Производство чугуна

§2.ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА И СТАЛИ.

1.производство чугуна.

Чугун выплавляют в доменных печах из руд, содержащих 20-70% железа. В руде, кроме железа, имеется пустая порода, состоящая из различных природных химических соединений (SiO₂,Al₂O₃ и др.) и вредных примесей (серы, фосфора). Наиболее часто применяемые железные руды: красный, магнитный, бурый и шпатовый железняк легированные руды(табл. 2).

Железные руды перед загрузкой в доменную печь подвергаются предварительной подготовке: дроблению, промывке, обогащению, которое производится путем магнитной сеперации, а также спеканию(агломерации) мелочи и более крупные куски .В последнее время начали офлюсовыванный (самоплавкий) агломерат, получаемый спеканием железной руды с известняком, что облегчает образование шлака, снижает расход кокса на 7-20%, сокращает расход руды, повышает производительность печей на 10-25%.

Топливо при выплавке чугуна из руд должно быть кусковатым (40-80мм в поперечнике),пористым, малозольным, иметь высокую прочность и такую же удельную теплоту сгорания.

Кокс - основной вид топлива доменного процесса, на нем выплавляется около 98% всего чугуна. Кокс является продуктом сухой перегонки спекающихся сортов каменных углей. Он обладает высокой прочностью, горючестью, пористостью(50%). Недостатки кокса как топлива - его высокая зональность(9-10%) и большое содержание вредной примеси-серы(0,5-2%). Применение каменного угля в доменной печи затруднено из-за его высокой плотности и непроницаемости для газов, а также большой хрупкости при высоких температурах, что приводит к засорению печного пространства. Древесный уголь применяется только для выплавки высококачественного металла с малым содержанием серы и фосфора.

Флюсы вводятся при выплавке чугуна для понижения температуры  плавления пустой породы, для шлакования золы топлива и для удаления вредных примесей. Количество и состав флюсов зависят от состава руды, пустой породы и назначения чугуна. Основные флюсы, главным образом известняк CaCО₃ или доломит CaCО₃.MgCO₃ применяют при содержании в пустой породе большого количества кислотных оксидов(кремнезема и др.), а в топливе соединений серы. Кислые флюсы в виде кварца, кварцита, песчаника используют в тех случаях, когда в породе имеется повышенное содержание основных оксидов-магния и кальция.

Огнеупорные материалы, применяемые для внутренних частей металлургических печей, делятся на кислые (динас), основные (магнезит, доломит, хромомагнезит) и нейтральные (шамот, графит). В последнее время начали прибегать к высокоглиноземистым шамотным огнеупорам, содержащим до 45% Al2O3 и обладающим повышенной химической стойкостью и огнеупорностью при 1750 и выше, а также к хромомагнезитовым огнеупорным материалам.

Чугун выплавляют в доменных печах, представляющих собой вертикальные шахтные печи(рис.11.13). Полезный объем современных действующих печей достигает 5000м³. Руда, агломерат, кокс и флюсы загружают в домну перемеживающимися слоями, которые постепенно передвигаются вниз под влиянием собственной массы. Горение кокса поддерживается воздухом, предварительно подогретым до 600-900 в воздухонагревателях, вдуваемым через фурмы под давлением 0,1-0,15МПа.

Чугун при доменном процессе получается в результате восстановления железа из руд по схеме

Fe₂O₃    Fe₃O₄    FeO Fe

Академик М.А.Павлов создал теорию доменного процесса, краткое изложение которой сводится к следующему. Кокс является основным источником теплоты, которая выделяется при горении

C + O₂ + CO₂ + 402 192Дж.

При последующем продвижении снизу вверх внутри печи CО₂ встречается с кусками раскаленного кокса и тотчас же взаимодействуют с его углеродом по реакции

C+CO₂=2CO157 920Дж

Эта реакция идет с поглощением теплоты. Образующийся оксид углерода является хорошим восстановителем и он энергично соединяется с кислородом, входящим в состав оксидов железа и других соединений руды. Вначале  в верхней зоне доменной печи шихтовые материалы теряют влагу, становясь более пористыми, и продолжая опускаться вниз, нагреваются доменными газами, Прежде всего восстанавливаются высшие оксиды железа:

3Fe₂O₃ + CO2Fe₃O₄ + CO₂  37254Дж.

Процесс восстановления продолжается по реакциям

2Fe₃O₄ + 2CO6FeO + 2CO₂ 41916Дж;

6FeO + 6CО=6Fe + 6CO₂.

Кроме того закись железа соединяется с углеродом:

FeO=C + FE + CO,

После восстановления железо находится в твердом (губчатом) состоянии в смеси с пустой породой, которая делается пористой и ноздреватой. В поры восстановленного железа проникает углерод, и железо постепенно науглероживается (до 3,5-4%)

Рекомендация для Вас - 7 Формирование системы методов управления и их классификация.

3Fe + 2COFe₃C + CO₂.

Затем наступает расплавление науглероживанного металла, который стекает в горн доменной печи. Так как чугун соприкасается с раскаленным коксом, то насыщение железа углеродом продолжается. При доменной плавке восстанавливаются также и другие элементы, находящиеся в руде, по следующим реакциям:

SiO₂ + 2C=Si + 2CO;  MnO + C=Mn + CO;

P₂O₅ + 5C=2P + 5CO.

Эти элементы, а так же часть серы в виде FeS переходят в чугун. В ходе плавки получается шлак, который всплывает на поверхность чугуна и защищает его от окисления. Шлак выпускается через(шлаковую) верхнюю летку, расположенную выше уровня отверстия для выпуска чугуна. Затем через нижнее отверстие выпускается чугун. Для получения 1 т. чугуна расходуется примерно: руды 1,9 т.; кокса 0,6-0,8 т.; флюса 0,4 т. и марганцевой руды для удаления серы из чугуна0,1-0,12 т. Применение кислородного дутья способствует  ускорению доменного процесса.

В результате доменной плавки могут быть получены различные виды чугунов: передельные идущие в основном на производство стали, их выплавляют 80-90%; литейные, предназначенные для получения чугунных отливок(8-18%). Кроме чугуна в доменных печах выплавляют ферросплавы, содержащие повышенное количество Si и Mn; ферросилиций с 9-13% Si и ферромарганец с 70-80% Mn. Ферросплавы применяются как добавки при получении стали.