Производство чугуна и его значение в народном хозяйстве

Без металла невозможно развитие промышленности. Основу всех черных металлов, ее базу так или иначе составляет чугун, из которого изготовляются различные детали, а еще большая часть чугуна переплавляется в сталь.

В программе развития отрасли черной металлургии до 2000 года особый упор сделан на повышение качества и расширение сортамента металлопродукции. В недалеком будущем будут планировать этой отрасли только уровень качества готовой продукции при сохранении или даже некотором снижении объема производства, потому что удовлетворять растущие потребности в металле за счет повышения его качества (при этом же объеме производства) на 40 процентов дешевле, чем за счет физического прироста его производства. Весь прирост производства продукции высокого качества будет осуществлен без увеличения объемов добычи железной руды, производства кокса и при сокращении, численности промышленно-производственного персонала. Для решения этих задач намечены программы; модернизации оборудования аглофабрик в ходе их капитальных ремонтов; повышения содержания железа в концентрате путем более полного егоизвлечения из рудного сырья; расширения использования пылеугольного топлива в доменных печах и оснащения их эффективными бесконусными загрузочными устройствами и высокотемпературными воздухонагревателями [17, с. 3].

Основным способом производства чугуна является получение его путем восстановительной плавки железной руды в доменных печах, где одновременно с восстановлением железа происходит процесс науглероживания его и превращение в чугун. Исходными материалами для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы. Наиболее применимы следующие руды: красный железняк (50-65 процентов железа), бурый железняк (35-55 процентов железа), магнитный железняк (более 60 процентов железа), шпатовый железняк (около 40 процентов железа). В качестве топлива применяют каменноугольный кокс и природный газ, в качестве флюсов, способствующих сплавлению пустой породы и золы топлива в шлаки, в доменном производстве применяют известняк и реже доломит.

Нормальный ход доменной плавки требует строго определенного соотношения компонентов сырья, эту заранее рассчитанную смесь называют шихтой. Для повышения эффективности доменного процесса проводят подготовку руды к плавке. Первым процессом подготовки руды, содержащей песчано-глинистые породы, является её промывка водой, заключающаяся в отделении руды от пустой породы. Богатые железные руды подвергают дроблению и сортировке. Руды с большим содержанием серы подвергают обжигу (для выжигания серы). Бедные железные руды подвергают магнитному обогащению в сепараторах, позволяющих отделить пустуй породу. Особенно эффективным способом повышения производительности доменного процесса является агломерация (спекание руды с коксом в агламерационных печах при температуре 1300-1500°С) и скатывание (обработка тонкоизмельченного рудного концентрата известью и связующим материалом в грануляторах с последующей сушкой и обжигом).

Сущность процесса доменной плавки состоит в 1) восстановлении железа из руды 2) науглероживания железа до состояния чугуна (более 2, 14% углерода) и 3) отшлакования пустой породы и золы топлива.

Шахта доменной печи имеет вид усеченного конуса. Шихта подается в доменную печь сверху с помощью наклонного подъемника. Воздух поступает в печь через фурмы, расположенные в фурменной части горна. Шихта свободно опускается от колошника в более горячие зоны, где последовательно идут процессы подсушки, удаления влаги, разложение гидратов, карбонатов, а также происходит удаление летучих из кокса. Воздух, подаваемый в доменную печь, нагревается в воздухонагревателях ДО 1000º С, что уменьшает расход кокса и увеличивает температуру над фурмами. В этой зоне печи создается окислительная атмосфера и углерод сгорает по реакции

С + О₂→ СО₂ +Q.

(+Q - отдача тепла при реакции, –Q - поглощение тепла) с последующим восстановлением диоксида углерода раскаленным коксом до оксида углерода по реакции:

СО₂ + С → 2СО – Q

CO

CO

CO

Образующийся в горне газ поднимается вверх, вступая во взаимодействие с шихтой. Основной процесс доменной плавки - восстановление оксидов железа оксидом углерода:

Fe₂ O₃ → Fe₃ O₄ → FeO → Fe_тв +СО₂

Восстановление оксидом углерода называется косвенным, оно происходит при температуре до 1000°С. При температуре более 1000°С начинается прямое восстановление железа углеродом, причем чем выше температура, тем в большей степени будет протекать прямое восстановление железа. Железо плавится и стекает через слой кокса, дополнительно растворяя углерод, и в горне осуществляется формирование конечного химического состава чугуна. Так как плотность образующегося шлака значительно меньше плотности готового чугуна, то шлак располагается над чугуном. Выпуск накопившегося чугуна осуществляется 10 и более раз в сутки, а шлак выпускают в 2-3 раза чаще. В современных домнах с полезным объемом более 3000 м³ выпуск производится непрерывно.

В состав чугуна кроме железа и углерода входят сера, фосфор, кремний и марганец.

Сера - вредная для чугуна примесь, образует сернистое железо, которое является эвтектикой, т.е. обладает наиболее низкой температурой плавления. При нагревании такой чугун трескается и это явление называется красноломкостью.

Фосфор нарушает пластические свойства чугуна, т.к. он растворяетFe_α и Fe_β , что нарушает кристаллическую решетку и повышает хрупкость чугуна при нормальной температуре. Такое явление называют хладноломкостью.

Сера и фосфор - вредные примеси и от них стараются избавиться в процессе подготовки руды к плавке и во время протекания доменного процесса.

Кремний повышает предел текучести чугуна и уменьшает склонность его к хладноломкости.

Марганец повышает твердость и прочность чугуна.

Кремний и марганец - полочные примеси и для специальных видов чугунових, при недостатке в руде, вводят специально в момент выпуска расплавленного чугуна из домны.