20. Доменное производство чугуна

Существует два способа производства чугуна: доменное (высокотемпературное) и недоменное (низкотемпературное).

Доменное производство чугуна получило название от названия оборудования: плавка чугуна осуществляется в доменных печах.

Домна – печь шахтного типа. Шахтой называется оборудование, когда высота намного превышает диаметр. Домны достигают высотой до 40 метров.

Производство непрерывное в течение 10-12 лет. Максимальная температура в печи достигает 1750°С.

Принцип действия домны – противоток: движение шихты и воздуха идёт противотоком (рис. 8.1): шихта падает вниз, воздух продувается вверх.

Химическая реакция, лежащая в основе производства – восстановление углеродом (углетермия):

Этапы доменного производства:

I этап:

Сверху в печь засыпается сырьё в виде шихты (рис. 8.1).

Шихта – это смесь в требуемых количествах трёх необходимых для плавки компонентов: 1) руда; 2) топливо (восстановитель); 3) флюсы.

Рудой для получения чугуна является железняк (магнитный, бурый и т.д.). Самая богатая железом руда – магнитный железняк (Fe до 69%). Она состит из минерала магнетита Fe₃O₄ и пустых пород. Количество железа в красном железняке (содержит минерал гематит Fe₂O₃) – 62%, в буром железняке (содержит минерал лимонит nFe₂O₃·mH₂O) – 30-50%.

Топливом в доменном производстве может быть уголь, кокс или метан. Кокс – это продукт спекания каменных углей.

Флюсы – материалы для облегчения образования шлаков, например, песок, известняк.

II этап:

Кислород или воздух, подогретый до температуры 1000°С, подаётся противотоком шихте из нижней части печи вверх.

III этап:

В результате противотокового движения (шихта двигается вниз, а воздух/кислород – вверх), происходят следующие процессы:

а) горение топлива: ,

б) восстановление Fe из оксида:

,

в) восстановление примесей, которые содержались в руде:

;

IV этап:

Получение продуктов доменного производства: чугуна и шлака.

Шлак – продукт сплавления пустых пород и примесей.

Выпуск чугуна происходит через соответствующее отверстие каждые 2 часа; выпуск шлаков – каждый час. Отверстие для выпуска шлака находится выше отверстия для выпуска чугуна, т.к. шлак легче чугуна и он плавает на поверхности жидкого металла.

21. Мартеновский способ стали.

Основноё сырьё для производства стали – белый чугун, дополнительное сырьё - металлолом, железная руда.

Что бы из чугуна получить сталь необходимо, как видно из табл.8.1, уменьшить содержание углерода (С) и свести содержание примесей Si, Mn, P и др. к минимуму

Мартеновский способ производства стали предложен в 1864 году французом П. Мартеном.

Особенность мартеновского способа:

Для плавки используется теплота горения топлива (природный газ, мазут).

Характеристика мартеновского производства:

Производство непрерывное; продолжительность плавки 8-16 часов; максимальная температура в печи – 1900°С; длительность работы печи 300-1000 плавок (1-1,5 года). Оборудование – мартеновская печь (рис.8.2.), которая имеет форму ванны (диаметр больше, чем высота).

Принцип работы мартеновской печи (этапы мартеновского производства):

1) Загрузка шихты (твёрдый чугун, стальной металлолом и флюсы) через загрузочные окна.

2) Подача в печь топлива и воздуха через торцевые отверстия, горение топлива в воздухе ( ) в результате чего выделяется энергия Q, необходимая для плавления шихты.

3) Плавление и окисление шихты (Fe, Si, Mn, и др.):

Fe + O2 → FeO,

Si + O2 → SiO2 (шлак),

Mn + O2 → MnO (шлак).

4) «Кипение» – выделение в виде пузырьков образующегося газа СО₂ в результате окисления углерода чугуна: .

5) Выпуск шлаков (SiO₂, MnO и др.).

6) Восстановление Fe («раскисление»):

FeO + Mn → Fe + MnO (шлак).

7) Введение легирующих добавок (если необходимо).

8) Контроль плавки. На протяжении плавки берут пробы металла для экспресс-контроля состава стали в лабораториях.

9) Корректировка состава стали (если необходимо).

10) Выпуск шлака.

11) Выпуск стали.