Развитие металлургии из комплексных руд. История металлургии

Развитие металлургии из комплексных руд

История металлургии

Анатолий Алексеевич Панычев

© Анатолий Алексеевич Панычев, 2025

ISBN 978-5-0065-2791-1

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Анатолий Алексеевич Панычев

РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛУРГИИ

ИЗ КОМПЛЕКСНЫХ РУД

СВЕРДЛОВСК – 2025

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…4

ГЛАВА 1. НАЧАЛО ПРОИЗВОДСТВА……………………………….. 5

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ ПОДГОТОВКИ РУД ……………………….7

ГЛАВА 3. ОПЫТНЫЕ ПЛАВКИ ПРИРОДНОЛЕГИРОВАННОГО

ХРОМОНИКЕЛЕВОГО ЧУГУНА …80

3.1 Выплавка хромоникелевого чугуна в США в 1914 г. ……………..803.2 Выплавка хромоникелевого чугуна наРевдинском заводе в 1915—1916 гг. ……..…………………………803.3. Выплавка хромоникелевого чугуна на Верхне-Турьинскомзаводе 1930—1931 гг. ………………………………………………..833.4. Выплавка хромоникелевого чугуна на заводе«Свободный сокол» в 1932—1939 гг. ………………………………843.5. Выплавка хромоникелевого чугуна наКосогорском заводе в 1933 г…………………………………………853.6. Выплавка хромоникелевого чугуна на Чернореченскомзаводе в 1933 г. …………….……. …………………………………..863.7. Выплавка хромоникелевого чугунана Верхне-Уфалейском заводе в 1934 г. …………………….. ….873.8. Выплавка хромоникелевого чугуна на Нижне-Салдинскомзаводе в 1940 г. …………………………………………………….91

ГЛАВА 4. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО ХРОМОНИКЕЛЕВОГО ЧУГУНА НА ОРСКО-ХАЛИЛОВСКОМ КОМБИНАТЕ (ОХМК (НЫНЕ АО «УРАЛЬСКАЯ СТАЛЬ») …………92

4.1 Общие сведения………………………………………………….92

4.2. Качество хромоникелевого чугуна …………………………………93

4.3 Работа доменных печей ОХМК при выплавке хромоникелевых

чугунов в 1955—1970 гг. …………………………………………….100

4.4.Процессы восстановления при проплавке сырой

Новокиевской руды……………………………………………………107

4.5. Шлаковый режим доменных печей ОХМК при выплавке

хромоникелевых чугунов…………………………………………..108

4.6.Работа доменной печи ОХМК при выплавке хромоникелевого

чугуна в 1973—1983 гг. ………………………………………………110

….

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………… 118

Список использованной литературы ……………………………………….122

ВВЕДЕНИЕ

Металлопродукция, полученная при выплаки из природнолегированных руд, имеет уникальные свойства, которые невозможно достичь при искусственной добавке в шихту ферросплавных примесей. Этот металл дал отличные результаты при использовании его в оборонной промышленности, мостостроении, производстве бесшовных труб большого диаметра, автотракторной, машиностроительной, станко-, дизеле- и паровозостроении, в химической промышленности. Также с большим успехом он использовался для производства изложниц и прокатных валков с закалённой поверхностью. Отливки из природнолегированного, титанохромоникелевого чугуна из халиловских руд обладают весьма высокими механическими качествами, отличаются специальными свойствами: большим сопротивлением истиранию, сопротивлением коррозии, щелоче- и кислотоупорностью, жароупорностю, высокой степенью обрабатываемости при повышенной твёрдости. Было установлено, что даже при подшихтовке природнолегированного халиловского чугуна в количестве 15—30% к обыкновенному стандартному чугуну отливки получаются с хорошей микроструктурой. Исследованием свойств, условиями шихтовки, плавки и использованием.

Отмеченные особенности природнолегированного Халиловского чугуна в короткий срок создали большой спрос на него со стороны различных отраслей промышленности.

Уникальность этих руд заключается в оптимальном соотношении легирующих элементов – никеля, кобальта, титана, ванадия, хрома, марганца и других, которые придают стали сверхпрочные свойства, необходимые для нефтегазовых труб большого диаметра, предназначенных для Севера, и мостостроения. Подобрать легирующие элементы в таком сУникальность этих руд заключается в оптимальном соотношении легирующих элементов – никеля, кобальта, титана, ванадия, хрома, марганца и других, которые придают стали сверхпрочные свойства, необходимые для нефтегазовых труб большого диаметра, предназначенных для Севера, и мостостроения. Подобрать легирующие элементы в таком соотношении искусственным путём не удаётсяоотношении искусственным путём не удаётся

Населению нужно интенсивнее использовать богатства недр. В России живет менее 3% населения планеты, а на ее территории сосредоточено 35% мировых ресурсов и более 50% стратегического сырья; при их суммарной оценке каждый гражданин России оказывается в 3 – 5 раз богаче американца и в 10 – 15 раз – любого европейца. Констатируется, что в национальном богатстве России минерально-сырьевая и топливно-энергетическая база по стоимости превосходит остальные компоненты не в разы, а в порядки; по оценкам специалистов лишь 5% доходов России составляет труд, 20% – капитал и 75% – природно-ресурсная рента. (По Академик РАСХН В. И. Кашина: «Природные ресурсы как часть национальные богатства России». )

ГЛАВА 1. НАЧАЛО РАЗВИТИЯ ОСОБЕННОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

Первыми коллективами, которые начали заниматься исследовательскими работами по металлургической переработке природнолегированных руд, были Московский институт Стали и Ленинградский институт Металлов, которые в 1932—1939 годы ставили многочисленные опыты по плавки руд в лабораториях и заводских условиях.

На эти руды возлагались огромные надежды и считали, что с открытием их будет, в самое ближайшее время, разрешена проблема массового производства качественной стали.

Однако затем стало понятно, что освоение комплексных природно-легированных руд представляет собой сложную научно-техническую проблему.

Вначале основной упор в исследовательских работах был сделан на производство качественных сталей, а литейные чугуны долго оставались без всякого внимания. Но уже в 1934 году Халиловский чугун применялся в 3 литейных, а 1935 г. – в 30 литейных, в 1936 г.– в 80 литейных.

Опытные плавки производились на Липецком и Косогорском металлургических заводах.

Результаты исследовательских работ опубликованы в сборнике «Качественная металлургия Орско-Халиловского района». В этом сборнике помещены статьи инженера Б.Н.Преображенского «Рудная база Орско-Халиловского металлургического комбината», Н.И.Коробова «Перспективы доменного производства Халиловского металлургического комбината», профессора М.Е.Пильняка и инженера А.Е.Хлебникова «Мартеновский передел Халиловских чугунов».

В статье Н.И.Коробова отмечены особенности доменной плавки Халиловских руд, такие как малое содержание оснований в Халиловской руде требует добавки в шихту известняка, для использования пылеватых разностей необходимо применить агломерацию, по восстановимости латеритовые руды лучше оолитовых, высокое содержание глинозёма приводит к образованию больших количеств густого шлака, требующего большого перегрева, или добавки в доменную шихту разжижающих (доломитов, кварцевых песков).

В общей оценке Халиловских руд Н. И. Коробов указывает, что Халиловские руды лучше руд других известных подобных месторождений (например, Майями) по восстановимости и другим металлургическим свойствам. Шлак, получающийся при плавке руд, легко гранулируется и может быть использован в качестве строительного материала. По данным Н.И.Коробова качество Халиловских руд не вызывает сомнений в смысле их использования, условия доменной печи вполне нормальны, технико-экономические показатели можно считать установленными.

По мартеновскому переделу Халиловских руд в результате проведенных Московским институтом Стали и Сплавов научно-исследовательских работ было установлено, что мартеновский передел отличается своими особенностями и трудностями, а это повышает стоимость их передела, а также механические свойства Халиловских сталей на 25% выше обычных углеродистых, в силу чего они могут быть применены во всех отраслях машиностроения и промышленности.

После того как проведенными исследовательскими работами была установлена ценность Халиловских руд, преступили к проектированию завода. В 1938 г. были развернуты большие подготовительные работы: прокладка железнодорожной линии от станции Губерля Оренбургской железной дороги до Новокиевского месторождения, строительство электростанции, закладка карьеров, организация рудников.

Месторождения недостаточно разведанные были переданы в эксплуатацию, что привело к большим неудачам и неполадкам с чугунами, а в 1935 г. к полной консервации рудников.

Причиной этого послужило то, что чугуны, выплавленные из руд Орловского месторождения, оказались с весьма высоким содержанием хрома и от них отказались литейные почти всех заводов Союза. Металл, выплавленный в количестве нескольких тысяч тонн, был брошен в свалку. После этого интерес к халиловской проблеме пропал и проблема использования Халиловских руд была серьезно дискредитирована.

Для реализации изготовленного металла и широкого внедрения природно-легированных чугунов в промышленность было создано бюро «Чугунлегир». В период 1937—1938 годы. эта организация провела большую работу по изучению природно-легированных чугунов и внедрению их в промышленность.

Количество литейных, применяющих Халиловский чугун, быстро увеличивалось, в 1937 году —213 литейных в 1938 году – 254 литейных, природно-легированный чугун получил всеобщее признание.

Параллельно с работами металлургов (вернее, с небольшим отставанием) проводились научно-исследовательские работы центрального научно-исследовательского института цементной промышленности, в результате которых было установлено, что из шлаков, получаемых при доменной плавке Халиловских руд, может быть получен алюмосиликатный цемент – продукт, имеющий огромную ценность. Результатом этих исследований было решение о строительстве в г. Новотроицк цементного завода, через небольшое время воплощенное в жизнь.

В 1954 году началось полномасштабное строительство Новокиевского рудника под строящуюся первую доменную печь. Зимой 1955 года с рудника была отгружена первая партия железной руды и 5 марта 1955 года выплавлен первый чугун, давший рождение Орско-Халиловскому металлургическому комбинату.

С тех пор производство природно-легированной металлопродукции осуществлялось на икомбинате до 2000 года. Добыча и переработка её производилась на карьерах и дробильно-сортировочной фабрике Новокиевского рудника. Затем начиная с 1976 года дроблёная и сортированная руда подвергалась обжигу с окускованием во вращающихся трубчатых печах.

Максимальная производительность по добыче и переработке руды была достигнута в 1961 году в объёме 1536964 тонны. Всего за время работы комбината было переплавлено 19 млн. тонн хромо-никелевой железной руды.

Начиная с 1977 года потребность в природно-легированной хромоникелевой металлопродукции стала снижаться. Уже в 1978 году было выплавлено около 240 тыс тонн передельного и литейного хромоникелевого чугуна, а в 2000 году – 31 тыс. тонн.

В современных условиях мы несколько раз рассматривали вопрос целесообразности использования наших руд в металлургическом производстве.

Так, при изучении этого вопроса в феврале 2009 года было отмечено, что выплавка хромоникелевого чугуна в доменных печах сопровождается с большими расходными коэффициентами шихтовых материалов, топлива. Так расход рудной части на выплавку хромоникелевого чугуна возрастает до 2000кг/т и выше, расход кокса может составлять до 1200кг/т и более. Соответственно затраты на выплавку такого чугуна резко возрастают в сравнении с передельным чугуном. Расчёты показывают, что наибольшая эффективность выплавки хромоникелевого чугуна создаётся при условии неполной загрузки мощностей доменного цеха. В этом случае эффект при использованиихромоникелевого чугунана производство стали 14,1 млн.руб., при полной загрузке доменного цеха эффект от использования такого чугуна на производство стали отрицателен и составит -7,8 млн. т.

В варианте отгрузке чугуна на сторону при неполной загрузке доменного цеха эффект максимален и составит 33,4 млн. т. При полной загрузке доменного цеха эффект снижается до 11,5 млн.руб.

ГЛАВА 2

ОСОБЕННОСТИ ПОДГОТОВКИ РУД

В последнее время в связи с резким ростом цен на мировом рынке на никель, кобальт вновь внимание бизнеса и специалистов привлекают никельсодержащие руды, в том числе природно-легированные руды.

Группа месторождений включает Аккермановское, Новопетропавловское, Новогеоргиевское, Промежуточное, Малохалиловское, Орловское и Новотроицкое месторождения хром- и никельсодержащих железных руд, расположенных в пределах Гайского района и земель муниципального образования города Новотроицка Оренбургской области.

Руды Орско-Халиловской группы месторождений в настоящее время представляют значительный интерес для производства высокопрочного металла, используемого в мостостроении, судостроении, военной технике, а также изготовлении газовых труб большого диаметра в «северном исполнении».

Известно, чтовещественный состав, физико-механические и химические свойства руды в решающей степени определяют методы и технологическую схему её подготовки к металлургическому переделу. Природнолегированные руды Орско-Халиловской группы месторождений характеризуются весьма сложным вещественным составом и уникальными свойствами, тончайшим срастанием в них рудных и нерудных минералов и незначительной разницей в удельных весах между рудной и породной частями.

Формы нахождения химических элементов в Орско-Халиловских рудах имеют следующие отличительные особенности:

1 Широко распространены минералы переменного химического состава и индивидуализированные разности их имеют подчиненное значение, это обуславливается тем, что Орско-Халиловские руды состоят из тонкодисперсных, почти коллоидных частиц.

2 Количественное соотношение различных минералов подвержено значительным колебаниям, что обуславливает непостоянство химического состава руд. В частности, соотношение хлоритов и гидроокислов группы бурого железняка для разных участков толщи различно.

3 Руды испытывают значительные процессы превращения. Особое значение имеют процессы обохривания лептохлоритов, в результате чего образуются новые минералы.

Железо представлено в рудах минералами группы бурого железняка и лептохлоритов. Небольшое количество железа находится в форме магнетита и маггемита. Кроме этого, небольшая часть железа заключена в минералах группы хромшпинелид. Как магнетит и маггемит, так и хромшпинелиды образуют в руде мельчайшие включения, неравномерно распределенные по всей рудной толще. Наибольшее практическое значение имеет железо, заключенное в гидроокислах, которое обычно составляет 70—80% от общего количества железа. Только на Малохалиловском месторождении, где лептохлориты имеют наибольшее распространение, закисное железо лептохлоритов доходит до 50% от общего количества железа. Гидроокислы обычно образуют тонкодисперсные порошковатые массы, обладающие высокой пористостью.

Никель. Максимальные концентрации никеля приурочены к хлоритам, магнезиальным карбонатам и порошковатым охрам. Никелевые минералы встречены только в Аккермановском железорудном месторождении. Связь никеля с порошковатыми охрами и хлоритами указывает на то, что часть никеля находится в адсорбированной форме, а часть – в виде примеси к хлоритам, где она изоморфно замешает часть атомов магния.

Максимальные концентрации никеля приурочены к низам рудной толщи, но встречаются высокие содержания никеля и в верхних горизонтах конгломерато-оолитовых и оолитовых руд.

Кобальт. Концентрации кобальта связаны с марганцовистыми минералами типа псиломелан-вада (асбелан), максимальные концентрации (0,34%) приурочены к низам рудной толщи.

Хром большей частью заключен в хлоритах и минералах группы хромшпинелид переменного химического состава, которые представлены в руде мелкими реликтовыми включениями, имеющими неправильно угловатую форму. Поверхность хромитовых включений имеет мелкую трещиноватость. Часть хрома заключена в растворимых соединениях хрома, источником образования которых является первичный (остаточный) хромит. Размер хромитовых зерен различен, от сотых долей до 1,5 и 2 миллиметров (последние хорошо видны простым глазом в свежих штуфах руды). Это дает возможность на основании макроскопического изучения руд определить примерное содержание хрома в руде. Неравномерность в распределении хрома обуславливается характером распределения включений хромита и хромшпинелида.

Марганец. Преобладают землистые разности псиломеланвада. Обычно содержится в незначительных количествах (не более 2—3%). Образует включения и прожилки. В Аккермановском месторождении встречается высокое содержание марганца, в отдельных пробах достигающее 10—15%. Марганец представлен псиломеланвадом, пиролюзитом и полианитом.

Титан связан с магнетитом, часть которого относится к титаномагнетиту. Наибольшие концентрации титана (TiO2 до 2—5%) приурочены к верхним горизонтам рудной толщи (конгломерато-оолитовым и оолитовым).

Кремний один из наиболее важных элементов Халиловских руд, содержание которого достигает значительных величин. Кремний в составе руд занимает второе место (после железа). Формы нахождения кремния различны и поведение его при доменной плавке может резко меняться. Минералогически кремний может быть представлен в следующих формах: кварц, кремний, опал и халцедон; ортохлориты; лептохлориты; серпентит; нонтронит; неопределимые глинистые частицы; другие нерудные минералы, занимающие в составе руд второстепенное место (роговая обманка, эпидот, мусковит).

Наибольшее количество кремния Халиловских руд заключено в минералах кварца, кремния, опала и халцедона, которые в рудах представлены по-разному: в виде мелких включений, прожилков, щебенки, натечных форм, друз, жеод.

Часто в порошковатых рудах кремний представлен микроскопическими включениями халцедона и минералами кварца, кремния, опала. В этом случае макроскопически кремний в составе руд не обнаруживается и руда имеет облик совершенно чистой разности бурого железняка при содержании кремнезема до 35—40%. Присутствие кремнезема обнаруживается только с помощью химического анализа.

Такая форма нахождения кремнезема обуславливает хорошую восстановимость кремния, что при доменной плавке высококремнистых руд приводит к получению высококремнистых чугунов, а при агломерации – образованию закисных соединений железа, которые, как известно, нежелательны для агломерата, так как понижают его металлургические качества. Хорошая восстановимость кремния обуславливается не только этим обстоятельством, но также и высокой микропористостью руд.

Алюминий связан с орто- и лептохлоритами, гидраргиялитом и коллоидальным алюмогелем. Некоторые количества алюминия заключены в неопределенных глинистых частицах. Глиноземом наиболее богаты верхние горизонты рудной толщи. В тех случаях, где алюминий связан с хлоритами, распределение его имеет более или менее равномерный характер. Кселинит, наоборот, образует галечки или бобы и поэтому содержание глинозема в этом случае подвержено резким колебаниям.

Магний главным образом представлен хлоритами, неотъемлемую часть которых он составляет. Некоторое, весьма незначительное, количество магния заключено в серпентините. В низах рудной толщи магний находится в виде карбонатных соединений (гидромагнезит), которые образуют почковидные скопления.

Кальций в рудах содержится в весьма незначительном количестве, содержание которого редко выходит за пределы 1,0 – 1,5%, и очень редко достигает 3—4%. Кальций представлен почти исключительно в форме карбонатных соединений, которые образуют мелкокристаллические массы, неравномерно распределенные в рудной толще. Повышенные концентрации кальция приурочены к нижним горизонтам рудной толщи, тогда как верха рудной толщи почти совершенно лишены карбонатов.

Сера в рудах, как правило, содержится в весьма незначительных количествах, содержание которой определяется обычно сотыми долями процента. Сера связана с пиритом и пирротином. Пирит обычно находится в тонко рассеянном виде, но иногда встречаются значительные скопления пиритовых конкреций, что приводит к резкому повышению содержания серы (до 1,0 – 1,5%).

Фосфор. Содержание фосфора варьирует в весьма широких пределах, от 0,02 – 0,03 до 0,96 – 1,0%. Минералы фосфорита не определены и форма его нахождения не установлена, максимальные концентрации фосфора приурочены к верхам рудной толщи, а нижние горизонты по фосфору более чисты.

Вода входит в состав бурого железняка и, в зависимости от количества последнего, содержание ее меняется в пределах от 6 до 18%. Часть воды связана с коллоидальным алюмогелем. Кроме этого, в Халиловских рудах имеется пленочная вода.

Ванадий в руде содержится в весьма низких концентрациях, что не представляет возможности установить форму его присутствия.

Цирконий связан с мельчайшими зернами циркона, спектральные анализы подтверждают присутствие этого элемента.

Медь встречается в рудах Аккермановского и Новопетропавловскогоместорождений, обнаружено содержание меди, равное 0,12%. Спектральные анализы подтверждают наличие меди. Медь присутствует в форме закисных соединений, более или менее равномерно распределенных по всей рудной толще, с преобладанием в нижних горизонтах.

Физико-механические свойства Халиловских руд весьма резко отличаются от обычных бурых железняков, и в этом месторождения Халиловской группы не имеют каких-либо аналогов среди прочих железорудных месторождений.

Объемный вес меняется в пределах от 0,78 до 3,10. Отдельные горизонты руд характеризуются более или менее постоянными величинами объемных весов, пределы колебаний которых для каждого типа разновидности руд сравнительно невелики. Объемный вес зависит от минералогического состава руд и объема пустот. Объемные веса и коэффициенты разрыхления руд Халиловских месторождений приведены в табл. 1.

Таблица 1

Объёмные веса и коэффициенты разрыхления руд Халиловских месторождений

Удельный вес руд меняется в пределах от 3,07 до 4,03. Удельный вес руд остается почти неизменным для всех типов руд и пределы колебания его по разным типам почти одинаковы. Некоторые колебания удельных весов всецело связаны с изменениями минералогического состава руд.

Ориентировочно Орско-Халиловские руды представляют собой трехкомпонентную смесь, состоящую из групп:

– минералов группы бурого железняка с удельными весами от 3,3 до 4,0;

– лептохлоритов с удельными весами от 3,0 до 3,4;

– кварца и др. пустых пород с удельными весами около 2,5.

Естественно, что если соотношение компонентов будет изменяться, то это отразится на величине удельного веса руды. В частности, при высоком содержании минералов группы бурого железняка удельный вес руд будет достигать наибольшей величины.

Следовательно, величина удельного веса до некоторой степени характеризует содержание в руде минералов группы бурого железняка.

На основании вышеизложенного можно сказать, что координируя удельные веса с результатами химического анализа можно определить количественный минералогический состав руд, то есть соотношение железа в составе лептохлоритов и минералов группы бурого железняка. Для пересчета можно составить соответствующие графики и таблицы.

При этом необходимо учитывать теоретически возможное содержание железа в лептохлоритах и минералах группы бурого железняка, которые характеризуются следующими данными:

Сод. Fe Уд. вес

Лептохлорит (типа тюрингита) 24,6 – 32,3 3,0 – 3,4

Гидрогетит 61,8 4,0

Орско-Халиловские руды характеризуются высокой пористостью, которая меняется от 18 до 70%. Наибольшей пористостью обладают порошковатые охристые руды, где объем пустот меняется от 64 до 70%. Пористость руд по отдельным типам представлена в табл.2:

Таблица 2

Пористость Орско-Халиловских руд по отдельным типам.

Из этой таблицы хорошо видна закономерность в изменениях средних объемных

весов и объемов пустот по типам руд.

Влажность руд. Орско-Халиловские руды обладают весьма высокой влажностью, которая меняется от 5—10% до 60—80%. Высокая влажность руд обуславливается большим объемом пустот. Влажность руд подвержена резким колебаниям в зависимости от атмосферных условий. В частности порошковатые руды обладают высокой влажностью, то есть способностью усваивать влагу, что связано с микроскопичностью руд и большой удельной поверхностью их. На это оказывают малые размеры частиц и их чешуйчатая форма. В составе Халиловских руд следует различать: гидратную влагу (химическая связанная вода), пленочную влагу, капиллярную влагу. Наиболее легко отдается капиллярная влага, удаление которой происходит наиболее быстро, что и наблюдается при перевозке руд в летний засушливый период на большое расстояние. При промышленном использовании руд необходимо предусмотривать удаление излишней влаги, которая осложняет подготовку и ведение доменной плавки руд.