Производство чугуна

. Материалы, применяемые для производства чугуна

Чугун выплавляют из железных руд пирометаллургический способом в доменных печах, используя для этого твердое топливо — кокс и флюсы.

1. Железные руды содержат железо в виде оксидов, гидратов оксидов, карбонатов. Пустой породой в железных рудах обычно является кварцит или песчаник, глинистые вещества.

К основным железным рудам относятся:

магнитный железняк, содержит до 65 % железа в виде оксида Ре₃0₄. (Соколовское и Сарбайское месторождения, КМА — Курская магнитная аномалия и др.);

красный железняк, содержит до 60 % железа в виде оксида Ре₂0₃ (Криворожское и Атасуйское месторождения, КМА и др.);

бурый железняк, содержит до 55 % железа в виде гидратов оксидов пРе₂0₃ • тН₂0 (Керченское, Лисаковское, Аятское и др. месторождения);

шпатовый железняк, содержит до 40 % железа в виде углекислой соли РеС0₃ (Бакальское, Криворожское месторождения).

Более 48 % разведанных мировых запасов железных руд находятся в Советском Союзе.

2. Топливо в процессе выплавки чугуна выполняет роль не только горючего, но и восстановителя железа из руды. Этим требованиям удов­летворяет твердое топливо — кокс.

3. Флюсами при выплавке чугуна в доменной печи служат известняк СаС0₃ или доломитизированный известняк, состоящий из СаСО_э иЭДцС0₃. Их назначение — перевод пустой породы (в основном ЗЮ₂ и А1₂0₃) в шлак, а также связывание и удаление находящейся в топливе и руде серы.

Подготовка руд к плавке

Перед плавкой железные руды подвергают специальной обработке с целью увеличения содержания железа в шихте, повышения ее однород­ности по крупности кусков и химическому составу.

1. Обогащение руды. Увеличение содержания железа в руде дости- гается различными способами обогащения. Так, например, промывка руды водой позволяет отделить часть песчано-глинистой породы. Этой же цели достигают гравитацией (отсадкой), основанной на отделении руды от легкой пустой породы при пропускании под напором воды через дно вибрирующего сита, на котором слоем лежит руда. Магнетитовые руды обогащают способом магнитной сепарации, основанной на различии маг- нитных свойств железосодержащих минералов и частиц пустой породы.

Для улучшения процесса плавки обогащенную руду (концентрат) перерабатывают в кусковые материалы агломерацией или окатыванием.

2. Агломерация заключается в спекании руды (40—50 %), известняка (15—20 %), возврата мелкого агломерата и кокса при температуре 1300— 1500 °С в специальных агломерационных машинах. При этом из руды удаляется часть примесей, разлагаются карбонаты и образуется порис­тый офлюсованный материал — агломерат. Применение офлюсованного агломерата позволяет повысить производительность доменных печей на 10—25 % и уменьшить расход кокса на 10—20 %.

3. Окатывание заключается в окусковании тонко измельченных кон­центратов. Для этого концентрат^, флюсы и топливо увлажняют и загру­жают во вращающуюся наклонную чашу (гранулятор) или в пустотелый барабан, где и образуются окатыши-шарики диаметром 25—30 мм. Гото­вые окатыши высушивают и обжигают при 1200—1350 °С. Использование окатышей, как и агломерата, улучшает доменную плавку, повышает про­изводительность доменной печи, уменьшает расход топлива.

Выплавка чугуна

Чугун выплавляют в доменных шахтных печах, выложенных из огне­упорного кирпича и заключенных в кожух из листовой стали толщиной до 35 мм.

Современная доменная печь высотой до 35 м с полезным объемом до 5000 т⁸ вместе со вспомогательным оборудованием представляет сложней­шее инженерное сооружение.

1. Устройство и работа доменной печи. Для выплавки чугуна в домну загружают шихту — смесь определенного соотношения руды, топлива и флюсов. Отдельные порции шихты называются колошами. Колоши из бункера / (рис. 11.1) подаются вагонетками 2 по скиповому подъемнику 8 (на вновь строящихся печах — по конвейеру) в приемную воронку 9 засыпного аппарата. При опускании малого конуса 10 шихта попадает в чашу // и при опускании большого конуса 12 — в колошник 13 и дальше в шахту 14 печи. Поочередное открытие конусов предотвращает выход газов из печи в атмосферу. Шихта загружается в домну периодически по мере сгорания топлива и выпуска чугуна и шлака.

Самая широкая цилиндрическая часть домны называется распаром 7. Ниже его находятся суживающиеся заплечики 6 и горн 4, ограниченный лещадью 19. В нижней части горна расположены летки для выпуска чу­гуна 3 и шлака 18.

Для поддержания горения топлива в доменную печь через ряд распо­ложенных по окружности фурм 5 вдувается под давлением до 0,25 МПа воздух. Расход воздуха на выплавку 1 т чугуна в современных доменных печах составляет около 3000 м³/мин и достигает на крупных печах 7000 м³/мин.

Для интенсификации процесса плавки и более экономного расхода топлива вдуваемый воздух предварительно нагревают до 1000—1200 °С в воздухонагревателях регенеративного типа. Воздухонагреватель пред­ставляет собой футерованный кирпичом стальной цилиндр диаметром б—8 и высотой 30—40 м, имеющий внутри камеру сгорания 15 и насадку 20 из огнеупорного кирпича. При каждой домне обычно имеется 3—4 воздухонагревателя, которые работают попеременно следующим образом.

В воздухонагреватель Б подается через отверстие 17 очищенный колош­никовый газ и через отверстие 16 необходимый для сгорания газа воздух. Продукты горения газа из камеры 15 проходят по вертикальным каналам насадки 20, нагревают ее и уходят через отверстие 21 в дымовую трубу 22. Когда насадка воздухонагревателя Б достигнет определенной температу­ры, подачу газа в него прекращают и в обратном направлении подают воздух, который, проходя через насадку, нагревается и затем вдувается в доменную печь. Пока один из воздухонагревателей нагревается, ра­ботает другой, предварительно нагретый воздухонагреватель.

Крупным усовершенствованием доменного процесса является обога­щение воздушного дутья кислородом (до 30 %), а также использование в качестве топлива природного газа.

2. Доменный процесс. Доменная печь работает по принципу проти- вотока: шихтовые материалы движутся сверху вниз, а навстречу им под- нимается поток горячих газов — продуктов сгорания топлива. При этом протекают следующие процессы: горение топлива, восстановление и на- углероживание железа, восстановление других элементов, образование шлака.

В районе воздушных фурм углерод кокса, взаимодействуя с кисло­родом дутья, сгорает, в результате чего температура в этой зоне печи достигает 1800—2000 °С. В этих условиях углекислый газ С0₂ взаимодей­ствует с углеродом кокса и образуется оксид углерода СО, являющийся главным восстановителем железа. Несколько выше, в зоне печи с темпе­ратурой 700—450°, часть оксида углерода разлагается с образованием сажистого углерода.

Шихтовые материалы, опускаясь навстречу потоку раскаленных газов, нагреваются, из них испаряется влага, выделяются летучие вещества. При достижении температуры 750—900 °С в шихте восстанавливается железо:

ЗРе₂0₃ + СО = 2Ре₃0₄ + С0₂; Ре₃0₄ + СО = ЗРеО + С0₂; РеО + СО = Ре + С0₂.

Часть закиси железа опускается до распара и заплечиков и восстанав­ливается углеродом кокса.

В восстановлении железа участвуют также сажистый углерод и водород.

В результате этих реакций образуется твердое губчатое железо. При 1000—1100 °С губчатое железо науглероживается:

ЗРе + 2СО = Ре₃С + С0₂; ЗРе + С = Ре₃С.

Углерод понижает температуру плавления железоуглеродистого спла­ва, поэтому, опускаясь в нижнюю, часть шахты, сплав начинает плавить­ся, дополнительно насыщается углеродом и другими элементами, восста­навливаемыми из руды,— марганцем, кремнием, фосфором, серой.

Марганец содержится в руде в виде оксидов, легко восстанавливаемых до оксида МпО, который затем частично восстанавливается твердым уг­леродом.

Кремний содержится в пустой породе руды в виде кремнезема 8Ю₂, также восстанавливается твердым углеродом. Невосстановленные оксиды марганца и кремния переходят в шлак.

Фосфор находится в руде главным образом в виде соединения Р₂0₆ х X ЗСаО, восстанавливается оксидом углерода и твердым углеродом и почти полностью переходит в сплав,

Сера вносится в доменную печь в составе руды и кокса в виде соеди­нений Ре3₂, Ре8, Са80₂, СаЗ. Значительная часть серы удаляется в виде летучих соединений (30₂, Н_а3 и др.), другая переходит в сплав (Ре8) или шлак (СаЗ).

Таким образом, в результате восстановления железа, марганца, крем­ния, фосфора и серы и их растворения в железе в горне печи образуется чугун.

Одновременно с чугуном в нижней части печи собирается шлак — сплав пустой породы, флюсов, золы топлива, а также части невосстановив-шихся оксидов.

По мере образования и накопления чугун и шлак выпускают из печи: чугун через 3—4 ч по летке 3 (рис. 11.1), а шлак — через 1—1,5 чпо лет­ке 18.

3. Продукты доменного производства.

Основным продуктом доменного производства является чугун,

побочными - шлак и колошниковый газ.

В зависимости от химического состава и назначения получаемые в' доменной печи чугуны подразделяют на следующие виды:

передельный чугун — основной вид чугуна, предназначен для передела в сталь. Обычный его состав: 4—4,5 % С; 0,6—0,8 % 31; 0,25—1 % Мп; до 0,3 % Р и 0,07 % 8;

литейный чугун предназначен для переплава и получения фасонных отливок, отличается повышенным содержанием кремния (2,75—3,25 %);

ферросплавы — сплавы железа с повышенным содержанием других элементов, например ферросилиций (9—13 % 31), ферромарганец (70—75 % Мп) и др., предназначенные для раскисления и легирования стали.

Шлак используется для производства шлаковаты, шлакоблоков, цементаТ.

Образующиеся в печи газы (СО, С0₂, Н₂, СН₄, Ы₂ и др.) поднимаются вверх и в зоне колошника отводятся по трубам из печи. Эти газы, называ­емые колошниковыми, используют в качестве топлива для нагрева возду­хонагревателей.