Металлургические технологии : металлургия чёрных металлов

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 
ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 3824 

Кафедра металлургии стали, новых производственных технологий 
и защиты металлов 

С.А. Ивлев 
М.П. Клюев 
 

Металлургические технологии 

Металлургия чёрных металлов 

Практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2017 

УДК 669.1 
 
И17 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, ст. эксперт А.Е. Пареньков 

Ивлев С.А. 
И17  
Металлургические технологии : металлургия чёрных металлов : практикум / С.А. Ивлев, М.П. Клюев. – М. : Изд. Дом 
НИТУ «МИСиС», 2017. – 45 с. 
ISBN 978-5-906846-57-0 

Представлен алгоритм решения широкого круга практических задач, возникающих на различных этапах металлургического производства. Поэтапное 
выполнение предлагаемых заданий дает возможность студенту проследить 
превращение сырой железной руды, добытой из недр Земли, в железорудный 
концентрат, а затем – в агломерат, определить основные техникоэкономические и экологические показатели производства чугуна в доменной 
печи и стали в кислородном конвертере. Целью настоящего практикума является формирование у студентов комплексного подхода к изучению технологических процессов черной металлургии, закрепление знаний и навыков, 
полученных на занятиях в аудитории, практиках и в ходе самостоятельной 
подготовки. 
Практикум предназначен для студентов, обучающихся по программам 
бакалавриата по направлению 22.03.02 «Металлургия». 

УДК 669.1 

 
ISBN 978-5-906846-57-0 
 С.А. Ивлев, М.П. Клюев, 2017 
 НИТУ «МИСиС», 2017 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение ................................................................................................ 4 
Занятие 1. Оценка качества железных руд ......................................... 5 
1.1. Определение содержания железа в железной руде .................... 5 
1.2. Определение содержания вредных примесей 
в железной руде .................................................................................... 6 
1.3. Определение основности пустой породы железной руды ......... 7 
Занятие 2. Технологическая схема подготовки 
железной руды к доменной плавке ..................................................... 9 
2.1. Оценка кусковатости железной руды и расчет схемы 
дробления .............................................................................................. 9 
2.2. Расчет показателей стадии обогащения .................................... 10 
2.3. Определение химического состава концентрата ...................... 12 
Занятие 3. Определение показателей процесса агломерации ......... 14 
3.1. Определение расходов известняка и концентрата .................... 14 
3.2. Определение химического состава агломерата ........................ 16 
Занятие 4. Доменное производство ................................................... 18 
4.1. Расчет расхода агломерата на выплавку 1 т чугуна ................. 18 
4.2. Определение химического состава чугуна ................................ 19 
4.3. Определение химического состава и выхода шлака ................ 22 
Занятие 5. Сталеплавильное производство ...................................... 25 
5.1. Расчет изменения химического состава 
металла в конвертере .......................................................................... 25 
5.2. Материальный баланс конвертерной операции ........................ 27 
5.3. Расчет расхода раскислителей и легирующих добавок ........... 33 
Заключение .......................................................................................... 36 
Литература .............................................................................................. 37 
Приложения ............................................................................................ 38 
 

Введение 

Черная металлургия является одной из базовых отраслей народного 
хозяйства, без которой невозможно развитие таких отраслей, как машиностроение, строительство, транспорт, оборонный комплекс и др.  
Современное крупное металлургическое предприятие (комбинат) 
следует рассматривать как комплекс производств, деятельность которых направлена на получение конечной металлопродукции: товарного чугуна, стальных слитков и заготовки, проката разнообразного 
сортамента и др. В состав таких металлургических комбинатов, как 
правило, входят следующие основные производства: рудники и горно-обогатительная фабрика, коксохимическое, агломерационное, доменное, сталеплавильное, прокатное производство, а также необходимые вспомогательные производства. Тесная кооперация между 
ними, непрерывный обмен продукцией, материалами и энергоносителями определяют высокую эффективность работы металлургического комбината в целом.  
Производство черных металлов начинается с добычи железных 
руд и их подготовки. Конечные продукты коксохимического и агломерационного производства (кокс и агломерат) входят в состав шихты доменных печей, выплавляющих чугун, который, в свою очередь, 
является основным компонентом металлошихты сталеплавильных 
агрегатов. Коксовая мелочь (коксик) используется при производстве 
агломерата, а также для науглероживания жидкой стали. Выделяющиеся в ходе технологических процессов газы (коксовый, доменный, 
конвертерный), обладающие высокой теплотой сгорания, после необходимой подготовки используются в качестве источников энергии 
в коксохимическом и агломерационном производстве, а также для 
нагрева слитков и заготовок в прокатных цехах. Образующиеся на 
всех этапах производства отходы (точнее – попутные продукты): 
окалина, шлаки, пыли, шламы, содержащие железо в значительном 
количестве, возвращаются в металлургический передел в виде компонентов шихты при производстве агломерата, чугуна и стали.  

Занятие 1 

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ЖЕЛЕЗНЫХ РУД 

Основой черной металлургии и источником железа является железная руда. В настоящее время в практике доменного производства 
железная руда, добытая из недр Земли, так называемая сырая руда, 
практически не используется, так как не отвечает требованиям, 
предъявляемым металлургами к качеству железорудных материалов 
по следующим критериям: 
– по содержанию железа; 
– по содержанию вредных примесей; 
– по химическому составу и уровню основности пустой породы; 
– по гранулометрическому составу (кусковатости). 
Оценка качества сырой железной руды по перечисленным критериям позволяет разработать наиболее рациональную схему подготовки ее к металлургическому переделу. 

1.1. Определение содержания железа 
в железной руде 

Наиболее важным критерием качества железной руды является 
содержание в ней железа. 
Железные руды состоят из минералов, которые делятся на две 
группы: рудные минералы, содержащие основную массу железа, и 
пустую породу – минералы, в составе которых железо отсутствует, 
либо содержится в незначительном количестве. Железо в рудных 
минералах присутствует в виде оксидов (FeO, Fe2O3) и карбоната 
(FeCO3). В руде также могут содержаться попутные примеси Cr, Ni, 
Ti, Mo, W, V и др., а также вредные примеси, снижающие качество 
стали, – S, P, As, Cu, Zn и Pb.  
Промышленное значение имеют следующие рудные минералы и 
образованные ими железные руды: 
– магнетит (МГ) – магнитный оксид железа Fe3O4, магнитный железняк; 
– гематит (ГМ) – безводный высший оксид железа Fe2O3, бурый 
железняк; 
– гидрогематит (ГГМ) – водный оксид железа mFe2O3  nН2О, 
красный железняк, к нему также могут быть отнесены лимонит, гётит и другие рудные минералы, содержащие гидратную воду; 
– сидерит (С) – карбонат железа FeCO3, шпатовый железняк. 

Содержание железа в железной руде определяют по формуле 

 

2
3

p
p
p
Fe
Fe
2
3
FeO
Fe O

2
Fe
FeO
Fe O
A
A
M
M




, 
(1.1) 

где 
p
Fe  – содержание железа в руде, % масс.;  

Fe
A
 – атомная масса железа;  

2
3
FeO
Fe O
,
M
M
 – молекулярные массы компонентов железной ру
ды соответственно;  

p
p
2
3
FeO , Fe O  – содержание компонентов в железной руде соответственно, % масс.  

При необходимости, в связи с присутствием в руде других соединений железа, уравнение (1.1) можно дополнить другими соответствующими слагаемыми. Аналогичное уравнение следует применять 
при расчете общего содержания железа в других материалах: железорудном концентрате, агломерате и др. 
По содержанию железа руды делятся на богатые и бедные. К богатым рудам относятся магнетитовые и гематитовые руды, содержащие более 45…48 % масс. железа, гидрогематиты и сидериты, содержащие соответственно более 37…40 и более 27…30 % масс. железа соответственно. Руды с меньшим содержанием железа относятся 
к бедным рудам. Горные породы с содержанием железа меньше 14 % 
масс. к железным рудам не относятся. 
Задание. Выполнить расчет содержания железа в железной руде 
заданного состава (прил. 1), оценить, используя информацию о браковочных пределах, к какой категории – богатых или бедных руд – 
относится руда данного состава, сделать вывод о целесообразности 
ее обогащения, исходя из того, что повышение содержания железа в 
шихте на 1 % масс. позволяет увеличить производительность доменной печи на 2,0…2,5 % отн. 

1.2. Определение содержания вредных примесей 
в железной руде  

К вредным примесям, снижающим качество железной руды, а 
следовательно, чугуна и стали, относятся сера и фосфор. В дальнейших расчетах условно принято, что сера в железной руде находится в 
сульфатной форме (SO3), а фосфор – в виде P2O5. Содержание серы и 

фосфора в железных рудах, используемых в доменном производстве, 
не должно превышать 0,3 % масс. для каждого элемента.  
Содержание серы и фосфора в железной руде определяется по 
формулам 

 

3

p
p
S
3
SO
S
SO
A
M


, 
(1.2) 

 

2
5

p
р
P
2
5
P O

2
P
P O
A
M


, 
(1.3) 

где 
p
p P
,
S
 - содержание серы и фосфора в железной руде, % масс.;  

S
P
,
A
A  – атомные массы серы и фосфора соответственно;  

3
2
5
SO
P O
,
M
M
 – молекулярные массы SO3 и P2O5 соответственно;  

p
5
2
p
3
O
P
,
SO
 – содержание SO3 и P2O5 в железной руде соответственно, % масс. 

Задание. Выполнить расчет содержания серы и фосфора в железной руде заданного состава и сделать вывод о целесообразности и 
способах дальнейшей ее обработки в целях снижения их содержания. 

1.3. Определение основности пустой 
породы железной руды 

В процессе доменной плавки компоненты пустой породы в значительной мере участвуют в образовании доменных шлаков, состав которых оказывает существенное влияние на технико-экономические 
показатели доменной плавки и состав чугуна. 
Главным показателем, характеризующим пустую породу железной руды, является ее основность, величина которой определяется по 
формуле 

 
p
3
2
p
2

p
p

O
Al
SiO
MgO
CaO



B
, 
(1.4) 

где В – основность пустой породы;  

p
p
p
p
2
2
3
CaO , MgO , SiO , Al O  - содержание соответствующих компонентов в руде, % масс. 

Наибольшую ценность представляет железная руда, имеющая 
пустую породу, близкую к 1, так называемая самоплавкая руда. Если 
основность пустой породы существенно меньше 1, то при подготовке 
руды или при составлении шихты доменной плавки необходимо использовать флюсы, повышающие содержание СаО в шлаке. 
Задание. Определить основность пустой породы железной руды 
заданного состава и сделать вывод о целесообразности использования флюсов при дальнейшей ее обработке. 

Занятие 2 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОДГОТОВКИ 
ЖЕЛЕЗНОЙ РУДЫ К ДОМЕННОЙ ПЛАВКЕ 

В зависимости от качественных характеристик железной руды ее 
подготовка к металлургическому переделу может включать в себя 
следующие стадии: 
– дробление; 
– измельчение; 
– обогащение; 
– окускование (агломерация, окомкование). 

2.1. Оценка кусковатости железной руды 
и расчет схемы дробления 

Железные руды из недр Земли добывают либо открытым способом 
– в карьерах, либо подземным способом – в шахтах. При добыче руды 
открытым способом размер глыб может достигать 1000…1200 мм, при 
добыче руды шахтным способом – 300…800 мм. Эти размеры существенно превышают размеры железной руды, обеспечивающие оптимальные условия ее дальнейшей обработки и использования. Для 
доменной плавки верхний предел крупности кусков руды составляет 
40…100 мм; для агломерации – 6…10 мм; для обогащения в некоторых случаях требуется достижения размеров частиц до 0,1 мм. 
Дробление является самой затратной стадией подготовки железных руд. 
Дробление руды производят в несколько этапов, среди которых 
различают: 
– крупное дробление от 1500 до 350 мм; 
– среднее дробление от 350 до 60 мм; 
– мелкое дробление от 60 до 6 мм; 
– измельчение от 6 до 1 мм. 
Для дробления в зависимости от типа рудного минерала и принятых размеров исходной и конечной фракций используют дробилки 
различных типов: щековые, конусные, валковые. Для измельчения 
применяют шаровые мельницы и мельницы бесшарового помола. 
Для обеспечения гарантированного размера конечной фракции на 
каждом этапе обязательно применяют проверочное грохочение с возвратом надрешетного продукта на повторное дробление (так назы

ваемая замкнутая схема). Показателем процесса дробления на каждой стадии является степень дробления i, определяемая по формуле 

 
d
D
i 
, 
(2.1) 

где D, d – исходный и конечный максимальный размер кусков на 
данной стадии дробления. 

Задание. Задаться способом добычи железной руды и исходными 
размерами кусков. Обосновать и отобразить графически схему дробления с указанием степени дробления на каждой стадии, максимальных размеров кусков входящей и выходящей на каждой стадии фракций, типов применяемых дробилок. Величину степени дробления (i) 
рекомендуется принять в диапазоне: для щековых дробилок (крупное 
и среднее дробление) 4…6; для конусных дробилок при крупном и 
среднем дроблении 5…6, при мелком – 10. Предусмотреть обязательно на каждой стадии предварительное и проверочное грохочение. 

2.2. Расчет показателей стадии обогащения 

Обогащение железной руды – технологическая операция, целью 
которой является повышение содержания железа в железорудном 
материале, используемом в доменной плавке или в сталеплавильном 
производстве. 
Все способы обогащения железных руд основаны на существенных различиях химических и физических свойств рудных минералов 
и пустой породы. Именно этим определяется многообразие методов 
обогащения, а именно – промывка, магнетизирующий обжиг, флотация, магнитная сепарация и др.  
Продуктами обогащения являются концентрат, содержащий 
большее количество железа, чем исходная руда, и хвосты – отходы 
обогащения. 
Показателями процесса обогащения являются: 
– α  – содержание железа в исходной руде, % масс.; 
– β  – содержание железа в концентрате, % масс.; 
– ν  – содержание железа в хвостах, % масс.; 
– 
к
γ  – выход концентрата, доли ед., определяется по формуле 

 
к
α
ν
γ
β
ν




; 
(2.2) 

– 
хв
γ
 – выход хвостов, доли ед., определяется по формуле 

 
хв
к
γ
1
γ ;
 
  
(2.3) 

– 
к
ε – степень извлечения железа в концентрат, доли ед., определяется по формуле 

 
к
к

γ β
ε
α

; 
(2.4) 

– 
хв
ε
 – степень извлечения железа в хвосты, доли ед., определяется по формуле 

 
хв
хв

γ ν
ε
α

; 
(2.5) 

– Kоб – коэффициент обогащения, показывающий во сколько раз 
содержание железа в концентрате больше, чем его содержание в исходной руде, доли ед., определяется по формуле 

 
об
β
α
K

;  
(2.6) 

– Kс – коэффициент сокращения, показывающий во сколько раз 
масса концентрата меньше массы исходной руды, доли ед., определяется по формуле 

 
с
к

1
γ
K 
; 
(2.7) 

– Kгл – коэффициент глубины обогащения, показывающий во 
сколько раз содержание железа в концентрате меньше содержания 
железа в рудном минерале, доли ед., определяется по формуле 

 
гл
м
β
Fe
K

,  
(2.8) 

где 
м
Fe  – содержание железа в рудном минерале, % масс. 

Задание. Обосновать способ обогащения, графически изобразить 
схему процесса и определить технологические показатели процесса 
обогащения железной руды заданного состава (прил. 1). Сделать вы