Глава III

МЕТАЛЛУРГИЯ ЧУГУНА

Чугун получается восстановлением из руд железа с последующим его насыщением углеродом и другими примесями.

Впервые чугун начали применять для отливки фасонных деталей. Одновременно проводили изыскания методов приготовления из чугуна ковкого железа и стали. Открытие этих методов способствовало быстрому развитию производства чугуна, которое с каждым годом расширялось, так как чугун начали применять для производства стали и для изготовления различных машиностроительных деталей и изделий.

В совершенствовании технологических процессов выплавки чугуна в доменных печах большую роль сыграли работы русских ученых — М. В. Ломоносова, Д. И. Менделеева, М. А. Павлова и др., давших теорию металлургических процессов и теорию расчетов и постройки металлурги­ческих печей.

Получение чугуна в современной практике ведут в высоких шахтных печах — доменных печах. Процесс получения чугуна из руд называют доменным производством. Доменное производство Советского Союза по­лучило значительное развитие. Построены крупнейшие доменные заводы, вспомогательные предприятия для добычи и подготовки исходных мате­риалов для плавки в доменных печах.

§ 7. Исходные материалы для доменного производства

Для выплавки чугуна в доменных печах требуются железная и мар­ганцевая руды, содержащие соединение железа, марганца и других эле­ментов; топливо (кокс или древесный уголь), служащее для получения тепла и для восстановительных процессов и насыщения железа углеродом, флюсы, служащие для связывания пустой породы и золы для образования шлаков.

Успешное ведение процесса плавки может быть обеспечено при усло­вии, если исходные материалы обладают определенными свойствами и хорошо подготовлены для плавки.

Разновидности железных и марганцевых руд

Руда — природное минеральное вещество, содержащее ценные и по­лезные металлы или металлоиды в таком количестве и такого качества, которые допускают экономически выгодное извлечение их в промышлен­ном масштабе. Руда обычно представляет собой механическую смесь какого-либо металла (чаще в виде химического соединения) с сопутствую­щей ему в природе горной породой, которая в этом случае называется пустой породой.

В железных рудах железо находится в виде безводной окиси, водной окиси, магнитного железняка и углекислой закиси. Кроме того, руда содержит, пустую породу, в состав которой входят глинозем, углекислый кальций, углекислый магний, кремнезем и др.

Безводная окись железа Fe₂0₈ встречается в двух видах: аморфная окись — красный железняк и кристаллическая окись — железный блеск. Максимальное содержание железа в безводной окиси достигает 70%. Железный блеск встречается сравнительно редко.

Красный железняк и железный блеск — наиболее чистые руды, обычно встречаются с кремнистой пустой породой. В СССР обширнейшие место­рождения красного железняка расположены в районе Кривого Рога.

Водная окись железа 2Fe₂0₃-3H₂0 весьма распространена в виде так называемых бурых железняков. Максимальное содержание железа 60%; эти руды содержат больше вредных примесей, чем руды безводной окиси.

Пустая порода в этих рудах глинистая, известковистая, кремнистая. Известны месторождения Тульское, Липецкое, мощное месторождение Бакальское; громадное месторождение мелкого бурого железняка распо­ложено на Крымском полуострове близ Керчи.

Магнитная окись Fe₃0₄ — FeO-Fe₂0₃ —магнитный железняк — имеет максимальное содержание железа до 72%. Руда плотная, трудно восста­новимая, довольно чистая, но иногда содержит значительное количество серы. Мощные месторождения на Урале.

Углекислая закись железа FeCO₂ — шпатовый железняк — содержит 48% железа.

Помимо природных железных руд, в доменном производстве используют различные отходы промышленности, содержащие железо, марганец, например сварочные шлаки с содержанием 48—50% Fe, окалину с со­держанием до 72% Fe, шлак от сталеплавильных печей с содержанием 18— 25% Fe + Mn, доменные шлаки от плавки ферромарганца, колошниковую пыль и окисленную стружку.

Кроме железных руд, при выплавке предельных чугунов в доменных печах применяют марганцевые руды.

Марганец в рудах присутствует в виде перекиси Мп0₂, окиси Мп_г0₃ и марганцевого шпата МпС0₃.

Содержание марганца в марганцевых рудах достигает 57%. Важней-­ шее месторождения марганцевых руд находятся в Чиатурах, Никополе, на Урале, в Сибири, Казахстане, Башкирии.

Требования, предъявляемые к рудам, и подготовка их к плавке

О пригодности руд для промышленного применения при получении чугуна доменным процессом можно судить по содержанию железа или марганца в руде, стоимости добычи, стоимости транспортировки к месту переработки, степени восстанавливаемости, содержанию вредных приме­сей, количеству и свойствам пустой породы и физическому состоянию руды.

Руда для доменного процесса должна иметь определенный химический состав и определенный размер кусков.

Слишком большие куски медленно восстанавливаются, опускаются до области высоких температур, где расплавляются и переходят в шлак без восстановления. Ход доменной плавки нарушается.

Применять мелкую, пылевидную руду также нежелательно: она уно­сится с колошниковыми газами, забивает поры для прохождения газов, понижает производительность печи и увеличивает расход топлива. Руду размельчают на щековых дробилках на куски размером 30—100 мм в по­перечнике. Более мелкие фракции размалывают на дробильных валиках и шаровых мельницах, потом просеивают на ситах и подвергают брике­тированию или спеканию. Для спекания руд строят специальные фабрики. Пылевидная руда, переработанная на этих фабриках, получается в виде спекшихся кусков и называется агломератом. Спекание руд производят двумя способами.

По первому способу пылевидную руду смешивают с пылевидным то­пливом, увлажняют и засыпают в открытые ящики, укрепленные на транс­портерной ленте. Смесь в ящиках зажигают газовой горелкой, и за счет тепла, выделяющегося от горения топлива, руда спекается.

По второму способу смесь руды и топлива засыпают в ящики и поме­щают в специальные печи. При нагревании до 1000—1100° руда спекается.

Спекание железных руд широко применяют на наших заводах, так как агломерат лучше восстанавливается, содержит меньше пустой породы и вредных примесей. Кроме того, при спекании в него можно вводить необ­ходимые флюсы и сделать самофлюсующийся агломерат.

Для повышения процентного содержания железа в руде применяют различные способы обогащения железных руд: обжиг руд, мокрое и элек­тромагнитное обогащение.

Топливо и предъявляемые к нему требования

Значение топлива в металлургии и других отраслях промышленности исключительно велико. Топливо представляет собой продукты разложе­ния органических веществ, в которые входят углерод, кислород, водород, сера, зола и влага. При сгорании отдельных составляющих топлива выде­ляется тепло. Для измерения теплотворной способности топлива в тех­нике часто пользуются условной единицей, равной количеству топлива, которое при своем сгорании выделяет 7000 ккал/кг (для твердого и. жидкого топлива) и 7000 ккал/м³ (для газа). Для перевода натурального топлива в. условные единицы нужно разделить его теплотворную способность на 7000, таким образом, получится соответствующий эквивалент рабочего топлива.

По физическому состоянию топливо подразделяется на жидкое, газо­образное и твердое.

Жидкое топливо получают в виде различных производных продуктов при перегонке нефти (теплотворная способность 9500—10 000 ккал/кг).

В качестве газообразного топлива применяют следующие газы.

Естественный газ, выделяющийся из земли. Главная горючая составная часть его достигает 90% СН₄. Бакинский и саратовский газы содер­жат 92% СН₄; 2% С0₂; 4.% С„Н_Ш; 0,34% Н₂; 2% N₂. Теплотворная спо­собность газа выше 8000 ккал/м³.

. Коксовальный газ, получаемый при переработке каменного угля в кокс. Средний состав газа: 40% СН₄;.44% Н₂; 4% C„ H_m; 4% СО; 3% С0₂; 5% N₂.

Теплотворная способность коксовального газа от 3500 до 4500 ккал/м³. Его применяют в чистом виде и в смеси с доменным или генераторным газом.

Доменный газ получается как побочный продукт при доменном про­цессе; его теплотворная способность 850—1000 ккал/м³.

Светильный газ получают в результате сухой перегонки каменного угля. Теплотворная способность его до 5000 ккал/м³.

Генераторный газ, получаемый в особых аппаратах (газогенераторах) из дешевых видов топлива: дров, торфа, бурых углей. В этих аппаратах твердое топливо путем неполного сжигания превращается в газообразное.

Химический состав генераторного газа имеет значительные колебания: 25—29% СО; 13—15% Н₂; 0,5—0,3% СН₄; 0,2—1,0% H₂S и 52% N₂ + 0₂. Теплотворная способность его от 1200 до 1400 ккал/м³.

В настоящее время в промышленности также пользуются газом, полу­чаемым путем подземной газификации каменных углей.

Твердое топливо применяют в промышленности нескольких видов: дрова, торф, каменный уголь, антрацит и кокс.

Теплотворная способность воздушно-сухих дров 2500—3000 ккал/кг.

Теплотворная способность торфа колеблется в зависимости от количе­ства содержащихся в нем золы и влаги в пределах от 1500 до 3500 ккал/кг.

Бурый каменный уголь представляет собой топливо невысокого качества. Теплотворная способность его в пределах 2500—5000 ккал/кг.

Каменный уголь является основным видом твердого топлива, приме­няемого в народном хозяйстве.

Теплотворная способность каменных углей и антрацитов колеблется в пределах 4500—8500 ккал/кг, зольность 10—19%, количество серы 0,4— 2,5%, содержание влаги 5—12%.

Естественное твердое топливо не обладает необходимыми качествами, допускающими применение его в сыром виде в доменном производстве.

Доменное топливо должно удовлетворять ряду требований. Куски топ­лива должны быть надлежащих размеров и достаточной прочности; минимально истираться при опускании; содержать минимальное количе­ство вредных примесей, переходящих в чугун; не должны растрескиваться при высоких температурах; должны иметь большую теплотворную способ­ность, минимальное содержание золы, малое содержание летучих ве­ществ. Этим требованиям удовлетворяют древесный уголь и кокс, которые широко применяются.

Древесный уголь является продуктом сухой перегонки древесины при нагревании ее до определенной температуры (350—450°) без доступа воз­духа. Древесный уголь содержит 0,5—2,5% золы, 0,01—0,04% фосфора и незначительное количество серы. Механическая прочность древесного угля низка, что исключает возможность применения его в высоких домен­ных печах.

Кокс получают из естественных каменных коксующихся углей путем сухой перегонки их без доступа воздуха. Для получения высококачествен­ного металлургического и литейного кокса исходные каменные угли спе­циально подготовляют: дробят, промывают, сортируют и смешивают раз­личные сорта.

Кокс получают в специальных коксовых печах — камерах, которые соединяют группами в коксовые батареи (по 55—60 печей). Угольные смеси загружают в печь при помощи загрузочных тележек 4 (фиг. 8), затем печь герметически закрывают и нагревают до 1000—1100°. При по­лучении кокса выделяется коксовальный газ и другие летучие вещества. Выделяющиеся летучие вещества улавливают и используют в химической промышленности для производства ценных продуктов (бензола, толуола, нафталина, аммиака, сульфата аммония, масла, смолы и др.). Продолжи­тельность коксования 13—18 час. Общее расположение батареи коксоваль­ных печей и соответствующее оборудование показаны на фиг. 8. Когда про­цесс коксования закончен, камеру 5 открывают с двух сторон: с одной сто­роны толкатель машины 7 давит на образовавшийся в печи кокс 6 и вы­талкивает его на тушильный вагон «3. После выгрузки всего кокса из печи этот вагон направляют в тушильную: башню 9. Охлажденный кокс выгру­жают на платформу 10. Коксовая батарея в 50—60 печей дает за сутки 1200— 1400 т кокса.

Для лучшего течения химических реакций в доменной печи металлурги­гический кокс должен обладать достаточной прочностью.

Фиг. 8. Схема устройства коксовальных печей:

/ — приемный бункер для сырого топлива; 2 — отделение для дробления и смешивания угля; 3 — распределительная башня; 4 — загрузочные тележки; 5 — камера для коксова­ния; 6 — готовый кокс; 7 —

машина для выталкивания кокса; 8 — тушильный вагон; 9 — тушильная башия; 10 —

платформа для готового кокса; // — каналы для отвода

коксовального газа

Кокс разделяется на металлургический (пористостью 45—55%) и литейный для вагра­нок (пористостью до 40%).

Расход кокса на 1 т выплавляемого чугуна составляет 0,6—1,0 т.

Флюсы и их назначение

Флюсами называются материалы, способствующие сплавлению пустой породы и золы из топлива. Продукты сплавления называются шлаками.

Для получения шлака с нужными для процесса свойствами к боль­шинству руд требуется добавлять флюсы, количество и качество которых для каждого частного случая определяют расчетом. На практике обычно пустая порода содержит избыток кремнезема, поэтому для образования шлака добавляют основной флюс — известняк СаС0₃ или доломит CaCOg-MgCO₂.

Кроме разжижения шлаков и сообщения им легкоплавкости, флюс способствует удалению золы, а также и серы. При работе на коксе и антра­ците применяют основной флюс.

Металлургический известняк, применяемый в доменной плавке, содер­жит 49—52% СаО; 2—4% Si0₂; 2—3% А1₂0₃ + Fe₂C*₃.

Расход флюсов на 1 т выплавляемого чугуна зависит от состава руды, топлива и от характера их подготовки к плавке и колеблется от 0,2 до 0,5 т.

8. ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ИХ СВОЙСТВА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Огнеупорные материалы применяют в промышленности для футеровки плавильных и нагревательных печей и различных других тепловых устройств, в которых нагрев достигает высоких температур. Поэтому огне­упорные материалы должны обладать следующими свойствами: огнеупорностью, т. е. способностью противостоять действию высоких температур, не расплавляясь; тепловой стойкостью — способностью сохранять свое состояние при чередующихся резких колебаниях температур (нагрев и охлаждение ); механической прочностью при высоких температурах, обе­спечивающей сохранение размеров и конструкции печи; химической стой­костью, т. е. способностью сопротивляться действию металлов, шлаков и печных газов при высоких температурах, которые развиваются в метал­лургических печах; постоянством объема при нагревании; большое умень­шение или увеличение объема огнеупорного материала может вывести печь из строя.

По видам огнеупорные материалы разделяются на порошки, кирпич и фасонные огнеупорные изделия.

По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяются на несколько характерных групп: кислые, полукислые, полуосновные, основ­ные и нейтральные.

К кислым огнеупорным материалам относят динасовый кирпич, кото­рый изготовляют из природных кварцевых материалов: кварцитов, кварца, кварцевых песков, содержащих в своем составе 92—96% Si0₂. Во время обжига при 1450—1470° примеси Al₂O_s, Fe₂0₃ и СаО флюсуются и связы­вают кварцевые зерна. Температура плавления динасового кирпича 1630—1730°, размягчения 1550—1690°. Динасовый кирпич применяют для кладки пламенных плавильных и электрических печей.

Основные огнеупорные материалы применяют в нескольких видах.

Магнезитовый кирпич и магнезитовые порошки приготовляют из магнезита, который под действием высоких температур разлагается до MgO — окиси магния.

Состав магнезитового кирпича: 91—94% MgO; 1—2% СаО; 1,5— 2,8% Si0₂; 0,5—1,8% А1₂0₃; 2—3% Fe₂0₃. Температура обжига кирпичей 1600—1620°, температура плавления выше 2000°. Магнезит применяют для кладки подов и стен сталеплавильных печей, порошки — для ремонта и наварки подин в металлургических печах. Основные огнеупорные мате­риалы плохо переносят изменение температур, они изменяют свой объем и разрушаются. Для повышения термической стойкости основных материа­лов в современной практике изготовляют хромомагнезитовые кирпичи из смеси 26—28% хромистого железняка, 65—67% обожженного магнезита и 7% железной руды. Хромомагнезитовый кирпич широко используют в сталеплавильном производстве, так как из него можно делать своды пла­менных печей, стенки тиглей индукционных печей для плавки стали и т. д. Температура плавления этого кирпича 2000°.

Доломит используют в металлургической промышленности главным образом в виде порошков для наварки пода в сталеплавильных печах и их ремонта. Доломитовый порошок получают обжигом при 1550—1570°, при этом CaCO_s-MgC0₃ распадается на СаО, MgO и С0₂.

Состав доломитового порошка: 52—58% СаО; 35—38% MgO; примеси А1₂0₃, Si0₂, Fe₂0₃ и др. Из доломитовых порошков изготовляют кирпич; связующим материалом служит каменноугольная смола в количестве до 12—14%. Смесь порошка и смолы, когда она находится в горячем со­стоянии, прессуют в формы под давлением 400—450 am. Огнеупорность доломита 1800—1950°.

Хромистый кирпич применяют в качестве нейтрального огнеупорного материала для изоляции кислых сводов от основных стенок и для устрой­ства подов плавильных печей.

Хромистый кирпич изготовляют из природного хромита или хромистого железняка. В настоящее время кирпич изготовляют из 85% хромита, 9% обожженного магнезита и 6% глинозема. Обжигают кирпич при 1450°.

В составе кирпича содержится до 55% Сг₂0₃. Температура плавления кир­пича 2000°, температура размягчения 1800°.

Наибольшее распространение в технике находят глиноземистые огне­упорные материалы под общим названием шамотных огнеупорных изде­лий, они обладают слабокислыми и слабоосновными свойствами. Химиче­ский состав шамотных кирпичей примерно следующий: 50—60% Si0₂; до 42% А1₂0₃ и 1,5—3% Fe₂0₃. Огнеупорные глины, входящие в состав шамота, имеют большую усадку, поэтому при сушке и прокаливании глины появляются трещины. Во избежание этого шамотные кирпичи при­готовляют из смеси молотых старых, бывших в употреблении кирпичей или специального предварительно обожженного шамотного порошка с до­бавкой для связи свежей глины. Шамотные кирпичи обжигают при 1200— 1400° в течение 8—11 дней. По огнеупорности шамотный кирпич делится на классы:

Класс А, температура плавления 1730°

. Б . . 1670°

. В . . ……… 1580°

Это самый дешевый и доступный огнеупорный материал. Его приме­няют в доменных печах, которые выкладывают полностью из шамотного кирпича классов. А и Б, в воздухонагревателях к доменным печам, в газо­генераторах, газопроводах, а также для нижних рядов мартеновских печей и части регенераторов, дымовых труб, нагревательных печей, разливочных ковшей для стали и чугуна и т. д.

Углеродсодержащие огнеупорные материалы находят в технике до­вольно широкое распространение, так как на такие огнеупоры не дей­ствуют щелочи и кислоты. В составе этих огнеупоров содержится до 90% углерода. Из них изготовляют угольные и графитовые электроды для дуго­вых печей, тигли для плавки металла, пробки и стаканчики для разли­вочных ковшей.

Углеродсодержащие огнеупорные материалы применяют для выклады­вания отдельных частей доменных печей и стенок электролизных ванн для получения алюминия.