Шихта в металлургии — что это такое

Шихта в металлургии — что это такое

Металлургия — отрасль производства, которая изготавливает промышленные металлы и сплавы. Ее конечная цель — получение расплава, отвечающего требованиям государственных стандартов, как по химическому составу, так и по механическим свойствам. Процесс выплавки имеет множество особенностей, каждая из которых сильно влияет на качество продукции. Одним из таких факторов являются исходные материалы или, другими словами, шихта.

Общие сведения

Шихта представляет собой набор компонентов, которые необходимы для выплавки сплава. Шихта загружается непосредственно внутрь печного оборудования. Химический состав ее разнообразен и зависит от конкретно выплавляемого материала.

В состав шихт могут входить как чистые металлы, так и отходы производства: бракованная продукция, стружка, отливки, прибыля и литники.

Помимо этого шихта содержит флюсы и шлаки. Шлаки попадают в шихту в результате загрязнения исходных материалов, в частности кремнеземом. При плавке он взаимодействует с чистым металлом, образуя оксиды железа, что и служит причиной образования естественного шлака.

Флюсы представляют собой карнолиты, фториды и хлориды натрия или кальция. Их основное назначение в шихте — защита расплавленного металла от взаимодействия с воздушной средой. Газы, содержащиеся в воздухе, особенно водород и кислород, при попадании в расплав значительно снижают его механические свойства. Также данные процессы являются причиной неоднородности химического состава металла и, как результат, неравномерного распределения прочности по площади сплава.

Виды шихт

В зависимости от типа получаемого сплава выделяют следующие разновидности шихтовых материалов:

• сталеплавильной металлургии.
• чугунолитейной металлургии.
• для металлургии цветных металлов.

Разберем теперь каждый пункт более подробно.

Чугунолитейное производство

Около 90% выплавки всего чугуна в России выполняется шихтами с использованием специальных печей — вагранок. Это вносит свои коррективы в химический состав шихтовых мемориалов, т. к. в среде присутствует избыточное количество газов.

Основными материалами шихт для чугунолитейного производства являются передельные и литейные чушковые чугуны, ферросплавы, отходы собственного производства.

Химический состав литейных чугунов регламентируется ГОСТом 4832-80. Их главная особенность — это высокий процентный состав кремния (до 3,5%). В зависимости от его содержания литейные чугуны подразделяют на марки. Также данный шихтовой материал включает в себя такие элементы как марганец (до 1,5%), фосфор (до 1,2%) и серу (до 0,05%). Масса одной чушки литейного чугуна не должна превышать 25 килограмм. Делается это для удобства транспортировки и загрузки шихты в печь.

Отличием передельных чугунных шихт (ГОСТ 805-75) от литейных является пониженное количество кремния в своем химическом составе, которое не превышает 1,3%. Такие чугуны отмечаются более высоким значением жидкотекучести, прочностных свойств и меньшей вероятностью образования отбела на поверхности металла. Недостатком же будет дополнительная необходимость в использовании ферросплавов.

Основное назначение ферросплавов при производстве чугунов — доводка сплава по составу, в частности по марганцу и кремнию. Одними из наиболее распространенных марок ферросилиция являются ФС45 и ФС75Л, включающие в своем составе соответственно 45 и 75% кремния. Остальная часть приходится на железо.

Около 75% шихт при изготовлении чугунов приходится на лом, который получается в результате отходов собственного производства или закупается на стороне. Существуют специальные стандарты (ГОСТ 2787-75), регулирующие состав вторичных отходов. В зависимости от этого лом подразделяется на определенные категории, и устанавливаются допустимые габариты и масса отдельных кусков.

Для вагранок основным материалом для топлива является шихта на основе каменноугольного литейного кокса. Согласно ГОСТ 3340-71 она подразделяется на 3 вида. Главным критерием здесь служит количество серы в составе и процент зольности. Содержание влаги во всех марках кокса не должно превышать 5%.

От доменного кокса литейная коксовая шихта отличается более высоким удельным весом, что означает наличие более высокой теплотворной способности. Как правило, в качестве флюсов применяют известковые породы, на 50% процентов состоящие из оксида кальция.

Сталелитейное производство

Шихта для плавки стальных сплавов преимущественно состоит из ферросплавов, флюсов, передельного коксового чугуна и стального лома.

Существует несколько принципиальных правил, которыми руководствуются при выборе материалов шихты:

• Шихта для сталей должна содержать минимальный процент легирующих элементов.
• Применение шихты известного происхождения. Пренебрежение данным пунктом отразится на точности химического состава полученного расплава.
• При кислом процессе выплавки (при котором огнеупорами печи служат кварцевый песок, шамотный или динасовый кирпич) необходимо использование шихтовых материалов, отличающихся пониженным содержанием серы и фосфора.
• Шихта не должна содержать следов ржавчины на своей поверхности и разнообразных неметаллических включений в своем составе (остатки формовочной смеси и песок).
• Компоненты ферросплавов должны быть предварительно просушены в термических печах для избежания попадания влаги в раскаленный расплав.

Наибольшее значение на свойства стали оказывает тип флюса. Как правило, флюсы представлены в виде известняка, плавикового шпата или шамотного боя. Наибольшее распространение в производстве получил известняк, процент содержания серы и фосфора которого не превышает 2%.

Химический состав металлургического известняка регламентирован стандартами. В него входят такие элементы как оксид кальция (до 55%), оксид марганца (до 3,5%), кремнезем (до 1%), оксид железа (до 0,4%), серы (до 0,15%) и фосфора (до 0,03%).

Использование известняка предусматривает отсутствие влаги в его составе, что является проблемой, т. к. он активно впитывает ее из окружающей среды даже при непродолжительном хранении.

При плавке стали в мартеновских печах в качестве окислителя помимо традиционного кислорода применяют железосодержащие руды, но при условии, что она не имеет кремнезема и фосфора в своем составе.

Плавка сплавов цветных металлов

Шихта для выплавки цветных металлов включает в себя первичные металлы, лом соответственного типа сплава, отходы собственного производства (литники, прибыля) и специальны лигатуры.

Главной особенностью плавки цветных металлов является необходимость легирования легкоплавких сплавов тугоплавкими материалами, и наоборот. Несоблюдение данного правила приводит легкоплавкие сплавы к перегреву, а тугоплавкие сплавы к образованию зональной ликвации.

Самыми востребованными тяжелыми сплавами в цветной металлургии являются бронзы. Для их изготовления требуется наличие следующих первичных металлов:

• Медь. Поставляется чушками, листами и катодами.
• Олово. Поступает на производство прутками и чушками. Их химический состав регламентируется ГОСТом 860-89.
• Свинец. Поставляется аналогичным образов, как и вышеуказанные металлы. Содержание примесей, размер и вес указаны в ГОСТе 3778-85.

Лом медных сплавов также применяется как шихта при плавке бронз и латуней. На производстве он представлен в виде чушек. Основные требования к медному лому изложены в ГОСТе 614-79.

Вторым по популярности цветным сплавом является алюминий. В промышленности в качестве первичного металла используют алюминий марок А99 и А85 ГОСТ 11069-85.

Лом алюминия перед переплавкой подвергают предварительному рафинированию, т. е. введению в состав сплава лигатур мелкозернистого алюминия. Это необходимо для увеличения прочностных характеристик металла и снижения уровня химической ликвации.

Что такое шихта? Виды шихты, состав и назначение

Определение, что такое шихта из чего она состоит заключается в следующей формулировке. Шихта – это комплекс минералов, загружаемых внутрь доменной печи или другого высокотемпературного оборудования, для получения конечных продуктов заданного химического состава и свойств.

Можно также сказать, что шихта – это подготовленный к переплавке лом (если речь идет о металлургии). А вот понятие состав шихты носит обобщенный характер и зависит от специфики продукта, выплавляемого из прекурсора. В частности, состав шихты в металлургии это:

• обогащенная руда;
• концентрат;
• флюс;
• оборотные материалы – шлаки, съемы, а также пыль.

Дополнительно, шихта, используемая в черной металлургии, содержит в своем составе топливо: кокс или уголь. Производство цветных металлов, наоборот, обходится без топливных компонентов.

На фото угольная шихта – специальная смесь определенных марок угля, подготовленная для производства кокса

Металлизированная и металлическая шихта

Использование прекурсора конкретного состава сказывается на свойствах конечного продукта, как было указано ранее. Например, в сталеплавильном производстве, нередко используют метализированную шихту. Сталь, полученная на ее основе, превосходит метал из скрапа стабильностью состава и существенно пониженным содержанием примесей. В частности, удается снизить вдвое концентрацию таких вредных для стали элементов, как сера и фосфор, увеличивающих хрупкость металла. Получают металлизированную шихту восстановлением железной руды углеродом или газом при температуре меньшей точки плавления железа.

Альтернативно, в мартеновскую печь загружают металлическую шихту. Ее основу составляют:

• чугун – твердый или жидкий;
• стальной лом.

Важно чтобы марка металлолома соответствовала выплавляемому продукту. Если в производстве стали задействовано большое количество жидкого чугуна, в состав шихты требуется ввести окислители. Это может быть специальный мартеновский агломерат, например. Также в роли оксилителя выступают: железная руда или окатыши.

Сталеплавильное производство

Рассмотренная ранее металлическая шихта – один из четверки компонентов прекурсора для производства стали. Также туда входят:

• флюс – шлакообразующие вещества;
• окислители;
• дополнительные составляющие – раскислители, науглероживатели и легирующие добавки.

Подобный состав шихты литья 40гмфр – высокопрочной конструкционной стали и других марок этого металла. Дополнительно, в состав входят флюсы или плавни. Это шлакообразующие вещества, под которые, выполняя расчет шихты для стали необходимо учитывать тип футеровки печи:

1. Кислая. Под такую мартеновскую печь шлакообразующими веществами могут быть кварцевый песок, а также битый кирпич – шамотный или динасовый – см. лом огнеупоров.
2. Основная. Тут в качестве флюса выступает, боксит, известняк или плавиковый шпат.

Так выглядит флюсовый известняк

Под окислители используют кислородсодержащие материалы: железная руда, специальные агломераты, а также окалина. Их задача катализировать окислительные процессы. Альтернативно, интенсифицировать окисление позволяет продувка металла кислородом в газообразном состоянии.

Соответственно, класс науглероживателей образуют углеродсодержащие материалы. Они могут использоваться как на стадии приготовления шихты, так и вводиться непосредственно в жидкий металл. Этот, преимущественно кокс, а также лом электродов. Важное качество науглероживателя – чистота по вредным примесям. Особенно это относится к содержанию серы и золы.

Раскислителями в подготовке шихты выступают ферросплавы, а также металлический хром, алюминий, марганец и прочие элементы.

На видео – Участок подготовки шихты

Шихта в производстве цветных металлов

Переработка алюминиевого лома в шихту

Материалы под плавку алюминиевых сплавов, например, отбираются соответственно стандартам: ГОСТ 11069-74 и ГОСТ 1583-93. Согласно документам, состав шихты ал5 ак5м марок металла включает:

• первичный алюминий и его литейные сплавы в чушках;
• возврат, лом;
• лигатуры.

Содержание Al в первичном алюминии составляет 99.x%, где x – цифра в марке. Так для сорта А0 концентрация 99.0%, А7 – 99.7%. Основными компонентами, наряду с алюминием в чушках отлива для шихты выступают кремний, магний, марганец и медь.

Шихта для коксования

Это фактически смесь измельченного угля различных марок. Их соотношение определяется конечным продуктом, а именно коксом заданного качества. Оптимальный состав шихты для коксования подбирается по техническому анализу сырья и ряду его характеристик:

• спекаемость;
• коксуемость;
• конечная усадка;
• давление распирания и прочие.

Оптимальная шихта редко остается строго фиксированной по составу. Это видно на примере получения металлургического кокса. Тут, под уголь кс в шихте для коксования отводится 10 – 15%. Еще 2 – 4% приходится на спекающуюся добавку. Остальной состав включает такие сорта угля:

• газовый – 45 – 55%;
• жирный – 17 – 25%;
• отощенно-спекающийся – остальное.

На сегодня, подобный состав характеризуется недостаточной коксуемостью. Оптимизировать спекаемость позволяет ввод органических добавок – каменноугольного пека, например.

Стекольная шихта

Данный прекурсор представляет смесь, включающую одновременно сыпучие и жидкие компоненты, а также микродобавки. Отличается шихта для стекла исключительными требованиями к дозировке составляющих, а также однородности химического и гранулометрического состава. Среди элементов, входящих в состав шихты могут присутствовать:

• измельченный бой стекла;
• песок;
• сода;
• мел;
• селитра;
• полевой шпат;
• глинозем;
• доломит.

Это только сыпучие компоненты. Жидкими составляющими стекольной шихты выступают вода или мазут. В качестве микродобавок применяют оксид кобальта, селен. Их вводят, как заранее подготовленную смесь с наполнителем.

Стекольная шихта для производства хрусталя

Отдельно стоит рассмотреть оборудование для загрузки стекольной шихты. Оно представляет целую станцию, состоящую из ряда узлов:

• конусная приемная воронка с уплотнителем;
• комплекс для разрезания мешка – удерживающая решетка и нож;
• вибратор, обеспечивающий дебалансировку;
• подъемно-транспротный конвейер;
• завалочная машина.

Когда загрузчик полностью заполнен, шихта переводится в карманный отдел плавильной печи.

Посмотрите интересное видео о том, как производят стекло:

Шихта для производства хрома

Прекурсор используется в производстве металлического Cr. Составными материалами выступают:

• концентрат и окись хрома;
• натриевая селитра;
• порошок из первичного Al.

Аналогично этому составляется шихта для плавки ферросплавов фнх или азотированного феррохрома. Дополнительным ее компонентом выступает хромистый шлак. Материал измельчают до фракции 0.3 – 0.8 мм и применяют как балласт при выплавке.

Флюс под такую шихту выбирается на основе трех условий:

• повышение активности окиси хрома, способствующее его извлечению;
• снижение вязкости глинозема;
• улучшение кинетики процесса.

Этим требованиям соответствует известь, с содержанием СаО более 90%. Ее предварительно измельчают до фракции 3 мм.

Чем опасна для организма шихта

Основным источником негативного воздействия на здоровье человека выступает SiO₂. Двуокись кремния – это кварцевый песок, выступающий базовым компонентом стекольной шихты. Наибольшую опасность в производстве стекла представляют операции с высокой запыленностью: сушка, дробление и просев. Уровень пыли в них достигает 50, а при ручном просеве 100 мг/м 3 . Сама пыль не так страшна, как опасна свободная двуокись кремния. Она составляет 75% пылевой завесы и способна вызывать силикоз у рабочих.

Также работа с шихтой связана с риском – нужно строго соблюдать технологию подготовки шихты, а также требуется надзор техники безопасности. Что бывает, когда такой контроль ослабевает смотрите на видео.

Видео – взрыв печки при неправильной загрузке шихты:

Источник https://prompriem.ru/stati/shihta.html

Источник https://xlom.ru/oborudovanie/chto-takoe-shixta-vidy-shixty-sostav-i-naznachenie

Источник https://metalspace.ru/education-career/osnovy-metallurgii/domennaya-pech/394-domennyj-protsess-polucheniya-chuguna.html