Исходные материалы для производства чугуна

В поверхностных слоях земной коры железо редко встречается в чистом виде. Благодаря большой склонности железа к окислению, в земной коре оно находится в виде окислов в смеси с окислами других химических элементов.

Железная руда — это горная порода, содержащая железо в таких количествах, при которых её технически возможно и экономически целесообразно перерабатывать. Руда состоит из смеси железосодержащих минералов с пустой породой, в состав которой входят различные соединения, прежде всего кремнезём (SiO₂), глинозём (Al₂O₃), оксид кальция (CaO) и оксид магния (MgO). Реже в состав пустой породы входит магнезит (MgCO₃) и доломит (MgCO₃∙CaCO₃).

Пустой породой руды называется такая её составляющая, которая не вносит существенных технологических осложнений в металлургическую переработку руды и легко отделяется от рудных минералов или в процессе обогащения или переходит в шлаки при плавке.

Пригодность железной руды для доменной плавки зависит от содержания железа (Fe), состава пустой породы и концентрации таких вредных примесей, как сера (S), фосфор (P), мышьяк (As) и др. Вредные примеси осложняют металлургические процессы, и, загрязняя основной металл, снижают его свойства.

В зависимости от количества рудного вещества различают богатые и бедные руды. Железные руды принято называть богатыми, если они содержать более половины железа (Fe); но это понятие меняется со временем. Также важную роль играет восстановимость руды, которая определяется скоростью восстановления из неё железа и зависит от природы оксида железа, плотности и пористости руды. Чем плотнее и менее пориста руда, тем хуже её восстановимость.

К основным рудообразующим минералам, наиболее часто используемым для производства чугуна, относятся следующие железные руды:

1) Магнитный железняк (магнетит). Содержит железо в количестве 40 – 70% в виде оксида Fe₃O₄ (закись-окись железа) и обладает хорошо выраженными магнитными свойствами.

2) Красный железняк (гематит). Содержит 45 – 65% железа в виде безводного оксида Fe₂O₃. В качестве пустой породы гематит содержит кремнезём (SiO₂).

3) Бурый железняк (лимонит). Содержит железо в виде водных окислов типа nFe₂O₃·mH₂O с переменным количеством гидратной влаги.

4) Шпатовый железняк (сидерит). Содержит 30 – 40% железа в виде карбоната FeCO₃.

Кроме железных руд, для металлургического производства чугуна требуются следующие исходные материалы: марганцевая руда, флюсы, топливо и воздух. Дадим краткую характеристику этим материалам.

Марганцевые руды — горные породы, содержащие марганец (Mn) в виде различных окислов MnO₂, Mn₃O₄, Mn₂O₃ с общим содержанием марганца в пределах 25 – 40% (мас.). Марганец (Mn) при выплавке чугуна используется в первую очередь как раскислитель.

Флюсы — материалы (вещества) определённого химического состава, способствующие превращению в шлак пустой породы, вредных примесей и золы топлива. Данное определение справедливо только для металлургического производства. Доменные флюсы также вводятся в доменную печь с целью понижения температуры плавления пустой породы железной руды.

Основным видом топлива, используемым при выплавке чугуна в доменных печах и вагранках, является кокс.

Кокс (каменноугольный кокс) — представляет собой твёрдую пористую массу, которую получают сухой перегонкой (прокаливанием) при температуре 1000 – 1200ºC без доступа воздуха некоторых сортов каменных углей, называемых коксующимися. Средняя теплота сгорания кокса составляет 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг).

В современном доменном производстве кокс играет две важные роли:

1) Служит основным видом топлива, обеспечивая нагрев рабочей части доменных печей до необходимой температуры;

2) Обеспечивает восстановление железа из его оксидов (см. ниже).

Благодаря своей высокой механической прочности, пористости и высокой теплотворной способности он стал применяться на всех металлургических предприятиях чёрной металлургии, вытеснив применявшийся ранее для этих целей древесный уголь.

Совокупность материалов исходного сырья, взятых в определённом массовом соотношении, предназначенных для получения металлов, называется шихтой. Именно шихта поступает в плавильные агрегаты для получения металлов.

Подготовка исходных материалов к плавке

Перед плавкой руды проходят специальную подготовку, которая повышает производительность доменных печей и уменьшает расход топлива. Основными операциями подготовки руд к плавке являются: 1) дробление; 2) сортировка; 3) обогащение; 4) обжиг; 5) агломерация (спекание) обогащённой руды.