Курсовая работа: Система добычи, подготовки и обогащения сырья черной и цветной металлургии
Железо - металл, который можно получить в чистом виде только в стенах лаборатории, создавая для этого специальные "тепличные" условия. Оно очень активно, моментально вступает в химические реакции с окружающей средой, соединяется с различными элементами и быстро окисляется. Самородное железо - феррит, образование которого связывают с застыванием магмы, встречается в земной коре очень редко. Оно содержит небольшое количество таких примесей, как никель (около 2%), кобальт (0,3%) и немного меди.
На территории России его находят в уральских степях и в Киргизии в виде мельчайших вкраплений в базальтах, кристаллах таких минералов, как пирит и марказит. Поэтому в природе железо встречается в виде различных сложных и простых соединений, главным образом с кислородом, которые входят в состав минералов, называемых железными рудами. Руды эти располагаются в земной коре различным образом. Некоторые из них находятся так близко к поверхности, что не нужно строить шахты и прокладывать сложные коммуникации или возводить какие-то подземные сооружения для их извлечения. Такие руды добывают открытым способом. Но иногда руда залегает очень глубоко и для того, чтобы извлечь ее на поверхность, приходится предварительно затратить немало труда. На месте крупных залежей железных руд строят огромные предприятия, так называемые ГОКи - горно-обогатительные комбинаты, где руду не только добывают, но и подготавливают к плавке.
Не всякий минерал, не всякую горную породу, в состав которой входит железо, можно считать рудой. Железа в руде должно быть достаточно много и притом в таком виде, чтобы его экономически выгодно было извлекать из этого минерала. Основными типами железных руд являются: магнитные железняки (магнетиты) - железо в них содержится в виде магнитной окиси Fe3 04 , красные железняки, или гематиты, которые состоят в основном из окиси железа Fe2 03 , и бурые железняки - лимониты (2Fe2О3Н20). Кроме соединений железа, руда содержит различные примеси - так называемую пустую породу. Например, в бурых железняках имеются фосфаты, при плавке переходящие в чугун и сильно его загрязняющие, красный железняк, как правило, "испорчен" глиной. Руда, загружаемая в доменную печь, должна быть достаточно "богатой" (содержать много железа и минимум пустой породы), легко отдавать железо; куски ее должны быть определенного размера. Очень важно также, чтобы состав руды, загружаемой в течение длительного времени в доменную печь, был однородным (по возможности усредненным), так как любые колебания состава сырья, поступающего на завод даже с одного месторождения, приводят к нарушению привычного ритма, изменению режима работы печи. Все эти требования, предъявляемые к руде, стараются учесть в процессе подготовки ее к плавке. Подготовка включает в себя дробление, сортировку, усреднение, обогащение, окускование и другие операции.
1.2 Измельчение руды
Желательно, чтобы куски руды, поступающие в печь, были определенного размера (от 30 до 100 миллиметров в поперечнике). Если они очень большие, то для их расплавления требуется много времени, из крупных кусков труднее извлечь (восстановить) железо. Кроме того, в доменной печи между большими кусками руды остаются пустоты, в результате чего полезный объем печи используется не полностью. Поэтому руду, добываемую в виде больших кусков, направляют на дробление.
Дробят руду на конусных или щековых дробилках (Дополнение 1). В этих дробилках руда попадает в пространство между двумя металлическими очень прочными конусами или щеками. Один конус или щека подвижны, вторые закреплены неподвижно. Как гигантские челюсти, то смыкаясь, то размыкаясь, они крошат, "перемалывают" руду, помогают улучшить "пищеварение" домны. Руду загружают в дробилку сверху, а выгружается она снизу, где сортируется.
Измельчают руду и в шаровых мельницах - в огромных, сваренных из металлического листа барабанах, заполненных шарами из твердой, износостойкой, легированной марганцем стали. Эти шары перекатываются, размалывают, а затем истирают куски загружаемой в барабаны руды. Загружают руду в барабан с одного конца, а выгружают с противоположного. Из дробилок и шаровых мельниц раздробленная руда поступает на сита, ячейки которых пропускают только куски нужного размера. Иногда руду приходится просеивать несколько раз. Как правило, применяют не неподвижные сита, а встряхиваемые - так называемые грохоты, на которых просеивание более эффективно.
1.3 Повышение калорийности
Содержание железа в рудах колеблется в очень широких пределах: от 25 (бедные руды) до 65 - 70% (богатые руды). Чем меньше железа в руде, а следовательно, больше пустой породы, тем невыгоднее ее использовать, тем меньше производительность доменной печи, больше расход топлива, выше стоимость выплавляемого чугуна. Чтобы всего этого избежать, бедную руду обогащают, предварительно измельчив. Обогащают руду различными способами. Но все они сводятся к удалению пустой породы и, значит, к увеличению содержания в руде железа. Руды цветных металлов большей частью подвергают флотации, которую в небольшом объеме используют и в черной металлургии. Этот способ обогащения основан на различной смачиваемости частиц пустой породы и кусочков, содержащих металл (Дополнение 2).
Флотация обрела право на существование где-то в конце XIX - начале XX века, когда в производстве металла произошел большой скачок. В какой стране и как додумались до флотации, сказать трудно, но из поколения в поколение передается легенда о том, что флотация была открыта прачкой. Жена рабочего медного рудника, стирая одежду мужа, в которой он работал в забое, обратила внимание на странное явление: частицы руды, в которых было много меди (более блестящие), оказались на поверхности - запутались в мыльной пене, а примеси усели на дно лохани. Патент на свое открытие женщина, конечно, не взяла, и ее имя осталось неизвестным. Осуществляют флотацию в специальных ваннах, куда подают пульпу - измельченную руду вместе с водой. Через эту пульпу продувают воздух, пузырьки которого обволакивают, подхватывают частицы металла и выносят их на поверхность, а пустая порода оседает на дне ванны. Увлекать за собой металл пузырькам воздуха помогают различные химические вещества - реагенты, также подаваемые во флотационные ванны.
Как правило, в рудах черных металлов (железных) содержание основного компонента гораздо выше, чем в цветных. Но и их иногда приходится обогащать. И если в цветной металлургии обогащение - одна из основных стадий передела, то в черной - это операция побочная, но имеющая немаловажное значение. Наиболее распространена в черной металлургии электромагнитная сепарация, основанная на магнитных свойствах железных руд, которой подвергают предварительно измельченные железные руды как в сухом, так и увлажненном виде. Устройство магнитного сепаратора очень простое: обогащаемая руда, сухая или в виде пульпы, подается транспортерной лентой на барабан, внутри которого размещен электромагнит. Когда барабан вращается, создается магнитное поле; проходя через него, руда разделяется на кусочки с большим содержанием железа, притягиваемые к ленте, и пустую породу. После обогащения и сушки руда оказывается в пылевидном состоянии, и ее приходится снова превращать в кусочки. Богатые кусковые руды не обогащают, а только усредняют по химическому составу, как правило, на рудном дворе доменного цеха, а иногда на горно-обогатительных комбинатах там, где руду добывают. Усредняют ее при помощи мостового крана, на крюке которого подвешен огромный "краб" - грейфер. Сжимая и разжимая свои "щупальцы", грейфер захватывает ими тонны руды и укладывает ее тонкими слоями в штабеля, переносит руду из одного закрома в другой. Со стороны это может показаться ненужным, "переливанием из пустого в порожнее", но на самом деле это очень ответственный процесс. Руду перемешивают и выравнивают, усредняют не только ее химический состав, но и гранулометрический (разбирают по крупности кусков).
1.4 Агломерация пылеватых железных руд
После дробления крупных кусков руды остается много мелочи, да и в газоочистителях доменного цеха скапливается выносимая из печи рудная пыль. Кроме того, не всегда руду добывают в виде крупных кусков, ведь существует большое количество пылеватых железных руд. Такую руду, так же как и концентраты, полученные при обогащении, нельзя подавать непосредственно в домну, потому что в этом случае большая часть ее снова окажется в газоочистителях, а в доменной печи пылеватая руда будет слеживаться, забивать поры, препятствовать проходу газов и затруднять протекание всех физико-химических процессов. Поэтому мелкую руду укрупняют - направляют на окомкование или агломерацию (спекание) (Дополнение 3). Для окомкования увлажненную пылеватую руду смешивают со связующим материалом и на вращающихся тарелках - грануляторах - получают определенной величины шарики-окатыши, которые затем обжигают в созданных специально для них обжиговых печах. На современных заводах черной металлургии пылеватую руду в основном подвергают агломерации, т.е. ее спекают на спекательных, или, как их иначе называют, агломерационных машинах. Основная часть такой машины - металлический конвейер, каждое звено которого - паллета - представляет собой решетку. На этот конвейер из бункера сверху подают пылеватую увлажненную (чтобы не разлеталась) руду, смешанную с небольшим количеством топлива - кокса (5-8 процентов). Ведь для спекания необходима высокая температура. В эту же смесь добавляют немного обожженного известняка (3-6 процентов от массы шихты), чтобы полученный спек - агломерат - потом легче плавился в домне. Конвейер проходит над мощными вентиляторами (эксгаустерами), которые протягивают (просасывают) через толщу загруженной руды воздух. Кокс, входящий в состав смеси, начинает гореть, руда разогревается, развиваются высокие температуры и руда из мелкой, пылеватой превращается в агломерат - прочную пористую массу. Доменная печь, в которой потом используют полученный офлюсованный агломерат, дает больше чугуна, т.е. работает более производительно; кокса при этом расходуется гораздо меньше, следовательно, домна работает экономичнее.
1.5 Выплавка и очистка от примесей
Все процессы производства металла - его выплавка и очистка от примесей - протекают при высоких температурах, для создания которых затрачивают большие количества твердого, жидкого и газообразного топлива. Кроме того, обработка уже готового металла (прокатка, ковка, термическая обработка и другие операции), как правило, связана с предварительным нагревом металла (Дополнение 4). К металлургическому, как и вообще к любому топливу, используемому в конкретном технологическом процессе, предъявляют особые требования - ведь оно не только источник тепла, но и непосредственный участник химических реакций.
Ценность металлургического топлива, как и всякого другого, определяется количеством тепловой энергии, заключенной в единице его объема, - теплотой сгорания. Поэтому, выбирая вид топлива, учитывают и его экономичность, и величину топливных запасов, и удобство транспортировки, и влияние на окружающую среду, и многое другое. Так, топливо, загружаемое в доменную печь, должно быть прочным (выдерживать большие нагрузки при транспортировании и не истираться в самой печи), пористым (не препятствовать проходу газов, движущихся в домне), достаточно чистым (содержать как можно меньше золы и серы).
Много столетий подряд топливом для выплавки металла был древесный уголь. Валили лес, складывали в кучи, прикрывали дерном и обжигали его, а затем в корзинах доставляли к доменным печам. Уничтожали огромные лесные массивы, а получали немного, правда, чистого (содержащего мало золы и вредных примесей), но очень непрочного, не пригодного для высоких доменных печей, дорогого топлива. Поэтому, как только чугун начали выплавлять в печах большого объема, металлургам пришлось срочно искать, чем же заменить древесный уголь. Таким топливом стал кокс: чтобы получить его, специальные коксующиеся сорта каменного угля нагревают до высокой температуры без доступа воздуха (подвергают сухой перегонке).
В отличие от угля, из которого производят кокс, он прочен, порист, в нем меньше золы и летучих соединений. Коксование осуществляют на коксохимических заводах. Оно, как правило, входит в полный металлургический цикл. Так же как и руду, уголь перед коксованием обогащают - избавляются от большей части минеральных примесей (золы). Спекают уголь в специальных вертикальных печах, соединенных в целые батареи, которые представляют собой ряд одинаковых камер, примыкающих одна к другой. Выглядят они снаружи как стоящие на книжной полке книги-великаны высотой до 7 метров, шириной до 450 миллиметров, в "переплетах" которых сжигают газ. В каждой батарее от 60 до 77 камер. Предварительно измельченный уголь в загрузочном вагоне подают в коксовальную камеру, где его нагревают без доступа воздуха до температуры 1000-1100°С.
Коксование протекает в несколько стадий. Вначале при температуре 200-350°С входящие в состав угля вещества начинают разлагаться, затем уголь размягчается, становится пластичным, и при температуре 450-500°С происходит более глубокое разложение - образуется полукокс (густая и вязкая масса), а при 1000 - 1100°С эта масса спекается в твердый и прочный кокс. Процесс спекания продолжается 12-14 часов. Все рассчитано и предусмотрено: и время спекания, и ширина, и высота камер. Как у хорошей хозяйки, все заботы технологов направлены на то, чтобы коксовый пирог пропекся. Открывается дверь печи, специальный выталкиватель помогает выгрузить пирог в тушильный вагон. Затем кокс охлаждают, сортируют и направляют в доменный цех. Но чего только не получают, кроме кокса, на коксохимических заводах - около 80 различных продуктов! А они в свою очередь являются исходным материалом для изготовления самых разнообразных веществ, в которых нуждаются различные отрасли промышленности, сельское хозяйство, транспорт! Например, коксовый газ. Для него характерна высокая теплота сгорания (при сгорании одного кубического метра этого газа выделяется до 4500 килокалорий тепла), что позволяет использовать его в качестве топлива тут же на металлургическом заводе. Но горит коксовый газ сильно коптящим пламенем. Поэтому его смешивают с доменным газом (тем, который получают при производстве чугуна - газом с довольно низкой теплотой сгорания) и используют для отопления мартеновских печей и нагревательных печей прокатных станов - так называемых нагревательных колодцев, применяют для нужд коммунального хозяйства и бытовых нужд - нагрева воды и приготовления пищи - в тех районах, где нет природного газа и поблизости расположен коксохимический завод. Основным потребителем продукции коксования каменных углей является та самая черная металлургия, с которой мы знакомимся на страницах нашей книги, - около 90 процентов выпускаемого кокса и 60 процентов коксового газа забирает она. Коксохимические продукты требуются и для химической промышленности; например, из бензола, фенола, нафталина, антрацена и других веществ получают до двух тысяч различных красителей. Химико-фармацевтическая промышленность вырабатывает из продуктов коксования множество лекарств и дезинфекционных препаратов. Знакомые всем нам аспирин, нашатырный спирт, карболка, нафталин - ведь они тоже из угля! Различные продукты коксования используют в промышленности пластических масс - при производстве синтетического каучука, кожи, искусственного волокна.
На некоторых химических заводах для получения серной кислоты используют серу, содержащуюся в сероводороде коксового газа. Серу направляют и в целлюлозно-бумажную промышленность, и на изготовление взрывчатых (используемых в мирных целях) веществ. Сюда же поступают чистые бензол и толуол. Для предохранения от гниения деревянные конструкции покрывают каменноугольным лаком, а деревянные железнодорожные шпалы, телеграфные и телефонные столбы пропитывают шпалопропиточным маслом. В текстильной промышленности применяют роданистый аммоний, в пищевой для консервирования - бензойную кислоту, в парфюмерной - чистый толуол, феноло-крезолы и другие соединения - для производства душистых веществ. В животноводстве в качестве дезинфицирующих средств используют креолин, лизол. Не менее важный потребитель продуктов коксования - сельское хозяйство. Перерабатывая небольшое количество аммиака, содержащегося в коксовом газе, в сульфат аммония, получают искусственные азотные удобрения. Тот же роданистый аммоний используют для изготовления препаратов по борьбе с вредителями сельскохозяйственных культур. А аммиачная селитра, а средства для защиты растений, а ядохимикаты для борьбы с сорняками и вредителями сельского хозяйства - и все из угля! Все, что дает нам коксохимическое производство, перечислить невозможно. Роль этой отрасли промышленности в нашем народном хозяйстве, отрасли, входящей в полный металлургический цикл, трудно переоценить.
1.6 Строение доменной печи
Чугун выплавляют в особых печах, называемых доменными. Доменная печь представляет собой огромную башню (высота ее достигает 36 метров), состоящую из двух усеченных конусов, примыкающих широкими основаниями к невысокому цилиндру. Снаружи печь заключена в металлический кожух, изнутри выложена специальным, выдерживающим воздействие высоких температур огнеупорным кирпичом. В верхней части домны - колошнике - размещены трубы, по которым из печи отводятся образующиеся в ней газы; здесь же расположен состоящий из двух поочередно опускающихся конусов загрузочный аппарат, который бережно передает сырье в доменную печь, равномерно его там распределяет и преграждает путь вырывающимся из печи газам (Дополнение 5). За колошником расположена шахта. Это наибольшая часть печи, ее высота 21 метр (поэтому домну относят к печам шахтного типа). Шахта опирается на распар - цилиндрическую самую широкую часть печи. Диаметр распара домны объемом 5000 кубических метров составляет 16 метров. Затем домна снова сужается в части, которая называется заплечиками.
Нижняя часть домны - горн. Диаметр горна мощной доменной печи объемом 5000 кубических метров достигает 15 метров. Это самая важная, если так можно сказать, самая нагруженная часть домны. Здесь находятся отверстия - фурмы, через которые подают воздух. В горне же сжигают топливо, в нем скапливаются жидкие чугун и шлак. В этой части печи размещены и выпускные отверстия - летки (чугунная ниже, шлаковая выше, так как шлак легче). Поэтому устройству горна уделяют исключительное внимание. Толщина его стенок достигает 1,5 метров. Вся доменная печь покоится на огромном железобетонном фундаменте. В доменной печи развиваются очень высокие температуры. Против их воздействия не всегда могут устоять даже самые огнестойкие огнеупорные материалы. Поэтому нижнюю часть печи, где температура выше, охлаждают. В огнеупорную кладку вставлены металлические плиты - холодильники, а в них заложены тоже металлические трубки - змеевики, по которым проходит вода. На охлаждение домны расходуется колоссальное количество пресной воды - до 30 кубических метров при выплавке 1 тонны чугуна "выпивает" современная доменная печь. Современный металлургический комбинат расходует воды больше, чем город с населением в 100-200 тысяч человек.
Обычно на заводе охлаждающая вода циркулирует по замкнутой системе, т.е. для охлаждения используют одну и ту же воду. Рядом с доменным цехом бьют сотни фонтанов - зрелище, по красоте не уступающее фонтанам Петродворца. Это брызгала. Вода, вобравшая тепло кладки доменной печи, разбрызгивается, охлаждается, собирается в бассейны и снова спешит на помощь домне. Но кладку некоторых доменных печей охлаждают не холодной водой, а паром, применяя испарительное охлаждение. Кипящая вода, подаваемая в холодильники, испаряется, причем тепло, необходимое для этого процесса, отбирается у огнеупорной кладки доменной печи, тем самым охлаждая ее. При испарении 1 килограмма воды от охлаждаемого элемента печи отнимается 539 килокалорий тепла. Получаемый пар используют в котлах-утилизаторах.
1.7 Подача воздуха в печь
В доменную печь непрерывно загружают агломерат или другие железорудные материалы, топливо, флюсы - те самые три основных "блюда", о которых мы уже знаем. Материалы эти всегда подают в определенной пропорции, печь всегда заполнена шихтой. Одновременно в ней находится до 7000 тонн материалов - 120 железнодорожных вагонов. Сама конфигурация печи способствует "подпиранию" шихты. Да и воздух, подаваемый в печь для сжигания топлива, поступает под давлением, и шихта как бы держится на воздушной подушке. Домна "вдыхает" огромное количество воздуха. И зачастую ее не устраивает обычный воздух, а требуется обогащенный кислородом (Дополнение 6).
На одну тонну чугуна расходуется от 2500 до 3500 кубических метров воздуха (до 8000 кубических метров в одну минуту). Такая масса холодного воздуха охлаждала бы печь, снижая ее производительность, увеличивая расход топлива, нарушая нормальное течение технологического процесса. Чтобы избежать этих неприятностей, металлурги нагревают воздух перед подачей его в печь до температуры 1200°С и выше в воздухонагревателях (или как их называют по имени изобретателя - кауперах). Воздухонагреватели располагают рядом с доменной печью. Они представляют собой башни высотой до 50 метров. Снаружи, как и доменная печь, воздухонагреватель закрыт металлическим кожухом (наружный диаметр его составляет 9 метров), изнутри он как бы разделен на две части: камеру горения и часть, заполненную огнеупорной насадкой (ребристой поверхностью из огнеупорного материала).
В камере горения сжигают топливо. Образующиеся при этом продукты сгорания пропускают через огнеупорную насадку, которой они отдают свое тепло. Постепенно насадка раскаляется. Когда она нагреется до достаточно высокой температуры, подачу топлива прекращают. С противоположной стороны мощными воздуходувными машинами в воздухонагреватель начинают нагнетать холодный воздух, который, проходя через раскаленную насадку, забирает ее тепло, нагревается, выходит из воздухонагревателя и направляется к огромному кольцевому воздухопроводу, опоясывающему доменную печь. Его называют фурменным поясом. Отсюда по специальным ответвлениям (рукавам) через фурмы воздух равномерно вдувается в домну.
Так как для нагрева насадки воздухонагревателя требуется определенное время, то для бесперебойного снабжения горячим воздухом возле каждой доменной печи их устанавливают несколько (три для одной печи или семь для двух). Одни воздухонагреватели еще нагреваются, а другие уже работают (нагревают воздух). Воздух для охлаждения доменной печи берут непосредственно из атмосферы. Его влажность в течение года колеблется в очень широких пределах, а это неблагоприятно сказывается на работе печи. То идут дожди или снег, и в печь попадает слишком много влаги, то жарко, дует суховей и воздух очень сухой. Чтобы избежать этих резких колебаний, металлурги решили увлажнять дутье, т.е. добавлять в него постоянно определенное количество влаги в виде пара (до 25 - 30 граммов на один кубический метр дутья). Оказалось, что при этом в горне под воздействием высоких температур попадающая в него вода разлагается и не только стабилизирует работу печи: в ней образуется дополнительный восстановитель - водород, который ускоряет реакции восстановления. Итак, домна вдыхает раскаленный увлажненный воздух, а что же выдыхает этот гигант? Оказывается ценное топливо - доменный газ. В сутки домна объемом 5000 кубических метров выдает 27000 тонн колошникового газа (его называют так потому, что выходит он через верхнюю часть печи - колошник). Однако он загрязнен, в нем много рудной и коксовой пыли. Поэтому отсюда его направляют по трубам на очистку в башни-газоочистители, расположенные рядом с печью.
Для освобождения газа от пыли используют различные виды очистки: и сухую, и мокрую, и электростатическую. При сухой очистке частицы пыли осаждаются под действием сил тяжести при изменении скорости и направления движения газа. В мокрых пылеуловителях проходящий по ним газ орошают жидкостью (чаще всего водой), которую разбрызгивают оросительными устройствами. Взвешенные в газе частицы пыли смачиваются, становятся тяжелее и выпадают из движущегося газового потока под действием сил тяжести или инерции. Они собираются на дне газоочистителя или на перегородках в нем - насадках различной формы. Очищать газ можно, воздействуя на него электрическим полем высокого напряжения. В этом случае внутри газоочистителя тем или иным способом располагают электроды, к которым подают электрический ток. Газ, проходящий через газоочиститель, ионизируется, частицы пыли получают определенный электрический заряд и притягиваются к электродам.