ВЫПЛАВКА ЧУГУНА

Чугун выплавляют в печах шахтного типа - доменных печах. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом, выделяющимся при сгорании топлива в печи и твердым углеродом.

Устройство доменной печи и ее работа.Доменная печь (рис. 2.1) имеет стальной кожух, выложенный внутри огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту (офлюсованный агломерат и окатыши). Шихту взвешивают, подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату 8 и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 засыпного аппарата шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 - в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу. Для равномерного распределения шихты в доменной печи малый конус и приемная воронка после очередной загрузки поворачиваются на угол, кратный 60°.

Рис. 2.1. Устройство доменной печи

При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство в печь подаются новые порции шихты в таком количестве, чтобы весь полезный объем печи был заполнен. Полезный объем печи - это объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании. Современные доменные печи имеют полезный объем 2000 ... 5000 м³. Полезная высота доменной печи достигает 35м.

В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух нагревают для уменьшения потерь теплоты и снижения расхода кокса. Воздух поступает в доменную печь из воздухонагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка. Насадка выложена из огнеупорных кирпичей, так что между ними образуются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный от пыли доменный газ, который сгорает и образует горячие газы.

Газы, проходя через насадку, нагревают ее и удаляются через дымовую трубу. Затем подача газа к горелке прекращается, и через насадку пропускается воздух, подаваемый турбовоздуходувкой машиной. Воздух, проходя через насадку, нагревается до температуры 1000 ... 1200 °С и поступает к фурменному устройству 14, а оттуда через фурмы 2 - в рабочее пространство. Доменная печь имеет несколько воздухонагревателей: в то время как в одних насадках нагревается, в других насадка отдает теплоту холодному воздуху, нагревая его. После охлаждения насадки воздухом нагреватели переключаются.

Физико-химические процессы доменной плавки. Условно процессы, протекающие в доменной печи, разделяют на горение топлива; разложение компонентов шихты; восстановление железа; науглероживание железа; восстановление марганца, кремния, фосфора, серы; шлакообразование. Все эти процессы проходят в доменной печи одновременно, но с разной интенсивностью, при различных температурах и на разных уровнях.

Горение топлива. Вблизи фурм (см. рис. 2.1) углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорает. В результате горения выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий СО, СО₂, N₂, Н₂, СН₄ и др. При этом в печи несколько выше уровня фурм развивается температура выше 2000 °С. Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до температуры 300 ... 400 °С у колошника.

Восстановление железа в доменной печи. Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре 500 ... 570 °С начинается восстановление оксидов железа.

Разложение компонентов шихты происходит в зависимости от ее состава. Если в доменную печь подается офлюсованный агломерат, то эти процессы протекают при агломерации и в доменной печи почти не идут. При работе на шихте, содержащей флюсы и часть сырой руды, в верхней части доменной печи разрушаются гидраты оксидов железа и алюминия. Известняк флюса диссоциирует по реакции СаСО₃ = СаО + СО₂.

В результате взаимодействия оксидов железа с оксидом углерода и твердым углеродом кокса, а также с водородом происходит восстановление железа. Восстановление газами называют косвенным, а восстановление твердым углеродом - прямым. Реакции косвенного восстановления - экзотермические (сопровождаются выделением теплоты), они происходят главным образом в верхних горизонтах печи. Реакции прямого восстановления - эндотермические (сопровождаются поглощением теплоты), они протекают в нижней части доменной печи, где температура более высокая.

Восстановление железа из руды в доменной печи происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте печи и повышения температуры в несколько стадий - от высшего оксида к низшему:

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe.

Восстановление железа заканчивается при 1100 ... 1200 °С. В доменной печи железо восстанавливается почти полностью. Потери со шлаком составляют не более 1 %.

Науглероживание железа. Восстановление железа начинается в верхней части шахты доменной печи при 500 ... 570 °С и заканчивается в распаре при 1100 ... 1200 °С. При этих температурах восстановленное железо с Т_пл = 1539 °С находится в твердом состоянии или в виде губчатой массы. Однако уже в шахте доменной печи наряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание при взаимодействии с оксидом углерода, коксом, сажистым углеродом. Это приводит к образованию жидкого расплава, который каплями начинает стекать в горн.

Эти капли, протекая по кускам кокса, насыщаются углеродом (4 % и более), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1000 ... 1200 °С восстанавливаются из руды, а также серой, содержащейся в коксе.

Марганец в виде оксидов в доменную печь вносится железной, марганцевой рудами или агломератом и восстанавливается в шахте по реакции, аналогичной восстановлению оксидов железа: МnО₂ → Мn₂О₃ → Мn₄О₃ → МnО. Оксид марганца (МnО) восстанавливается только твердым углеродом с образованием карбида марганца (Мn₃С) при температуре не ниже 1100 °С. Карбид марганца растворяется в железе, повышая содержание марганца и углерода в чугуне. Другая часть МnО входит в состав шлака.

Кремний, содержащийся в руде в виде SiO₂, также частично восстанавливается твердым углеродом и растворяется в железе. Другая часть SiO₂ переходит в шлак. Кремний восстанавливается при температурах не ниже 1450 °С.

Фосфор содержится в руде в виде соединений (FeO)₃ · Р₂О₅ и (СаО)₃ · Р₂О₅. При температурах выше 1000°С фосфат железа восстанавливается оксидом углерода и твердым углеродом с образованием фосфида железа. При температурах выше 1300 °С фосфор восстанавливается из фосфата кальция. Фосфор и фосфид железа Fe₃P полностью растворяются в железе.

Сера присутствует в коксе и руде в виде органической серы и соединений FeS₂, FeS, CaSO₄. Сера летуча, и поэтому часть ее удаляется с газом при нагреве шихты в печи, а часть в виде серы и FeS растворяется в чугуне. Вследствие реакции FeS + СаО = CaS + FeO часть серы в виде CaS удаляется в шлак. Фосфор и сера в чугуне являются вредными примесями.

Таким образом, в результате процесса восстановления оксидов железа, части оксидов марганца и кремния, фосфатов и сернистых соединений, растворения в железе С, Mn, Si, P, S в доменной печи образуется чугун.

Образование шлака. Шлакообразование активно происходит в распаре после окончания процессов восстановления железа путем сплавления флюсов, добавляемых в доменную печь для обеспечения достаточной жидкотекучести при температуре 1400 ... 1450 °С, оксидов пустой породы и золы кокса. Основные составляющие доменного шлака: оксиды кремния (30 ... 45 %), оксиды кальция (40 ... 50 %), оксид алюминия (10 ... 25 %) и другие компоненты. Шлак стекает в горн и скапливается на поверхности жидкого чугуна благодаря меньшей плотности.

Чугун выпускают из печи каждые 3 ... 4 ч, а шлак - через 1 ... 1,5 ч. Чугун выпускают через чугунную летку 16 (рис. 2.1) - отверстие в кладке, расположенное несколько выше лещади, а шлак - через шлаковую летку 17. Чугунную летку открывают бурильной машиной, после выпуска чугуна ее закрывают огнеупорной массой. Чугун и шлак сливают в чугу-новозные ковши и шлаковозные чаши. Чугун транспортируют в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи для передела в сталь. Чугун, не используемый в жидком виде, разливают в изложницы разливочной машины, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

Продукты доменной плавки. Чугун - основной продукт доменной плавки. В доменных печах получают чугун различного химического состава в зависимости от его назначения.

Передельный чугун выплавляют для передела его в сталь в конвертерах или мартеновских печах. Он содержит 4 ... 4,4 % С, 0,6 ... 0,8 % Si, 0,25 ... 1,5 % Mn, 0,15 ...0,3%Р и 0,03 ...0,07%S.

Литейный чугун используют на машиностроительных заводах при производстве фасонных отливок. Он содержит 2,75 ... 3,25 % Si. Кроме чугуна в доменной печи выплавляют ферросплавы доменные - сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Их применяют для раскисления и легирования стали. К ним относятся ферросилиций (9 ... 13 % Si и до 3 % Мn), ферромарганец (70 ... 75 % Мn и до 2 % Si), зеркальный чугун (10 ... 25 % Мn и до 2 % Si).

Побочные продукты доменной плавки - шлак и доменный газ. Из шлака изготовляют шлаковату, цемент, шлакоситаллы, а доменный газ после очистки используют как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь.

Технико-экономические показатели работы доменной печи Основным показателем работы доменной печи принято считать: коэффициент использования полезного объема доменной печи (КИПО) - это отношение полезного объема доменной печи V (м³) к ее среднесуточной производительности Р (т) выплавленного тугуна. КИПО = VIP. Чем меньше КИПО, тем выше производительность доменной печи. В современных доменных печах КИПО не превышает 0,6. Другим важным показателем работы доменной печи является удельный расход кокса (К) - отношение расхода кокса (А) за сутки к количеству чугуна (Р), выплавленного за это же время: К - А/Р. Удельный расход кокса составляет 0,5 ... 0,7. Кроме того, эффективность работы доменной печи характеризуется пребыванием шихты в доменной печи (5 ... 6 ч) и длительностью кампании (4 ... 5 лет и более непрерывной работы).

Эти показатели являются обобщенными: они зависят от доли агломерата и окатышей в шихте, качества кокса, расхода природного газа, температуры дутья и содержания в нем кислорода, качества огнеупоров и других факторов.