30. Классификация сырья и его добыча

1. Классификация сырья и его добыча	3
2. Технологическая схема получения стали	5
Список литературы	12

30. Классификация сырья и его добыча
Сырье классифицируется по видам на топливо (нефть, природный газ, уголь, сланцы, торф), руду (железная, марганцевая, цветные благородные и редкие металлы, радиоактивные элементы), неметаллические ископае­мые и местные стройматериалы (мрамор, гранит, асбест, мел, доломит, кварцит, каолин, глина, гипс, мергель, полевой шпат, извест­няк), горно-химическое сырье (апатиты, калийные соли, нефелин, селитра, серный колчедан, борные руды, фосфатное сырье), гидроминеральное сырье (генеральные подземные воды, вода для водоснабжения и других целей).

По способу добывания классифицируют сырье, добываемое открытым способом (карьерное сырье) и закрытым способом (шахтное и скважинное сырье).

Все полезные ископаемые, которые залегают на поверхности Земли или сравнительно неглубоко, добываются, как правило, открытым способом — из котлованов, именуемых карьерами или разрезами. Большие карьеры достигают протяженности в несколько километров и глубины в сотни метров.

Открытым способом добывают почти все строитель­ные материалы и торф, примерно 2/3 руд (больше всего железных и медных), примерно 1/3 угля.

Для добычи твердых полезных ископаемых, зале­гающих на большой глубине, сооружают подземные предприятия — шахты.

Жидкие полезные ископаемые и природный газ извлекают из земных недр с помощью скважин, по трубам. Этим же способом удается добыть часть ка­менной соли и серы. Соль предварительно раство­ряют под землей, накачивая в скважину воду, а серу расплавляют горячим паром.

Иногда даже некоторые цветные металлы (литий, медь) извлекают из-под земли с водой. Литий, например, добывают из минеральных вод, в которых растворены его соединения. На некоторых рудниках из подземных вод осаж­дают медь, которая растворилась в воде благодаря осо­бым бактериям, превратившим нерастворимые со­единения меди с серой в растворимую сернокислую медь — медный купорос.

Германий считают выгодным добывать из золы тепловых электростанций. Этот ме­талл был когда-то собран из почвы растениями, превратившимися потом в каменный уголь.

Нефть и газ добывать проще и дешевле, чем уголь. Главная машина для добычи нефти и газа — буровой станок. Преобладающий способ бурения — роторный, при котором буровая скважина высверливается. К вышке подвешена стальная труба. Ее вращает ротор. На нижнем конце трубы — бур. По мере того как буровая скважина становится глубже, трубу удлиняют. Чтобы разрушенная порода не забила буровую скважину, в нее насосом через трубу нагнетают глинистый раствор. Раствор промывает буровую скважину, несет с ней вверх по щели между трубой и стенами буровой скважины размытую глину, песчаник, известняк. Одновременно плотная жидкость поддерживает стенки буровой скважины, не давая им обрушиться.

Завод для подземной добычи угля и руды называется шахтой, для открытой — карьером. Шахта начинается с глубокого колодца или наклонного туннеля — ствола. Ствол шахты углубляют сверху вниз, постоянно укрепляя стенки, чтобы они не обваливались. Проходчики шахтных стволов работают с перфораторами. Взорванную породу грузят в стальные бадьи грейферами. Установленные наверху над стволом подъемные машины вытягивают камень в бадьях на поверхность. Крепят стенки шахтных стволов бетоном, или железобетоном, или тюбингами.

Иногда стволы бурят как обычные буровые скважины. Но для этого нужны очень сложные и громоздкие агрегаты, и бурить стволы удается пока только в сравнительно мягких породах. Назначения ствола — подъем полезного ископаемого, спуск и подъем в шахту людей и машин, подача в шахту свежего воздуха.

Внизу от ствола в разные стороны отходят подземные коридоры — штреки. В них положены рельсовые пути или установлены конвейеры. По этим штрекам к шахтному стволу подвозят уголь или руду.

Почти все работы в шахте выполняют машины. На разных шахтах они бывают разными, в зависимости от того, какое полезное ископаемое добывают под землей — сравнительно мягкое или более твердое. Например, каменный уголь можно резать. А твердую железную или медную руду приходится взрывать. В подземном забое угольной шахты работают разные машины: горные комбайны, врубовые машины, угольные струги. Горный комбайн кроме режущего устройства снабжен механизмом для погрузки угля на конвейер.
^

39. Технологическая схема производства стали

Кислородно-конвертерный процесс. В последние десятилетия производство стали революционизировалось в результате разработки кислородно-конвертерного процесса (известного также под названием процесса Линца-Донавица). Этот процесс начал применяться в 1953 г. на сталеплавильных заводах в двух австрийских металлургиче­ских центрах — Линце и Донавице.



В кислородно-конвертерном процессе используется кислородный конвертер с основ­ной футеровкой. Конвертер загружают в наклонном положении расплавленным чугуном из плавильной печи и металлоломом, затем возвращают в вертикальное положение. После этого в конвертер сверху вводят медную трубку с водяным охлаждением и через нее направляют на поверхность расплавленного железа струю кислорода с примесью порошкообразной извести (СаО). Эта «кислородная продувка», которая длится 20 мин, приводит к интенсивному окислению примесей железа, причем содержимое конвертера сохраняет жидкое состояние благодаря выделе­нию энергии при реакции окисления. Образующиеся оксиды соединяются с известью и превращаются в шлак. Затем медную трубку выдвигают и конвертер наклоняют, чтобы слить из него шлак. После повторной продувки расплавленную сталь выливают из конвертера в ковш.

Кислородно-конвертерный процесс используется главным образом для получе­ния углеродистых сталей. Он характеризуется большой производительностью. За 40-45 мин в одном конвертере может быть получено 300-350 т стали.

В настоящее время большую часть стали во всем мире получают с помощью этого процесса.

Электросталеплавильный процесс. Электрические печи используют главным обра­зом для превращения стального и чугунного металлолома в высококачественные легированные стали, например, в нержавеющую сталь. Электропечь представляет собой круглый глубокий резервуар, выложенный огнеупорным кирпичом. Через открытую крышку печь загружают металлоломом, затем крышку закрывают и через имеющиеся в ней отверстия опускают в печь электроды, пока они не придут в соприкосновение с металлоломом. После этого включают ток. Между электродами возникает дуга, в которой развивается температура выше 3000°С. При такой температуре металл плавится и образуется новая сталь. Каждая загрузка печи позволяет получить 25-50 т стали.

Сталь получается из чугуна при удалении из него большей части углерода, кремния, марганца, фосфора и серы. Для этого чугун подвергают окислительной плавке. Продукты окисления выде­ляются в газообразном состоянии и в виде шлака.

Так как концентрация железа в чугуне значительно выше, чем других веществ, то сначала интенсивно окисляется железо. Часть железа переходит в закись железа:

2Fe+O₂=2FeO.

Реакция идёт с выделением тепла.

Закись железа, перемешиваясь с расплавом, окисляет кремний марганец и углерод:

Si+2FeO=SiO₂+2Fe

Mn+FeO=MnO+Fe

C+FeO=CO+Fe

Первые две реакции экзотермичны. Особенно много тепла выде­ляется при окислении кремния.

Фосфор окисляется в фосфорный ангидрид, который образует с окислами металлов соединения, растворимые в шлаке. Но содер­жание серы снижается незначительно, и поэтому важно, чтобы в исходных материалах было мало серы.

После завершения окислительных реакций в жидком сплаве содержится ещё закись железа, от которой его необходимо осво­бодить. Кроме того, необходимо довести до установленных норм со­держание в стали углерода, кремния и марганца. Поэтому к концу плавки добавляют восстановители, например ферромарганец и другие раскислители. Марганец реагирует с закисью железа и раскисляет сталь:

Мn+FеО=МnО+Fe

Передел чугуна в сталь осуществляется в настоящее время раз­личными способами. Более старым, применённым впервые в сере­дине XIX в. является способ Бессемера.



Способ Бессемера. По этому способу передел чугуна в сталь проводится путём продувания воздуха через расплавленный горя­чий чугун. Процесс протекает без затраты топлива за счёт тепла, выделяющегося при экзотермических реакциях окисления крем­ния, марганца и других элементов.

Процесс проводится в аппарате, который называется по фами­лии изобретателя конвертером Бессемера. Он пред­ставляет собой грушевидный стальной сосуд, футерованный внутри огнеупорным материалом. В дне конвертера имеются отверстия, через которые подаётся в аппарат воздух. Аппарат ра­ботает периодически. Повернув аппарат в горизонтальное положе­ние, заливают чугун и подают воздух. Затем поворачивают аппа­рат в вертикальное положение. В начале процесса окисляются же­лезо, кремний и марганец, затем углерод. Образующаяся окись углерода сгорает над конвертером ослепительно ярким пламенем длиной до 8 л. Пламя постепенно сменяется бурым ды­мом. Начинается горение железа. Это указывает, что период интен­сивного окисления углерода заканчивается. Тогда подачу воздуха прекращают, переводят конвер­тер в горизонтальное положе­ние и вносят раскислители.

Процесс Бессемера обладает рядом достоинств. Он протекает очень быстро (в течение 15 ми­нут), поэтому производитель­ность аппарата велика. Для проведения процесса не тре­буется расходовать топливо или электрическую энергию. Но этим способом можно переделы­вать в сталь не все, а только отдельные сорта чугуна. К тому же значительное количество железа в бессемеровском про­цессе окисляется и теряется.

Значительным усовершенст­вованием в производстве стали в конвертерах Бессемера явля­ется применение для продувки вместо воздуха смеси его с чис­тым кислородом, что позволяет получать стали более высокого качества.

Мартеновский способ. Основным способом передела чугуна в сталь является в настоящее время мартеновский. Тепло, необходимое для проведения процесса, полу­чается посредством сжигания газообраз­ного или жидкого топлива. Процесс получения стали осуществляется в пламенной печи — мартеновской печи.

Примеси, содержащиеся в шихте, окисляются свободным, кислородом топочных газов и кислородом, входящим в состав железной руды, окалины и ржавчины.

Плавильное пространство мартеновской печи представляет собой ванну, перекрытую сводом из огнеупорного кирпича. В передней стенке печи находятся загрузочные окна, через которые завалочные машины загружают в печь шихту. В задней стенке на­ходится отверстие для выпуска стали. С обеих сторон ванны распо­ложены головки с каналами для подвода топлива и воздуха и от­вода продуктов горения. Печь ёмкостью 350 т имеет длину 25 м и ширину 7 м.



Мартеновская печь работает периодически. После выпуска стали в горячую печь загружают в установленной последовательности лом, железную руду, чугун, а в качестве флюса — известняк или известь. Шихта плавится. При этом интенсивно окисляются: часть железа, кремний и марганец. Затем начинается период быстрого окисления углерода, называемый периодом «кипения», — движе­ние пузырьков окиси углерода через слой расплавленного металла создаёт впечатление, что он кипит.

В конце процесса добавляют раскислители. За изменением состава сплава тщательно следят, руководствуясь данными экспресс-анализа, позволяющего дать ответ о составе стали в течение нескольких минут. Готовую сталь выливают в ковши. Для по­вышения температуры пламени газообразное топливо и воздух предварительно подогревают в регенераторах. Принцип действия регенераторов тот же, что и воздухонагревателей доменного про­изводства. Насадка регенератора нагревается отходящими из печи газами, и когда она достаточно нагреется, через регенератор на­чинают подавать в печь воздух. В это время нагревается другой регенератор. Для регулирования теплового режима печь снабжается автоматическими приспособлениями.

В мартеновской печи, в отличие от конвертера Бессемера, можно перерабатывать не только жидкий чугун, но и твёрдый, а также отходы металлообрабатывающей промышленности и стальной лом. В шихту вводят также и железную руду. Состав шихты можно изменять в широких пределах и выплавлять стали разнообразного состава, как углеродистые, так и легированные.

Производительность печей выражается количеством стали, полу­чаемым с одного квадратного метра площади пода печи в единицу времени.



Производство стали в элек­тропечах. Применение электри­ческой энергии в производстве стали даёт возможность дости­гать более высокой температуры и точнее её регулировать. По­этому в электропечах выплав­ляют любые марки сталей, в том числе содержащие тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден и др. Потери легирующих эле­ментов в электропечах меньше, чем в других печах. При плавке с кислородом ускоряется плав­ление шихты и особенно окис­ление углерода в жидкой шихте, Применение кислорода позволя­ет ещё более повысить качество электростали, так как в ней остаётся меньше растворённых газов и неметаллических включений.

В промышленности применяют два типа электропечей: дуговые и индукционные. В дуговых печах тепло получается вслед­ствие образования электрической дуги между электродами и шихтой. В индукционных печах тепло получается за счёт индуци­руемого в металле электрического тока.

Сталеплавильные печи всех типов — бессемеровские конвер­теры, мартеновские и электрические — представляют собой аппа­раты периодического действия. К недостаткам периодических процессов относятся, как известно, затрата времени на загрузку и разгрузку аппаратов, необходимость изменять условия по мере течения процесса, трудность регулирования и др. Поэтому перед металлургами стоит задача создания нового непрерывного про­цесса.


Список литературы.
1. Волчок И.П. Современные технологии производств. 1-4 часть. — Запорожье, 1996.

2. Технология конструкционных материалов: Учебник / Г.А. Прейс и др. — К.: Выща шк., 1991. — 391 с.

3. Технологія конструкційних матеріалів: Підручник / За ред. М.А. Сологуба. — К.: Вища шк., 1993. — 300 с.

4. Технология металлов. / Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф., Третьяков А.В., Арутюнова И.А., Шабашов С.П., Ефремов В.С. Под общей ред. Єфремова В.С. — М.: Металлургия, 1979. — 904 с.