной огнеупор — доломит (CaC03-MgC03). Основные огнеупоры стойки к известковым (основным) шлакам и пыли до температуры 1800—1900° С.

К нейтральным можно отнести углеродистые огнеупоры, выдерживающие нагрев до 2000° С и мало взаимодействующие с очень агрессивными шлаками. Их изготовляют из антрацита и других чистых углеродистых материалов. Они содержат около 90% углерода и делятся на угольные и графитовые. Из них делают тигли, электроды или футеруют электролизныеванны для получения алюминия и отдельные части других печей. Нейтральными являются «хромиты», изготовленные из природного хромистого железняка. Хромитовый кирпич содержит около 30% Сг203 и примерно по 25% MgO и Fe203.

Устойчивым огнеупором является хромомагнезитовый кирпич, изготовляемый из смесихромита и магнезита; его химические свойства приближаются к нейтральным при содержании хромита не менее 28%, с меньшим содержанием хромита эти огнеупоры имеют слабо основной характер.

Самым распространенным и дешевым огнеупором является шамот, изготовляемый из обожженной глины (каолината Al203-2Si02-2H20), его химические и Огнеупорныесвойства колеблются в широких пределах в зависимости от химического состава. Шамоты, содержащие менее 60% Si02 и около 40% А1203, устойчивы против кислых и основных шлаков и практически почти нейтральны. Шамоты, содержащие более 60% Si02 и около 30% А1203, обладают слабо выраженными кислыми свойствами, а глинистые огнеупоры, содержащие более 65% Si02, принято называть полукислыми; они обладают наименьшей огнеупорностью, но дешевы.

Высокоглиноземистые огнеупоры (А1203 более 45%) обладают очень высокой огнеупорностью (до 2000^0), высокой стойкостью к перепаду температур и большей устойчивостью против кислых и основных шлаков, но стоят они дорого.

3. Обогащение руд

Ресурсы богатых руд, содержащих 50% и более какого-либо металла и подлежащих прямой плавке, встречаются все реже, и в промышленности все в больших размерах используются бедные руды, прямая плавка которых дорога, а иногда и невозможна. Такие руды теперь предварительно подвергают обогащению.

Обогащением называют обработку руды, не изменяющую химического состава основных минералов и их агрегатного состояния. Обогащением из руды выделяют 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 и отбрасывается. Обогащением иногда удается выделить из руды несколько концентратов с преобладанием в каждом разных металлов. Однако не все минералы поддаются обогащению в равной степени, а некоторые пока еще не умеют обогащать. В технике применяют в зависимости От характера рудных минералов много различных способов обогащения. Наиболее известны и широко применяются: рудоразборка, магнитное, гравитационное и флотационное обогащение.

Простую рудоразборку применяют очень давно; в некоторых местах еще можно встретить ручную рудоразборку на конвейере: по Цвету, блеску или форме кусков (иногда при специальном освещении) отбирают либо крупные куски богатой руды, либо пустую породу.

Магнитное обогащение применяется к минералам, имеющим большую магнитную восприимчивость.