Получение чугуна
Основные направления металлургического производства
Лекция 3. Производство металлических конструкционных материалов.
В промышленности широко применяются чистые металлы, сплавы и химические соединения.
В рудах металлы связаны в окислы, сульфиды, хлориды, силикаты или другие соединения, которые называются минералами.
Получение металлов из руд осуществляется методами:
• пирометаллургии, протекающими при очень высоких температурах;
• гидрометаллургии, за счет выщелачивания металлов водными растворами;
• электрометаллургии, которая позволяет восстановить металлы из химических соединений и рафинировать их методом электролиза и др.
Процессы получения сплавов на основе железа (сталей и чугунов) называются черной металлургией, а производство цветных металлов и сплавов на их основе − цветной металлургией.
Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо и флюсы. Железные руды содержат железо в виде оксидов Fe3O4 и
Fe2O3, гидроокисей Fe2O3 · Н2О, карбонатов FeСO3 и др., а также пустую породу, состоящую из SiO2, Al2O3, MgO и др. Содержание железа в руде, предназначенной к переделу в чугун, должно составлять 55–60 %.
Топливом для доменной плавки служит кокс, который получают из коксующихся каменных углей после удаления из них летучих веществ.
Флюсы необходимы для удаления из доменной печи тугоплавкой пустой породы и золы топлива. На их основе образуется доменный шлак, который в жидком состоянии удаляется из печи. Флюсы выбирают в зависимости от химического состава пустой породы руды. В отечественных железных рудах в пустой породе содержится большое количество SiO2. Поэтому в качестве флюса используют материалы с повышенной щелочностью, к которым относится известняк CaСO3. С его помощью можно снизить содержание в металле серы, которая переходит в него из кокса и железной руды.
Подготовка руды к доменной плавке осуществляется для повышения производительности процесса, снижения расхода кокса и повышения качества чугуна. Цель подготовки состоит в увеличении содержания железа в исходных материалах и уменьшении в них вредных примесей – серы и фосфора. В подготовку руды входит обогащение, агломерация или получение металлизированных окатышей.
В результате обогащения в исходном материале повышается содержание железа. При агломерации мелкий концентрат, полученный обогащением, спекают с коксовой мелочью, при этом снижается содержание серы и мышьяка, разлагаются карбонаты и получается кусковой, пористый агломерат с повышенным содержанием флюсов. Вместо агломерации может применяться окатывание, при котором измельченный концентрат, флюсы и кокс после увлажнения окатываются на специальных установках и приобретают форму шариков диаметром до 30 мм. Их высушивают и обжигают при температуре 1200–1350 °С, в результате чего они становятся прочными и пористыми. При их использовании исключается подача флюсов в доменную печь.
На рис. 3.1 приведена схема устройства доменной печи. В верхнюю часть печи, где находится загрузочное устройство 8, с помощью вагонеток загружают шихту, состоящую из агломерата, кокса, флюсов или окатышей.
При опускании малого конуса загрузочного устройства 8, шихта попадает в чашу, а при опускании большого конуса – в доменную печь. Сложная загрузочная система предотвращает выход газов из домны в атмосферу.
Рис. 3.1. Схема устройства доменной печи: 1 – чугунная летка; 2 – шлаковая летка; 3 – фурмы; 4 – лещадь; 5 – чугуновоз; 6 – шлаковоз; 7 – газоотводящие каналы; 8 – загрузочное устройство; 9 – фундамент; 10 – воздухопривод
По мере нагревания и протекания физико-химических процессов плавки из шихты образуется чугун. Он стекает в нижнюю часть печи, откуда периодически удаляется, а сверху через загрузочное устройство в печь подаются новые порции шихты.
Процесс выплавки чугуна начинается с горения топлива. Для этого в верхнюю часть горна через фурмы вдувают нагретый воздух. Углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорает с выделением теплоты.
Образуется газовый поток, содержащий угарный газ СО, углекислый газ СО2, водород Н2 и метан СН4. Эти газы, поднимаясь вверх, отдают теплоту шихтовым материалам. В шихте при температуре 570 °С начинается восстановление оксидов железа.
Восстановление железа в доменной печи осуществляется углеродом кокса, окисью углерода СО и водородом Н2. Восстановление железа газами называют косвенным, а восстановление железа твердым углеродом кокса – прямым.
Восстановление железа из руды происходит по мере продвижения шихты вниз и ее нагревания, от высшего окисла к низшему:
Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe
При температуре 1000–1100 °С восстановленное твердое железо, взаимодействуя с оксидом углерода и коксом, интенсивно растворяет углерод и расплавляется. Это происходит на уровне распара и заплечиков (рис. 3.1). Капли железоуглеродистого сплава (чугуна), стекая по кускам кокса, продолжают насыщаться углеродом до 4,3 %, марганцем, кремнием, фосфором, которые также восстанавливаются из руды при этой температуре.
Марганец и кремний частично переходят в образовавшийся чугун и частично в виде оксидов входят в состав шлака. Часть серы удаляется с газами при нагревании печи, другая часть серы в виде сульфида железа FeS растворяется в чугуне. Благодаря присутствию в шлаке большого количества СаО протекает реакция
FeS + СаО = СаS + FeО
Образовавшееся соединение СаS (рис. 3.1) удаляется в шлак.
Чугун выпускают из печи через 3–4 ч через чугунную летку 1 – специальное отверстие в стенке печи (рис. 3.1). Шлак выпускают через каждые 1–1,5 ч через шлаковую летку 2. Чугун сливают в ковши, а шлак − в шлаковозные чаши 6. Чугун транспортируют в сталеплавильные цеха в жидком виде или разливают в изложницы для получения слитков. Из шлака изготавливают шлаковату, цемент и т. п. Доменные газы очищают от пыли и используют для нагревания воздуха, вводимого в доменную печь.