Глава 2. ВИРОБНИЦТВО ЧАВУНУ

4. Матеріали для виробництва чавуну

Чавун виплавляють із залізних руд пірометалургійним способом у до­менних печах, використовуючи для цього тверде паливо (кокс) і флюси.

1. Залізні рудимістять залізо у вигляді оксидів, гідратів оксидів, карбо­натів. Пустою породою в цих рудах, як правило, бувають кварцит або пісковик, глинясті речовини.

До основних залізних руд належать:

магнітний залізняк з масовою часткою 45...70 % заліза у вигляді оксиду Fe₃O₄. Руда багата залізом, але важко відновлюється;

червоний залізняк з масовою часткою 50...60 % заліза у вигляді оксиду Fe₂O₃. Ця руда має незначний вміст сірки та фосфору, легко відновлю­ється, тому належить до кращих залізних руд;

бурий залізняк у вигляді водного оксиду Fe₂O₃ • 3Н₂О містить до 35 % заліза; пуста порода звичайно забруднена сіркою і фосфором, але руда легко відновлюється;

шпатовий залізняк з масовою часткою 30...40% у вигляді карбонату FeCO₃. Руда відзначається добрим відновленням і малим вмістом сірки і фосфору.

2. Паливопід час виплавки чавуну виконує роль не тільки пального, а й відновлювача заліза з руди. Цим вимогам найкраще задовольняє твер­де паливо - кокс.

3. Флюсамипри виплавці чавуну в доменній печі є вапняк СаСО₃ або доломітизований вапняк, який складається з MgСО₃.

5. Підготовка руд до плавки

Доменний процес вважається раціональним, якщо масова частка залі­за в шихті становить не менш як 60 %. Тому важливим етапом у металур­гійному виробництві є підготовка руд до плавки. З цією метою руди по­дрібнюють, сортують і збагачують.

1. Збагаченняполягає у збільшенні різними способами вмісту заліза в руді. Так, промивання водою дає змогу видалити частину піщано-глиняс­тої породи. Цієї ж мети досягають гравітацією (відсадкою) - відділенням руди від легкої породи при пропусканні під тиском води крізь дно вібрувального сита, на якому шаром лежить руда. Магнетитові руди збага­чують способом магнітної сепарації, який ґрунтується на різниці магніт­них властивостей залізовмісних мінералів та частинок пустої породи.

Магнітний сепаратор шківного типу (рис. 1.1) складається з двох стрічкових конвеєрів. Усередині верхнього конвеєра є електромаг­ніт. Куски руди 1, які надходять на живильну стрічку 2 нижнього конвеє­ра, проходячи крізь магнітне поле, намагнічуються і прилипають до зби­ральної стрічки 3 верхнього конвеєра, а куски пустої породи (немагнітна фракція 5) вільно падають зі стрічки нижнього конвеєра. У результаті збагачення мають концентрат 4 - продукт з підвищеним вмістом заліза.

Для поліпшення плавки збагачену руду (концентрат) переробляють у кускові матеріали агломерацією або обкатуванням.

2. Агломераціяполягає у спіканні руди (40...50 %), вапняку (15...20 %), дрібного агломерату і коксу в спеціальній агломераційній машині.

Агломераційна машина стрічкового типу (рис. 1.2) склада­ється з великої кількості візків з боковими бортами і колосниками замість дна, що рухаються напрямними рейками. У завантаженому візку після запа­лювання газовими пальниками починається горіння палива, причому горін­ня поширюється зверху вниз. Повітря просочується крізь шар шихти зав­дяки дії спеціальних вакуумних пристроїв. Температура в шарі шихти стано­вить 1300... 1600 °С. При цьому з руди видаляється частина домішок, розкла­даються карбонати і утворюється пористий офлюсований матеріал - агло­мерат. Застосування офлю­сованого агломерату дає змо­гу підвищити продуктивність доменних печей на 10...25 % та зменшити витрати коксу на 10...20 %. Крім того, в процесі спікання майже повністю ви­горяє сірка і видаляється у ви­гляді сірчистого газу.

У металургії звичайно ви­користовують офлюсований агломерат, для чого в шихту додатково вводять вапняк.

Рис. 1.1. Схема магнітного

сепаратора шкірного типу

Рис. 1.2. Схема агломераційної машини:

1 — візки; 2 - шихтовий бункер; 3 - пальник; 4 - вакуум камери; 5 – агломерат

3. Обкатуванняполягає в окусковуванні подрібнених концентра­тів. Для цього концентрат, флюси і паливо зволожують і завантажу­ють у нахилену чашу (гранулятор), що обертається, або в пустотілий барабан, де і утворюються обкотки - кульки діаметром 25...30 мм. Готові обкотки сушать і обпалюють при температурі 1200... 1300 °С. Викорис­тання обкотків, як і агломерату, поліпшує доменну плавку, підвищує про­дуктивність доменної печі, зменшує витрату палива.

6. Будова і робота доменної печі

Чавун виплавляють у доменних (шахтних) печах.

Більшість діючих доменних печей мають корисний об'єм, зайнятий за­вантаженими в піч матеріалами і продуктами плавлення, 1300...2300 м³ та висоту близько 30 м. У таких печах за добу виплавляють до 2000 т чавуну.

1. Доменна пічз допоміжними обладнаннями - досить складна інженер­на споруда масою (при об'ємі 2700 м³) близько 200 тис. т. Піч працює безперервно 4...8 років.

Щоб виплавити чавун, у домну завантажують шихту - суміш певного співвідношення руди, палива і флюсів. Окремі порції шихти називаються колошами. Колоші із бункера 1 (рис. 1.3) подаються вагонетками 2 скіпо­вим підіймачем 8 (на сучасних печах - конвеєром) в приймальну воронку 9 засипного апарата. При опусканні малого конуса 10 шихта попадає в чашу 11 і при опусканні великого конуса 12 - в колошник 13 і далі в шах­ту 14 печі. Поперемінне відкриття конусів запобігає виходу газів із печі в атмосферу. Шихта завантажується в домну періодично у міру того, як згоряє паливо і виходять чавун та шлак.

Найбільша циліндрична частина домни називається розпаром 7. Ниж­че містяться заплечики 6 у вигляді зрізаного конуса і горн 4, обмежений подом 19. У нижній частині горна розміщено льотки для випускання ча­вуну 3 і шлаку 18.

Для підтримання горіння палива в доменну піч крізь ряд (14...24) роз­міщених по обводу фурм 5 вдувається повітря під тиском до 0,3 МПа. Витрата повітря на виплавлення 1 т чавуну в сучасних доменних печах становить до 3000, а на великих печах - до 7000 м³/хв.

Для інтенсифікації виплавлення і більш економної витрати палива по­вітря нагрівають до 1000... 1200 °С у повітронагрівниках регенеративного

типу. Повітронагрівник - це футерований цеглою сталевий циліндр діа­метром 6...8 і 30...40 м, який всередині має камеру згоряння 15 і насадку 20 із вогнетривкої цегли. Біля кожної домни є 3...4 повітронагрівники.

У повітронагрівник Б крізь отвір 17 подається очищений колошнико­вий газ і крізь отвір 16 - необхідне для згоряння газу повітря. Продукти згоряння газу з камери /5 проходять вертикальними каналами насадки 20, нагрівають її і виходять крізь отвір 21 у димову трубу 22. Коли насадка повітронагрівника Б досягне потрібної температури, подачу газу в нього припиняють і в зворотному напрямі подають повітря, яке проходить ка­налами розжареної насадки, нагрівається до температури 1000...1200 °С і після цього вдувається в доменну піч. Коли повітронагрівник Б нагріва­ється, працює повітронагрівник А, попередньо нагрітий, за розглянутою схемою.

Значним удосконаленням доменного процесу є збагачення повітряного дуття киснем (до 30 %), а також часткова заміна коксу природним газом.

2. Доменний процес.Доменна піч працює за принципом протипотоку: шихтові матеріали рухаються зверху вниз, а назустріч їм піднімається потік гарячих газів - продуктів згоряння палива. При цьому горить паливо, відновлюється і насичується вуглецем залізо, відновлюються інші елемен­ти, утворюється шлак.

У зоні повітряних фурм вуглець коксу взаємодіє з киснем дуття, зго­ряє, внаслідок чого температура в цій зоні печі досягає 1800...2000 °С. У таких умовах вуглекислий газ СО₂ взаємодіє з вуглецем коксу і утво­рює оксид вуглецю CO, який і стає головним відновником заліза. Трохи вище, в зоні печі з температурою 700...450 °С, частина оксиду вуглецю розкладається з утворенням сажистого вуглецю.

Шихтові матеріали, опускаючись назустріч потоку розжарених га­зів, нагріваються, з них випаровується волога, виділяються леткі речо-

Рис. 1.3. Схема роботи доменної печі

вини. При досягненні температури 750...900 °С у шихті відновлюється за­лізо:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄+CO₂;

Fe₃O₄ + CO = 3FeO+CO₂;

FeO + CO = Fe+CO₂.

Частина оксиду FeO опускається до розпару і заплечиків і відновлю­ється вуглецем коксу.

У відновленні заліза беруть участь також сажистий вуглець і водень.

У результаті цих реакцій утворюється тверде губчасте залізо. При тем­пературі 1000... 1100 °С губчасте залізо насичується вуглецем:

3Fe +2CO = Fe₃C +CO₂;

3Fe + C = Fe₃C.

Вуглець зменшує температуру плавлення залізовуглецевого сплаву, тому при опусканні в нижню частину шахти сплав починає плавитись, додатково насичується вуглецем та іншими елементами, які відновлюють­ся із руди, - манганом, силіцієм, фосфором, сіркою.

Манган міститься в руді у вигляді оксидів і частково відновлюється твердим вуглецем. Силіцій є в пустій породі у вигляді кремнезему SiO₂ і також відновлюється твердим вуглецем. Невідновлені оксиди мангану і силіцію переходять у шлак.

Фосфор міститься в руді в основному у вигляді сполуки Р₂О₅ • 3СаО, відновлюється оксидом вуглецю та твердим вуглецем і майже повністю переходить у сплав.

Сірка потрапляє в доменну піч у складі руди і коксу у вигляді сполук FeS₂, FeS, CaSO₂, CaS. Значна частина сірки видаляється у вигляді летких сполук (SO₂, H₂S), інша переходить у сплав (FeS) або шлак (CaS).

Таким чином, унаслідок відновлення заліза, мангану, силіцію, фосфо­ру та сірки і розчинення їх у залізі в горні печі збирається шлак - сплав пустої породи, флюсів, попелу палива, а також частина невідновлених оксидів. У міру того як утворюються і накопичуються чавун і шлак, їх випускають із печі: чавун через 3...4 год по льотці 3 (див. рис. 1.3), а шлак - через 1...1,5 год по льотці 18.

Чавун стікає по жолобу в ковші місткістю до 1000 т і залізницею на­правляється на розливальну машину або зливається у спеціальні опалю­вальні накопичувачі - міксери для переробки в сталь. Витримування у міксері сприяє також вирівнюванню хімічного складу чавуну.

Основними техніко-економічними показниками роботи доменної пе­чі є:

а) коефіцієнт використання корисного об'єму печі - КВКО:

КВКО = V/P.

де V- корисний об'єм печі, м³; Р- середня добова продуктивність печі, т; для доменних печей КВКО = 0,5...07;

б) питома витрата коксу:

К = А/Р,

де А - витрата коксу за добу.

Питома витрата коксу на передових підприємствах становить 470...490 кг і є важливим показником роботи доменної печі, оскільки вартість коксу становить близько 50 % вартості чавуну.

Поліпшити техніко-економічні показники роботи доменних печей мож­на удосконаленням їхньої конструкції, кращою підготовкою шихтових матеріалів, інтенсифікацією плавлення, збагаченням повітряного дуття киснем.

Значний економічний ефект дають будівництво та експлуатація вели­ких доменних печей. Тому нині експлуатуються в основному печі об'ємом 2300 і 2700 м³. На Криворізькому металургійному заводі введено в дію піч об'ємом 5000 м³. Печі такого об'єму виплавляють за добу понад 10 тис. т чавуну. Продуктивність праці при виплавці чавуну в таких пе­чах майже на ЗО % вища, а металомісткість печей на 12 % менша, ніж у печах об'ємом 2700 м³.

Поряд із збільшенням об'єму доменних печей велике значення має вдо­сконалення систем механізації і автоматизації керування процесом виплав­ки чавуну, включаючи АСП. Збільшенню виплавки чавуну і зменшенню витрат коксу сприяють підвищення ефективності збагачення руд, засто­сування офлюсованого агломерату і обкотків.