Нерудное минеральное сырье, используемое в металлургии

09.06.2018
Нерудное минеральное сырье по направлению его использования в металлургическом процессе можно подразделить на три основные группы: флюсовое, огнеупорное и формовочное.

В качестве флюсового сырья используются известняки, доломиты, кварциты и плавиковый шпат (флюорит). Вид полезного ископаемого, используемого в качестве флюсующего материала, обусловлен характером руд. В черной металлургии для плавки железных руд используются в основном известняки. Они употребляются в качестве основного флюса при доменной плавке железных руд. Роль известняка здесь сводится к переводу в шлак пустой породы руды и золы топлива. Кроме того, окись кальция переводит в шлак различные вредные для чугуна примеси. В сталелитейном производстве при основном мартеновском или томасовском процессах известняк-флюс удаляет в шлак фосфор и серу. При выплавке бессемеровского, томасовского и высококачественного малофосфористого чугуна и марганцевых доменных ферросплавов (зеркального чугуна, силикомарганца и ферромарганца) в шихту добавляется доломит или применяется доломитизированный известняк, так как магнезия делает шлаки более жидкими и снижает температуру их плавления.

Эффективность флюса оценивается в основном по наличию в нем балластных примесей, повышенное содержание которых требует дополнительного расхода окиси кальция и топлива для их ошлакования.

Расход флюсов связан с характером пустой породы железных руд. Наибольшее количество известняка требуется при выплавке чугуна из железных руд, характеризующихся кислым составом пустой породы, наименьшее — для руд, пустая порода которых является самоплавкой и не требует добавок известняка.

В цветной металлургии известняк используется в качестве флюса при выплавке меди в ватержакетных и отражательных печах, а также при плавке окисленных и сернистых руд никеля и кобальта, свинцовых, сурьмяных, оловянных и других руд.

В производстве алюминия известняк применяется как один из компонентов шихты при получении глинозема путем спекания. При выплавке меди и никеля в качестве флюсов применяются также кварциты и кварцевые песчаники, которые способствуют ошлакованию содержащихся в концентрате или штейне соединений железа. Плавиковый шпат как флюс используется для разжижения шлаков при выплавке стали и некоторых ферросплавов. Для этого применяется флюорит в виде кусков или брикетов величиной не менее 5 мм. Плавиковый шпат в виде криолита находит широкое применение в алюминиевой промышленности, в расплаве которого ведется электролиз глинозема.

Для производства огнеупорных материалов используются различные нерудные полезные ископаемые: доломит, магнезит, кварцит, огнеупорные глины и др. Широкий ассортимент полезных ископаемых, применяемых для производства огнеупоров, объясняется различием требований к качеству огнеупорного материала в зависимости от условий его службы.

Температура нагрева в современных промышленных печах колеблется в пределах 1000—1800° С. Поэтому огнеупорные материалы должны обладать способностью противостоять действию этой температуры, не расплавляясь. Однако действие высоких температур на огнеупорные материалы не ограничивается их расплавлением. Под воздействием высоких температур большая часть огнеупорных материалов начинает сокращаться в объеме, а некоторая их часть увеличиваться. Изменение объема огнеупорного материала может вызвать повреждения и даже разрушения кладки печи. Поэтому огнеупорные материалы должны обладать постоянством объема при температуре их службы, а также способностью выдерживать колебания температуры не растрескиваясь, или термической стойкостью. Огнеупорная футеровка печей разрушается в результате не только термического воздействия, но и путем химического взаимодействия с золой сжигаемого топлива или с теми материалами, которые плавятся или обжигаются в этих печах. Степень такого разрушения (шлакоразъедания) зависит от химического состава материала, воздействующего на футеровку, от температуры этого взаимодействия, а также от химического состава и пористости огнеупорного материала. В практике обычно наблюдается сочетание всех указанных факторов разрушения огнеупоров. Однако отдельные виды огнеупорных материалов реагируют на разрушающие действия по-разному, что и обусловливает широкий диапазон их номенклатуры.

Самыми распространенными огнеупорными изделиями являются шамотные. Около 70% всех выпускаемых огнеупоров приходится на их долю. Для изготовления шамотных огнеупоров используются огнеупорные глины и каолин. Для производства огнеупоров большой строительной прочности при высоких температурах используются кварциты. Эти огнеупоры называются динасовыми. Однако динасовые огнеупоры обладают низкой термической стойкостью в определенном температурном интервале. Этот же недостаток имеет и высокоогнеупорный магнезитовый кирпич, изготавливаемый из магнезита.

Большое количество огнеупорных материалов получают путем обжига доломита, а также из измельченного дунита, серпентинита, оливинита и других магнезиально-силикатных пород. Огнеупоры, изготовленные из магнезиально-силикатных пород, называют форстеритовыми.

Для производства высокоглиноземистых огнеупоров используются различные виды как природного, так и искусственного высокоглиноземного сырья: минералы силлиманитовой группы — кианит, андалузит, силлиманит, природные гидраты глинозема — гидраргиллит, бёмит, диаспор, боксит, природный и электроплавленный корунд и т. д.

В небольшом количестве для производства огнеупоров используются графит, тальковомагнезитовый камень, хромит и хромитовая порода, из которых совместно со спекшимся магнезитом изготавливают хроммагнезитовые огнеупоры, циркониевые материалы и соединения.

В литейном деле в качестве формовочного материала используются различные горные породы. Литые изделия изготавливаются из различных металлов: стали, чугуна, бронзы, латуни, алюминия и т. д. Каждый металл обладает определенной температурой плавления, текучестью, величиной усадки и другими свойствами. Различие этих свойств и определяет разнообразие формовочных материалов, среди которых различают основные и вспомогательные. Основные формовочные материалы это те, из которых изготавливают формовочные смеси. Чаще всего это пески, глины, значительно реже измельченные оливиниты, хромиты и ряд других пород и минералов. Вспомогательные материалы служат для облегчения работы с формой в процессе ее изготовления, для придания формам прочности, для улучшения поверхности отливок. К этим материалам относятся пылевидный кварц (маршаллит), графит, тальк, различные краски, порошки-натирки и т. д.

В ряде случаев применение песчано-глинистых форм не обеспечивает получение высококачественных отливок. Вследствие этого постоянно ведутся изыскания и изучение новых формовочных материалов, способных обеспечить получение хороших отливок в самых тяжелых условиях. В настоящее время для этих целей используются металлургический магнезит, хромистый железняк, хромомагнезит, оливиновые породы и циркон.

Кроме перечисленных основных направлений использования нерудных полезных ископаемых в металлургии некоторая их часть идет для производства силикосплавов и силицидов, особенно для производства ферросилиция, карбида кремния (карборунды) и силуминов. Для выплавки ферросилиция и других продуктов, содержащих кремний, используются кварциты и жильный кварц высокой чистоты.