Экономические основы технологии изготовления керамзита

ВВЕДЕНИЕ

  Тысячелетия назад человек научился использовать самородные металлы — медь, золото, метеоритное железо — для изготовления различных орудий труда. В отдаленные времена в древнем Египте были известны семь металлов—золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть. Эти металлы по традиции, унаследованной от алхимиков, связывались с планетами солнечной системы и солнцем: Солнце — золото; Луна — серебро; Венера —медь, Марс —железо; Юпитер — олово; Сатурн — свинец; Меркурий — ртуть.

  По  мере развития человеческого общества число используемых металлов увеличивалось. В дальнейшем человечество перешло от ковки самородных меди и золота и железа метеоритного происхождения к получению железа из железных руд путем его восстановления в примитивных горнах. Так как в этом процессе применялось «сырое» дутье (неподогретый воздух), способ получил название сыродутного.

  В дальнейшем увеличение размеров сыродутных горнов и мощности дутьевых средств сопровождалось восстановлением железа при более высоких температурах, которое науглероживалось и превращалось в жидкий чугун. Был найден способ передела чушкового чугуна в низкоуглеродистую сталь путем кричного процесса.

  Значительное  развитие металлургия России получила при Петре I, когда в первой трети XVIII в были построены 30 металлургических заводов, имеющих в своем составе доменные, кричные и кузнечные цехи.

  До  XIX в. доменные печи и кричные горны работали на дорогом и дефицитном древесном угле, использование которого приводило к уничтожению лесов в районах работы металлургических заводов. В конце XVIII в. в странах Западной Европы было запрещено использовать древесный уголь в металлургических процессах. Это привело к разработке новой технологии работы доменных печей на каменноугольном коксе и изобретению пудлингового процесса — получению тестообразного железа из чугуна на поду отражательных печей.

  В 1855 г. англичанин Генри Бессемер разработал способ получения литой стали из жидкого чугуна в конвертере в течение 10—15 мин продувкой через него сжатого воздуха без затрат тепла. Возникновение этого процесса было обусловлено необходимостью производства большого количества жидкой стали для отливки артиллерийских стволов орудий и для строительства железных дорог. Бессемеровская сталь была значительно дешевле и более высокого качества, чем пудлинговая.

  В 1864 г. французский инженер Пьер Мартен, применив принцип регенерации тепла, разработал новый способ получения жидкой стали на поду пламенных печей. Первая мартеновская печь с площадью пода 2,2 м² была изготовлена из кислого огнеупорного материала, садка ее составляла 1,5 т. Мартеновский процесс может быть кислым (кислые шлаки) и основным (основные шлаки). В основных мартеновских печах удаляются из металла сера и фосфор. В России первая кислая мартеновская печь садкой 2,5 т на Сормовском заводе была построена инженером А. А. Износковым. Мартеновский процесс позволяет перерабатывать большое количество железо-стального лома.

  Мартеновский  процесс получил значительное распространение  во всем мире. В конце XIX в. мартеновское производство стали быстро развивалось на Урале и Юге России. Большинство мартеновских печей имело садку 8— 15 т, в некоторых случаях 25—40 т. В 1917 г. в России работали 260 мартеновских печей, из них только пять печей имели садку 65—70 т.

  В России производство черных металлов достигло расцвета во второй половине XVIII в., когда она занимала первое место в мире по производству чугуна и стали. Русское кровельное железо экспортировалось во многие страны и считалось лучшим в мире. Чугун выплавляли в доменных печах, сталь получали кричным способом.

  Одновременно  с возникновением основных сталеплавильных  процессов (мартеновский, томасовский) в конце XIX в. появились первые дуговые электросталеплавильные печи, в которых можно было выплавлять сложные высоколегированные стали, содержащие в своем составе тугоплавкие элементы. Толчком к дальнейшему развитию послужило применение переменного тока. Первая трехфазная дуговая печь была установлена в Макеевке (Донбасс).

  Первые  опыты по применению технически чистого  кислорода для продувки чугуна сверху были проведены в СССР инженером Н. И. Мозговым. Эти опыты в дальнейшем послужили основанием для разработки технологии выплавки стали в кислородных конвертерах, а сам процесс получил название кислородно-конвертерного. В 1952—1953 гг. первые кислородно-конвертерные цехи были введены в эксплуатацию в Австрии на заводе в Линце и Донавице (процесс ЛД).

  В СССР в 1954—1955 гг. были проведены обширные опыты продувки чугуна кислородом сверху в конвертерах садкой 8—15 т. На основе результатов этих исследований были спроектированы и сооружены первые кислородно-конвертерные цехи в 1956 г. на заводе им. Петровского (Днепропетровск) и в 1957 г. на Криворожском металлургическом заводе. В дальнейшем в СССР были построены кислородно-конвертерные цехи садкой 100—400 т на металлургических предприятиях Нижне-Тагильском, Мариупольском им. Ильича, «Азовсталь», «Криворожсталь», Новолипецком, Енакиевском, Челябинском, Череповецком, Западно-Сибирском, Карагандинском. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Выше  было указано, что самым древним способом получения железа из руд являлся способ прямого восстановления, так называемый «сыродутный» способ. Он заключался в том, что в яму или небольшую печь загружались куски железной руды и древесный уголь. В процессе нагрева железо восстанавливалось из руды, выделяясь в виде губчатого железа, и при этом также образовывался шлак.

  Получаемое  губчатое железо поступало непосредственно  для изготовления изделий. Однако «сыродутный» способ по причине своего технического несовершенства (большой расход топлива, малая производительность, большие потери железа и большая трудоёмкость) отошёл в историческое прошлое и уступил место другим, более совершенным и высокопроизводительным способам получения железа и стали.

  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.

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 до статочно 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 у 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. 

 В настоящее  время решение проблемы получения железа, минуя доменный процесс, в промышленных масштабах осуществляется в основном следующими способами:

  1) восстановление Fе из твердых  железорудных материалов взаимодействием с твердыми или газообразными восстановителями (твердофазное восстановление) по реакциям

Fе₂O₃+ {С; СО; Н₂; СН4}®Fе + (СО; С0₂; Н₂O);

  2) восстановление железа в кипящем железистом шлаке (жидкофазное восстановление) по реакциям

   (FеО) + {С; СО}®Fе + СО₂;

 3) получение  из чистых железных руд карбида железа по реакции

    3Fе₂О₃ + 5Н₂ + 2СН₄= 2Fе₃C+ 9Н₂О.

  Процесс протекает при температуре ~600 °С и давлении ~4 атм (0,4 МПа). Получаемые зерна (0,1-1,0 мм) содержат >90 % Fе₃С.

  Способы повышения содержания железа в железорудных материалах получили название процессов металлизации. Получаемый продукт называют металлизованным. Под степенью металлизации обычно понимают процентное содержание железа в продукте.

  По  назначению металлизованные продукты обычно делят на три группы в зависимости от степени металлизации:

  1) до 85 % Fе — продукт используют в качестве шихты доменной

плавки;

  2) 85—95 % Fе — продукт используют в качестве шихты при выплавке

стали;

   3) >98 % Fе — продукт используют  для производства железного порошка.                             Процессы металлизации железорудных материалов осуществляются при температурах, не превышающих 1000—1200 °С, т. е. в условиях, когда и сырье (железная руда или железорудный    концентрат),    и    продукт представляют собой твердую фазу, а также   не   происходит   размягчения материалов, их слипания и налипания на стенки агрегатов. Такие процессы прямого получения железа из руд   получили   название    процессов твердофазного восстановления (ПТВ). Поскольку получаемый материал напоминает пористую губку, его часто называют   «губчатым   железом».   За рубежом принята аббревиатура DRI(от англ. Diгесt-Rеduсеd-Iгоn) или DI (Direct-Iron). Основная масса получаемых продуктов используется в качестве шихты сталеплавильных агрегатов.

   Для восстановления оксидов железа в качестве восстановителя обычно используют или уголь (твердый восстановитель), или природный газ (газообразный восстановитель). При этом предпочтительно использование не «сырого» природного газа, а горячих восстановительных газов, так как при этом не затрачивается тепло на диссоциацию углеводородов, а приход тепла определяется нагревом восстановительных газов.

   Восстановительные газы получают конверсией газообразных углеводородов либо газификацией твердого топлива. Конверсия природного газа может быть:

кислородной (воздушной)

 СН₄ + 1/2О₂ = СО + 2Н₂ + Q,

    паровой

      СН₄ + H₂O = СО + 3Н₂ - Q,

углекислотной

 СН₄ + СО₂ = 2СО + 2Н₂- Q.

   В случае паровой и углекислотной  конверсии для протекания реакции  требуются затраты тепла. Конверсию осуществляют в специальных аппаратах с использованием катализаторов.

  Газификация твердого топлива осуществляется по следующим реакциям:

С + 1/2О₂ = СО + Q,

С + Н₂O = СО + Н₂ - Q,

С + СО₂ = 2СО - Q.

   В настоящее время в мире работает много установок прямого восстановления, главным образом в странах, располагающих дешевым сырьем (Индия, Мексика, Венесуэла, ЮАР).