Существует два основных способа получения черных металлов

География

§ 8. Черная металлургия

Что такое комбинирование? Где расположены крупнейшие российские месторождения коксующихся углей?

Обеспеченность сырьем. Предприятия черной металлургии занимаются добычей и переработкой железной руды, производством черных металлов. На долю черных металлов приходится 90 % всех металлов, используемых в народном хозяйстве России. Наибольшее применение находят сплавы железа с углеродом (чугун, сталь, ферросплавы). Россия полностью обеспечена железной рудой для черной металлургии. Доля России в мировых разведанных запасах железных руд составляет 32 % (57 млрд т), а ежегодная добыча — 15 % от мировой. Железная руда добывается на месторождениях Курской магнитной аномалии (КМА), Урала, Карелии, Кольского полуострова, Сибири. При этом около 80 % железной руды добывают открытым способом в больших карьерах. 1 /₅ полученной железной руды Россия экспортирует в другие страны.

Марганцевых и хромовых руд в России не хватает, поэтому наша страна вынуждена закупать их в других странах: марганцевую руду — в Казахстане, Украине, Грузии, хромовую — в Казахстане. Коксующийся уголь на предприятия черной металлургии привозят в основном из Кузбасса и Печорского угольного бассейна.

Технология производства черных металлов. Существует два способа получения черных металлов: доменный и бездоменный.

Основа доменной металлургии — это последовательная технологическая цепочка: руда — чугун — сталь — прокат. Чугун выплавляется в доменных печах из железной руды и добавляемой к ней марганцевой руды. Топливом служит кокс, который производится на коксохимических заводах из коксующихся углей (рис. 28, а).

Рис. 28, а. Схема металлургического комбината (доменная металлургия)

В доменных печах при высокой температуре из кокса и кислорода горячего воздуха образуется газ СО, который освобождает железо от кислорода. Восстановленное железо связывается с углеродом — в результате получается чугун, который содержит 2—4 % углерода. Из-за примеси углерода чугун очень хрупок, поэтому при повторной плавке углерод выжигают до 0,2-2 % и получают более прочную сталь. Для повышения качества стали в нее добавляют металлы (ванадий — для устойчивости к вибрации, молибден и кобальт — для жаропрочности, вольфрам и никель — для твердости).

Сталь выплавляют из чугуна и металлического лома в мартеновских печах и в конверторах. В последнее время вместо мартеновских печей все чаще применяется более совершенный кислородно-конверторный способ, при котором в емкость с чугуном и металлоломом вдувают кислород. Плавка в конверторах идет около 30 минут (вместо 8—10 часов в мартене). Стальной прокат производится из стали на прокатных станах.

Бездоменная металлургия (электрометаллургия) — это производство стали методом прямого восстановления железа без использования угля. Источником тепла служит мощный заряд электрической дуги (электрический ток), разогревающий металл до t = 5000 °С (рис. 28, б). Первый в России электрометаллургический комбинат начал действовать в г. Старый Оскол.

Рис. 28, б. Выплавка стали в дуговых электропечах (бездоменная металлургия)

В дуговых электропечах выплавляют сталь высокого качества: металл в дуговой печи не соприкасается с газами и получается более чистым, чем в мартеновской печи. После загрузки металлического лома и других металлов в печь опускают угольные электроды и включают ток. Между электродами и металлом возникает электрическая дуга, благодаря которой через короткое время вокруг углеродов появляются «лужи» расплавленного металла. Наиболее чистые безуглеродные сплавы получают в индукционных печах. Под действием электромагнитного поля металл в печи энергично перемешивается, и химические реакции ускоряются. Сталь, выплавленная в таких печах, однороднее, чем получаемая в мартеновских и дуговых печах. Содержание углерода в ней не превышает сотых, а то и тысячных долей процента.

Типы предприятий черной металлургии и факторы их размещения (табл. 6). Большинство предприятий черной металлургии составляют металлургические заводы полного цикла (комбинаты), на которых осуществляется вся цепочка технологических процессов (чугун — сталь — прокат). Если комбинаты размещены вблизи месторождений железной руды, в их состав входят предприятия по добыче железной руды и обогатительные фабрики. Пустая порода, получаемая при обогащении руды, а также отходы производства металла (шлаки) используются для производства строительных материалов. В состав комбината входит также коксохимический завод, выпускающий кокс.

Для черной металлургии характерна высокая концентрация производства, сложившаяся в советский период. 30 предприятий-монополистов (10 % всех предприятий) производят 2 /₃ общего объема продукции отрасли. Концентрация значительно снижает производственные затраты. Однако при этом увеличиваются транспортные расходы на перевозку готовой продукции, возрастает нагрузка на природу.

Существуют также металлургические заводы неполного цикла: доменные (выплавляют чугун), сталелитейные (выливают сталь), передельные (производят сталь и прокат, часто из металлолома), прокатные (выпускают прокат), трубопрокатные (трубы), заводы по производству ферросплавов (производство сплавов железа с легирующими металлами).

Заводы малой металлургии производят сталь и прокат в литейных цехах крупных машиностроительных заводов.

Рис. 29. Выплавка стали

Передельные заводы тяготеют к крупным машиностроительным центрам, которые одновременно являются основными потребителями металла и поставщиками металлолома. Переплавка лома дает очень большой экономический эффект: 1 т стали, получаемой из металлического лома, стоит в 5—7 раз дешевле стали, выплавляемой из чугуна.

Степень влияния сырьевого, топливно-энергетического, потребительского факторов на размещение предприятий металлургии

Источник

Существует два основных способа получения черных металлов

Основной способ производства черных металлов — получение чугуна из руды и последующая его переработка в сталь. Для получения стали используют также металлолом. В последние годы начало развиваться непосредственное получение стали из железных руд.

Производство чугуна. Чугун получают в доменных печах высокотемпературной (до 1900 °С) обработкой смеси железной руды, твердого топлива (кокса) и флюса. Флюс (обычно известняк СаС03) необходим для перевода в расплавленное состояние пустой породы (состоящей в основном из Si02 и А1203), содержащейся в руде, и золы от сжигания топлива. Эти компоненты, сплавляясь друг с другом, образуют доменный шлак, который представляет собой в основном смесь силикатов и алюминатов кальция, близкую по составу к портландцементу.

Доменная печь — очень большое инженерное сооружение. Полезный объем печи — 2000…3000 м3, а суточная производительность — 5000…7000 т. В печь (рис. 7.1) сверху через устройство 3 загружают шихту, а снизу через фурмы 7 подают воздух. По мере продвижения шихты вниз ее температура поднимается. Кокс, сгорая в условиях ограниченного доступа кислорода, образует СО, который, взаимодействуя с оксидами железа, восстанавливает их до чистого железа, окисляясь до С02. Железо плавится и при этом растворяет в себе углерод (до 5 %), превращаясь в чугун. Расплавленный чугун 9 стекает в низ печи, а расплав шлака 2, как более легкий, находится сверху чугуна. Чугун и шлак периодически выпускают через летки 1 и 8 в ковш. На каждую тонну чугуна получается около 0,6 т огненно-жидкого шлака.

Доменный шлак — ценное сырье для получения строительных материалов: шлакопортландцемента, пористого заполнителя для бетонов — шлаковой пемзы, шлаковой ваты и др.

Чугун главным образом (около 80 ) идет для производства стали, остальная часть чугуна используется для получения литых чугунных изделий.

В зависимости от состава различают белый и серый чугуны. Белый чугун твердый и прочный, содержит большое количество цементита; в сером из-за присутствия кремния цементит не образуется и углерод выделяется в виде графита.

Производство стали. Сталь получают из чугуна и железного металлолома и специальных добавок, в том числе и легирующих элементов, плавлением в мартеновских печах, конверторах или электрических печах.

Рис. 7.1. Схема доменной печи:
1 — летка для выпуска жидкого чугуна; 2 — расплавленный шлак; 3 — загрузочное устройство; 4 — газоотводная труба; 5 — капли расплавленного чугуна; 6 — капли шлакового расплава; 7 — фурма для подачи воздуха; 8 — летка для выпуска расплавленного шлака; 9 — жидкий чугун

Выплавка стали — сложный процесс, складывающийся из целого ряда химических реакций между сырьевой шихтой, добавками и топочными газами. Выплавленную сталь разливают на слитки или перерабатывают в заготовки методом непрерывной разливки.

Изготовление стальных изделий. Стальные слитки — полуфабрикат, из которого различными методами получают необходимые изделия. В основном применяют обработку стали давлением: металл под действием приложенной силы деформируется, сохраняя приобретенную форму. При обработке металла давлением практически нет отходов. Для облегчения обработки сталь часто предварительно нагревают. Различают следующие виды обработки металла давлением: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка.

Наиболее распространенный метод обработки — прокатка; им обрабатывается более 70 получаемой стали.

При прокатке стальной слиток пропускают между вращающимися валками прокатного стана, в результате чего заготовка обжимается, вытягивается и в зависимости от профиля прокатных валков приобретает заданную форму (профиль). Прокатывают сталь в основном в горячем состоянии. Сортамент стали горячего проката — сталь круглая, квадратная, полосовая, уголковая равнобокая и неравнобокая, швеллеры, двутавровые балки, шпунтовые сваи, трубы, арматурная сталь гладкая и периодического профиля и др.

При волочении заготовка последовательно протягивается через отверстия (фильеры) размером меньше сечения заготовки, вследствие чего заготовка обжимается и вытягивается. При волочении в стали появляется так называемый наклеп, который повышает ее твердость. Волочение стали обычно производят в холодном состоянии, при этом получают изделия точных профилей с чистой и гладкой поверхностью. Способом волочения изготовляют проволоку, трубы малого диаметра, а также прутки круглого, квадратного и шестиугольного сечения.

Ковка — обработка раскаленной стали повторяющимися ударами молота для придания заготовке заданной формы. Ковкой изготовляют разнообразные стальные детали (болты, анкеры, скобы и т. д.).

Штамповка — разновидность ковки, при которой сталь, растягиваясь под ударами молота, заполняет форму штампа. Штамповка может быть горячей и холодной. Этим способом можно получать изделия очень точных размеров.

Прессование представляет собой процесс выдавливания находящейся в контейнере стали через выходное отверстие (очко) матрицы. ]J Исходным материалом для прессования служит литье или прокатные заготовки. Этим способом можно получать профили различного сечения, в том числе прутки, трубы небольшого диаметра и разнообразные фасонные профили.

Холодное профилирование — процесс деформирования листовой или круглой стали на прокатных станах. Из листовой стали получают гнутые профили с различной конфигурацией в поперечнике, а из круглых стержней на станках холодного профилирования путем сплющивания — упрочненную холодносплющенную арматуру.

Источник

Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Металлургия — это наука о промышленных способах получения металлов. Различают черную и цветную металлургию.

Черная металлургия — это производство железа и его сплавов (сталь, чугун и др.).

Цветная металлургия — производство остальных металлов и их сплавов.

Широкое применение находят сплавы металлов. Наиболее распространенные сплавы железа — чугун и сталь.

Чугун — это сплав железа, в котором содержится 2-4 масс. % углерода, а также кремний, марганец и небольшие количества серы и фосфора.

Сталь — это сплав железа, в котором содержится 0,3-2 масс. % углерода и небольшие примеси других элементов.

Легированные стали — это сплавы железа с хромом, никелем, марганцем, кобальтом, ванадием, титаном и другими металлами. Добавление металлов придает стали дополнительные свойства. Так, добавление хрома придает сплаву прочность, а добавление никеля придает стали пластичность.

Основные стадии металлургических процессов:

1. Обогащение природной руды (очистка, удаление примесей)
2. Получение металла или его сплава.
3. Механическая обработка металла

1. Нахождение металлов в природе

Большинство металлов встречаются в природе в виде соединений. Наиболее распространенный металл в земной коре — алюминий. Затем железо, кальций, натрий и другие металлы.

Нахождение металлов в природе
Активные металлы — в виде солей	Металлов средней активности — в виде оксидов и сульфидов	Малоактивные металлы -в виде простых веществ
Хлорид натрия NaCl 2. Получение активных металлов Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) классическими «химическими» методами получить из соединений нельзя. Такие металлы в виде ионов — очень слабые окислители, а в простом виде — очень сильные восстановители, поэтому их очень сложно восстановить из катионов в простые вещества. Чем активнее металл, тем сложнее его получить в чистом виде — ведь он стремится прореагировать с другими веществами. Получить такие металлы можно, как правило, электролизом расплавов солей, либо вытеснением из солей другими металлами в жестких условиях. Натрий в промышленности получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция: 2NaCl = 2Na + Cl2 Калий получают пропусканием паров натрия через расплав хлорида калия при 800°С: KCl + Na = K↑ + NaCl Литий можно получить электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl2 (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси): 2LiCl = 2Li + Cl2 Цезий можно получить нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция: Са + 2CsCl = 2Cs + CaCl2 Магний получают электролизом расплавленного карналлита или хлорида магния с добавками хлорида натрия при 720–750°С: Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция: Барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200 °C: 4BaO+ 2Al = 3Ba + Ba(AlO2)2 Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия Al2O3 в криолите Na3AlF6: 3. Получение малоактивных и неактивных металлов Металлы малоактивные и неактивные восстанавливают из оксидов углем, оксидом углерода (II) СО или более активным металлом. Сульфиды металлов сначала обжигают. 3.1. Обжиг сульфидов При обжиге сульфидов металлов образуются оксиды: 2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2 Металлы получают дальнейшим восстановлением оксидов. 3.2. Восстановление металлов углем Чистые металлы можно получить восстановлением из оксидов углем. При этом до металлов восстанавливаются только оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия. Например , железо получают восстановлением из оксида углем: 2Fe2O3 + 6C → 2Fe + 6CO ZnO + C → Zn + CO Оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности до алюминия, реагируют с углем с образованием карбидов металлов: CaO + 3C → CaC2 + CO 3.3. Восстановление металлов угарным газом Оксид углерода (II) реагирует с оксидами металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия. Например , железо можно получить восстановлением из оксида с помощью угарного газа: 3.4. Восстановление металлов более активными металлами Более активные металлы вытесняют из оксидов менее активные. Активность металлов можно примерно оценить по электрохимическому ряду металлов: Восстановление металлов из оксидов другими металлами — распространенный способ получения металлов. Часто для восстановления металлов применяют алюминий и магний. А вот щелочные металлы для этого не очень подходят – они слишком химически активны, что создает сложности при работе с ними. Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием. Например : алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида: 3CuO + 2Al = Al2O3 + 3Cu Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием. CuO + Mg = Cu + MgO Железо можно вытеснить из оксида с помощью алюминия: При алюмотермии образуется очень чистый, свободный от примесей углерода металл. Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей. Например , при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO3) произойдет химическая реакция: 2AgNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + 2Ag Медь покроется белыми кристаллами серебра. При добавлении железа (Fe) в раствор соли меди (CuSO4) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди: CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца: 3.5. Восстановление металлов из оксидов водородом Водород восстанавливает из оксидов только металлы, расположенные в ряду активности правее алюминия. Как правило, взаимодействие оксидов металлов с водородом протекает в жестких условиях – под давлением или при нагревании. CuO + H2 = Cu + H2O 4. Производство чугуна Чугун получают из железной руды в доменных печах. Печь последовательно загружают сверху шихтой, флюсами, коксом, затем снова рудой, коксом и т.д. 1- загрузочное устройство, 2 — колошник, 3 — шахта, 4 — распар, 5 — горн, 6 — регенератор Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, соединенных основаниями. Верхняя часть доменной печи — колошник, средняя — шахта, а нижняя часть — распар. В нижней части печи находится горн. Внизу горна скапливается чугун и шлак и отверстия, через которые чугун и шлак покидают горн: чугун через нижнее, а шлак через верхнее. Наверху печи расположено автоматическое загрузочное устройство. Оно состоит из двух воронок, соединенных друг с другом. Руда и кокс сначала поступают в верхнюю воронку, а затем в нижнюю. Из нижней воронки руда и кокс поступают в печь. во время загрузки руды и кокса печь остается закрытой, поэтому газы не попадают в атмосферу, а попадают в регенераторы. В регенераторах печной газ сгорает. Шихта — это железная руда, смешанная с флюсами. Снизу в печь вдувают нагретый воздух, обогащенный кислородом, кокс сгорает: Образующийся углекислый газ поднимается вверх и окисляет кокс до оксида углерода (II): CO2 + С = 2CO Оксид углерода (II) (угарный газ) — это основной восстановитель железа из оксидов в данных процессах. Последовательность восстановления железа из оксида железа (III): Последовательность восстановления оксида железа (III): FeO + CO → Fe + CO2 Суммарное уравнение протекающих процессов: При этом протекает также частичное восстановление примесей оксидов других элементов (кремния, марганца и др.). Эти вещества растворяются в жидком железе. Чтобы удалить из железной руды тугоплавкие примеси (оксид кремния (IV) и др.). Для их удаления используют флюсы и плавни (как правило, известняк CaCO3 или доломит CaCO3·MgCO3). Флюсы разлагаются при нагревании: и образуют с тугоплавкими примесями легкоплавкие вещества (шлаки), которые легко можно удалить из реакционной смеси: CaO + SiO2 → CaSiO3 Добавить комментарий Отменить ответ Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев. Источник Читайте также:  Холодные блюда способы подачи Оцените статью Вам также может понравиться Ясень семена способ распространения Ясень обыкновенный Fraxinus excelsior – так в ботанической Ярлыки способы создания ярлыков ос windows Создаем ярлыки на рабочем столе Windows Создаем ярлыки Японское удобрение фуджима способ применения Удобрения Фуджима Знаете потрясающее удобрение, палочка Японский чай способ заварки Технология заваривания японского чая Известно, что Правообладателям Политика конфиденциальности Контакты