Металургия

Металургия (произлиза от гръцката дума "металон" - рудник, метал и "ергон" - работа) в първоначалния тесен смисъл на думата означава начин да се добиват метали от руди чрез топене. В съвременния смисъл, металургията е област от науката и техниката, промишлен отрасъл, който обхваща всички процеси за получаване на метали, сплави и изделия от тях с дадена форма и свойства.

В общия случай металургичният производствен процес преминава през три етапа:

- подготовка на рудата - в тази първоначална производствена фаза рудата се обогатява по отношение на търсения метал

С развитието си металургията се е разделила на черна и цветна. Към черната металургия, представляваща около 90% от общата продукция на метали в света, се отнасят сплавите на желязото - чугунът, стоманата и феросплавите. Цветната металургия включва производството на по-голямата част от останалите метали.

Металургията разполага с различни методи за добиване на суровия метал и за неговото по-нататъшно преработване. За добиването на някои метали тези методи се комбинират, т.е. те взаимно се допълват. Основните направления в металургията, които използват тези методи, са: пирометалургията, хидрометалургията, електрометалургията и химикометалургията.

Пирометалургичният метод се свежда до стопяване на рудата и извличането на метала от нея най-често в течно състояние, при което се използва определен вид гориво. Той е най-разпространеният метод в металургията и се прилага главно за получаване на черни метали (чугун и стомана), но така също и за някои цветни метали (черна мед).

Хидрометалургичният метод се прилага за извличане на метала от рудата с помощта на разтворители и следващо утаяване на метала посредством електролиза или по друг начин.

Електрометалургичният метод използва електрическата енергия в две направления:

(1) чрез нейното преобразуване в топлина, която е необходима за стопяване на шихтовия материал в т.нар. електродъгови пещи. В този случай методът може да се разглежда като вариант на пирометалургията;
(2) като източник на химична енергия, която се използва за електролиза на металите от разтвори на техните съединения или на техни стопилки.

Химикометалургичният метод се прилага при метали, притежаващи силна химична активност към кислорода и азота при високи температури (например титан, цирконий, ванадий, тантал ниобий, германий и др.), поради което редукцията на техните оксиди не може да се извърши с помощта на горните методи, а само по пътя на определено химично разлагане на съединенията.

Материалите използвани в металургията по предназначения се подразделят на два основни вида:

- основни материали, от които непосредствено се добива съответния метал;
- спомагателни огнеупорни материали, чрез които се изграждат съоръженията използвани в металургията.


1.1.1. Огнеупорни материали

Огнеупорните материали са вещества, които издържат на високи температури без да се разрушават и без да изменят формата си под действието на определен товар.

В зависимост от условията, при които се използуват огнеупорните материалите, трябва да отговарят на редица изисквания: висока начална температура на размекване и топене, устойчивост при резки изменения на температурата, минимално изменение на обема през време на работа, необходима плътност, малка топлопроводност и устойчивост срещу въздействието на газовете и шлаката.

Пещите се иззиждат с огнеупорни материали, така че свойствата на отделния огнеупорен материал да съответствуват на условията, в които ще работи пещта. Свойствата на огнеупорните изделия оформят тяхната характеристика. В табл.1.1 са поместени основните свойства на огнеупорните изделия.

Таблица 1.1. Свойства на огнеупорните материали.

Огнеупорните материали в зависимост от химичния им състав са класифицирани в табл.1.2.

Таблица 1.2. Класификация на огнеупорните материали по химическа устойчивост.

Огнеупорните изделия се характеризират и по форма, и размери. Различават се нормални и профилни изделия. Нормалните огнеупорни материали имат формата на паралелепипед и размери 230/113/65 mm. Употребяват се огнеупорни материали с по-големи размери 250/123/65 mm и маломерни огнеупорни материали, 170/113/65 mm. Фасонните огнеупорни материали имат най-различна форма. Заводите производители издават каталози на огнеупорните материали по марка и предназначение.

Най-често използвани в черната металургия са доломитови огнеупорни материали и изделия, съставени от спечен раздробен доломит с каменовъглена свръзка. Биват: непечени смолодоломитови огнеупори и водоустойчиви стабилизирани доломитови огнеупори. Непечените доломитови огнеупори съдържат 58-60% калциев окис, 34-38% магнезиев окис и 2-6% топители. Калциевият окис е свободен, бързо хидратира, предизвиква големи обемни изменения при запазване на огнеупорността, поради което изделията трябва да се употребяват в кратък срок след изработването им. Най-голямо и 15-17% силициев двуокис. Изделията имат порьозност 16-20%, якост на натиск 50-60 МРа. Изпичат се при 1550-1600 ºС и се използват в мартенови и електростоманодобивни пещи.


1.1.2. Руди

Рудата е съставена от две части: метална част, представляваща химично съединение на основния добиван метал -оксид, карбонат, сулфид или комплексно съединение, химични съединения на други примесни метали и скална част, състояща се от различни минерали, пясък, глина и други примеси (онечиствания), несъдържащи ценни метали.

Подготовката на рудата се свежда до обогатяването на съответния метал чрез частично извличане на скалния примес, както и привеждането й в удобно за по-нататъшно преработване състояние.

В рудните залежи металната и скалната части са вътрешно свързани. Тъй като инертната част би натоварила неблагоприятно металодобивния процес в термично и химично отношение, то необходимо е скалната част да бъде предварително отстранена от рудата чрез обогатяване.

Желязната руда е природен минерален агрегат, от който се добива желязо или железни съединения. Основни минерали в железните руди са:

- магнетит със съдържание на Fe до 72,4 % и черен до черно-кафяв цвят;

Промишлено значение имат магнетитовите, хематитовите и лимонитовите руди. Сидеритът и другите железни руди, които съдържат под 30% желязо се използват, ако съдържат и други полезни компоненти.

Полезните примеси в железните руди са манган, хром, никел, кобалт, волфрам, а вредните - фосфор (допустимо съдържание от 0,1 до 0,25%), арсен (от 0,005 до 0,1%) и сяра (до 0,25%)


1.1.3. Горива

Източник на топлина в старите пещи са били дървените въглища. Те давали достатъчно висока температура и не съдържали вредни примеси, които при свързването си с желязото биха влошили свойствата му. Но с развиването на доменното производство, изсичането на горите за получаване на дървени въглища достигнало застрашителни размери. При това дървените въглища нямат достатъчна якост. Дори при слаб натиск те се трошат, стават на прах, запълват отворите между късовете руда в пещта и през тях не могат да преминават газообразните продукти на горенето.

Наложило се е да се търси ново гориво, което да дава висока температура на горене и да има достатъчна якост. Подходящ се оказа коксът, който се получава от специални видове коксуващи се каменни въглища. Първият кокс бил получен в Англия, през 1735 г. Тогава е било извършено първото доменно топене с дървесен кокс. Каменните въглища не могат да се употребяват пряко в металургията. Те нямат необходимата якост и най-важното - съдържат много примеси, които са вредни за метала (особено сярата). Въглищата се коксуват в специални пещи - метални камери, затворени херметично и нагрявани отвън с газ. Няколко десетки пещи образуват коксова батерия.

Каменните въглища се смилат предварителнотелно на фин прах и се зареждат в камерите. След това се включват газовите горелки и камерите се загряват до температура 950 -1050 ºС. Тъй като в тях няма достъп на въздух, въглищният прах не изгаря, а претърпява вътрешни изменения - отделят се газообразните съставки, които образуват коксовия газ (55-60% водород, 20-30% метан, 5-7% въглероден оксид, 2-3% въглероден диоксид и др.). Останалият прах се изпича и се получава кокс. Той е много твърд и не се троши във високата пещ, при изгарянето му се получава висока температура, а пористата му повърхност позволява бързо да контактува с горещия въздух. Продължителността на процеса на превръщане на каменните въглища в кокс е 13-18 часа. Коксовият газ се използва не само като гориво, но и като суровина за синтез на амоняка.

Чугунът се добива във висока пещ. Високата пещ (доменна) е с непрекъснато действие и служи за получаване на чугун от желязна руда. Тази пещ работи на принципа на противотока, което означава, че отгоре надолу под влияние на собственото си тегло се движат твърди шихтови материали (руда, кокс и флюси), а в обратна посока се вдухва горещ въздух под налягане, който осъществява горенето и редукцията на желязната руда. Горещият въздух е необходим за по-интензивно нагряване на шихтата преди стопяване. Това позволява разходът на скъпо струващия кокс да се намали и да се повиши производителността на високата пещ. Освен това, за още по-голямо намаляване на разходите от кокс, като източник на топлина в пещта се внася природен газ. Преди да бъде подаден във фурмите, въздухът се нагрява във високи кули, иззидани отвътре с тухли, т. нар. въздухонагреватели (каупери).

Основната част на конструкцията на високата пещ е изработена от ламарина с дебелина 40 mm, облицована отвътре с огнеупорни тухли. В долната си част пещта се охлажда непрекъснато с вода. На фиг.1.1. е представен общ вид на високата пещ.

Фиг.1.1. Общ вид на високата пещ и съоръженията, работещи с нея.

Високата пещ се затваря отгоре с малък и голям конус и след това следват от горе на долу петте й основни елемента - гърло, шахта, распер, плещи (почивка) и огнище (горнило). Високопещните газове се отвеждат от гърлото с газоотводи. Газовете се обезпрашават и се използват за енергетични цели. Част от тях изгарят във въздухонагревателите (каупери), където се подгрява въздухът, подаван във високата пещ през дюзите. В огнището на високата пещ изгаря кокс (а също природен газ или мазут). Получава се висока температура (над 2000 ºС), под действието на която рудата се разтопява изцяло.

За изпускане на добития чугун се използва улей, по който чугунът се разлива в специална кофа или в открити форми. Шлаката се събира в шлакови кофи, монтирани на вагони. Изпраща се за гранулация. Гранулираната шлака се използва като строителен материал.

Основната характеристика на високата пещ е полезен обем, който достига до 5000 m³ и повече. Производителността на тези пещи е 12 000 t в денонощие или всяка минута се произвеждат по 9 t чугун. Височината, която съответствува на полезния обем, е полезна височина на високата пещ. Диаметърът на огнището зависи от производителността и от размерите на другите елементи на пещта. Той достига до около 15 m.

Във високата пещ материалите се насипват в последователност - кокс, руда, прибавки (флюси). При постепенното свличане надолу този ред не се запазва. Материалите се преразпределят и преминават през различни зони на пещта. В тях съществуват различни условия по температура и състав на газовете. Там протичат редица сложни физико-химични процеси и се получава стопеният чугун.

В зависимост от температурите, в отделните зони на пещта протичат последователно следните процеси:

- изпарение на хигроскопичната влага;

При движението си коксът постепенно се загрява, разгаря се и образува въглероден диоксид, който от съприкосновението с кокса в пещта се редуцира до въглероден оксид В резултат на тези реакции в газовата фаза на високата пещ се получава определено количество въглероден оксид и водород. Концентрацията на СО има голямо значение за редукционните процеси на желязната руда.

Под влиянието на високата температура и наличието на СО и С във високата пещ се получава неизбежно овъглеродяване на редуцираното желязо. Въглеродът се свързва с желязото във вид на железен карбид, които се разтваря в металната маса и понижава точката на топенето й. Овъглеродяването на желязото се извършва главно за сметка на въглерода, който се отделя при разпадането на СО. Количеството въглерод, което може да се разтвори в желязото, зависи от наличността на други примеси в него.

Чугуните, добити във висока пещ, съдържат 3-4,5% С, най-често 3,5-4% С. Под 3% С съдържат високосилициевите чугуни, например феросилицият.

Чугун с 4,3% С има най-ниска точка на топене от всички видове въглеродни сплави (1130 ºС) и се нарича евтектичен чугун. Първите капки течен чугун, които се получават във високата пещ, са именно с такъв състав.

Преминавайки през формите за въздух, течният метал се прегрява и се рафинира до известна степен (изгаря част от примесите), така че стопеният чугун обикновено съдържа по-малко въглерод и други примеси, отколкото образуваният се над формите.

Шлаката във високата пещ се получава главно от стопяването на неметалната част на рудата и пепелта от горивото. Образуването на шлаката започва, след като се е завършило редуцирането и овъглеродяването на желязото и след като полученият чугун се е стопил. При нормални условия (правилно разпределение на газовете, подходящи флюси и др.) това се извършва в распера или в горната част на долния конус.

За да може да се отдели напълно шлаката от метала е необходимо тя да има определени свойства, които зависят от нейния състав. За коригиране на тези свойства се използуват прибавките.

По своето предназначение чугуните, които се добиват във високата пещ, могат да се разделят на три групи: чугуни за преработване в стомана, специални чугуни и леярски чугуни.

Чугуните, предназначени за преработване в стомана, съставляват около 80-90% от цялото високо пещно производство.

Специалните чугуни са различни видове чугуни с високо съдържание главно на Si и Mn, каквито са например феросилиций
(12-14% Si), огледален чугун (12-20% Мn), силикошпигел (12% Si и 20% Mn) и фероманган (60-80% Mn). Наричат се общо с името феросплави и служат за прибавяне на съответните елементи в стоманодобивното или леярското производство.

Леярският чугуни се характеризира с високо съдържание на силиций (1,25-4,75% Si) и 0,5-1,3% Mn. Благодарение на по-високото съдържание на силиций, въглеродът в получения чугун не се свързва с желязото, а се отделя под формата на графит, който подпомага последващата механична обработка.

В металургията приложение намира и т.н. миксер. Той представлява цилиндричен или бъчвообразен съд, иззидан отвътре с огнеупорни тухли. Миксерът в металургията служи за:

- събиране, изравняване на химическия състав и температурата на течния чугун;

Металургичният миксер може да бъде активен, характеризиращ се с подгряване на чугуна, което улеснява отделянето на примесите, и неактивен - без или със незначително подгряване. За изливане на чугуна миксера е снабден с механизъм за наклоняване (фиг.1.2.). Металургичните миксери имат вместимост до 2 500 тона.

Фиг.1.2. Металургичен миксер: 1- улей за изливане на чугуна; 2 - отвор за наливане на чугуна; 3 - механизъм за наклоняване.

Двойното преработване, т.е. получаването на чугун от руда във високите пещи, а от чугуна - на стомана в сименс-мартеновите пещи и електродъговите пещи, води до двоен разход на гориво и електроенергия, до необходимостта от двойно повече агрегати.

Поради това сега металурзите се стремят да възприемат подхода на древните майстори, които получавали стоманата направо от рудата чрез редукция с дървени въглища в малки пещи или в тигли. Важно предимство на пряката редукция на стоманата освен голямата икономичност е, че при този процес се избягва "замърсяването" на стоманата със сяра и други нежелани химични елементи, които се съдържат в кокса. Цялата трудност е в това, древният метод да се възроди на нова, промишлена, високопроизводителна основа.

Първото промишлено съоръжение за пряка редукция на желязото заработило през 1911 г. в Швеция. То се ръководело напълно от древния метод. Стоманата се редуцирала от руда чрез ситно смлени дървени въглища в глинени тигли. Само че в пещта били зареждани едновременно 3500 тигли. След това в различни страни се появили и други съоръжения, като все по-често за редуктор не се използвали въглища, а водород, който осигурявал голяма химична чистота на сплавта.

По този метод най-напред рудата се смила в топкови мелници и се смесва с вода. Тази смес, наречена пулп, се изпраща по тръбопроводи в цех за гранулиране, където рудата се превръща в гранули със съдържание на желязо 67%. След това гранулите постъпват в цех за метализация, където са уредбите за пряка редукция. Всяка уредба представлява вертикална пещ с височина около 60 m и вътрешен диаметър 5 m. В приемните устройства на пещите гранулите се изсипват в непрекъснат поток, а срещу тях отдолу нагоре блика горящ природен газ, съдържащ 90% въглероден диоксид и водород, предварително нагрят до
850-900 ºС. Именно топлината на тези газове и топлината от собственото горене дават необходимата температура за метализирането на гранулите. Както в древните пещи, така и тук рудата (гранулите) не се стапя, а се редуцира в твърдо състояние. Към изхода в долната част на пещта късовете вече са със съдържание на желязо повече от 90%. Те постъпват в други електродъгови пещи, където преминават през допълнителен цикъл на пречистване от примеси. Получената стомана не отстъпва по качество на тази, която се получава във вакуумните електропещи. При това тази стомана е по-евтина и може да се получава в голямо количество.


1.3.2. Индиректни методи за добиване на стомана

По своята същност това са рафинационни методи, които имат за задача да отстранят чрез окисляване до необходимата степен примесите, съпътстващи чугуна (въглерод, силиций, манган, фосфор и сяра).

Окисляването на примесите се извършва както за сметка на кислорода от въздуха, така и за сметка на кислорода от железния окис, при което окисленото желязо се явява преносител на кислород. При рафинирането на чугуна се извършват и обезсерителни процеси. Отделянето на сярата става чрез свързването й в неразтворими или слабо разтворими съединения, които преминават в шлаката.

В съвременното стоманодобивно производство най-голямо приложение намират методите за добиване на течна стомана по индиректен път.

Добиването на стомана в конвертори се характеризира с това, че окисляването на примесите се извършва посредством вдухването на атмосферен въздух или кислород през стопения чугун. Пещта с крушообразна форма, е наречена конвертор. При това рафинационият процес продължава кратко. Топлината, която е необходима за повишаване температурата на метала

Екзотермичните реакции реализират необходимото количество топлина чрез окисляването на силиция, фосфора и мангана и поради това именно тези елементи се използуват като източник на топлина при добиването на стоманата в конвертор. Тази топлина, както е известно, се нарича "химическа топлина" и се прибавя към "физическата топлина", която течния чугунът носи със себе си.

За първи път добиването на стомана чрез продухване на течен чугун с въздух е било предложено от Хенри Бесемер през 1855 г., който по-късно е конструирал и пещ за тази цел.

Бесемеровият конвертор се използва за преработване на чугун с повишено съдържание на силиций (0,9-1,75%) и понижено съдържание на сяра (до 0,05%) и фосфор (до 0,06%). Получената стомана има добра обработваемост, заваряемост и висока якост, но е по-крехка и има повишена склонност към стареене.

Томасовият конвертор се използува за преработване на чугуни с повишено съдържание на фосфор (1,6-2,2%). Получената стомана има добра заваряемост, обработваемост и износоустойчивост, но повишена склонност към стареене.

Конверторът (фиг.1.3) представлява съд с крушообразна форма, който се закрепва посредством две шийки върху стойки, така че може да се завъртва около хоризонтална ос. Кожухът на пещта се изработва от горещо валцована ламарина, и има три части: цилиндрична част, горен конус 5 (шлем) и сменяемо дъно 3.

Фиг.1.3. Схема на конвертор: 1- корпус; 2-лагери; 3 - сменяемо дъно; 4- опорен пръстен; 5 - похлупак.

Кислородно-конверторният метод отстранява главните недостатъци на Бесемеровия и Томасовия метод, които са използвани в миналото. Кислородните конвертори се строят с вместимост от 20 до 300 t (като най-често разпространената конструкция е около 150 t). Облицовката на конвертора е основна (изработва се от доломитни тухли). Кислородът най-често се вдухва с помощта на вертикална водоохлаждаема тръба, на края на която е разположена медна водоохлаждаема дюза. Първоначално при наклонено положение на конвертора се насипва твърдата шихта и се налива течният чугун, след което конверторът се изправя в работно положение. Спуска се тръбата с дюзата и се подава кислород с налягане около 1 MPa. В кислородния конвертор за образуването на основна шлака се прибавя варовик, примесен с известно количество боксит или флусшпат. Заедно с варовика в конвертора се поставя желязна руда, която служи като охладител на процеса и ускорява шлакообразуването.

Последователността на окисляването на примесите може да бъде различна в зависимост от състава на изходния чугун и на добавяната шихта. Точно разделени отделни периоди тук не могат за се разграничат, тъй като окислеиието на въглерода и фосфора се извършва едновременно. Това от своя страна дава възможност продухването да се прекрати, когато се получи зададеното количество въглерод при достатъчно ниско съдържание на фосфор и сяра. След окисляване на примесите стоманата се довежда до желания състав, дезоксидира се и след изливане на шлаката се излива в разливната кофа. Механичните качества на стоманата, получена в кислороден конвертор, не отстъпват по механични качества на стоманата, добита в сименс-мартенова пещ. Продължителността на продухването в 100-тонен кислороден конвертор е 14 -18 min, а общата продължителност на добивния процес (зареждане, продухване и разливане) трае около 45 min. В кислородните конвертори всички процеси са автоматизирани. През 1980 г. частта на стоманата, получена в такива конвертори, е била повече от 50% от световния добив.