Технологические процессы в машиностроении

В связи с этим для обеспечения  высокой степени реализации раскислительной способности углерода в условиях вакуума необходимо:

• применять основную футеровку сталеразливочных ковшей, в состав которой входят трудновосстановимые оксиды;
• поддерживать высокую основность шлака и минимальное содержание оксидов железа в нем;
• перемешивать расплав в ковше инертным газом для облегчения условий зарождения продуктов реакции окисления углерода.

Как показывает практика, при содержании углерода в стали около 0,50 % за счет вакуумно-углеродного раскисления концентрацию кислорода в металле удается понижать до 0,002-0,003 %, что ниже равновесной с содержанием кремния, но выше равновесной с растворенным в металле алюминием. Поэтому при вводе кремния в металл после вакуумноуглеродного раскисления первичные эндогенные включения не образуются. За счет снижения содержания растворенного в стали кислорода путем раскисления углеродом под вакуумом последующее осаждающее раскисление протекает с минимальным угаром раскислителей. Такой способ обработки рекомендуется для производства свободной от крупных оксидных включений и их локальных скоплений особо чистой стали.

Для предотвращения чрезмерно бурного  развития под вакуумом реакции окисления  углерода проводят частичное раскисление стали путем повышения в ней содержания кремния и (или) алюминия. Благодаря перемешиванию металла и применению сравнительно небольшого количества раскислителей, возможно достижение такой же высокой степени чистоты стали по оксидным включениям, как и при вакуумировании стали в нераскисленном виде.

При обработке частично раскисленной стали (0,15 % Si и 0,005% Аl) реакция окисления углерода начинается при давлении 30-50 кПа. Дальнейшее снижение давления до 100-200 Па позволяет постепенно увеличить интенсивность кипения, которое достигает своего наибольшего значения и поддерживается в течение некоторого времени на определенном регулируемом уровне. Затем наступает постепенное затухание процесса кипения.

Рафинирование расплава при ковшевом вакуумировании обусловлено тем, что дополнительное (к продувке аргоном) интенсивное выделение из глубинных слоев металла пузырей оксидов углерода, образующихся в результате смещения равновесия между растворенными углеродом и кислородом при понижении давления, создает мощные турбулентные потоки, охватывающие весь объем металла. При таком характере кипения шлак уносится в глубь ковша и дробится, значительно увеличивая межфазную поверхность, что обеспечивает дополнительное возрастание скорости потока кислорода из шлака в металл. Это способствует дальнейшему развитию реакции окисления углерода и значительному увеличению объема выделяющегося оксида углерода. Интенсивное кипение ванны создает необходимые кинетические условия для протекания реакции взаимодействия углерода с кислородом и выделения растворенного водорода и азота.

В зависимости от количества окисляемого  углерода и доли оксидов железа в  покровном шлаке можно получить заданное содержание кислорода в  металле. В течение всего периода  дегазации проводится наблюдение за поведением металла под крышкой  вакуумной камеры. Скорость набора вакуума регулируется в зависимости  от интенсивности кипения. В отдельных  случаях, для предотвращения чрезмерно  бурного вскипания расплава и  перелива его через край ковша, в  вакуумную камеру подают нейтральный  газ. При перемешивании расплава инертным газом его расход по мере снижения давления в вакуумной камере необходимо понижать, чтобы исключить  чрезмерно бурную продувку. Вакуумная  обработка частично раскисленного металла заканчивается тогда, когда кипение металла при достигнутом конечном давлении затухает.

Снижение температуры металла  в ковше массой 100 т при вакуумной  обработке составляет от 70 до 80 ^oС, а собственно вакуумная обработка частично раскисленной стали (глубокий вакуум) продолжается 15-20 мин.

По окончании вакуумирования проводится отключение насосов и в течение 1-2 мин в вакуумную камеру подается нейтральный газ или вначале - нейтральный газ, а затем воздух. Газообразные продукты реакции увеличивают  объем и площадь поверхности  пузырей аргона и при прочих равных условиях облегчают экстракцию растворенного  в металле водорода и азота, поэтому  дегазация при вакуумировании нераскисленной и полураскисленной стали проходит быстрее и полнее, чем в случае глубоко раскисленной.

Вместе с тем, способ вакуумирования нераскисленной и полураскисленной стали не гарантирует получение низкого содержания газов в готовой продукции в силу ряда причин, одна из которых заключается в том, что, после окончания вакуумной обработки, как правило, требуется проведение нагрева, перемешивания, легирования, раскисления, науглероживания и десульфурации.

С другой стороны, при обработке  расплавов промышленной чистоты  эффективность удаления азота обычно не превышает 15-30 %. При этом анализ влияния состава металла на результаты обработки дает основания полагать, что уменьшение эффективности дегазации непосредственно связано с наличием в расплаве поверхностно-активных веществ.

Этот факт подтверждается рядом  исследований, на основании которых, например, установлена тесная зависимость  между концентрацией азота и  серы в стали по окончанию обработки. Так, при уменьшении концентрации серы в стали с 0,010 % до 0,003 % за счет десульфурации металла рафинировочным шлаком в ходе вакуумной обработки содержание азота (начальная концентрация [N]=0,0050 %) снижается на 12 и 18 %, соответственно. При этом эффективность деазотации стали существенно увеличивается, когда остаточное содержание серы в металле составляет не более 0,003%. В последнем случае происходит стабильное удаление азота с 110 ррm до 70 ррm при обычном вакуумировании в течение 10 мин и даже до 40 ррm в случае более продолжительного вакуумирования.

Таким образом, если главной задачей  вакуумирования является удаление из металла газов (водорода и азота), то следует стремиться к получению  в расплаве минимального содержания поверхностно-активных примесей. Таким  требованиям соответствует глубоко  раскисленная сталь на конечной стадии ковшевой обработки.

Для получения низкого содержания водорода и азота широко применяют  технологию вакуумирования раскисленной стали непосредственно перед разливкой, которая может сочетаться с экстракционным удалением серы путем параллельной с вакуумированием обработкой рафинировочным шлаком.

Для обеспечения достаточной площади  поверхности раздела взаимодействующих  фаз вакуумную обработку раскисленной стали совмещают с продувкой расплава инертным газом. Заметное увеличение скорости массообменных процессов наблюдается при повышении величины удельной мощности перемешивания металла до уровня 200-300 Вт/т.

Следует отметить, что при атмосферном  давлении такая величина мощности перемешивания  практически недостижима.

Величина расхода аргона, необходимого для дегазации стали, быстро уменьшается  при понижении давления над поверхностью расплава. В связи с этим сочетание  продувки стали инертным газом и  вакуумной обработки является весьма эффективным средством дегазации  металла. Так, согласно теоретическим  расчетам, для получения в стали  остаточного содержания водорода ниже 1,5 ррm под атмосферным давлением необходимо ввести в 100-тонный сталеразливочный ковш не менее 700 м³ аргона. При продувке инертным газом под вакуумом (0,01 и 0,001 атм.) количество газа значительно снижается и составляет 14 и 8 м³, соответственно.

В связи с этим продувка стали  аргоном в сталеразливочном ковше  под вакуумом всегда сопровождается существенной дегазацией металла.

Известно, что вакуумированный металл в сравнении с невакуумированным при равном содержании серы имеет более высокую долю сульфидных включений. Это объясняется, прежде всего, более низким содержанием оксидных включений в вакуумированной стали, в результате чего сульфидные включения в меньшей степени откладываются на оксидах и выделяются в отдельную фазу в более грубой форме. Проблема сульфидных включений в вакуумируемой стали решается тем, что в металле необходимо иметь достаточно низкую концентрацию серы.

Для процесса десульфурации, который протекает в диффузионной области, скорость взаимодействия ограничена массопередачей веществ в объеме металла или шлака. На основании вышеизложенного следует, что самой «медленной» технологической операцией, которая ограничивает производительность участка внепечной обработки, как правило, является процесс десульфурации стали. Действительно, при скорости десульфурации, 3-5 ppm/мин (для стали с начальным содержанием серы около 0,025 %) десульфурация на 0,015-0,020 % занимает примерно 40-60 мин. Учитывая, что максимальная скорость нагрева металла составляет около 4^oС/мин, за время десульфурации при работе с включенным трансформатором можно повысить температуру стали в ковше на 160-240 ^oС. То есть, вполне очевидна диспропорция для установки «ковш-печь» между скоростью нагрева металла и десульфурации.

На практике нагрев металла в  течение цикла обработки на установке  «ковш-печь» (30-35 мин) гарантированно обеспечивает получение заданного перегрева  расплава. Дальнейшее нахождение металла  на установке, часто связано с  необходимостью получения требуемого содержания серы в стали.

Действительно, как показывает практика, при параллельном проведении операций десульфурации и нагрева на установке «ковш-печь» степень использования трансформатора составляет около 50 %, что влечет за собой повышение расходов по переделу и снижение производительности.

Поэтому в процессе внепечной  обработки стали применяется  технология непрерывной десульфурации, которая начинается сразу после наведения шлака на установке «ковш-печь» и заканчивается по окончании вакуумирования, включая продувку металла в ковше инертным газом в позиции ожидания. Данное мероприятие позволяет сократить продолжительность пребывания металла в ковше, повысить степень использования трансформатора и сократить потери тепла. Завершающий этап десульфурации стали, который проводят в камерном вакууматоре, позволяет достичь чрезвычайно низкого содержания серы (до 0,001 %), а за счет интенсивного перемешивания металла со шлаком без доступа воздуха предупредить опасность поглощения азота и окисления расплава в ходе обработки, что существенно повышает результат рафинирования.

 

Получение меди

Пирометаллургический  способ получения меди

 

Известны два способа  извлечения меди из руд и концентратов: гидрометаллургический и пирометаллургический.

Первый из них не нашел  широкого применения. Его используют при переработке бедных окисленных и самородных руд. Этот способ в отличии от пирометаллургического не позволяет извлечь попутно с медью драгоценные металлы.

Второй способ пригоден для  переработки всех руд и особенно эффективен в том случае, когда  руды подвергаются обогащению.

Основу этого процесса составляет плавка, при которой расплавленная  масса разделяется на два жидких слоя: штейн-сплав сульфидов и  шлак-сплав окислов. В плавку поступают  либо медная руда, либо обожженные концентраты  медных руд. Обжиг концентратов осуществляется с целью снижения содержания серы до оптимальных значений.

Жидкий штейн продувают  в конвертерах воздухом для окисления  сернистого железа, перевода железа в  шлак и выделения черновой меди.

Черновую медь далее подвергают рафинированию – очистке от примесей.

Подготовка руд к плавке.

Большинство медных руд обогащают  способом флотации. В результате получают медный концентрат, содержащий 8-35% Cu, 40-50% S, 30-35% Fe и пустую породу, главным образом составляющими которой являются SiO2, Al2O3 и CaO.

Концентраты обычно обжигают в окислительной среде с тем, чтобы удалить около 50% серы и  получить обожженный концентрат с содержанием  серы, необходимым для получения  при плавке достаточно богатого штейна.

Обжиг обеспечивает хорошее  смешение всех компонентов шихты и нагрев ее до 550-600⁰С и, в конечном итоге, снижение расхода топлива в отражательной печи в два раза. Однако при переплавке обожженной шихты несколько возрастают потери меди в шлаке и унос пыли. Поэтому обычно богатые медные концентраты (25-35% Cu) плавят без обжига, а бедные (8-25% Cu) подвергают обжигу.

Температура обжига концентратов применяют многоподовые печи с механическим перегреванием. Такие печи работают непрерывно.

Выплавка медного штейна

Медный штейн, состоящий  в основном из сульфидов меди и  железа

(Cu2S+FeS=80-90%) и других сульфидов,  а также окислов железа, кремния,  алюминия и кальция, выплавляют  в печах различного типа.

Комплексные руды, содержащие золото, серебро, селен и теллур, целесообразно обогащать так, чтобы  в концентрат была переведена не только медь, но и эти металлы. Концентрат переплавляют в штейн в отражательных  или электрических печах.

Сернистые, чисто медные руды целесообразно перерабатывать в шахтных печах.

При высоком содержании серы в рудах целесообразно применять  так называемый процесс медно-серной плавки в шахтной печи с улавливанием газов и извлечением из них  элементарной серы.

В печь загружают медную руду, известняк, кокс и оборотные  продукты.

Загрузку ведут отдельными порциями сырых материалов и кокса.

В верхних горизонтах шахты  создается восстановительная среда, а в нижней части печи – окислительная. Нижние слои шихты плавятся, и она  постепенно опускается вниз навстречу  потоку горячих газов. Температура  у фурм достигается 1500⁰С на верху печи она равна примерно 450⁰С.

Столь высокая температура  отходящих газов необходима для  того, чтобы обеспечить возможность  из очистки от пыли до начала конденсации  паров серы.

В нижней части печи, главным  образом у фурм, протекают следующие  основные процессы:

а) Сжигание углерода кокса  C + O2 = CO2

б) Сжигание серы сернистого железа

2FeS + 3O2 = 2 FeO + 2SO2