Устройство доменной печи.

Чугун выплавляется в доменных печах, которые являются шахтными печами. Стенки печи выкладываются из огнеупорных материалов (шамотного кирпича). Кладка печи снаружи заключена в стальную броню (кожух) толщиной до 40 мм. Для повышения стойкости огнеупорной кладки в ней устанавливают водяные холодильники. Современные крупные доменные печи имеют полезный объем 2000÷3000м³ (до 5000м³ ). Крупные печи экономически более выгодны. Доменная печь работает непрерывно (до ремонта) 5÷10 лет.

Колошник

Шахта

Распар

Заплечики

Горн

Для выплавки 1т чугуна расходуется около 1,8 т офлюсованного агломерата, 500кг кокса.

Печь объемом 3000м³ расходует в сутки 8500т шихты и выплавляет около 5000т чугуна. Шихтовые материалы загружают в печь по мере необходимости, непрерывно подают воздушное дутье и удаляют доменные газы; периодически выпускают чугун и шлак.

Шихтовые материалы: офлюсованный агломерат, кокс и добавки загружают сверху отдельными порциями (колошами) при помощи засыпного (загрузочного) аппарата. Расплавленный чугун выпускают по мере его накопления в горне через чугунную летку, расположенные на 50-100 см выше уровня лещади (пода) горна.

Расплавленный шлак выпускают через шлаковые летки, расположенные выше чугунных леток на 1,5÷2 м. Доменный (колошниковый) газ непрерывно удаляется через специальные газоотводы.

В состав доменного цеха входит также литейный двор , ковши, чугуно- и шлаковозы, разливочные машины. Подача горячего воздушного дутья в печь обеспечивается трубовоздуходувными машинами и специальными нагревателями (кауперами). Воздушное дутье подается в верхнюю часть горна через фурмы. Через фурмы вдувают природный газ (а также мазут, пылевидное топливо при их использовании).

Доменная печь работает по принципу противотока. Шихтовые материалы постепенно опускаются вниз, а снизу вверх движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива.

В районе воздушных фурм (верхняя часть горна) происходит полное сгорание кокса: С + О₂ = СО₂ + Q и природного газа: CH₄ + O₂  CO₂ + 2H₂O_пар+ Q. При этом выделяется большое количество тепла и в фокусе горения развивается температура 1800÷2000°С. Эти продукты сгорания не являются конечными. Они взаимодействуют с раскаленным коксом: CO₂ + C = 2CO -Q; H₂O_пар + С = СO + H₂ - Q. Образуется смесь восстановительных газов, в которой СО является главным восстановителем железа из его сплавов.

Восстановление железа в доменной печи происходит последовательно - от высших оксидов к низшим (принцип А. А. Байкова) - Fe₂O₃ Fe₃O₄  FeO  Fe. Восстановителями являются оксид углерода СО, твердый углерод и водород. Восстановление твердым углеродом называется прямым, газами - косвенным восстановлением.

Значение косвенного восстановления очень велико. За счет СО и Н₂ восстанавливаются все высшие оксиды до низшего и 40÷60 % металлического железа:

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + Q	3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O
Fe3O4+ CO = 3FeO+ CO2 - Q
FeO + CO = Fe +CO2 + Q

Остальная часть железа восстанавливается твердым углеродом при температуре выше 950°-1000°С в зоне распара печи: FeO + С = Fe + CO - Q.

В доменной печи железо восстанавливается почти полностью. Потери со шлаком составляют менее 1 %.

Образование металлического железа начинается при 400÷500°С (в верхней части шахты печи) и заканчивается при 1300÷1400°С (в распаре). При этих температурах восстановленное железо с температурой плавления Т_пл = 1539°С находится в твердом состоянии в виде губчатой массы. Однако уже в шахте печи наряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание: часть железа вступает в реакцию с СО с образованием Fe₃C 3Fe+2CO = Fe₃C+CO₂+Q, а также образуется сплав железа с углеродом.

С повышением содержания углерода температура плавления сплава понижается. При 1,8÷2% С она составляет 1200÷1500°С, и примерно в зоне распара начинается плавление сплава.

При стекании жидкого сплава в горн и в самом горне в нем растворяются восстановленные Мn, Si и другие примеси и образуется сложный по составу железоуглеродистый сплав - чугун (3,7÷4 %С). Его конечный состав устанавливается в горне и в значительной мере зависит от состава, свойств и количества шлака. В составе чугуна всегда есть постоянные примеси: полезные Mn и Si и вредные - Р и S; могут быть и другие полезные примеси - никель, хром, ванадий и др. Они попадают в доменную печь в виде соответствующих примесей железной руды.

При доменной плавке 10÷20 % серы удаляется с газами в виде SO₂ и H₂S. Остальная часть в

виде сульфидов FeS и CaS переходит в чугун и в шлак. Наиболее интенсивно сера удаляется из чугуна при прохождении через слой шлака: FeS + CaO = CaS + FeO + Q. Сульфид CaS нерастворим в чугуне, но растворим в шлаке; коэффициент перехода серы в шлак составляет 0,9÷0,99.

Основным продуктом доменного производства является чугун, побочными - шлак и доменный газ. Чугун выплавляют передельный и литейный, а также доменные ферросплавы (зеркальный чугун, ферромарганец, ферросилиций).

Доменный шлак по мере накопления выпускают через шлаковые летки в ковши - шлаковозы. Раньше шлаки направляли в отвал. В настоящее время весь шлак используют для получения строительных материалов.

Доменный или колошниковый газ непрерывно удаляется из доменной печи через газоотводы в колошнике. После очистки от пыли его используют как топливо для нагрева воздухонагревательных печей, водяных котлов. Колошниковая пыль содержит 45÷50 % Fe и ее используют при агломерации.

Основные технико-экономические показатели: коэффициент использования полезного объема печи - КИПО; удельный расход кокса, кг/т чугуна.

КИПО = V_пол/P м³/т, где V_пол - полезный объем; Р - среднесуточная производительность печи.

Охрана окружающей среды при производстве чугуна.

Уменьшение выброса вредных веществ (сернистых соединений) в атмосферу. Максимальное использование шлаков.

Производство стали.

Стали - железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5% углерода. Кроме углерода, сталь всегда содержит в небольших количествах постоянные примеси: марганец (до 0,8%); кремний (до 0,4%); фосфор (до 0,07%); серу (до 0,06%), что связано с особенностями технологии ее выплавки. Кроме углеродистых сталей в технике широко применяют легированные стали, в состав которых входят хром, никель и другие элементы. Существует свыше 1500 марок углеродистых и легированных сталей - конструкционных, инструментальных, коррозионностойких (нержавеющих) и др.

Для массового производства стали в современной металлургии основными исходными материалами являются передельный чугун и стальной скрап (лом). В чугуне значительно больше углерода, а также марганца, кремния и других примесей, чем в выплавляемой стали. Поэтому выплавка стали сводится к проведению окислительной плавки для удаления избытка углерода и других элементов. Для обеспечения качества стали при плавке необходимо возможно полнее удалять вредные примеси - серу, фосфор, а также кислород, азот, неметаллические включения.

Современный этап в металлургии стали связан с широким использованием кислорода. Главный способ массового производства стали - кислородно-конвертерный процесс. Еще до 1970 года главным способом выплавки стали был мартеновский процесс. Легированную сталь выплавляют, в основном, в электрических дуговых и индукционных печах.