Крупность добываемых руд в естественном виде очень различна. При открытой добыче размер отдельных кусков достигает 1000—12 000 мм, а при подземном — 300–800 мм. Для дальнейшего использования руда такой крупности должна быть предварительно подвергнута дроблению (рис. 31, а — г).

Рис. 31. Схематическое изображение основных способов дробления: раздавливание (а), истирание (б), раскалывание (в), удар (г)

Применяемые в настоящее время дробильные устройства позволяют получать продукт крупности до 6—15 мм. Однако такая руда плохо поддается обогащению. В целях улучшения процесса обогащения раздробленная руда проходит еще стадию помола. Размеры кусков руды после такого измельчения в среднем равны 1 мм. Для тонкого измельчения применяют главным образом мельницы, в которых удар сочетается с истиранием. В качестве дробящих тел применяют шары и стержни, а иногда твердые окатанные куски горной породы (гальку). В процессе вращения барабана (рис. 32) и происходит разбивание шарами кусков руды с одновременным истиранием.

Рис. 32. Схематическое изображение шаровой мельницы

Измельченная руда через решетку поступает в разгрузочное устройство.

Дробление и измельчение руды — энергоемкий и дорогостоящий процесс. На горных обогатительных фабриках (ГОК) стоимость процесса дробления и измельчения руды составляет от 35 до 70 % расходов на весь цикл обогащения, а стоимость дробильных устройств достигает 60 % стоимости оборудования фабрики.

Под обогащением руд понимают такой процесс обработки полезных ископаемых, целью которого является повышение содержания полезных примесей путем отделения рудного минерала от пустой породы. Все применяемые на практике способы обогащения руд являются, по существу, их механической обработкой и основаны на использовании различий в физических и физико-химических свойствах слагающих руду минералов.

В процессе обогащения руда проходит следующие стадии обработки: а) промывка водой с целью отделения песчано-глинистой породы и отделения веществ с существенно меньшей плотностью, чем металл; б) применение магнитной сепарации, основанной на использовании наличия у железосодержащих минералов магнитной восприимчивости. Обогащенная руда проходит при этом дальнейший процесс распределения (усреднения) по размерам.

Очищенная (обогащенная) руда перерабатывается в кусковые материалы необходимых размеров агломерацией или окатыванием.

Агломерация заключается в спекании руды (40–50 %), известняка (15–20 %) при температуре 1300–1500 °C в специальных агломерационных машинах. При этом из руды удаляется часть примесей, в ней разлагаются карбонаты, при этом образуется пористый офлюсованный материал — агломерат.

Вторым возможным продуктом являются окатыши. Процесс производства окатышей впервые был опробован в нашей стране в 1936 г. Тонко измельченный концентрат вместе с флюсами и топливом увлажняют и загружают во вращающуюся чашу (гранулятор) или в пустотельный барабан, где и образуются окатыши — шарики диаметром 25–30 мм. Готовые окатыши высушивают при 1200–1350 °C. Основная цель обжига окатышей сводится к упрочнению их до такой степени, чтобы они в дальнейшем выдерживали транспортировку, перегрузку и доменную плавку без значительных разрушений.

ИТАК, РУДА ПОДГОТОВЛЕНА К ПЛАВКЕ И ЗАГРУЖЕНА В ДОМНУ ЧТО ПРОИСХОДИТ ДАЛЬШЕ?

Доменная печь работает по принципу противотока: шихтовый материал движется сверху вниз, а навстречу ему поднимается поток горячих газов — продуктов сгорания топлива. При этом протекают следующие процессы: горение топлива, восстановление и науглероживание железа, восстановление других элементов, образование шлаков.

Основным продуктом доменного процесса является чугун. В зависимости от химического состава и назначения чугуны делят на передельные, которые предназначены для передела их в сталь, и литейные, предназначенные для переплава и получения фасонных отливок. Кроме чугуна доменный процесс позволяет получать ферросплавы — железо с повышенным содержанием других элементов.

Как говорилось выше, чугун отличается большой хрупкостью и поэтому не нашел широкого применения в современном машиностроении. Механические свойства чистого железа, в частности его прочность, ниже подобных свойств сплавов железа. В чистом виде железо — дорогой материал, и обычно его используют для специальных целей.

В технике и в быту в основном используют сталь. Значение стали в народном хозяйстве чрезвычайно велико. Нельзя назвать практически ни одной отрасли хозяйства, где бы ее не применяли. Уровень экономической мощи государства определяется в значительной степени количеством выплавленной стали. Годовое производство стали, приходящееся на душу населения в странах с развитой промышленностью, составляет 400–600 кг и более. В СССР на душу населения в настоящее время выплавляется около 600 кг стали в год.

КАКИМ ОБРАЗОМ ЧУГУН ПРЕВРАЩАЮТ В СТАЛЬ?

Техника производства стали в основном отработана в XIX в.

При любом сталеплавильном переделе чугуна в сталь происходит избирательное окисление примесей чугуна с переводом их в шлак и газы.

Простой и дешевый способ получения стали в больших количествах продувкой чугуна воздухом был предложен в 1855 г. английским механиком Бессемером.

Продувку чугуна вели в агрегате — конвертере. Такой способ получения стали называют конвертерным (бессемеровским).

В 50-х годах XX в. в ряде стран были разработаны и внедрены многочисленные варианты конвертерного процесса с применением кислорода. Эти процессы получили названия кислородно-конвертерных процессов.

Исходным сырьем для получения стали в кислородном конвертере служат жидкий передельный чугун и стальной лом, а также незначительное количество железной руды, извести, бокситов и других веществ.

В 1864 г. во Франции братьями Мартенами был осуществлен процесс переплавки чугуна и железного лома в сталь в так называемых регенеративных плазменных печах.

Способ получения стали в таких печах получил название мартеновского. Температура в такой печи достигает 1750–1800 °C за счет сгорания газа над плавильным пространством.

Во второй половине XIX в. появились предложения по использованию для плавки стали электрической энергии. В конце XIX — начале XX в. в ряде стран были созданы и пущены в эксплуатацию электропечи. Особенно бурными темпами электросталеплавильное производство развивается в последние десятилетия.

В настоящее время основными способами выплавки стали являются конвертерный (более 55 %), мартеновский (около 20 %), электроплавильный (около 25 %).

Количество стали, выплавляемой в конвертерах и крупных электропечах, непрерывно возрастает, соответственно доля стали, выплавляемой в мартеновских печах, постепенно уменьшается.

Помимо вышеназванных способов производства стали существует ряд способов выплавки стали более дорогих и менее производительных, но обеспечивающих получение металла очень высокого качества с особыми свойствами. К ним относятся вакуумно-дуговой переплав, вакуумно-индуктивный переплав, переплав в электро-лучевых, плазменных печах и др.

Поскольку в этих процессах осуществляется переплав стали, предварительно выплавленной каким-либо способом, такие процессы часто называют переплавными.

Сегодня производство стали переплавными методами достигло приблизительно 1,0 % от его общего производства. Возможно, вскоре мы можем стать свидетелями появления совершенно новых технологий.