Основные сведения о получении чугуна

Чугуном называется сплав железа с углеродом, содержащий. углерода от 2 до 6,67%. Это один из основных материалов, применяемых в машиностроении.

Чугун получают из железных руд в доменных печах. Современные доменные печи строят высотой более 30 м с диаметром горна до 10 м, в них выплавляют до 4800 т чугуна в сутки. С момента задувки печь работает непрерывно в среднем 5–8 лет. В качестве исходных материалов используют железную и мар­ганцевую руды, в качестве топлива – кокс; для понижения тем­пературы плавления пустой породы руд и образования с пустой породой и золой топлива легкоплавких смесей, называемых шлаком, в доменную печь загружают флюсы. В качестве флюса обычно используется известняк.

Железные руды. Железными рудами называют горные породы, содержащие металл. Обычно в руде содержится металл в таком количестве, которое позволяет экономично и выгодно извлекать металл из руды.

Железные руды представляют собой главным образом соединения с кислородом (окись железа) и пустой породой (землистой примесью в виде песка, глины и известняка).

Пригодность железной руды к плавке определяется содер­жанием в ней железа, составом пустой породы и количеством вредных примесей (сера, фосфор и др.).

В производстве чугуна используются только те руды, в которых железа содержится не менее 30%. Из железных руд, имеющих особенно большое промышленное значение, можно назвать следующие: магнитный, красный и бурый железняк.

Рис. 8.1. Цвет искр на наждачном круге, в зависимости от качества металла

Магнитный железняк (магнезит) представляет собой магнитную окись железа (Рез0₄). Это минерал черного цвета, обладающий магнитными свойствами. Содержание железа в нем достигает 70–72% при очень небольшом количестве вредных примесей – серы и фосфора.

Красный железняк (гематит) представляет собой окись железа (Ре₂0з). Это минерал вишнево–красного цвета, содержащий в среднем до 60% железа. Это одна из лучших руд, в ней содержится небольшое количество вредных примесей (фосфора и серы); кроме того, эта руда весьма удобна для производства чугуна, так как железо восстанавливается легче.

Бурый железняк (лимонит) – минерал бурого цвета, содержащий от 30 до 60% железа в виде водной окиси, имеет значительное количество примесей – серы, фосфора.

Топливо. Топливо является не только источником тепла для расплавления руды, но также участвует в химических реакциях, протекающих в доменной печи при выплавке чугуна.Применяемое в доменном процессе топливо тем ценнее, чем больше в нем углерода и меньше влаги, на испарение которой затрачивается тепло. Качество топлива также тем выше, чем меньше в нем серы и золы, так как наличие серы вызывает образование раковин в чугуне, неоднородность состава, густоплавкость и ломкость в нагретом состоянии, а зола обладает высокой температурой плавления и сама по себе не может расплавиться.

В качестве топлива при доменном процессе используется каменноугольный кокс, древесный уголь, реже торфяной кокс и антрацит.

Кокс – продукт сухой перегонки специальных, так называемых коксующихся углей, в особых коксовальных камерах, в которых уголь нагревают без доступа воздуха. Это легкое, пористое и достаточно прочное топливо.

Древесный уголь – искусственное твердое топливо, получение нагреванием без доступа воздуха различных древесных пород (березы, осины, сосны и др.). Достоинством древесного угля является его небольшая зольность и незначительное количество Серы, ухудшающей качество металла. Однако высокая стоимость и невысокая прочность ограничивают его применение. Древесный уголь применяется только при выплавке высококачественных чугунов.

Флюсы. Это различные минеральные вещества, добавляемые в доменную печь для понижения температуры плавления пустых пород, удаления золы и серы, а также остатков сгоревшего топлива.

Флюсы образуют с пустой породой и золой топлива легко­плавкие сплавы, которые отделяются от металла в виде шлака. Способствуя образованию шлаков, флюсы тем самым дают возможность отделить от металла пустую породу.

При наличии в руде песчано–глинистых примесей в качестве флюса применяют известняк, а при известковистом составе пустой породы флюсом служат вещества, содержащие кремнезем, кварц и песчаник.

В качестве флюсов в металлургии цветных металлов приме­няют те же материалы, что и в металлургии черных металлов, причем наиболее распространенными являются кварц, плавиковый шпат, алюмосиликаты и др.

Ход доменного процесса. Доменную печь загружают сверху через колошниковое отверстие слоями рудой, коксом, из­вестняком, а снизу в нее вдувают через отверстия (фурмы) воздух.

Материалы в доменной печи постепенно опускаются вниз и, встречаясь с газовым потоком при различных температурах, претерпевают соответствующие изменения в составе и свойствах.

При движении материалов в направлении сверху от колошника вниз к горну происходит сушка материала, разложение плавильных материалов, восстановление железа и других элементов из окислов, науглероживание восстановленного железа и образование чугуна, образование шлака.

Продукты доменного процесса. Продуктами доменного процесса являются чугун, шлак, доменный газ и колошни­ковая пыль.

Чугун является основным и главным продуктом доменного процесса.

Доменный шлак в настоящее время используется в качестве строительных материалов в виде шлакового кирпича, шлакобетона. Из шлака древесноугольиых печей может быть получена стеклянная вата, являющаяся хорошим теплоизоляционным материалом.

Доменный газ используется как ценное газообразное топливо для воздухонагревателей, коксовальных и нагревательных печей, в паровых котлах и других целей.

Колошниковая пыль, которая выносится из печи с отходящими газами, поступает в специальные пылеуловители, затем направляется для спекания в виде кусков и идет обратно в шахту доменных печей.