Розділ 3. Основні переділи в чорній металургії.

Сучасний двох ступеневий спосіб одержання сталі включає декілька взаємозалежних технологічних переділів. Усього в металургії чорних металів виділяють три основні переділи.

1. Доменний переділ - виробництво чавуну в доменних печах. Складовою частиною цього переділу, як правило, є підготовка залізорудної сировини, виробництво агломерату, окатишів, а також виробництво коксу.

2. Сталеплавильний переділ - переробка чавуну й металобрухту (скрапу) у сталь у різних сталеплавильних агрегатах. Особливе місце в металургії заліза займає т.зв. без коксове (чи пряме) одержання сталі, минаючи доменний переділ. По суті, цей спосіб зводиться до одержання твердого губчатого заліза і його переплав у дугових сталеплавильних печах. Обов'язковою операцією сучасного сталеплавильного переділу є поза пічна обробка, а також розливання сталі.

3. Прокатний переділ (чи прокатка) - деформування нагрітих до потрібної температури заготовок між валками прокатних станів із метою додання їм потрібної форми - листи, труби, швелери, рейки, арматура, залізничні колеса й т.п. - це і є кінцева металопродукція ЧМ, надалі використовувана в машинобудівних галузях.

Розглянемо коротко кожний із цих переділів.

Доменний переділ

Основним агрегатом для добування заліза з руд є доменна піч. Доменна піч являє собою шахтну піч круглого перетину. Висота внутрішнього простору доменної печі обсягом 3200 куб. метрів складає 32 метра, максимальний діаметр – 13 метрів. Складається піч із двох усічених конусів, що примикають широкими підставами до невисокого циліндра. Зовні піч має металевий кожух, а зсередини вона футерована вогнетривкою кладкою. Для запобігання розпалу кладки й захисту кожуха печі від високих температур використовують холодильники, у яких циркулює вода.

У верхній частині доменна піч обладнана колошниковим пристроєм, через який завантажують шихтові матеріали, і відводять гази, що утворюються в печі. Нижче колошника розташована шахта висотою 20 метрів, яка розширюється до низу. Шахта спирається на розпар - найширшу частину домни, діаметр розпару складає 13 метрів. Нижче розпару розташовані заплічики, що звужуються до низу. Найнижча частина являє собою горн - це циліндрична чаша діаметром 12 метрів і висотою близько 4 метрів, футерована ця чаша вугільними блоками й вогнетривкими цеглинами. У горні відбувається горіння палива, тут же накопичуються рідкі продукти плавки - чавун і шлак - і відкіля вони періодично випускаються через відповідні льотки. Кожух печі й колошниковий пристрій підтримуються колонами, установленими на фундаменті.

Вихідні матеріали в доменному процесі є: залізна руда, марганцева руда, агломерат, окатиші, а також паливо (кокс, кам'яновугільний пил, природний газ, мазут), флюси й повітря. Тверді матеріали у визначеному співвідношенні (цю суміш називають шихтою) подають у доменну піч через колошниковий пристрій. Газоподібні, пилоподібні й рідкі матеріали (повітря, природний газ, кам'яновугільний пил і мазут) подаються через фурми, розташовані по окружності печі у верхній частині горна. Повітря перед подачею в піч нагрівають до 1200С та вище в спеціальних пристроях – повітронагрівачах (часто їх називають кауперами по імені винахідника). Каупери розташовуються рядом із доменною піччю. Вони являють собою циліндричні вежі висотою близько 50 метрів і діаметром порядку 10 метрів. Зовні вони закриті металевим кожухом, а всередині футеровані огнетривкою цеглою і як би розділені на дві частини: камеру горіння палива й камеру, заповнену вогнетривкою насадкою з великою поверхнею теплообміну. У камері горіння спалюють паливо, продукти згоряння проходять через насадку, і нагрівають її до високої температури. По досягненню заданої температури подачу палива припиняють, і починають подавати холодне повітря. Відбираючи тепло в насадки, повітря нагрівається й направляється в кільцевий повітрепровод, що оперізує доменну піч у верхній частині горна. Цей пояс називають фурменим, і з нього по спеціальних відгалуженнях гаряче повітря через фурми рівномірно по окружності горна подається в піч. Для нагрівання насадки потрібно визначений час, тому біля кожної доменної печі встановлюють кілька повітронагрівачів (три для однієї чи сім для двох). Одні з них нагріваються, а інші в цей час працюють у режимі підігріву повітря. Перед подачею в піч повітря зволожують добавками водяної пари до 25-30 грамів на кожний куб. метр – це стабілізує роботу доменної печі й, крім того, у ній утворюється додатковий відновник – водень.

Доменний цех заводу з повним металургійним циклом має, як правило, не менш 3 доменних печей із повітронагрівачами й системою газоочистки. На багатьох металургійних заводах до складу доменного цеху входить рудний двір, де зберігається основний запас залізних руд, що укладаються в штабелі рудними перевантажувачами. Формування штабеля й відбір із нього матеріалів виробляються з урахуванням усереднення руд. У доменному цеху маються також машини для розливання чавуну.

Шихта подається на колошник скіпами, на потужних сучасних печах - стрічковими конвеєрами. Скіпи розвантажуються в піч через прийомну лійку й засипний апарат, установлений на колошнику.

Доменні печі мають різний обсяг - від 900 до 5000 м. куб. Найбільша доменна піч в Україні - 5000 м. куб – працює на МК «Криворіжсталь», у Росії (Череповець) експлуатується найбільша у світі доменна піч обсягом 5500 м. куб.

Основні хімічні процеси в доменній печі - горіння палива й відновлення Fe, Si, Mn і ін. елементів. Частина коксу витрачається на процеси відновлення, але основна кількість опускається в горн і згоряє разом із газоподібним додатковим паливом у зоні фурм. Гази з температурою 1600-2300 С, що містять 35-45% CO, 1-12% H₂ і 45-65 % N₂, піднімаючись по печі, нагрівають шихту, що опускається, при цьому СО й Н₂ у процесі відновлення заліза з руди частково окисляються до СО₂ і Н₂О. Колошниковий газ, що утворюється в печі, виводиться через газовідводи, розташовані в куполі печі. На виході з печі гази мають температуру 150-300 C.

Горіння коксу зводиться до двох простих хімічних реакцій:

1.C +О₂=СО₂ 2. СО₂+С=2СО

Їхній результат – виділення тепла й одержання відновника – газу СО. Відновником також є і завжди присутній у газі водень Н₂. При температурах вище 1100 С в відновних процесах бере безпосередню участь і вуглець. Відновлення газоподібними відновниками називають непрямим відновленням, а відновлення твердим вуглецем - прямим. Ці процеси зводяться до таких реакцій:

непряме відновлення - МеО+СО(Н₂)=Ме+СО₂(Н₂О), де МеО – оксиди заліза Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeО;

пряме відновлення - FeО+C=Fe+CO. Відновлення заліза відбувається ступенево – від вищого оксиду до нижчого, тобто за схемою: Fe₂O₃ - Fe₃O₄ – FeO - Fe.

Відновлене в доменній печі залізо частково навуглецьовується у твердому, а потім у рідкому стані з утворенням чавуну. Шлак складається з оксидів порожньої породи, флюсу й золи коксу - SiO₂, Al₂О₃, СаO, МgO, FеO, МnO, а також СаS.

Таким чином, доменний процес відноситься до типу проти поточних - назустріч потоку газу, що піднімається, опускається стовп шихтових матеріалів. Опускання шихти відбувається під дією її ваги, а умовою її руху є звільнення простору в нижній частині доменної печі в результаті згоряння коксу й плавлення рудного матеріалу й флюсу.

На рівні нижньої частини шахти при температурі більш 1200 С починається утворення перших порцій чавуну й шлаку. Розплавлені чавун і шлак у виді крапельок і струменів стікають униз, утворити два шари: нижній - чавун, верхній - шлак.

Згодом кількість чавуну й шлаку в горні збільшується. Коли верхній рівень шлаку наближається до рівня фурм, проводиться випуск чавуну й шлаку з печі. Із цією метою відкривають чавунну й шлакову льотки. Після випуску продуктів плавки льотки знову закривають. Наступний випуск чавуну й шлаку роблять у залежності від продуктивності доменної печі через 1-2 години.

У залежності від режиму роботи доменної печі склад чавуну на випуску коливається в наступних межах, % мас.

залізо...……..…………………………………...... 93,5 - 95,0

вуглець...……………………………………..…........4,1 - 4,5

кремній...………………………………………….....0,3 - 0,9

марганець.….…………………………………..…. 0,55 - 0,75

фосфор...……………………………………………0,03 - 0,09

сірка………………………………………………...0,025 - 0,05

Вхідні до складу чавуну в невеликих кількостях інші елементи, крім заліза й вуглецю, поділяють на корисні й шкідливі домішки. До корисних домішок відносять звичайно легуючі елементи, що додають чавуну корисні властивості - марганець, кремній, нікель, ванадій і інші. До шкідливих домішок відносяться елементи, що погіршують якість металу - фосфор, сірка, миш'як.

Продукти плавки випускаються в чавунні й шлакові ковші.

Передільний чавун направляється в нагромаджувач рідкого чавуну – міксерне відділення, де встановлені величезні футеровані вогнетривами судини – міксери, ємність яких досягає 3000 тонн. У міксерах чавун усереднюється по температурі й хімічному складу. Опалюють міксери газом. На шляху проходження від доменного цеху до міксерного відділення чавун проходить через установки знесірчення, де в чавун вдуваються поглинаючі сірку порошки - мелене вапно, карбід кальцію. Сульфід кальцію, що утвориться при цьому, у виді шлаку спливає на поверхню чавуну.

Частина чавуну розливають у 45-кілограмові «чушки» і після затвердіння відправляють споживачам. Шлак направляють на грануляцію й надалі використовують для виготовлення будівельних матеріалів.

Доменна піч працює безупинно протягом декількох років, поки не буде потрібний капітальний ремонт.