Получение чугуна
Основным способом производства чугуна является доменный процесс, суть которого состоит в восстановлении железа, в превращении в шлак и сливе пустой породы. При этом углерод кокса растворяется в железе и его науглероживает.
Исходными материалами для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы. Смесь, составленная из перечисленных материалов, называется шихтой.
Наиболее применимы руды с содержанием железа не менее 40% - бурый, шпатовый, красный и магнитный железняки, представляющие собой различные виды соединения железа с кислородом, поэтому сущность доменного процесса состоит в восстановлении железа углеродом.
Топливом служит кокс и природный газ.
Флюсы. В железных рудах и в золе от кокса содержится глинозем, кремнезем и другие элементы, которые могут создать в чугуне вредные примеси. Для их удаления в шихту добавляется флюс материал, реагирующий с примесями и превращающий их в шлак. Как правило, для этой цели используется известняк.
Для повышения эффективности доменного процесса проводят подготовку руды к плавке дробление крупных кусков, промывку при содержании песчаноглинистых пород, агломерацию (спекание мелкой руды, смешанной с топливом), окатывание (обработку рудного концентрата известью и связующим материалом с последующей сушкой и обжигом получившихся комков окатышей), магнитное и другие виды обогащения.
Для магнитного обогащения используют магнитные сепараторы (рис. 5.2) оборудование, в котором измельченная руда перемещается в электромагнитном поле. Железосодержащие мелкие куски притягиваются электромагнитом, пустая порода по инерции отсеивается.
Производство чугуна осуществляется в доменной печи (рис. 5.3) непрерывно действующем агрегате шахтного типа. Доменная печь выложена из огнеупорных кирпичей, достигает 30 м высоты при внутреннем диаметре около 12 м.
Шихта подается в доменную печь сверху с помощью наклонного подъемника. Доменную печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом и коксом. Агломерат – это определенным образом подготовленная руда, спеченная с флюсом. Расплавленная пустая порода вместе с флюсами образует шлак. Так как его плотность меньше чугуна, то он располагается выше чугуна и сливается через верхнюю летку (отверстие) 7, а более тяжелый расплавленный чугун сливается через нижнюю летку 6.
Рис. 5.2. Схема магнитной сепарации руды
Горение и необходимая для выплавки чугуна температура поддерживаются вдуванием в горн через фурмы (устройства для дутья) 8 подогретого воздуха или кислорода. Кислород поступает в кольцевую трубу, расположенную вокруг нижней части печи, а из нее по изогнутым трубкам через фурмы в горн 5.
Шахта печи 2 имеет вид усеченного конуса, поэтому шихта свободно опускается от колошника 1 в более горячие зоны 2-4, где последовательно идут процессы удаления влаги, подсушки, разложения гидратов, карбонатов и т.д. В горне кокс сгорает, образуя СО2, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои наколенного кокса, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся оксид углерода и восстанавливает большую часть руды, переходя снова в СО2.
Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части шахты. Его можно выразить суммарным уравнением:
Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 (1)
Пустую породу в руде образует, главным образом, диоксид кремния SiO2. Это тугоплавкое вещество. Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляются флюс. Обычно в качестве флюса используют CaCО3. При взаимодействии его с SiO2 образуется CaSiO2, легко отделяющийся в виде шлака.
Рис. 5.3. Схема доменной печи в разрезе
Чугун и шлаки выпускают по мере накопления через особые отверстия, забитые в процессе правки глиной.
Выходящие из отверстия печи газы содержат до 25% СО. Их сжигают в особых аппаратах кауперах, предназначенных для предварительного нагревания вдуваемого в печь воздуха. Доменная печь работает непрерывно. По мере того как верхние слои руды и кокса опускаются, в печь добавляют новые порции. Смесь руды и кокса доставляется подъемниками на верхнюю площадку печи и загружается в чугунную воронку, закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает в печь.
Работа печи продолжается в течение нескольких лет, пока печь не потребует капитального ремонта.
Процесс выплавки может быть ускорен путем применения в доменных печах кислорода. При вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха предварительный подогрев его становится излишним, а значит, отпадает необходимость в громоздких и сложных кауперах и весь процесс упрощается. Вместе с тем производительность печи повышается и уменьшается расход топлива. Такая доменная печь дает в 1,5 раза больше железа и требует кокса на 1/4 меньше чем обычная.