В данном учебном пособии представлены основные характеристики сырьевых материалов, применяемых в черной металлургии: железных рудах, флюсах, топливе и т. д. Рассмотрены способы их обработки, в частности, дробление, измельчение, непосредственно обогатительные процессы. Также приводится информация по основным видам топлива, особое внимание уделяется производству и оценке качества кокса. Приводится информация по способам переработки вторичных черных металлов.

• С.В.Рябошук, П.В.Ковалев, А.А.Кур
• Оглавление
• Общая характеристика сырьевых материалов
• Промышленная ценность месторождений
• Железо и его роль в научно-техническом прогрессе
• Железо - химический элемент VIII группы периодической системы Д.И. Менделеева с атомным номером 26 и атомной массой 55,847. Железо может существовать в виде двух кристаллических решёток: объёмно-центрированной кубической (ОЦК, Вody-Centred Сubic) и г...
• Характеристика и классификация железных руд
• Металлургическая оценка железных руд
• Железорудная база России
• Карело-Кольская железорудная провинция. Охватывает Мурманскую область, западную часть Архангельской области и Республику Карелия.
• Курская железорудная провинция. Является крупнейшей не только в России, но и в мире. Располагается на территории Белгородской, Курской и Орловской областей.
• Уральская железорудная провинция. Охватывает территории Свердловской, Челябинской, Оренбургской, Курганской областей и республику Башкортостан.
• Алтае-Саянская железорудная провинция. Эта провинция охватывает Алтайский край, Республику Алтай, Кемеровскую область, Республику Хакасия, юг Красноярского края.
• Ангарская железорудная провинция. Провинция расположена на юге Сибирской платформы и охватывает юго-восточную часть Красноярского края и северную часть Иркутской области.
• Ангаро - Енисейская железорудная провинция. Провинция занимает западную часть Красноярского края от устья реки Ангары на юге до устья реки Нижняя Тунгуска на севере. Запасы этой провинции практически не разрабатываются из - за отдаленности их месторож...
• Забайкальская железорудная провинция. Провинция охватывает территорию Республики Бурятия и Читинской области.
• Алданская железорудная провинция. Расположена на Алданском щите и охватывает южную часть Республики Саха (Якутия) и самую северную часть Читинской области.
• Дальневосточная железорудная провинция. Провинция охватывает восточную часть Амурской области, Хабаровский и Приморский края.
• Характеристика марганцевых руд и основные их месторождения
• Флюсы
• Подготовка сырьевых материалов к использованию в металлургическом переделе
• Дробление и измельчение
• Грохочение и классификация
• Усреднение
  • Чтобы уменьшить отрицательное влияние непостоянства химического состава материала на показатели производства, материалы подвергаются усреднению. Усреднением называется перемешивание материалов с целью выравнивания их химического и гранулометрического ...
  • Среднее значение содержания компонента в материале определяется среднеарифметическим содержанием компонента(а по данным разовых анализов проб:
  • где а1, а2, а3, …, аn - содержание компонента в разовых пробах; n – число проб.
  • Колебания содержания компонента оценивают по абсолютному или среднеквадратичному отклонению от среднего значения. Абсолютным отклонением ( называется максимальное отклонение в обе стороны от среднего значения компонента, выраженное в абсолютных пр...
  • (6)
• Обогащение
• Промывка
• Гравитация
• Магнитная сепарация
• В зависимости от минералогического состава руд применяют сепараторы с разной напряженностью магнитного поля. Сильномагнитные руды обогащают на сепараторах, в которых создается меньшая напряженность магнитного поля (40-100 кА/м), а для слабомагнитных р...
• Магнитное обогащение железных руд осуществляют методами мокрой и сухой магнитной сепарации, а также комбинированными методами (сухая сепарация с последующей мокрой).
• Для обогащения магнитных железных руд крупностью более 3-6 мм применяют только сухую магнитную сепарацию. Обогащать руды и продукты меньшей крупности можно как сухой, так и мокрой сепарацией. Предпочтение следует отдавать мокрой магнитной сепарации, ...
• Барабанные сепараторы с прямоточной ванной обычно используются для обогащения крупно и мелкозернистой руды ((6 мм), с противоточной для мелкозернистой руды ((2 мм) и с полупротивоточной – для тонкоизмельченного материала (( 0,2 мм, Рис.17).
• Рис.17. Схемы барабанного сепаратора для мокрого обогащения руд:
• а – с прямоточной ванной; б, в – с противоточной ванной;
• г – с полупротивоточной ванной
• При совпадении направления движения пульпы и барабана в сепараторе с прямоточной ванной частицы рудного минерала, находящиеся в нижней части слоя пульпы, не успевают притягиваться к барабану и теряются в хвостах. Этот недостаток устраняется в сепарато...
• Недостатком сепаратора с противоточной ванной является ухудшение его работы при обогащении руд крупнее 2 мм, вследствие оседания крупных частиц на питающем лотке.
• В сепараторе с полупротивоточной ванной этот недостаток устраняется тем, что концентрат под действием магнитного поля перемещается поверхностью барабана в направлении подачи пульпы, а хвосты под действием потока воды удаляются в направлении, противопо...
• Сочетая барабанные сепараторы в агрегаты из двух-четырех барабанов, можно проводить многократную магнитную очистку продуктов. Барабанные сепараторы для мокрой магнитной сепарации изготавливают длиной 1000-2500 мм с диаметром барабана 600-900 мм. Произ...
• Для слабомагнитных руд может применяться так называемый магнетизирующий, или восстановительный, обжиг с целью повышения их магнитной восприимчивости.
• Обжиг руды производится в восстановительной атмосфере, формируемой сжиганием углерода топлива до оксида углерода или вводом в реакционное пространство восстановительный газ извне. Восстановление протекает при температуре 550-800ºС по реакциям:
• 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2, (11)
• 3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O, (12)
• т.е. немагнитный оксид железа Fe2O3 превращается в магнитный оксид Fe3O4. Образующийся в результате перевосстановления оксид железа FeO окисляется до магнетита:
• 3FeO + СО2 ( Fe3O4 + СО. (13)
• Иногда восстановленную до магнетита руду подвергают охлаждению в окислительной атмосфере при температуре ниже 350оС. При этом Fe3O4 переходит в сильномагнитный оксид железа (-Fe2O3 (маггемит) с выделением большого количества тепла, используемого для...
• Для осуществления магнетизирующего обжига руд наибольшее распространение получили трубчатые вращающиеся печи (Рис.18). Они представляют собой вращающиеся с частотой 0,7 – 1,4 об/мин трубы длиной 50-60 м и диаметром 3,5 – 4,0 м, футерованные шамотным к...
• Исходная руда, пересыпаясь вследствие вращения трубы, установленной с наклоном 3о, перемещается от одного торца к другому навстречу потоку восстановительных газов. Нагрев осуществляется периферийными горелками, расположенными по спирали и отапливаемые...
• В целом способы магнетизирующего обжига довольно сложны и их применение целесообразно лишь тогда, когда невозможно применить магнитные сепараторы, работающие с высокой напряженностью магнитного поля.
• Рис.18. Трубчатая вращающаяся печь для магнетизирующего обжига руд
• 1 – загрузочная головка; 2 - бандаж; 3 - венцовая шестерня; 4 – периферийные горелки; 5 – разгрузочная горелка; 6 –разгрузочная горловина; 7 – разгрузочный порог; 8 –опорный ролик; 9 – ударный ролик; 10 – загрузочный порог
• Флотация
• Под флотацией понимают метод обогащения, основанный на различии физико-химических свойств поверхностей различных минералов. Для обогащения руд применяют только пенную флотацию. Она базируется на том, что одни минералы (в тонкоизмельченном состоянии в...
• Естественные свойства гидрофобности или гидрофильности могут быть изменены, если применять специальную группу флотационных реагентов – коллекторов (или собирателей). По сути, эти реагенты являются адсорбентами, которые выделяясь на поверхности минерал...
• Для усиления действия коллекторов применяют большую группу реагентов – регуляторов, одни из которых (активаторы) активизируют флотацию минералов, а другие (депрессоры) подавляют ее. Для депрессии минералов железной руды подают крахмал. Минералы пустой...
• Третья группа флотационных реагентов – вспениватели. Эти реагенты необходимы для создания обильной пены. К ним относят сосновое масло, трепениол, крезол, спирты и целый ряд синтетических продуктов.
• Обычно пенный продукт флотации состоит из зерен полезных минералов (концентрата), но так как различные флотационные реагенты могу действовать на минералы избирательно, то в некоторых случаях флотацию ведут так, чтобы всплывали неполезные минералы - м...
• Рис.19. Механическая флотационная машина
• 1 – импеллер (вращающийся диск); 2 – надымпеллерный (неподвижный) диск; 3 – питающий патрубок; 4 – карман; 5 – центральная труба
• Флотационные машины, в которых осуществляется флотационный процесс, по своему действию делят на механические, пневматические и комбинированные. Наибольшее распространение получили механические флотационные машины.
• Представленная на рис.19 флотационная машина состоит из импеллера и надымпеллерного диска и подобна насосу, в котором роль турбины выполняет импеллер. Пульпа, находящаяся в полости импеллера, при вращении, последнего отбрасывается лопатками к перифери...
• Через центральную трубу засасывается воздух. При малых потоках пульпа не заполняет всего сечения питающего патрубка и воздух частично засасывается через патрубок в карман. Периферическая скорость вращения импеллера равна 8-10 м/сек. Благодаря тому, чт...
• Надымпеллерный диск предохраняет открытый импеллер от забивания материалом, оседающим при остановке машины. Поэтому машину можно пускать в работу и после временной остановки ее, не выпуская пульпу из камер.
• Четыре радиальных ребра в камере машины устраняют завихрение пульпы. Съем пены – односторонний и осуществляется пеногоном с жестко закрепленными лопатками.
• Промежуточные продукты, возвращаемые в процесс, могут подаваться в любую камеру через специально устанавливаемую для этой цели трубу.
• Производство окатышей
• Окускование осуществляется методами агломерации и окомкования.
• Расширение использования бедных руд и особенно стремление к более глубокому обогащению их привели к получению тонкоизмельченных железорудных концентратов (( 0,07 мм), для которых появилась необходимость их окомкования. Впервые процесс окатывания был ...
• Процесс производства окатышей состоит из двух стадий: 1. получение сырых окатышей; 2. упрочнение окатышей (подсушка при температуре 300-600оС и обжиг при температуре 1200-1350оС).
• Схема производства окатышей представлена на рис.20. Исходную шихту, включающую в себя возврат (некондиционные окатыши), концентрат и в случае производства офлюсованных окатышей известняк, загружают в бункеры 1. Из бункеров она при помощи дозаторов выд...
• Сырые окатыши подаются на обжиговую машину 6, чаще всего представляющую собой ленточный конвейер. На конвейере сырые окатыши последовательно проходят три зоны: сушки, обжига и охлаждения. В зоне сушки окатыши подогреваются до 200-380оС газами, поступа...
• Рис.20. Схема производства окатышей
• I – сушка; II – обжиг; III – охлаждение; 1 – шихтовые бункеры; 2 – сборный транспортер; 3 – смесительный барабан; 4 – бункер для бентонита; 5 – тарельчатый гранулятор; 6 – обжиговая машина; 7 – вентиляторы; 8 – грохот
• Циркуляция газов и удаление их через дымовую трубу осуществляется вентиляторами 7. В зоне обжига окатыши нагреваются до 1200-1350оС продуктами сгорания газообразного или жидкого топлива, просасываемыми через слой окатышей на колосниковой решетке машин...
• Упрочнение окатышей при обжиге происходит вследствие протекания сложных физико-химических превращений по мере увеличения температуры обжига. Важнейшими превращениями при обжиге окатышей из магнетитового концентрата являются.
• 1. Окисление магнетита до гематита по реакции:
• 4Fe3O4 + O2 ( 6Fe2O3 (14)
  • Этот процесс начинается при температуре 200-300оС, но наиболее интенсивно протекает при 1000-1200оС. В ходе окисления между зернами магнетита образуются гематитовые мостики, которые связывают все зерна в прочный монолит, придавая окатышу высокую прочн...
• 6Fe2O3 ( 4Fe3O4 + O2, (15)
• начинающаяся при температуре выше 1370оС, приводит к понижению прочности окатышей.
• 4. Образование жидкой фазы начинается при температуре 1210-1370оС в зависимости от химического состава окатышей. При производстве неофлюсованных окатышей жидкая фаза резко уменьшает их прочность. Поэтому упрочнение неофлюсованных окатышей должно осуще...
• При обжиге офлюсованных окатышей избежать образования жидкой фазы не удается. Если же обжиг вести при более низкой температуре, то, во-первых, упрочняющий процесс рекристаллизации будет протекать недостаточно и, во-вторых, значительная часть извести в...
• CaO + H2O ( Ca(OH)2. (16)
• Поэтому считается, что в офлюсованных окатышах роль упрочняющей связки должна выполнять жидкая фаза, основой которой являются ферриты кальция с температурой плавления 1210-1230оС.
• Качество окатышей определяется их прочностью, гранулометрическим и химическим составом. Прочность окатышей характеризуется также усилием на раздавливание. Готовые окатыши должны выдерживать усилие не менее 1,2-1,5 кH на окатыш, в виду значительных н...
• Производство агломерата
• Топливо
• Многие металлургические процессы осуществляются при высоких температурах и связаны с затратами тепловой энергии. Необходимые температуры достигаются сжиганием топлива или за счет использования электроэнергии.
• Основные разновидности топлива имеют органическое происхождение. В состав топлива входят углерод, водород, сера, кислород и азот (С, H, S, O, N), присутствующие в виде различных соединений и составляющие горючую массу. Кроме того, в топливе могут соде...
• По агрегатному состоянию различают твердое, жидкое и газообразное топливо, а по способу получения – естественное и искусственное. Искусственное топливо получают в результате направленной переработки естественного топлива.
• В металлургии стремятся использовать только высококачественное топливо с высокой теплотой сгорания и низким содержанием золы. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют природный газ, мазут, кокс и высококалорийный каменный уголь.
• Природный газ – смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при разложении органических веществ (анаэробное разложение – с участием микроорганизмов). Является самым удобным видом топлива. Его легко транспортировать и подводить к местам потребления при ...
• Природный газ относится к полезным ископаемым. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии — в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений...
• Мазут – жидкий продукт темно-коричневого цвета, остаток после выделения из нефти или продуктов ее вторичной переработки бензиновых, керосиновых и газойлевых фракций, выкипающих до 350–360 С. Представляет собой смесь тяжелых углеводородов (с молекулярн...
• Обычно мазут содержит 83 – 85% углерода и 10 – 11% водорода, остальное – влага, зола и сера. Содержание серы в металлургических мазутах колеблется в пределах 0,5 – 0,7 %. Плотность 0,89 – 1 г/см³ (при 20 C), содержание золы до 0,3 %, низшая теплота ...
• Кокс - пористое вещество, остающееся после удаления из каменного угля летучих веществ при нагревании его до 950-1200оС без доступа воздуха.
• Для получения кокса используют только те угли, которые при нагревании способны размягчаться, вспучиваться под действием выделяющихся газов и затвердевать с образованием прочных кусков. Наилучшими для этой цели являются так называемые коксующиеся угл...
• Загружаемый в доменную печь кокс не должен содержать ни мелких кусков, ухудшающих газопроницаемость шихты, ни чрезмерно крупных кусков, которые, как правило, поражены трещинами и легко разрушаются в печи с образованием мелких фракций.
• Кокс должен быть пористым для обеспечения хорошей горючести в горне печи и обладать высокой теплотой сгорания для получения требуемого количества тепла и необходимой температуры.
• В настоящее время расход кокса на выплавку 1 т чугуна в зависимости от условий производства колеблется в пределах 340-500 кг и составляет 40-45% себестоимости чугуна. Поэтому применение мер, обеспечивающих снижение расхода кокса, позволяет улучшить те...
• Для коксования применяют угли следующих марок: коксовые (К), жирные (Ж), отощенные спекающиеся (ОС) и газовые (Г), механические свойства углей при этом снижаются согласно данному ряду. В России имеется достаточное количество угольных месторождений, из...
• В спекающихся углях Донецкого бассейна содержится значительное количество серы 2,5-3,8%.
• Кузнецкий бассейн по разведанным запасам является одним из крупнейших в мире. Содержание серы в углях Кузнецкого бассейна не превышает 0,7% и кокс из них получают малосернистый.
• Угли Карагандинского месторождения характеризуются низким содержанием серы (до 1%) и повышенным содержание золы от 9 до 26%.
• Угли Кизеловского бассейна высокосернистые, содержание серы от 4 до 8%. При обогащении и коксовании углей этого месторождения удаляется более половины исходной серы.
• Угли Печорского бассейна содержат серы не более 1%. На основе углей этого месторождения получают кокс высокого качества.
• Подготовка углей к коксованию осуществляется в углеподготовительных отделениях коксохимических цехов или заводов. Поступающий уголь различных марок подвергают предварительной шихтовке в приемных траншеях. Уголь складируется в штабелях или бункерах. Пр...
• В результате обогащения получают концентрат, промежуточный продукт, вторично подвергаемый обогащению или используемый в энергетических установках, и хвосты, поступающие в отвал.
• Основными требованиями, предъявляемыми к качеству угольной шихты, является постоянство состава, оптимальная крупность (около 3мм), влажность и ограниченное содержание золы и серы.
• Процесс образования кокса протекает в камерах коксовых печей, изолированных от внешней атмосферы и соединенных лишь с аппаратами для улавливания выделяющихся при коксовании веществ. Подготовленную угольную шихту загружают в камеру шириной 350-450 мм. ...
• Современная коксовая печь включает камеру коксования, в которую через загрузочные люки, закрываемые крышками, загружается уголь, и отопительные простенки, в которых сжигается газ. Длина камер наибольшей коксовой батареи составляет 17000 мм, высота - 7...
• Коксовые батареи выкладываются из динаса и группируются в батареи, состоящие из 61-80 камер, с общими для всех печей системами подвода отопительного газа, подачи угольной шихты, отвода коксового газа, приема и тушения раскаленного кокса. Для отопления...
• Процесс образования кокса можно условно разделить на несколько стадий. На начальной стадии (при нагреве угольной шихты до 250оС) уголь подсушивается и начинает выделять летучие продукты разложения. В интервале 250-350оС выделяется легкая смола. При бо...
• Качество кокса
• Металлический лом
• Источники образования вторичных черных металлов
• Переработка вторичных черных металлов
• Требования, предъявляемые к металлическому лому в электросталеплавильном и конвертерном цехах