Беседы о физике и технике

7. Бездымная и бездоменная металлургия

— Ну что же, давайте пофантазируем, — подумает читатель, — когда-то это будет?

Однако заводы и комбинаты без высоких дымящих труб, без домен и мартенов — это не мечта, а реальность. Принципиальные изменения происходят сейчас даже в тех технологиях, которые, казалось бы, устоялись в веках. Причины тому — не только необходимость повышения качества металлопродукции, но и требования экологии: производство не должно отравлять окружающей среды.

Одним из реальных шагов в выполнении решений XXV–XXVII съездов КПСС о повышении качества металлопродукции является создание Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК) (г. Старый Оскол Белгородской области). Но прежде чем говорить об особенности работы,

ДАВАЙТЕ СНАЧАЛА ВСПОМНИМ О ТРАДИЦИОННОМ СПОСОБЕ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛИ.

Металлургическое производство возникло на заре развития человеческого общества. В древности железо получали не в жидком, а в размягченном состоянии в сыродувных горнах, где в качестве топлива использовали древесный уголь (рис. 30, а).

По мере развития техники и увеличения потребности в металлах для получения железа использовали более высокие горны, а для подачи воздуха в горн стали применять воздуходувные устройства (рис. 30, б). Это привело к ухудшению механических свойств полученного сплава. Металл стал хрупким, но с хорошими литейными свойствами. Этот сплав был назван чугуном. При таком способе производства появилась возможность для хорошего отделения отходов (шлаков) от металла.

Сначала чугун выбрасывали, а с XIII в. начали вторично переплавлять с рудой (рис. 30, в).

Рис. 30. Способы выплавки железа:

_{а — древний горн для получения железной крицы; б — горн с воздушным дутьем (XVI в.); в — доменная печь (конец XVIII в.)}

Полученный сплав, в котором углерода, кремния, марганца и некоторых других элементов содержалось меньше, чем в чугуне, назвали сталью. Так зародился двухступенчатый способ производства железа из руды: сначала в шахтной печи — домнице (домне) выплавляли железоуглеродистый сплав — чугун, а затем его перерабатывали на сталь в так называемых кричных горнах.

Значительно позже, вероятно, лишь в XIV в., чугун начали использовать еще и для литья готовых изделий.

Такая двухстадийная схема производства стали и в настоящее время является основной. Техника выплавки чугуна и производства стали постепенно совершенствовалась и развивалась. В частности, с 1735 г. для выплавки чугуна стали применять твердое топливо — кокс. Кокс получают путем сухой перегонки специальных сортов (коксующихся) каменных углей без доступа воздуха при температуре 1000–1100 °C в так называемых коксовых батареях. С 1828 г. для ускорения процессов получения чугуна в доменном производстве стали применять дутье нагретого до 1000–1200 °C воздуха. Крупным усовершенствованием доменного процесса стало обогащение воздушного дутья кислородом (до 30 %), а также использование в качестве топлива природного газа.

КАК ГОТОВЯТ РУДУ К ПЛАВКЕ?

Перед плавкой железные руды подвергают специальной обработке с целью увеличения содержания железа в шихте, повышения ее однородности по крупности кусков и химическому составу.

Руда в основном проходит следующие стадии подготовки: дробление и сортировку по классам крупности, обогащение, усреднение, окускование.

Крупность добываемых руд в естественном виде очень различна. При открытой добыче размер отдельных кусков достигает 1000—12 000 мм, а при подземном — 300–800 мм. Для дальнейшего использования руда такой крупности должна быть предварительно подвергнута дроблению (рис. 31, а — г).

Рис. 31. Схематическое изображение основных способов дробления: раздавливание (а), истирание (б), раскалывание (в), удар (г)

Применяемые в настоящее время дробильные устройства позволяют получать продукт крупности до 6—15 мм. Однако такая руда плохо поддается обогащению. В целях улучшения процесса обогащения раздробленная руда проходит еще стадию помола. Размеры кусков руды после такого измельчения в среднем равны 1 мм. Для тонкого измельчения применяют главным образом мельницы, в которых удар сочетается с истиранием. В качестве дробящих тел применяют шары и стержни, а иногда твердые окатанные куски горной породы (гальку). В процессе вращения барабана (рис. 32) и происходит разбивание шарами кусков руды с одновременным истиранием.

Рис. 32. Схематическое изображение шаровой мельницы

Измельченная руда через решетку поступает в разгрузочное устройство.

Дробление и измельчение руды — энергоемкий и дорогостоящий процесс. На горных обогатительных фабриках (ГОК) стоимость процесса дробления и измельчения руды составляет от 35 до 70 % расходов на весь цикл обогащения, а стоимость дробильных устройств достигает 60 % стоимости оборудования фабрики.

Под обогащением руд понимают такой процесс обработки полезных ископаемых, целью которого является повышение содержания полезных примесей путем отделения рудного минерала от пустой породы. Все применяемые на практике способы обогащения руд являются, по существу, их механической обработкой и основаны на использовании различий в физических и физико-химических свойствах слагающих руду минералов.

В процессе обогащения руда проходит следующие стадии обработки: а) промывка водой с целью отделения песчано-глинистой породы и отделения веществ с существенно меньшей плотностью, чем металл; б) применение магнитной сепарации, основанной на использовании наличия у железосодержащих минералов магнитной восприимчивости. Обогащенная руда проходит при этом дальнейший процесс распределения (усреднения) по размерам.

Очищенная (обогащенная) руда перерабатывается в кусковые материалы необходимых размеров агломерацией или окатыванием.

Агломерация заключается в спекании руды (40–50 %), известняка (15–20 %) при температуре 1300–1500 °C в специальных агломерационных машинах. При этом из руды удаляется часть примесей, в ней разлагаются карбонаты, при этом образуется пористый офлюсованный материал — агломерат.

Вторым возможным продуктом являются окатыши. Процесс производства окатышей впервые был опробован в нашей стране в 1936 г. Тонко измельченный концентрат вместе с флюсами и топливом увлажняют и загружают во вращающуюся чашу (гранулятор) или в пустотельный барабан, где и образуются окатыши — шарики диаметром 25–30 мм. Готовые окатыши высушивают при 1200–1350 °C. Основная цель обжига окатышей сводится к упрочнению их до такой степени, чтобы они в дальнейшем выдерживали транспортировку, перегрузку и доменную плавку без значительных разрушений.

ИТАК, РУДА ПОДГОТОВЛЕНА К ПЛАВКЕ И ЗАГРУЖЕНА В ДОМНУ ЧТО ПРОИСХОДИТ ДАЛЬШЕ?

Доменная печь работает по принципу противотока: шихтовый материал движется сверху вниз, а навстречу ему поднимается поток горячих газов — продуктов сгорания топлива. При этом протекают следующие процессы: горение топлива, восстановление и науглероживание железа, восстановление других элементов, образование шлаков.

Основным продуктом доменного процесса является чугун. В зависимости от химического состава и назначения чугуны делят на передельные, которые предназначены для передела их в сталь, и литейные, предназначенные для переплава и получения фасонных отливок. Кроме чугуна доменный процесс позволяет получать ферросплавы — железо с повышенным содержанием других элементов.

Как говорилось выше, чугун отличается большой хрупкостью и поэтому не нашел широкого применения в современном машиностроении. Механические свойства чистого железа, в частности его прочность, ниже подобных свойств сплавов железа. В чистом виде железо — дорогой материал, и обычно его используют для специальных целей.

В технике и в быту в основном используют сталь. Значение стали в народном хозяйстве чрезвычайно велико. Нельзя назвать практически ни одной отрасли хозяйства, где бы ее не применяли. Уровень экономической мощи государства определяется в значительной степени количеством выплавленной стали. Годовое производство стали, приходящееся на душу населения в странах с развитой промышленностью, составляет 400–600 кг и более. В СССР на душу населения в настоящее время выплавляется около 600 кг стали в год.

КАКИМ ОБРАЗОМ ЧУГУН ПРЕВРАЩАЮТ В СТАЛЬ?

Техника производства стали в основном отработана в XIX в.

При любом сталеплавильном переделе чугуна в сталь происходит избирательное окисление примесей чугуна с переводом их в шлак и газы.

Простой и дешевый способ получения стали в больших количествах продувкой чугуна воздухом был предложен в 1855 г. английским механиком Бессемером.

Продувку чугуна вели в агрегате — конвертере. Такой способ получения стали называют конвертерным (бессемеровским).

В 50-х годах XX в. в ряде стран были разработаны и внедрены многочисленные варианты конвертерного процесса с применением кислорода. Эти процессы получили названия кислородно-конвертерных процессов.

Исходным сырьем для получения стали в кислородном конвертере служат жидкий передельный чугун и стальной лом, а также незначительное количество железной руды, извести, бокситов и других веществ.

В 1864 г. во Франции братьями Мартенами был осуществлен процесс переплавки чугуна и железного лома в сталь в так называемых регенеративных плазменных печах.

Способ получения стали в таких печах получил название мартеновского. Температура в такой печи достигает 1750–1800 °C за счет сгорания газа над плавильным пространством.

Во второй половине XIX в. появились предложения по использованию для плавки стали электрической энергии. В конце XIX — начале XX в. в ряде стран были созданы и пущены в эксплуатацию электропечи. Особенно бурными темпами электросталеплавильное производство развивается в последние десятилетия.

В настоящее время основными способами выплавки стали являются конвертерный (более 55 %), мартеновский (около 20 %), электроплавильный (около 25 %).

Количество стали, выплавляемой в конвертерах и крупных электропечах, непрерывно возрастает, соответственно доля стали, выплавляемой в мартеновских печах, постепенно уменьшается.

Помимо вышеназванных способов производства стали существует ряд способов выплавки стали более дорогих и менее производительных, но обеспечивающих получение металла очень высокого качества с особыми свойствами. К ним относятся вакуумно-дуговой переплав, вакуумно-индуктивный переплав, переплав в электро-лучевых, плазменных печах и др.

Поскольку в этих процессах осуществляется переплав стали, предварительно выплавленной каким-либо способом, такие процессы часто называют переплавными.

Сегодня производство стали переплавными методами достигло приблизительно 1,0 % от его общего производства. Возможно, вскоре мы можем стать свидетелями появления совершенно новых технологий.

НЕ ТАКОЙ УЖ КОРОТКОЙ ОКАЗАЛАСЬ ЦЕПОЧКА ОТ ДОБЫЧИ РУДЫ ДО ВЫПЛАВКИ СТАЛИ…

Как следует из сказанного выше, современное производство черных металлов включает в себя:

1) шахты по добыче руд и каменного угля;

2) горно-обогатительные комбинаты, где осуществляется дробление и обогащение руд, окускование богатых концентратов;

3) коксохимические цехи или заводы с отделениями для подготовки углей, их коксование и извлечение из них химических продуктов;

4) энергетические цехи для получения кислорода, сжатого воздуха и очистки газов металлургического производства;

5) доменные цехи для выплавки передельного и литейного чугуна, а также некоторых ферросплавов;

6) сталеплавильные цехи для производства стали;

7) заводы для производства различных ферросплавов;

8) прокатные цехи.

Рассмотренный традиционный способ получения стали требует больших затрат труда, времени, тепловых и материальных ресурсов. При этом необходимо учитывать и то, что сталеплавильное производство является одним из самых интенсивных загрязнителей атмосферы.

Возникли определенные сложности в замене кокса в доменном процессе более дешевыми видами энергии — природным газом, нефтепродуктами и некоксующимися углями. Под влиянием этих факторов (экономика и экология) в начале 50-х годов нашего столетия во многих странах начали работать над получением металла способом прямого восстановления железа непосредственно из руды и передела его в сталь в электродуговых печах.

Методы прямого получения железа из руды известны давно, но до сих пор не нашли широкого применения. Опробовано более 70 различных способов прямого восстановления железа, но лишь немногие из них осуществлены в промышленных масштабах.

Под процессами прямого восстановления железа понимают такие химические, электрохимические и химико-термические процессы, которые дают возможность получать железо непосредственно из руды минуя доменную печь. Такие процессы, во-первых, можно вести, не расходуя металлургический кокс, и, во-вторых, они позволяют получать очень чистый металл. Получение за способом прямого восстановления непосредственно из руды исключает необходимость строительства доменных печей, а следовательно, дает возможность обойтись без дорогого доменного и коксохимического производства.

В последние годы интерес к этой проблеме возрос еще и потому, что помимо возможности замены кокса другими видами топлива разработаны технологические процессы очень глубокого обогащения руд, обеспечивающие не только получение высокого содержания железа в концентратах, но и почти полное освобождение его от серы и фосфора.

НО ВЕДЬ РУДЫ РАЗНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОТЛИЧАЮТСЯ ДРУГ ОТ ДРУГА?

Хорошими свойствами обладают руды Курской магнитной аномалии (КМА). Прежде всего это гигантская природная кладовая железных руд. Природа накопила здесь многие миллиарды тонн отличного металлургического сырья — свыше половины разведанных запасов железа всего земного шара. Богатые железные руды КМА являются первоклассным металлургическим сырьем, в них содержится 55–63 % железа и более. Они могут без обогащения направляться на плавку в доменные печи после их дробления и сортировки до кондиционных размеров.

Содержание железа в кварцитах составляет 30–36 и даже 40 %, а остальное — это кварц. Поэтому перед использованием кварцитов они должны пройти процесс обогащения на ГОК.

Достоинством богатых руд КМА является то, что они легко восстановимы, а железистые кварциты легко обогащаются методом магнитной сепарации. Руды эти, как правило, чистые по фосфору (0,09 %) и содержат только 0,1–0,6 % серы. На Лебединском месторождении КМА этих вредных веществ еще меньше. При доменном же процессе эти вещества (фосфор и сера) вносятся в большом количестве коксом.

НА КОНКРЕТНОМ ПРИМЕРЕ РАССКАЖИТЕ, КАК ПРОХОДИТ ПРОЦЕСС ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА.

В настоящее время на базе КМА построен Оскольский электрометаллургический комбинат, рассчитанный на выпуск более 4 млн. т высококачественной стали в год. Он работает на железе, полученном прямым восстановлением из руды. В отличие от традиционной металлургии для производства стали здесь используют не коксующийся уголь, а природный газ и электроэнергию.

В настоящее время комбинат выходит на проектную мощность, а его цехи и службы размещены на площади около 70 га.

Технологическая схема процесса бездоменного получения стали приведена на рис. 33.

Рис. 33. Схема процесса бездоменного получения стали

Сырьем для получения стали служит концентрат с 70 % железа, полученный на обогатительном комбинате 1 и в виде пульпы перекачанный по трубопроводу 2 длиной 27 км под давлением 1∙10⁷ Па в цех окомкования, т. е. в цех по производству окатышей. После отстоя пульпы образовавшийся осадок концентрата обезвоживают на дисковых вакуум-фильтрах 3–4, смешивают в барабанном окомкователе 4–5.

Полученные окатыши обжигают в печи 6 с одновременным их окислением, т. е. с увеличенным содержанием кислорода. Окисленные окатыши поступают в цех 8 металлизации, в котором получают металлизованные окатыши. В этом цехе в шахтной печи происходит процесс прямого восстановления железа. Снизу в печь поступает под давлением газ-восстановитель с температурой 760 °C, образующийся в установке (реформере) 7 в процессе взаимодействия природного, состоящего в основном из водорода и колошникового (оксид углерода) газов.

Процесс освобождения окатышей от кислорода и восстановления в них железа заключается в том, что газ отнимает кислород от окатышей, при этом вместо окисленных окатышей получают почти чистое железо, а также воду и углекислый газ как отходы производства.

После такого технологического процесса содержание железа в окатышах с 67–70 % повышается до 90–95 %, т. е. окатыши становятся состоящими как бы сплошь из металла — железа. Содержание углерода в полученных металлизованных окатышах составляет от 0,2–0,5 до 2 %. Кроме того, имеется незначительное количество невосстановленных оксидов железа, пустой породы и других примесей. Это облегчает процесс выплавки и получения стали высокого качества и высокой степени чистоты.

Металлизованные охлажденные окатыши непрерывно выгружают в бункер емкостью около 5 тыс. т, где их хранят в инертной атмосфере перед плавкой в дуговых печах. В технологический процесс добавляют стальной лом (30–40 % от массы шихты), который загружают в электропечь в начале процесса.

Окатыши поступают в электропечь 9 (см. рис. 33) емкостью 150 т, где под действием электрической дуги расплавляются, металл очищается от примесей, а затем его разливают (10). По ходу плавления в печь загружают известь и другие вещества для получения качественной легированной стали требуемого состава. Полученные слитки подогревают в печи 11 и прокатывают на валках 12.

ЧТО ДАЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ?

При традиционном способе «доменная печь — конвертер» можно получить менее ценные виды стали.

По сравнению с другими плавильными агрегатами электропечи обладают рядом преимуществ. В них можно:

а) быстро достигать заданной температуры до 2000 °C и поддерживать ее. Это позволяет вводить в печь большие количества легирующих добавок;

б) создавать окислительную, восстановительную или нейтральную атмосферу, а также вакуум;

в) плавно и точно регулировать температуру металла;

г) получать сталь с низким содержанием серы и др.

В связи с тем что в дуговых печах выплавка стали обходится несколько дороже, чем в мартеновских и конвертерных, они до недавнего времени служили только для выплавки легированных и высококачественных сталей, которые трудно получать в других печах. Однако с увеличением емкости печи снижается и себестоимость полученной стали, а поэтому удельный вес электростали в общей выплавке стали в мире непрерывно растет.

КАК РАБОТАЕТ ЭЛЕКТРОПЕЧЬ?

Источником теплоты в таких печах служит электрическая дуга, возникающая между электродами. Температура дуги превышает 3000 °C.

Общий вид электропечи представлен на рис. 34, а схематическое ее изображение — на рис. 35.

Рис. 34. Дуговая сталеплавильная печь емкостью 200 т

Рис. 35. Схема дуговой электропечи

Плавку стали ведут в рабочем пространстве, ограниченном сверху куполообразным сводом 1, снизу — сферическим подом 6, с боков — стенками 2. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство вводят токоподводящие электроды 9, которые с помощью специального механизма могут перемещаться вверх и вниз. Электроды изготовляют из углерода в виде цилиндрических секций диаметром от 100 до 610 мм и длиной до 1500 мм. Печь питается от источника трехфазного тока с рабочим напряжением на электродах 100–800 В. Электрическая дуга 5 возникает между электродами и жидким металлом или металлической шихтой. Готовую сталь и шлак выпускают через отверстие 4 и желоб 3, для этого печь наклоняют. Рабочее окно 7, закрываемое заслонкой 8, предназначено для контроля за ходом плавки, ремонта и загрузки материалов.

Под днищем печи устанавливают специальное устройство — вытянутый сердечник (статор) с двумя обмотками. Обмотки статора питаются двухфазным током низкой частоты (0,5–2 Гц), с помощью которого в металле создают бегущее магнитное поле. Взаимодействие перемещающегося магнитного потока с наводимыми им в металле вихревыми токами вызывает перемещение металла.

НАВЕРНОЕ, НА ЭТОМ КОНКРЕТНОМ ПРИМЕРЕ МОЖНО СРАВНИТЬ БЕЗДОМЕННУЮ МЕТАЛЛУРГИЮ С ОБЫЧНОЙ?

Эксплуатация Старооскольского электрометаллургического комбината дает возможность сделать некоторые выводы.

Капитальные затраты на производство металлизованных окатышей — более чистого заменителя передельного чугуна — здесь сопоставимы с затратами на производство чугуна в цехах с доменными печами объемом 5000 м³ и меньше. С увеличением единичной мощности печей металлизации новая металлургия по этому показателю не уступит лучшим достижениям традиционной металлургии.

Капитальные затраты в электроплавильных цехах находятся на одном уровне с затратами в современных электросталеплавильных цехах, работающих на металлоломе.

Затраты труда на производство металлизованных окатышей здесь ниже, чем на большинстве металлургических предприятиях страны. Это обусловлено заменой железнодорожного транспорта конвейерным, автомобильным или трубопроводным, исключением коксохимического производства, снижением температуры процесса, отсутствием жидких продуктов плавки — чугуна и шлака — и связанных с ними трудозатрат.

Резко улучшаются условия труда, так как процесс поддается автоматизации и управлению при помощи ЭВМ.

В настоящее время на комбинате управление непрерывным процессом окомкования осуществляют при помощи микропроцессорной техники, успешную работу которых обеспечивают электронщики. Так, технологическим процессом окомкования, металлизации и водоснабжения управляют 13 свободнопрограммированных и 54 жесткопрограммированных микропроцессоров. Технологией сталеплавильного цеха и сталепрокатных станов управляют 51 ЭВМ, 238 свободнопрограммированных и 86 жесткопрограммированных микропроцессоров.

Электрометаллургия оказывает незначительное влияние на окружающую среду. Она практически не загрязняет ее соединениями серы, фенолами, циамидами, пылью — неизбежными спутниками традиционной металлургии.

Повышение качества металлопродукции, увеличение производительности и улучшение условий труда металлургов, хорошая защита окружающей среды, снижение затрат ставят бескоксовую металлургию в число интенсивных способов получения сталей.