Производство чугуна

В настоящее время чугун получают путём восстановительной плавки специальной шихты в устройствах, которые называют доменные печи.

В состав шихты входят:

1. Железные руды

2. Топливо

3. Флюсы

1. Железные руды – основное сырье для получения чугунов, которые по своему химическому составу разделяются на следующие группы:

а) Руды безводной окиси железа, красные железняки, основной минерал – гематит Fe₂O₃. Содержание железа – 50-70%. Обладают хорошей восстанавливаемостью. Основные месторождения в России: Криворожское, КМА.

б) Руды водной окиси железа, бурые железняки, общая формула xFe₂O₃∙yH₂O. Основной минерал – лимонит 2Fe₂O₃∙3H₂O. Содержание железа – 25-50%. Обладают хорошей восстанавливаемостью. Основные месторождения: Тульское, Липецкое, Байкальское.

в) Руды магнитной окиси железа, магнитные железняки, основной минерал – магнетит Fe₃O₄. содержание железа 50-60%. Основные месторождения: Урал, Сибирь.

г) Марганцевые руды, обладают повышенным содержанием Mn (30-55%), используют для выплавки ферромарганца. Основные месторождения: Северный Урал.

д) Хромовые руды – сырье для производства феррохрома, содержат 35-70% Cr₂O₃. Основные месторождения: Урал, Казахстан.

е) Комплексные руды. Кроме железа содержат Mn, Cr, Ti, V и др.

2. Топливо.

Основное топливо, которое используется в настоящее время в доменном процессе – кокс, который получают из коксующихся углей, запасы которых в мире быстро исчезают. Требования к составу кокса взять из соответствующей лекции.

Пылевидное топливо – измельчённый уголь. В настоящее время часть дефицитного кокса заменяют пылью, вдувая её в доменную печь.

Природный газ – высококалорийное топливо – смесь низших углеводородов – применяют для вдувания в доменные печи.

3. Флюсы.

Флюсы при доменной плавке совместно с окислами пустой породы и золой топлива образуют шлаки. Т.к. при доменной плавке сейчас большинство заводов работает ещё на коксе необходимо ошлаковать серу, вносимую с коксом и рудой. Для этого повсеместно применяют только основной флюс – известняк CaCO₃. флюс должен быть достаточно прочным, иметь размеры 25-60 мкм, содержать минимум Al₂O₃+SiO₂, S, P.

Доменный процесс является точной совокупностью разнообразных, физико-химических, механических и аэродинамических явлений. Он протекает в условиях движения твёрдых и плавящихся масс сверху вниз и встречного движения газов. Успешное выполнение этого сложного непрерывного процесса тесно связано с конфигурацией доменной печи.

Доменная печь представляет собой шахтную печь, размеры каждых частей которой тесно связаны между собой для создания оптимальных условий плавки, основными из которых являются:

1. Плавное и устойчивое опускание шихтовых материалов

Поэтому восстановление Fе₂О₃ идет в верхней части домны. Другие окислы требуют более значительного содержания СО в газовой фазе, которое определяется по диаграмме равновесия железа и его окислов при восстановлении.

Линии на графике характеризуют следующие процессы: 1 – C + СО₂ 2СО; 2 – FеО + СО Fе + CО₂; 3 – Fе₃О₄ + CО 3FеО + СО₂; 4 – 3Fе₂О₃ + СО 2Fе₃О₄ + CО₂

Термические условия данного процесса не позволяют получать чистое железо, т.к. в доменной печи создается сильная восстановительная среда, а температура в печи колеблется от 150°С до 180°С-1900°С. Вследствие этого железо успевает насытиться углеродом.

В нижней части печи идет интенсивное горение кокса:

С + О₂ → CО₂ или СО

CО₂ + С 2СО – Q

Восстановленное железо растворяет углерод:

3Fе + С→ Fe₃С

смесь Fе₃С и Fе дает легкоплавкую смесь T_пл =1130°C, которая стекает в горн, проходя (как бы фильтруясь) через слой флюса.

2. Выгодное распределение встречного газового потока.

3. Усиленное развитие процессов восстановления и образования чугуна и стали.

Схема доменной печи 2700 м³

Рис. 1 – Доменная печь (а – разрез, б – зоны рабочего пространства):
1 – чугунная лётка; 2 – горн; 3 – заплечики; 4 – распар; 5 – шахта; 6 – колошник;
7 – загрузочное устройство (засыпной аппарат); 8 – горизонт образования чугуна;
9 – горизонт образования шлака; 10 – зона горения кокса; 11 – слой шлака;
12 – шлаковая лётка; 13 – расплавленный чугун

Рабочее пространство доменной печи состоит из: кокошника (1), шахты (2), распара (3), заплечников (4) и горна (5).

Кокошник предназначен для распределения загружаемых в печь материалов и отвода поднимающихся газов. Распределение газового потока в печи в основном определятся начальным распределением шихты в кокошнике.

На долю шахты приходится больше половины (2/3) высоты печи, и её профиль обеспечивает равномерное опускание шихты, их необходимое разрыхление. Значительная высота шахты позволяет осуществить тепловую и химическую обработку материалов поднимающимися газами, в первую очередь восстановление окислов железа.

Самая широкая часть печи - распар, предназначен для устранения возможных задержек шихты и уменьшает разгар футеровки, отделяя от стен поток горячих газов.

Ниже распара расположены заплечники. Они имеют обратную конусность соответствует уменьшению объема проплавляемых материалов при образовании чугуна и шлака.

В нижней части печи – горне осуществляются высокотемпературные процессы доменной плавки, горение кокса и образование доменного газа, взаимодействие между жидкими фазами, газом и раскаленным коксом, накопление жидких продуктов плавки (шлака и чугуна). Накопленные в горне жидкие продукты периодически выпускают из печи. В горне также располагаются формы для вдувания воздуха, необходимого для горения кокса.