Раздел I производство черных и цветных металлов.

Глава 1

МЕТАЛЛУРГИЯ ЧУГУНА

Чугуном называется сплав железа с углеродом, который содержит более 2 % углерода. Около 80 % всего количества выплавляемого чугуна составляет передельный чугун, являющийся исходным продуктом для производства стали. Для производства фасонного литья на машиностроительных заводах используют литейный чугун (15-20 %), а в качестве легирующих добавок и раскислителей при выплавке стали - ферросплавы: ферромарганец и ферросилиций (1-2 %).

1. Исходные материалы для доменного производства

Исходными материалами для доменного производства являются руда, флюсы, топливо и воздух.

Железная руда - это горная порода, содержащая железо в таких количествах, при котором ее технически и экономически целесообразно перерабатывать. Руда состоит из смеси железо­содержащих минералов с пустой породой, в состав которой входят различные соединения, прежде всего кремнезем SiO₂, глинозем А1₂О₃, оксид кальция СаО и оксид магния МgО. Пригодность железной руды для доменной плавки зависит от содержания железа, состава пустой породы и концентрации таких вредных примесей, как сера, фосфор, мышьяк и др. Важную роль играет восстановимость руды, которая определяется скоростью восста­новления из нее железа и зависит от природы оксида железа, плотности и пористости руды. Чем плотнее и менее пориста руда, тем хуже ее восстановимость.

Для производства чугуна используют руды следующих основ­ных типов.

Магнитный железняк или магнетит содержит железо 45-70 % в виде оксида Fe₃О₄ и обладает магнитными свойствами. Руда имеет темный цвет, высокую плотность и трудно восстанавли­вается.

Красный железняк или гематит содержит 50-60 % железа в виде безводного оксида Fe₂О₃. Красный железняк содержит мало вредных примесей серы и фосфора; по сравнению с магнитным железняком он более легко восстанавливается. Благодаря этому красные железняки относятся к лучшим железным рудам.

Бурый железняк представляет собой водный оксид железа Fe₂0₃·ЗН₂О. Пустая порода обычно загрязнена серой и фосфором.

Содержание железа в руде около 30 %. Благодаря хорошей восстановимости использование небогатых руд бурого железняка экономически целесообразно.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит 30-40 % железа в виде карбоната FeСО₃. Руда характеризуется хорошей восстановимостью и низким содержанием серы и фосфора,

Перед плавкой руды проходят специальную подготовку, которая повышает производительность доменных печей и уменьшает расход топлива. Основными операциями подготовки руд к плавке являются дробление, сортировка, обогащение, обжиг и спекание.

Целью обогащения руд является удаление пустой породы и повышение содержания железа. Обогащение получает все большее распространение, что связано с необходимостью использования все более бедных руд. Для обогащения железных руд применяют промывку и магнитную сепарацию.

Промывка водой позволяет отделить от руды часть рыхлой песчано-глинистой пустой породы. Магнитная сепарация состоит в том, что достаточно измельченную руду помещают в магнитное поле. Магнит притягивает частицы руды, содержащие оксиды железа и обладающие магнитными свой­ствами, отделяя их от пустой немагнитной породы.

Агломерацией называется процесс спекания руд мелких фракций, концентрата, колошниковой пыли, возврата агломерата на специальной машине. Эти материалы смешиваются с измельченным твердым топливом (коксом, углем), увлажняются и подаются в агломерационную машину. Агломерационная машина ленточного типа состоит из большого числа паллетспекательных тележек с отверстиями в днище, двигающихся по направляющим рельсам (рис. 1). В загруженной паллете после зажигания газовыми горел­ками начинается горение топлива, причем фронт горения распространяется сверху вниз. Воздух просасывается сквозь слой шихты благодаря действию специальных вакуумных устройств, называемых эксгаустерами. Температура в слое шихты достигает 1300 - 1600 °С. В результате восстановления магнетита в присутствии кремнезема образуется фаялит Fe₂SiO₄

2Fe₃0₄ + 3SiO₂ + 2СО = 3Fe₂SiO₄ + 2CO₂,

В зоне горения фаялит, имеющий температуру плавления 1209 °С, плавится и смачивает зерна шихты, благодаря чему при охлаждении образуется твердая пористая масса - агломерат. Агломерат имеет высокую пористость (до 50 %) и хорошую восстановимость. Кроме того, в процессе спекания почти полностью выжигается сера, которая удаляется в виде сернистого газа. В металлургии обычно используют офлюсованный агломерат, для чего в шихту дополнительно вводят известняк.

Доменные флюсы - это материалы, вводимые в доменную печь для понижения температуры плавления пустой породы железной руды и ошлакования золы топлива. При сплавлении пустой породы и золы с флюсом образуется легкоплавкий шлак, который удаляется из печи в жидком состоянии. Выбор флюсов зависит от химического состава пустой породы. Если пустая порода имеет песчано-глинистый характер, то в качестве флюсов применяют известняк СаСО₃, реже доломит CaCO₃·MgCO₃. При известковой пустой породе флюсами служат кремнезем, кварц или песчаник SiO₂.

Основным видом топлива, используемым при выплавке чугуна в доменных печах и вагранках, является кокс. Кокс получают сухой перегонкой при 1000-1200 °С без доступа воздуха некоторых сортов каменных углей, называемых коксующимися. При удалении летучих веществ в специальных коксовых печах происходит спекание, длительность которого составляет 15- 20 ч. Перед коксованием уголь проходит подготовку, заключающуюся в измельчении в щековых дробилках до крупности зерна 2-3 мм, обогащении и смешивании. Спекшаяся пористая масса кокса при выделении газов растрескивается и распадается на куски. Выделяющийся газ собирается и направляется в химическое отделение, где из него извлекают такие ценные химические продукты, как бензол, аммиак, смолы. После этого коксовый газ используют в качестве топлива.

В доменном производстве используют кокс в виде прочных кусков размером от 25 до 100-200 мм светло-серого цвета с по­ристостью около 50%. Химический состав металлургического кокса в зависимости от месторождения угля, %: углерода 80-90, серы 0,5-2,0, фосфора до 0,04; золы 8,0-12,0, влаги до 5; летучих 0,7-1,2. Средняя теплота сгорания кокса составляет 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг).