Металлургия чугуна

Исходные материалы для выплавки чугуна

Сплавы черные металлов, как было сказано, представ­ляют сплавы железа с углеродом; кроме того, они содержат примеси — кремний, марганец, фосфор, серу и неко­торые другие.

Химически чистое железо в промышленности практи­чески не применяется, поскольку механические свойства его невысоки.

Элементом, оказывающим главное влияние на свойства черных металлов, является углерод, и в зависимости от содержания его черные металлы делят на сталь и чугун.

Сталью называют железоуглеродистый сплав с содержа­нием углерода до 2,14%. Чугуном является железоуглероди­стый сплав, содержащий углерода от 2,14% до 6,67%. Сталь обладает значительно более высокими механическими свой­ствами (прочностью, твердостью, пластичностью и др.) по сравнению с чугуном. Основное назначение чугуна — слу­жить сырьем для получения стали.

Исходным сырьем для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы. Агрегатом для выплав­ки чугуна служит доменная печь.

Рассчитанное в определенном соотношении количество загружаемых в доменную печь исходных материалов назы­вается шихтой.

Железной рудой является горная порода, содержащая те или иные соединения железа, а также примеси соедине­ний других элементов, являющихся пустой породой.

В настоящее время для получения чугуна употребляют следующие руды.

Магнитный железняк (Fe₃0₄) — минерал черного цве­та, обладает магнитными свойствами; содержание в нем железа доходит до 72%.

Бурый железняк (2Fe₂0₃3H₂0) — минерал желто-буро­го цвета; содержание железа колеблется от 35% до 50%.

Красный железняк (Fe₂0₃) — минерал красного цвета, содержит до 60% железа.

Шпатовый железняк (FeC0₃) — минерал серого цвета, содержит 30-42% железа.

Топливо, употребляемое для доменного процесса, долж­но иметь высокую теплотворную способность и малую золь­ность, обладать пористостью, прочностью при высоких температурах, а также содержать как можно меньше серы, которая частично переходит из топлива в чугун и ухудша­ет его свойства.

В качестве топлива при доменном производстве исполь­зуется каменноугольный кокс. Для интенсификации вып­лавки чугуна применяют природный газ и кислород.

Для отделения пустой породы и золы в доменную печь вводят вещества, называемые флюсами; эти вещества при сплавлении с пустой породой и золой топлива образуют легкоплавкие химические соединения, образующие шлак.

Для выплавки чугуна руду подвергают предваритель­ной подготовке — обогащению. Качество подготовки руды оказывает большое влияние на ход плавки, расход топли­ва и качество получаемого чугуна.

Подготовка руды включает операции дробления, сор­тировки, обогащения и, если необходимо, обжига.

Дробление — измельчение крупных кусков руды — производится специальными машинами — дробилками, при этом получают куски размером 20-100 мм. Мелочь отсеивается и идет на агломерацию (спекание).

Магнитное обогащение основано на действии магнит­ного поля на составляющие руды, обладающие магнитны­ми свойствами. Оно осуществляется в агрегатах, называе­мых магнитными сепараторами.

Агломерация производится с целью использования мел­кой порошкообразной руды и колошниковой пыли; для спе­кания эти вещества смешивают с измельченным коксом.

Спекание осуществляют на специальных агломераци­онных ленточных машинах, где топливо, сгорая, образует пористые спеченные куски, называемые агломератом.

Прогрессивным способом обогащения руд является бо­лее эффективный процесс подготовки руды — окомкование. Сущность процесса состоит в окатывании измельчен­ных частиц шихты и последующем обжиге окатышей.

 

Устройство доменной печи

Современная доменная печь представляет собой шахт­ную (вертикальную) печь общей высотой до 70 м и диамет­ром до 14 м.

Внутри доменная печь выкладывается (футеруется) ог­неупорным кирпичом. Снаружи печь для прочности имеет стальной кожух. Части доменной печи следующие (рис. 1): засыпной аппарат, колошник, шахта, распар, заплечники и горн.

Засыпной аппарат служит для накопления и подачи шихты через колошник. Вверху колошника имеется газо­отвод для выхода доменного (колошникового) газа. Шахта имеет форму усеченного конуса, расширяющегося книзу. Такая форма шахты способствует свободному опусканию шихты при плавке. Заплечники имеют форму усеченного конуса, расширяющегося кверху, поэтому они удержива­ют всю твердую шихту, находящуюся в распаре и шахте.

Нижняя часть доменной печи — горн — имеет цилин­дрическую форму. В верхней части горна по окружности расположены фурмы для подачи в печь подогретого возду­ха, природного газа и кислорода. Нижняя часть горна, в которой собираются жидкий чугун и шлак, называют лешадью. В горне имеется два отверстия — летки — для вы­пуска чугуна и шлака. Чугунная летка располагается в нижней части горна, а шлаковая — в верхней.

Подогрев воздуха осуществляется для увеличения про­изводительности печи и уменьшения расхода топлива. На­грев производят в специальных нагревательных аппара­тах — воздухонагревателях.

Воздухонагреватель представляет собой башню диа­метром порядка 10 м, высотой до 50 м. Корпус воздухо­нагревателя выполнен из листовой стали, внутри футеро­ван огнеупорным кирпичом. В шахте воздухонагревателя сгорает доменный газ. Остальное пространство воздухонаг­ревателя заполнено насадкой (кирпичной кладкой с про­ходами для газов), аккумулирующих тепло от продуктов горения доменного газа.

Атмосферный воздух направляется к воздухонагрева­телю, где проходит через горячую насадку, нагревается до 1000-1200 °С и затем направляется к фурмам доменной печи.

Доменный процесс

В печи непрерывно навстречу друг другу движутся два материальных потока: сверху вниз — поток шихтовых ма­териалов и снизу вверх — поток газов, образующихся в результате горения топлива и реакции с составляющими шихты.

Сущность доменной плавки состоит в восстановлении железа из его оксидов, содержащихся в руде, науглерожи­вании железа до получения чугуна и ошлакования пустой породы.

Кислород воздуха, вдуваемый через фурмы, вступает в реакцию с углеродом топлива по формуле:

С + 0₂ = С0₂ + Q

 

При этом в районе фурм развивается температура до 2000 "С. Диоксид углерода С0₂ при высоких температурах и в присутствии углерода над фурмами восстанавливается в оксид:

 

С0₂ + С = 2СО – Q

 

Встречая при своем дальнейшем подъеме руду, часть оксида углерода восстанавливает оксиды железа, при этом вновь превращаясь в С0₂.

Загруженная в печь руда в области колошника в верх­ней части шахты высушивается и теряет химически свя­занную воду. Начиная от середины шахты и до распара происходит постепенное восстановление оксида железа ок­сидом углерода:

 

3Fe₂0₃ + СО = 2Fe₃0₄ + С0₂

Fe₃0₄ + СО = 3FeO + С0₂

FeO + СО = Fe + С0₂

 

Суммарный тепловой эффект реакций восстановления железа оксидом углерода (косвенное восстановление) явля­ется положительным; эти реакции протекают при 400— 950 °С. Параллельно в области распара и в верхней части заплечников при температуре 1300—1400 °С идет процесс восстановления железа твердым углеродом раскаленного кокса (прямое восстановление):

FeO + С = Fe + СО + Q

 

Полученное твердое губчатое железо в зоне распара к заплечников науглероживается и вследствие понижения при этом температуры плавления (температура плавления железа 1539 °С, чугуна — 1100—1200 °С), переходит в жид­кое состояние. Стекающие в горн струйки чугуна погло­щают восстановленные в процессе плавки примеси — мар­ганец, кремний и фосфор, а также частично серу из золы кокса.

Наличие кремния и марганца в чугуне оказывает поло­жительное влияние на свойства чугуна. Фосфор и сера яв­ляются вредными примесями. Кремний улучшает литей­ные качества чугуна; марганец при небольшом (до 1%) со­держании повышает прочность чугуна. Фосфор делает чугун хрупким б холодном состоянии, сера увеличивает хрупкость чугунных изделий в нагретом состоянии.

Вместе с кремнеземом (Si0₂), глиноземом (А1₂0₃) и дру­гими примесями из пустой породы и золы топлива флюсы образуют шлак, который плавится в распаре и заплечни­ках и стекает в горн, где накапливается поверх жидкого чугуна.