Технология производства черной металлургии

Анализ и экономическая оценка технологий базовых отраслей народного хозяйства

Развитие систем технологических процессов происходит путем выделения и специализации новых технологий и последующей их интеграции в более развитую и совершенную систему.

Новая технология является итогом оригинальных научно-исследовательских разработок, но может быть и результатом использования известных (базовых) технологических процессов из смежных областей.

Базовая технология тесно переплетена и сопряжена со смежными производствами, профессиональным опытом работников, с условиями потребления, человеческими интересами и т.п.

Долгосрочное совершенствование базовой технологии во многих случаях оказывается значительно предпочтительнее коренной перестройки и замены старой технологии на качественно новую. Очевидно, что прогресс в области технологий позволяет получить тот же объем продукции с меньшими затратами труда и капитала. А достигнутое сегодня становится основой достижений и «технологических сдвигов» в будущем. Широкое внедрение технологических нововведений носит название «диффузии» технологий.

Длительная эволюция технологии — это неравномерный процесс. Один из важнейших путей эволюции состоит в со­вмещении двух или более известных технологий, которое по­зволяет упростить систему, интенсифицировать ее и, тем самым, усовершенствовать. В результате в дальнейшем долж­ны появиться принципиально новые технологии.

Эволюцию базовой технологии можно показать на приме­ре технологии крекинга метана:

Применение окислительной атмосферы и электроимпульсно­го воздействия на метан сделало возможным быструю адап­тацию технологической системы к воздействию плазмы — принципиально новой технологии, совмещающей как терми­ческие, так и электрические явления. Такой принцип совме­щения получил название «созидательного симбиоза» и доста­точно широко применяется в производстве.

Важнейшим фактором, способствующим ускорению смены технологий, является компьютеризация, позволяющая автома­тизировать не только производство, но и процесс переноса науч­ных знаний в производство, а также сам процесс получения новых знаний.

Автоматизированные системы научных исследо­ваний, системы автоматизированного проектирования, гибкие автоматизированные производства выступают сегодня элемента­ми системы, позволяющей автоматически формировать новей­шие достижения науки.

Прежде чем дать оценку новым прогрессивным технологиям, показать их особенности и преимущества перед традиционными, необходимо проанализировать техноло­гические системы базовых отраслей промышленности.

Металлургия — отрасль промышленности — система тех­нологических процессов, направленных на производство ме­таллов из их природных соединений (руд) и дальнейшую обработку этих металлов для придания им определенного вида и свойств. В связи с делением металлов на черные и цветные металлургия также делится на металлургию черных металлов и металлургию цветных металлов.

К металлургии черных металлов относятся предприятия, производящие чугун и сталь. Сталь и чугун — это сплавы на основе железа с углеродом, причем в сталях углерода может содержаться не более 2%, а в чугунах — от 2% и выше (до 6,67%).

Кроме углерода и в сталях, и в чугунах присутству­ют так называемые неизбежные примеси (марганец, крем­ний, сера, фосфор), по-разному влияющие на их свойства. Сера и фосфор ухудшают свойства этих сплавов, а потому называются вредными; марганец и кремний являются полезными примесями.

Традиционным процессом производства чу­гуна является доменный процесс, суть которого состоит в восстановлении железа из руд и его науглероживании.

Технологический процесс выплавки чугуна в доменной печи можно представить в виде системы, имеющей входы и выходы:

К технико-экономическим показателям данной технологической системы относятся:

коэффициент использования полезного объема доменной печи:

• где Vпол — полезный объем доменной печи,м3;
• QCyт—производительность печи, т.
• Полезный объем доменной печи — объем занятый исходными материалами (шихтой) и продуктами плавки.

Коэффициент расхода кокса:

1. где А — количество кокса, расходуемое для выплавки Т (тонн) чугуна.
2. Чем ниже эти показатели, тем более эффективно протекает доменный процесс. Анализ технико-экономических показателей позволяет сделать вывод о том, что для повышения производительности технологического процесса и снижения себестоимости чугуна необходимо:
3. 1) усовершенствовать процесс подготовки исходных мате­риалов к плавке (вместо руды применить агломерат и окаты­ши, содержащие повышенный процент железа, пониженное количество вредных примесей и обладающих хорошей восста­новительной способностью);
4. 2) усовершенствовать технологический процесс плавки (произвести частичную замену кокса природным газом, повы­сить температуру и давление вдуваемого в печь воздуха);
5. 3) увеличить полезный объем доменной печи.
6. Главным продуктом доменной плавки является чугун. До­менные чугуны подразделяются на:
7. — передельные чугуны, идущие на переработку в сталь;
8. — литейные чугуны — полуфабрикат для производства ма­шиностроительных чугунов;
9. — ферросплавы — двойные сплавы железа с кремнием и марганцем, используемые для раскисления стали и других нужд металлургии.

Машиностроительные чугуны — чугуны, содержащие уг­лерод в виде графита. В зависимости от формы графитовых включений меняются и прочностные свойства чугуна. Поэто­му чугуны классифицируются и маркируются не по химичес­кому составу, а по механическим свойствам на следующие группы:

1) Ковкий чугун, получаемый путем длительного сту­пенчатого отжига белого чугуна и содержащий углерод в виде графита хлопьевидной формы.

Эти чугуны обладают более высокой пластичностью, чем серые, однако «ковкий» — название условное, обрабатывать чугун давлением нельзя. Маркируется ковкий чугун буквами КЧ (ковкий чугун).

Пер­вое число в марке показывает предел прочности чугуна на растяжения, второе — относительное удлинение, например, КЧ40-10;

2) Серый чугун — широко распространенный деше­вый конструкционный материал, обладающий оптимальными свойствами, содержит графит в форме игл или пластин, на­пример СУ21-40. Первое число означает предел прочности чугуна на растяжение, второе — предел прочности чугуна на изгиб;

3) Высокопрочный чугун обладает повышенной проч­ностью и имеет графит округлой (глобулярной) формы. Мар­кировка: ВЧ 60-2. Первое число — предел прочности чугуна на растяжение, второе — относительное удлинение.

Чугуны применяются в различных областях промышленности: для изготовления деталей машин, приборов, агрегатов, труб, в строительстве промышленных и гражданских зданий, мостов, в машиностроении, приборостроении применяют конструкции, изготовленные из стали. При работе под большими нагрузками (подкрановые балки, каркасы нижних этажей, многоэтажных зданий) стальные конструкции прочнее желе­зобетонных.

По химическому составу сталь делится на углеродистую и легированную.

В зависимости от содержания углерода углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,3% угле­рода), среднеуглеродистые (0,3 — 0,6%С) и высокоуглеродистые (свыше 0,6%С). Низкоуглеродистые применяются в качестве конструкционных сталей, высокоуглеродистые — инструментальных.

Легированные стали, помимо углерода и неизбежных при­месей, содержат еще такие элементы, как хром, никель, титан, молибден, вольфрам, ванадий и др. для придания им особых свойств (жаропрочности, кислотоупорности и т.д.).

Качество стали определяется содержанием в ней вредных примесей серы (S) и фосфора (Р), снижающих ее механические свойства.

Классифицируются стали по качеству, составу и назначению.

Углеродистые конструкционные стали маркируются буква­ми «Ст», затем следует цифра, показывающая содержание углерода С в сотых долях процента, например, Ст 45 (0,45% С). Инструментальные стали маркируются буквой «У».

Цифра в марке показывает содержание углерода в десятых долях процента, например, У13 (1,3% С).

В легированных сталях легирующий элемент обозначают буквой русского ал­фавита; его процентное содержание в стали — цифрой, например XI8H9T (18% Сг; 9% Ni; 1 — 1,5% Ti).

В современной металлургии сталь выплавляют в кисло­родных конвертерах, мартеновских печах и электрических печах (электродуговых и индукционных).

Для повышения качества стали применяют дополнительную внепечную ее обработку — рафинирование, вакуумирование, обработку синтетическим флюсом, электрошлаковый переплав и т.п.

Технологический процесс производства стали можно пред­ставить в виде системы, имеющей входы и выходы:

Анализируя вышеуказанные методы выплавки стали, необходимо отметить преимущественный рост количества стали, выплавляемой в кислородных конвертерах.

Этот метод имеет существенные достоинства перед другими: он более экономичен, так как топлива для передела чугуна в сталь не требуется, а все тепло берется от собственных, протекающих в шихте, реакций; так как шихта продувается кислородом и плавка идет под слоем флюса, сталь получается хорошего качества; метод обладает вы­сокой производительностью. Один конвертер емкостью 250 т дает 1200 тыс.

т стали в год, тогда как мартеновская печь вместимос­тью 500 т — около 400 тыс. т стали в год. В кислородном конвер­тере можно выплавлять низколегированные стали для листового и сортового проката труб, химического оборудования, для электротехнических целей и т.д.

Однако более совершенным ме­тодом производства стали является ее выплавка в электропечах, позволяющих повышать температуру до 6000 °С. Это дает воз­можность получать стали с максимальным удалением вредных примесей (серы и фосфора) и с большим содержанием тугоплав­ких легирующих элементов. Недостаток метода — большая энер­гоемкость процесса, что повышает себестоимость стали.

Мартеновский способ выплавки стали отличается низкой производительностью, большими капитальными затратами, высокой себестоимостью стали. По этой причине мартенов­ские печи частично заменены на конвертеры, остальные — реконструированы в двухванные для улучшения технико-эко­номических показателей. В большинстве развитых стран этот метод выплавки стали вообще не применяется.

К новым технологическим процессам в черной металлур­гии относятся: технологический процесс получения синтети­ческого чугуна в индукционных печах и бескоксовый, бездо­менный процесс прямого восстановления железа.

Новый технологический процесс получения синтетическо­го чугуна в индукционных печах основан на использовании отходов, образующихся на машиностроительных заводах. Ка­чество чугуна, выплавляемого таким способом, высокое, что обеспечивается изотермической выдержкой расплава при до­статочно высоких температурах.

Выплавка чугуна в индукци­онных печах расширяет возможности производства высоко­прочного чугуна различных марок и назначения, а также по­лучения чугуна с шаровидным графитом. Механические свой­ства такого чугуна почти на 100% выше, чем серого.

Достоинствами данного метода являются высокая производи­тельность, снижение себестоимости (по сравнению с тради­ционными способами) на 15 — 25%, уменьшение безвозврат­ных потерь от угара в 6 — 7 раз.

Рассмотрим бескоксовый, бездоменный, метод прямого восстановления железа из железорудных концентратов с помощью водорода или природного газа. Суть этой технологии со­стоит в том, что мелкораздробленный железный концентрат, смешанный с водой, в виде пульпы подают с помощью насосов по трубе с месторождения на металлургический комбинат.

Вода отделяется в специальных отстойниках и вновь поступает в водооборот. Из руды благодаря специальным добавкам и обработке во вращающихся барабанах получают окатыши — комки сферической формы размером 2 — 30 мм. Эти окатыши| направляются в шахтную печь.

Там в процессе взаимодействия с водородом (или природным газом) оксиды железа вос­станавливаются до металла. В результате образуется губча­тое железо — полуфабрикат, содержащий до 85% основного компонента, который отправляется на переплавку в электропечах. Так получают высококачественную сталь.

В результате сокращается технологический цикл (отсутствует доменное и коксохимическое производство), экономятся ресурсы, уменьшается потребность в воде, практически отсутствую вредные выбросы.

Среди принципиально новых методов, позволяющих получать конструкционные материалы, в частности сталь несравненно более высокого качества, с большой надежностью и долговечностью, являются специальные методы рафинирования расплава.

Это — электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП), плазменно-дуговой (ПДП) и электронно-лучевой переплав (ЭЛП), вакуумная индукционная плавка и плазменная плавка.

Общая особенность процессов специальной электрометаллургии состоит в том, что создаются благоприятные условия для рафинирования жид­кой стали с использованием расплавленного токопроизводящего шлака (при ЭШП), вакуума (при ВДП, ВИП и ЭЛП), инертной атмосферы (при ПДП) и перегрева жидкой стали в любом процессе.

Электрошлаковый переплав позволяет значительно повысить пластичность стали, в результате чего упрощается процесс и сокращается трудоемкость горячей обработки дав­лением, в том числе прокатки труб, штамповки и прессовки давлением, в том числе прокатка труб, штамповка и прессова­ние изделий из жаростойких и жаропрочных сталей. С помо­щью ЭШП снижается металлоемкость, экономятся затраты живого труда.

Рассмотрим технико-экономические показатели сталеплавильного производства.

Экономическая эффективность работы конвертера:

• где П — годовая производительность конвертера, т в год;
• Т— масса металлической шихты, т;
• 1440 — число минут в сутках
• a — выход годных слитков, т;
• n — длительность плавки, мин.;
• t — число рабочих суток в году;
• Основным показателем, характеризующим производительность мартеновской печи, является съем стали с одного квад­ратного метра площади пода печи в сутки С (т/м2):

1. где P — суточная производительность, т;
2. S — площадь пода печи, м2.
3. Производительность электропечей определяется по формуле:

• где П — годовая производительность печи, т;
• n — число рабо­чих суток в году;
• Т — продолжительность плавки, ч;
• b — масса металлической шихты на одну плавку, т;
• а — выход год­ных слитков из металла шихты, %.

Себестоимость электростали определяется расходом ме­таллической шихты на одну тонну годных слитков и стоимос­тью передела. Она включает также расход электроэнергии, электродов, огнеупоров, изложниц и зарплату персонала.

Металлургия в России: обзор черной и цветной металлургической промышленности

История металлургического производства на территории нашей страны насчитывает пять тысячелетий. Именно такой возраст насчитывают первые бронзовые предметы, найденные в Европейской части России. Ближе к началу V века нашей эры у славянских племён начинают появляться железные ножи, топоры, плуги, серпы и другие предметы труда и обихода.

Основой металлургии Московского государства вплоть до XVII века был лимонит, так называемое «болотное железо». Разведанных запасов, залегающих на глубине несколько сот метров под землёй, тогда не было, а болота располагались повсеместно. Так же, как и лес, играющий в те времена роль металлургического топлива.

Центрами производства железа того времени были города:

• Новгород.
• Устюг Железный.
• Римов.
• Тула.
• Тихвин.
• Олонец.
• Орешек.

Тем не менее, значительное количество металла закупалось в Швеции и Германии. А добыча и производство цветных металлов до XVII века практически отсутствовала (небольшие медные источники на Печоре и в Олонецком крае не удовлетворяли потребности страны).

Коренным образом ситуация изменилась при Петре Первом, решившим отдать разведку, добычу и переработку руд в частные руки. Хотя первые попытки создания отечественной металлургии Иваном III и Иваном IVГрозным предпринимались и ранее. В этой связи следует упомянуть голландца Виниуса и целую плеяду известных русских промышленников:

• Демидовых.
• Баташевых.
• Ареховых.
• Красильниковых.
• Мосоловых.

Во многом благодаря им возникли Тульские доменные и железоделательные заводы, открылись предприятия на Урале. С развитием металлургического производства, Россия не только избавилась от импорта, но и сама стала крупнейшим производителем, а также экспортёром железа и чугуна.

О чём свидетельствуют следующие показатели:

• 1725 год. Выплавлено 1165 тыс. пудов чугуна, что соответствует показателю более 19 тыс. тонн.
• 1740 год. Россия производит чугуна на 30 тыс. тонн больше, чем Великобритания.
• В 1750 году в Российской империи работают 72 завода по производству железа и 29 медеплавильных заводов.
• 1767 год. 83 тыс. т чугуна.
• 1793 год. 134 тыс. т чугуна, 89760 железа и стали.
• Конец XVIIIвека. Страна добывает и перерабатывает: 2900 т меди, 1300 т свинца, 28,7 т серебра, 0,4 т золота.

В начале и середине XIXвеке темпы роста российской металлургии значительно снизились, что объясняется: установлением государственной собственности на крупнейшие предприятия, и как следствие: нежеланием обновлять и совершенствовать оборудование, устанавливать новые капиталистические отношения.

Производство чугуна и стали на территории Российской Империи в XIX– начале XX веках

Годы	Сталь (тыс. т)	Чугун (тыс. т)
1830	178,72	108,8
1850	222,24	328,0
1870	350,40	221,20
1900	2865,60	2643,20
1913	4884,80	4803,20

Крупные политические события начала XXвека привели к ликвидации добывающей отрасли и остановке предприятий металлургии. Однако, к началу Второй Мировой войны, СССР сумел не только восстановить, но и значительно приумножить, а также модернизировать отрасль.

Внутриполитические и общемировые экономические проблемы конца XX – начала XXI столетия существенно повлияли на производство металла.

Тем не менее, и сегодня Российская Федерация удерживает высокие показатели, оставаясь одним из крупнейших мировых экспортёров данного вида продукции.

Роль в экономике

Металлургия всегда являлась основой экономики, так как без её продукции невозможна работа таких отраслей, как машиностроение, сельское хозяйство, строительство, транспорт, энергетики.

Также велика роль этой отрасли в формировании оборонного комплекса, освоении космического пространства и создании условий для развития самых передовых технологий.

В конечном счёте,именно текущее состояние металлургического комплекса отражает уровень научно-технического потенциала страны и определяет развитие всех отраслей народного хозяйства.

Только на его основе возможно осуществление новых «прорывных» технологий, способных вывести нашу страну на самые передовые рубежи мировой экономики. Потому что именно здесь сегодня создаётся абсолютное большинство материалов, наделённых особыми физико-химическими свойствами без которых невозможно материальное осуществление любых достижений прогресса.

Чёрная металлургия

Одна из основных отраслей, обеспечивающих тяжёлое машиностроение и ряд других министерств:

• Сталью.
• Чугуном.
• Ферросплавами.
• Прокатом.

Чёрная металлургия обеспечивает до 10% промышленного производства страны, при занятости в 385,6 тыс. человек. При этом она является одной из крупнейших составляющих притока иностранной валюты. Так в 2019 году экспорт чёрных металлов принёс в бюджет страны 10,1 млрд. долл.

Особенности производства

Чёрные металлы – это железо, марганец, хром. Ископаемые руды этих металлов богаты содержанием нужного компонента и могут разрабатываться открытым и шахтным способом. Сам процессполучения конечного продукта включает ряд последовательных этапов:

• Добычу и обогащение железной, марганцевой и хромовой руды, а также используемого в производстве нерудного сырья: огнеупорных глин, флюсовых известняков, формовочных материалов.
• Окускование – формирование небольших объёмов сырья с необходимыми для доменной плавки свойствами.
• Выплавка или изготовление: углеродистой стали, чугуна.
• Производство: проката, порошков чёрных металлов.
• Выпуск чугунных или стальных труб.
• Переработка лома и отходов чёрных металлов с целью их вторичного использования.

Непосредственно технологический цикл состоит из таких производств, как:

• Чугунно-доменное.
• Электросталеплавильное.
• Кислородноконвертерное.
• Мартеновское.
• Непрерывная разливка.
• Прокатное.

Предприятия

Крупнейшие предприятия чёрной металлургии:

Цветная металлургия

Отрасль, занимающаяся добычей и производством цветных металлов и их сплавов, в том числе: лёгких, тяжёлых, драгоценных, редких, тугоплавких. По сравнению с чёрной металлургией, её объёмы производства в 20 раз меньше, хотя доля в ВВП равняется 7,8%, что отражается и в количестве персонала, составляющего 193 тыс. человек.

Однако в плане экспорта цветная металлургия значительно опережает чёрную. В 2019 году отрасль поставила на международный рынок:

• Цветных металлов на сумму 11,2 млрд. долл.
• Драгметаллов – на 11,2 млрд. долл. (золота – 124 тонны).
• Проката – на 2,4 млрд. долл.

Особенности производства

К цветным металлам относятся все металлы, кроме железа и его сплавов. Технология их производства представляет определённую последовательность, в которую входят:

• Добыча и обогащение руд.
• Выплавка, а иногда ещё и рафинирование металла.
• Получение передела.
• Изготовление металлопроката.

Отличительными особенностями производства в цветной металлургии выступают:

• Сырьевая «бедность» руд, компенсируемая большим разнообразием сопутствующих элементов.
• Повышенная потребность в исходном сырье, водных и энергетических ресурсах.
• Сложность и многоступенчатость большого количества разнообразных технологических циклов, применяемых при переработке сырья и в процессе получения конечного продукта.

Вполне логично, что такие специфические особенности потребовали создания многопрофильных объединений, подчас сочетающих в себе химию, металлургию и энергетику.

Предприятия

Лидерами цветной металлургии сегодня являются:

Основные принципы размещения

В силу своей специфики, металлургические предприятия следует размещать в непосредственной близости:

• Мест залегания и добычи ископаемых руд.
• Источников и производства топлива: угля, кокса.
• Водных ресурсов.
• Электрических станций.
• Районов потребления готовой продукции.

Немаловажную роль при этом играет развитая транспортная инфраструктура. Производства в обязательном порядке должны быть в той или иной степени обеспечены: железнодорожным, автомобильным транспортом, трубопроводами подачи воды и топлива, а также линиями электропередачи.

Конкурентоспособность отрасли

Формирование конкурентоспособности металлургического комплекса происходит в условиях сложившихся товарно-денежных отношений на международном рынке и внутри страны. Соответственно, на её показатели оказывают существенное влияние следующие факторы:

• Для всей отрасли страны в целом, как поставщика экспортируемой продукции:
• Общая экономическая и политическая ситуация в мире.
• Сложившаяся конъюнктура мирового металлургического рынка.
• Международное законодательство совместно с правовыми нормами стран-импортёров продукции.
• Для отдельной фирмы-производителя:
• Производственно-экономический потенциал.
• Уровень технической оснащённости.
• Место расположения предприятия по отношению к поставкам необходимых ресурсов и организации сбыта готовой продукции или изделий.

Проведённые исследования показывают что отрасль, одной из первых в стране ставшая:

• Реструктуризировать производственные мощности.
• Ликвидировать неэффективное оборудование.
• Выстраивать отраслевые структуры, специализируюсь, а затем объединяясь в полные законченные циклы.
• Наращивать производство наиболее рентабельной и хорошо продаваемой продукции.
• Заниматься снижением издержек.
• Решать вопросы экологии.
• Улучшать социальные условия своих работников.

В целом достигла высокого уровня конкурентоспособности.

Хотя отдельные показатели: расход электроэнергии на единицу продукции (на 20-30% больше, чем в Германии и США); трудозатраты (выше, чем в Германии, США и Японии в 2,5 раза) остаются на очень низком уровне. Что требует дальнейшей работы по обновлению производственных мощностей и оптимизации структуры.

Перспективы развития

Основные перспективы развития российской металлургии открываются за счёт решения двух основных проблем:

• Несоответствия уровня производства требованиям рынка по качественным и количественным показателям.
• Модернизации, которую необходимо проводить с помощью внедрения современных технологий самого высокого научного уровня.
• Наиболее эффективными направлениями в этом плане, являются:
• Дальнейшее преимущественное применение бездоменных способов плавки.
• Более широкое использование вторичных ресурсов. В свете истощения существующих месторождений и трудностей освоения новых, именно это направление является особо актуальным!
• Повышение доли сплавов и другой продукции высокого научно-технологического уровня.
• Внедрение энергоёмких, но в то же время экономичных технологий.
• Ресурсо- и энергосбережение.
• Уменьшение экологического загрязнения.

Все эти направления нашли своё отражение в стратегиях развития металлургического производства на 2014-2020 годы и на перспективу до 2030 года.

Черная металлургия

К черной металлургии относят выплавку чугуна из железных руд, производство стали, проката и сплавов железа и стали с другими элементами (марганец, хром, никель, селен, бериллий и др.).

Технология производства. Руду, поступающую на металлургические заводы, освобождают от пустой породы. На агломерационных фабриках руду дробят, размалывают и засыпают ровным слоем на постоянно движущуюся ленту агломерационной машины вместе с коксом.

Проходя через горелки зажигательного горца, кокс на ленте загорается, что обеспечивает спекание руды и выгорание из нее серы и других примесей.

Спекшаяся руда (агломерат) в хвостовом конце ленты ломается и падает в приемное устройство (бункерные чаши), где охлаждается (тушится) водой или продуванием воздуха.

В доменном цехе агломерат или отмытую руду и другие компоненты шихты (кокс, известняк, доломит и др.) в определенных пропорциях скиповым подъемником загружают в доменную печь, где вследствие горения кокса при интенсивной подаче в печь кислорода происходит восстановительная плавка.

Расплавленный чугун, стекающий в нижнюю часть печи, и более легкий шлак, всплывающий поверх чугуна, периодически выпускают через летки. По специальным канавам на литейном дворе жидкий чугун и шлак стекают в ковши, установленные на железнодорожные тележки.

В этих ковшах чугун транспортируют в сталеплавильный цех или на разливочную машину, где его разливают в изложницы и затем извлекают в виде слитков.

Передел чугуна на сталь производят в мартеновских, конверторных или электросталеплавильных цехах. Процесс варки стали заключается в выжигании углерода и ряда других примесей (серы, фосфора и др.), в результате чего металл теряет хрупкость и приобретает упругость.

Для получения различных сортов стали при ее варке к ней добавляют хром, никель, марганец и др. Готовую сталь выпускают в ковши и разливают на слитки в изложницы или через установку непрерывной разливки. Из изложниц стальные слитки (до 10—15 т) поступают в обжимные станы (блюминги, слябинги).

Обжим изменяет внутреннюю структуру металла, а слитки получают определенную внешнюю форму — так называемые заготовки. Эти заготовки направляют в прокатные станы, где из них прокатывают металл заданного профиля и размера.

На установках непрерывной разливки стали получают уже готовые заготовки, которые направляют сразу на прокатные станы.

Условия труда. Мощное нагревательное оборудование, расплавленный и нагретый металл, шлак и агломерат являются источником конвекционного тепла и лучистой энергии, иногда ультрафиолетового излучения (см.). Инфракрасное излучение (см.

), помимо прямого воздействия на рабочих, нагревает окружающие поверхности, которые становятся вторичным источником тепла. В результате воздух большинства цехов в теплый период года значительно нагревается.

В холодный период года эти тепловыделения, создавая сильный тепловой напор, способствуют интенсивному естественному воздухообмену, в результате чего в некоторых цехах при наличии открытых проемов воздух чрезмерно охлаждается.

Рабочие при выполнении многих операций периодически подвергаются воздействию инфракрасной радиации в сочетании с температурой воздуха, относительно высокой в летний и низкой в зимний период года.

• Большинство технологических процессов на современных заводах черной металлургии механизировано, однако рабочим нередко приходится выполнять трудоемкие вспомогательные работы, физическая нагрузка при которых в сочетании с неблагоприятными метеорологическими условиями предъявляет повышенные требования к сердечно-сосудистой, дыхательной и терморегулирующей системам организма.
• В холодное время года относительно низкие температуры воздуха в цехах, особенно на заводах северных районов страны, неравномерный нагрев в сочетании с интенсивным облучением и сквозняками могут вызывать переохлаждение организма.
• Обильное потоотделение летом иногда приводит к значительной влагопотере (нередко с падением веса тела к концу смены), усиленному расходу солей, белков и водорастворимых витаминов, а также к раздражению кожного покрова выкристаллизовавшимися на одежде солями (одна из причин гнойничковых заболеваний кожи).

Разнообразное нагревательное оборудование, особенно работающее под давлением, разветвленная сеть газовых коммуникаций и газовые установки (горелки) являются источниками выделения газов [в том числе окиси углерода (см.)] в рабочие помещения.

Однако ввиду значительных габаритов современных цехов и хорошего их проветривания концентрация окиси углерода в воздухе в большинстве цехов, как правило, не превышает предельно допустимой (20 мг/м3) даже в наиболее неблагоприятный зимний период.

Исключение составляют доменные цехи, где при повышении давления в печи газ просачивается через неплотности и открытые рабочие отверстия, что ведет к кратковременному повышению концентрации окиси углерода на отдельных участках этих цехов.

В остальных цехах кратковременное повышение концентрации окиси углерода наблюдается в местах скопления газовых коммуникаций, где обычно нет постоянных рабочих мест.

Кроме окиси углерода, в некоторых цехах имеет место выделение сернистого газа — на аглофабриках, в доменном цехе и в миксерном отделении сталеплавильных цехов, где он образуется вследствие выгорания серы из руды, агломерата и чугуна, а также от всех нагревательных устройств, работающих на серусодержащих мазутах.

Однако концентрация сернистого ангидрида в воздухе не превышает предельно допустимой (10 мг/м3). При варке специальных и легированных сталей, а также при выплавке ферросплавов выделяются пары и окислы легирующих добавок (марганца, хрома, селена, бериллия и др.).

При сгорании смол и масел, употребляемых для смазки изложниц, трущихся частей прокатных станов и т. п., воздух загрязняется углеводородом. Все эти газовыделения создают опасность возникновения острых и хронических отравлений и профессиональных заболеваний рабочих.

Однако на современных заводах черной металлургии вследствие эффективных мер борьбы с ними профессиональные отравления и заболевания наблюдаются редко.

Пыль (см.

) наблюдается преимущественно в цехах и на участках подготовки шихты (размольно-смесительное отделение и цикл возврата аглофабрики, подбункерное помещение доменного цеха, шихтовые дворы мартеновских, конверторных, электросталеплавильных и ферросплавных цехов и т. п.). Эта пыль содержит до 15—20% и более свободной и аморфной двуокиси кремния, свыше 50% окислов железа и другие примеси; концентрации ее на этих участках иногда могут значительно превышать предельно допустимые.

Пыль образуется также при выпуске чугуна из доменной печи, заливке его в изложницы разливочной машины или в миксер сталеплавильного цеха. При этих процессах в воздух выделяется углерод, который конденсируется в графитную пыль.

При продувании конвертеров, плавке металлолома в электросталеплавильных печах, газовой резке и зачистке металла выделяются дым и пыль, состоящие из аэрозоля конденсации железа и его окислов, которые нередко не улавливаются полностью и распространяются на большие расстояния от источников их выделения. При обжиме горячего металла в прокатных и трубопрокатных цехах с его поверхности слетает много окалины, состоящей в основном из окислов железа, часть которой рассеивается в воздухе. При зачистке проката на наждаках образуется большое количество наждачной и металлической пыли.

Особое значение имеет пыль, образующаяся при ломке и кладке огнеупоров во время ремонта металлургических печей, миксеров и ковшей. Эта пыль весьма опасна, так как в ней содержится до 70% различных соединений кремния.

У некоторых рабочих, подвергавшихся длительное время воздействию повышенных концентраций пыли (в размольно-дробильном отделении аглофабрик, подбункерных помещениях доменных цехов, на ремонте мартеновских печей и др.

), наблюдались заболевания пневмокониозами.

Среди других неблагоприятных факторов в цехах заводов черной металлургии следует отметить шум (см.).

В доменном цехе он образуется при дутье и достигает 90—100 дБ, в электросталеплавильных и ферросплавных цехах — от вольтовой душ в печах (свыше 100 дБ), в прокатных и трубопрокатных цехах — при опиловке и резке проката на циркулярных пилах (до 100 дБ); у пневмопривода пилигримового стана в трубопрокатных цехах, а также у компрессоров установок непрерывной разливки стали шум достигает 110 дБ. Почти все эти шумы — высокочастотные, при длительном воздействии возможно их неблагоприятное влияние.

Наличие в большинстве цехов горячего оборудования, расплавленного и раскаленного металла, внезапное образование искр и брызг, манипуляции с тяжеловесными орудиями труда, металлом, шихтовым материалом, скрапом и огнеупорами являются нередкой причиной ожогов и других травм. По опасности травматизма заводы черной металлургии занимают одно из первых мест.

• Профилактика профессиональных вредностей

Технологическая схема получения чёрных металлов (на примере основных технологий, используемых в России)

Чёрная металлургия — отрасль тяжёлой промышленности, объединяющая технологически и организационно предприятия по добыче и обогащению рудного и нерудного сырья, по производству огнеупоров, продуктов коксохимической промышленности, чугуна, стали, проката, ферросплавов, стальных и чугунных труб, а также изделий дальнейшего передела.

Железная руда – горные породы, которые содержат железо или соединения железа.Состоит из железных оксидов, пустой порода (кремнезёма) и примесей (полезные: хром и вольфрам; вредные: сера).

• Важнейшие руды железа: красный железняк (гематит; содержание железа от 45 до 70%), магнитный железняк (магнетит; до 50% железа, содержит много вредных примесей), бурый железняк (лимонит; 25-50% железа, значительное количество примесей), шпатовый железняк (сидерит; 30-40% железа, практически чист от вредных примесей), железистый кварцит (35-37% железа, до 50% кремнезёма).
• Производство чугуна.
• I. Подготовка руды к плавке:
• · Измельчение и дробление руды до пылевидного состояния
• · Обогащение (за счёт удаления пустой породы), получение железного концентрата (остаточный продукт – хвосты)
• Способы обогащения:
• o Гравитационный(избавление от пустой породы по плотности)
• o Магнитная или электромагнитная сепарация(магнитность)
• o Способ флотации (различие в смачиваемостипустой породы и металла)
• · Окускование:
• o Агломерация – осуществляется путём сжигания топлива (кокса) в слое руды и известняка (около 15%), устаревшая технология

o Окомкование(производство окатышей) – окатывание рудного концентрата, глины и извести, популярный способ

В качестве топлива для доменной плавки используют кокс, мазут, природный и коксовый газ.

Кокс получают путём нагрева в специальных печах – коксовых батареях – до 1100° без доступа воздуха коксующихся углей.

Он нужен для расплавления руды как топливо и получения основного восстановителя – оксида углерода.

Помимо кокса получают каменноугольную смолу (получение ароматических углеводородов), коксовый газ (на 55% состоит из водорода, синтез аммиака), аммиачную воду (азотные удобрения) и др.

Флюсы – минеральные вещества, которые добавляют к руде и топливу, вчастности, для удаления в виде шлака пустой породы руды и золы кокса (известняк). Шихта – готовая руда в форме кусочков + кокс + флюсы. Далее идет загрузка в доменную печь.

Чугун – полуфабрикат стали, сплав железа с углеродом. Восстановление оксида железа – отделение железа от кислорода, восстановителем является оксид углерода. В результате плавки в доменной печи получается доменный (калашниковый) газ (топливо на ТЭЦ, мартеновских печах, прокатных станах), шлак (отходы) и чугун.

1. Виды чугуна:
2. 1) Передельный (белый) – хрупкий, легко поддаётся обработке, 90% стали изготавливают из него
3. 2) Литейный (серый) – углерод находится в свободном состоянии в виде графита, повышенное содержание кремния, хорошая жидкая текучесть, хорошо заполняет форму

Сталь – это сплав железа с углеродом, в котором углерода значительно меньше, чем в чугуне. С точки зрения технико-экономических показателей это материалоёмкое и топливоёмкое производство.

Основными материалами для получения стали являются передельный чугун и металлолом (скат).

Чтобы получить сталь, нужно снизить содержание углерода и других примесей путём их окисления и перевода в газы и шлак в процессе плавки.

• Способы получения стали:
• 1) Кислородно-конверторный (реакция с кислородом в конверторах; традиционный)
• 2) Электро-плавильный (в электропечах; прогрессивный)
• 3) Мартеновский (в мартеновских печах; морально устаревший)
• Способы разливки стали:

1) Разливка стали в изложницы (устаревший, т.к. надо много изложниц, а это потеря металла, т.е. он залипает на стенках)

2) Непрерывная разливка стали или разливка стали на машинах непрерывного литья

Прокат – завершающая стадия. Приобретение сталью определённой формы. Прокат имеет определенную форму поперечного сечения или профиль:

1. • Обжимной (квадратной (глюмы) и прямоугольной (слябы) формы)
2. • Сортовой (сложный (рельсы), простой (круг, квадрат))
3. • Листовой
4. • Специальные виды проката (кольца, круг, уголки, колёса)

Тема 5. Система технологий металлургического производства

• План
  лекции:
• 1. Краткие сведения
  о металлургическом производстве
• 2.
  Состояние
  и тенденции развития черной металлургии
• 3. Способы
  производства металлов и сплавов
• 4. Производство чугуна
• 5.
  Классификация
  чугунов
• 1.
  Краткие
  сведения о металлургическом производстве
• Металлургическое
  производство 
  отрасль промышленности, охватывающая
  процессы получения металлов из руд и
  других материалов, а также процессы,
  связанные с изменением химического
  состава, структуры и свойств металлических
  сплавов.
• В состав системы
  технологий металлургического комплекса
  входят:
• —
  технологии добычи, обогащения и
  агломерации железных, марганцевых и
  других руд, получения необходимых
  концентратов;
• — технологии
  производства чугуна, доменных ферросплавов,
  стали, проката;
• — технологии
  производства электроферросплавов;
• — технологии
  повторной переработки черных металлов;
• —
  технологии коксования каменного угля;
• — технологии добычи
  сырья и производства огнеупорных
  строительных материалов, флюсовых
  известняков, производства металлических
  конструкций и др.
• В
  связи с делением металлов на черные и
  цветные, металлургия также делится на
  черную и цветную металлургию.
• Продукцией
  металлургии является:
• — обогащенная руда
  и нерудное сырье;
• —
  продукты коксохимического (кокс) и
  огнеупорного производства;
• —
  черные металлы и сплавы на их основе. К
  черным металлам относится железо и его
  сплавы с углеродом: сталь 
  до 2 % С и чугун 
  2,5 
  4,5 %С, а также ферросплавы, например
  ферросилиций (до 2,5 % С и 13 % Si)
• —
  цветные металлы и сплавы на их основе
  (алюминий (дуралюмин, силумин), медь
  (бронза, латунь), цинк, титан, магний,
  никель);
• —
  прокат черных и цветных металлов (балки,
  рельсы, трубы, полосы, листы).
• Из всех металлов
  и сплавов наиболее важное значение
  имеет сталь.

Сталь
является основой современной техники.
В настоящее время мировое производство
составляет около 800 млн. т. в год, что
примерно в 20 раз превышает общее
производство всех остальных так
называемых цветных металлов и сплавов.

Чугун
в настоящее время является основным
исходным материалом для получения стали
(82 % передельного чугуна). До 16 % выплавляемого
чугуна идет на производство литых
изделий и 2 
3 % выплавляется ферросплавов.

Техническое
железо с
минимальным содержанием углерода и др.
примесей производится в очень небольших
количествах для нужд электро-радиотехнической промышленности.

Цветные
металлы и сплавы:
Cu,
Al,
Ti,
Ni,
олово, Zn
и т. д., а также бронзы, латуни, алюминиевые
и др. цветные сплавы. В настоящее время
используется около 65 цветных металлов.

Современное
металлургическое производство чугуна
и стали состоит из сложного комплекса
различных производств (рис.1):

1. Шахт и карьеров по добыче руд, каменных углей, флюсов, огнеупорных материалов.

2. Горно-обогатительных комбинатов, на которых подготавливают руды к плавке, обогащают их, удаляя часть пустой породы, и получают концентрат  продукт с повышенным содержанием железа по сравнению с рудой.

3. Коксохимических цехов и заводов, на которых осуществляют подготовку коксующихся углей, их коксование (сухую перегонку при температуре  10000 С без доступа воздуха) в коксовых печах и попутное извлечение из них ценных химических продуктов: бензола, фенола, каменноугольной смолы и др.

4. Энергетических цехов для получения и трансформации электроэнергии, сжатого воздуха, необходимого для дутья при доменных процессах, кислорода для выплавки чугуна и стали, а также очистки газов металлургических производств с целью охраны природы и сохранения чистоты воздушного бассейна.

5. Доменных цехов для выплавки чугуна и ферросплавов.

6. Заводов для производства различных ферросплавов.

7. Сталеплавильных цехов  конвертерных, мартеновских, электросталеплавильных для производства стали.

8. Прокатных цехов, в которых нагретые слитки из стали перерабатываются в заготовки (блюмы и слябы) и далее в сортовой прокат, трубы, лист, проволоку и т. п.

Рис. 1. Схема современного металлургического производства