Выплавка чугуна

Выплавка чугуна это процесс восстановление железа из окислов железной руды; науглероживание восстановленного железа углеродом кокса до величин, соответствующих содержанию углерода в чугуне; окислы пустой породы и зола топлива при этом связываются флюсом и переводятся в шлак – легкоплавкое соединение, не смешивающееся с чугуном.

Металлургическое производство, схематически показанное на рис. 2.5, представляет собой сложный комплекс, содержащий шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей, горнообогатительные комбинаты, коксохимические заводы и цехи, заводы для производства ферросплавов, доменные, сталеплавильные и прокатные цехи, энергетические цехи.

Железная руда содержит окислы железа Fe₃O₄, Fe₂O₃, FeCO₃ и др., а также пустую породу, состоящую из SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO.

Бедные руды (содержащие малую долю металла) обогащают путем удаления пустой породы гравитационным или электромагнитным способами.

В качестве топлива в металлургических печах применяют кокс, природный газ, мазут и др. Кокс получают сухой перегонкой (без доступа воздуха) при температуре 1000C каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80...88% С, 8...12% золы, 2...5% влаги, (0,5...1,8)% S, до 0,2% Р и др. Сера S является вредной примесью.

При выплавке чугуна важную роль играют флюсы - материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения (шлака) с пустой породой руды, золой топлива и пр. При выплавке чугуна в качестве флюса применяют известняк (CaCO₃) и доломитизированный известняк (CaCO₃ и MnCO₃).

Рис. 2.5. Схема металлургического производства

Чугун выплавляют в доменных печах. Сущность процесса заключается в восстановлении окислов железа, входящих в состав руды.

Доменная печь (рис. 2.6) представляет собой сложное сооружение, состоящее из стального кожуха, выложенного внутри огнеупорным кирпичом.

Полезная высота доменной печи достигает 35м, объем - 5000м³.

Печь оборудована в верхней части устройствами загрузки шихты (измельченных и специально подготовленных металлосодержащих концентратов), флюса, топлива и отвода коласникового газа, состоящего из CO, CO₂, N₂, H₂, CH₄.

В нижней части печи оборудованы устройства для подачи подогретого до 1000...1200C воздуха, емкость для накапливания и устройства для периодического слива расплавленного чугуна и шлака.

Процесс идет следующим образом. Углерод кокса вблизи зоны подачи воздуха, взаимодействуя с кислородом, сгорает:

С+О₂=СО₂+Q;

СО₂+С=2СО+Q.

В результате горения кокса выделяется теплота (температура достигает 2000С) и образуется газовый поток; горячие газы, поднимаясь вверх, отдают свою теплоту шихтовым материалам, охлаждаясь до 400...300C, шихтовые материалы постепенно опускаются вниз и нагреваются; в них происходит целый ряд химических превращений, и при температуре ~570C - основной процесс - восстановление окислов Fe.

Рис. 2.6. Схема доменной печи

Доменный процесс идет непрерывно. Чугун и шлак выпускают из печи по мере их накопления: чугун - через 3...4 часа, шлак - через 1,0...1,5 часа. Чугун и шлак сливают по желобам в специальные ковши емкостью до 140т, установленные на железнодорожных платформах. Чугун, не используемый в жидком виде, поступает на разливочные машины, откуда он разливается в формы - изложницы и затвердевает в виде слитков массой 45кг.

В зависимости от назначения чугун получают различного химического состава; передельный чугун (предназначенный для “передела” в сталь) содержит 4...4,4% С, 0,6...0,8% Si, 0,25...1,0% Mn и примеси в виде серы и фосфора, литейный чугун, используемый для переплава на машиностроительных заводах при производстве отливок, содержит повышенное содержание кремния (до 3,25%).

Побочными продуктами доменной плавки является шлак и колошниковый газ. Из шлака производят стекловату, шлакоблоки, цемент, а колошниковый газ используется как топливо.