Исходные материалы для выплавки чугуна

Для производства чугуна необходимы руда, флюсы и огнеупорные материалы.

Руда – горная порода, содержащая металлы в виде химических соединений (оксидов, силикатов, карбонатов и сернистых соединений), входящих в состав различных минералов. Руда состоит из минералов, содержащих металл, и пустой породы, в состав которой входят различные примеси. В зависимости от содержания добываемого материала, руды бывают богатые и бедные. Промышленная руда – горная порода, из которой при данном уровне развития техники экономически выгодно извлекать металл. Для железа упомянутый уровень составляет 30…50 %, а для молибдена 0,002…0,05 %.

В природе встречаются следующие железные руды:

а) Красный железняк. Цвет руды может изменяться от темно-красного до темно-серого. Содержит железо в составе гематита – оксида Fe₂O₃. Термин «гематит» происходит от греческого слова «гема», что означает «кровь». Минерал назван так по цвету вишнево-красной черты, которую он оставляет на белой неглазурованной фарфоровой пластине. Содержание железа в руде – 46…65 %. Пустая порода - в основном кварцит. Содержит мало вредных примесей (S и P). Восстанавливаемость железа из руды хорошая.

б) Бурый железняк. Окраска руды варьируется от желтой до буро-желтой. Содержит желез в составе гидрата оксидов железа 2Fe₂O₃·3H₂O, называемого лимонитом. Слово «лимонит» происходит от греческого слова «леймон», что означает «луг» (по местонахождению лимонита в сырых местах, болотах). Содержание железа в руде 37-55 %. Выделение гидратной воды из руды при высоких температурах делает руду пористой, что способствует хорошему восстановлению железа.

в) Магнитный железняк содержит магнетит – магнитный оксид Fe₃O₄ (FeO·Fe₂O₃). Количество железа в руде 55…60 %. Пустая порода – кремнезем с примесями других оксидов. Цвет – темно-серый или черный. Железо восстанавливается из этой руды труднее, чем из других руд.

г) Шпатовый железняк (сидерит) содержит соединение FeСO₃. Количество железа в руде – 30…40 %. Пустая порода в основном содержит оксиды SiO₂, Al₂O₃ и MgO. Цвет руды – желтовато-белый или грязно-серый. Перед загрузкой в доменную печь сидерит подвергают обычно обжигу, в результате которого удаляется влага и СО₂. Восстанавливаемость железа из сидерита самая высокая из всех железных руд.

Железные руды содержат мало марганца, необходимого для получения чугуна. Поэтому в шихту добавляют марганцевые руды. В природе марганцевые руды встречаются значительно реже, чем железные. Содержание марганца в них колеблется от 25 до 48 %. Руда состоит из различных оксидов марганца (MnO, Mn₂O₃ и Mn₃O₄) и глинистого песчаника (пустой породы), поэтому марганцевые руды непрочные и имеют рыхлое строение.

Флюс – материал, загружаемый в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды и золой топлива. Это легкоплавкое соединение называется шлаком. В качестве флюсов для доменной плавки применяют известняк CaCO₃ или (реже) доломит CaCO₃·MgCO₃. При плавке известняк распадается на оксид CaO и углекислый газ CO₂. Во флюсах должно быть минимальное количество серы и фосфора. Нежелательный компонент флюса – кремнезем (SiO₂), который уменьшает флюсующую способность известняка и увеличивает количество шлака в доменной печи.

Расход флюсов при выплавке чугуна в зависимости от состава руды, топлива и от характера их подготовки к плавке колеблется в пределах 0,2…0,5 т флюса на 1 т чугуна.

Так как плотность шлака меньше плотности металла, то он располагается в печи над металлом и может быть удален в процессе плавки. В шлак переходят соединения вредных примесей, содержащихся в расплавленном металле. Периодически скачивая шлак и наводя новый добавкой флюса в плавильное пространство, снижают содержание нежелательных примесей в металле дот необходимых значений. Шлак служит также защитой расславленного металлов от печных газов и воздуха.

Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислые оксиды (SiO₂, P₂O₅), и основным, если в его составе преобладают основные оксиды (СаО, MgO, FeO). Кислые и основные оксиды реагируют друг с другом при высоких температурах. Поэтому во избежание взаимодействия шлака и огнеупорного материала футеровки (защитной облицовки) печи при плавке в печах с кислой футеровкой используют флюсы, образующие кислые шлаки, а в печах с основной футеровкой – материалы, образующие основные шлаки. В противном случае огнеупорная футеровка печи может разрушиться.

При выплавке чугуна для лучшего удаления серы из металла, в который она может переходить из кокса и железной руды, рекомендуется, чтобы в шлаке выполнялось отношение .

Топливо для выплавки чугуна должно удовлетворять следующим требованиям:

1) Куски топлива должны быть надлежащих размеров (25…60 мм).

2) Иметь достаточную прочность.

3) Иметь хорошее сопротивление изнашиванию.

4) Должно содержать минимальное количество вредных примесей, переходящих в чугун.

5) Куски топлива не должны растрескиваться и спекаться при высоких температурах.

6) Должно иметь высокую теплотворную способность.

7) Должно быть сравнительно дешевым.

В современном металлургическом производстве чугуна в качестве топлива применяют кокс, удовлетворяющий перечисленным требованиям. Кокс получают в кокосовых печах сухой перегонкой, т.е. нагревом до 1000 ^оС без доступа воздуха, каменного угля коксующихся сортов. Кокс представляет собой спекшуюся пористую массу серо-черного или матово-серого цвета. Пористость кокса способствует лучшему протеканию химических реакций в печи.

Огнеупорные материалы применяют для защитной облицовки (футеровки) рабочего пространства плавильных и нагревательных устройств. Огнеупорные материалы делятся на кислые, основные и нейтральные. В кислых огнеупорных материалах высокое содержание кислых оксидов (SiO₂), в основных – основных оксидов (СаО, MgO). Нейтральные огнеупорные материалы состоят из оксидов Al₂O₃, Cr₂O₃ и др. Футеровку доменных печей, т.е. печей, используемых для выплавки чугуна, полностью выкладывают из шамотного кирпича. Шамот относится к нейтральным огнеупорным материалам, и получают шамот обжигом огнеупорной глины, главная составляющая которой – минерал каолинит (Al₂O₃· 2SiO₂·Н₂О).