27. Виробництво чавуну: загальна характеристика і основні процеси

Чавуни та сталі- це сплави заліза з вуглецем, які містять у своєму складі легуючі елементи і домішки (Si, Mn, S і P та ін.)

Чавуни містять більше вуглецю (2,14-6,67 %) і домішок, більш крихкі, погано зварюються, але мають добрі ливарні властивості і дешевші засталі. Їх отримують із залізних руд з використанням відходів промисловості (металобрухту, браку виготовлення виробів із чорних металів тощо).

Отримання чавунів та сталей ґрунтується на процесах відновлення (зниження ступеню окислення) заліза з його сполук (оксидів), в яких воно міститься (руди, чавун, шихта), з використанням вуглецю (СО), водню (Н₂) і коксу (С) в потоці гарячого повітря розжареної печі.

Оксиди заліза відновлюються послідовно від вищих до нижчих і далі до чистого металу за схемою:

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe

Поряд із відновленням заліза у чавуно– та сталеплавильних печах відбувається його навуглецьовування, яке проходить між залізом і присутніми сполуками вуглецю (СО і С):

3Fe + 2СО = Fe₃С + СО₂ + Q (теплота)

3Fe +C = Fe₃C

Отриманий цементит (Fe₃C) - фазова складова залізовуглецевих сплавів, яка добре розчиняється у залізі і утворює з ним сплав.

Доменне виробництво чавунів

Суть технології виробництва чавуну - виведення із залізних руд сторонніх домішок і насичення заліза вуглецем.

Сировина:

• залізні руди,

• - металодобавки (чавунний брухт, брак чавунного лиття),

• паливо та флюси.

Процес плавки чавуну відбувається за принципом зустрічних потоків: згори вниз рухається потік шихти, а розжарені потоки газів, утворених при згорянні палива, підіймаються вгору - назустріч.

Впровадження останнім часом високотемпературного (1200-1300 °С) зволоженого і збагаченого киснем (до 30 %) повітряного дуття дає змогу поліпшити техніко - економічні показники доменного виробництва, збільшити продуктивність домен і зменшити витрати палива.

Доменну продукцію чавун і шлак випускають періодично через льотки. Доменний газ виходить із печі безперервно газовивідними трубами, які розташовані у верхній частині домни.

Доменна піч працює безперервно 6-10 років. Потім її ставлять на капремонт.

При виплавлянні чавуну в доменній печі мають місце такі основні процеси: горіння палива, відновлювання заліза, навуглецьовування заліза і утворення чавуну, відновлення домішок, утворення шлаків, доменного газу і пилу.

1. Горіння палива

Кисень дуття реагує з вуглецем палива з виділенням тепла

С + О₂= СО₂ + Q

Температура в горні досягає 1800-1900 °С. Діоксид вуглецю (СО₂) піднімається догори, досягає розжареного коксу і відновлюється, утворюючи оксид вуглецю:

СО₂+ С = 2СО – Q

Якщо як паливо застосовують природний газ, то горіння протікає за реакціями:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О + Q

СО₂+ С = 2СО + Q

2. Відновлення заліза

Залізо відновлюється в шахтній частині печі із рудних оксидів заліза оксидом вуглецю (СО) і воднем (частково), який утворюється від розкладання вологи повітря. Процеси відновлення йдуть послідовно від вищих оксидів до нижчих і до чистого заліза за реакціями:

3Fе₂О₃ + СО = 2Fе₃О₄ + СО₂+ Q

Fе₃О₄ + СО = ЗFеО + СО₂+ Q

FеО + СО = Fе + СО₂+ Q

Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O

В циліндричній частині печі – розпарі при температурах нижче температури плавлення (1539 °С) залізо відновлюється твердим вуглецем:

FеО + С = Fе + СО + Q

Отримане залізо має твердий стан і називається губчастим залізом.

3. Навуглецьовування заліза і утворення чавуну

Губчасте залізо, що утворилося після відновлення, — це твердий пористий продукт. В інтервалах температур від 400-500 °С до 1 100-1200 °С починається і продовжується насичення заліза вуглецем:

3Fе + С = Fе₃C

3Fe + 2 CO = Fe₃C + CO₂ + Q

Навуглецьованезалізорозплавляється, переходитьурідкийстан, розчиняєвідновленідомішкиістікаєдогорнадомни. Вгорнізбираєтьсярідкий, залізовуглецевийсплав — чавун.

4. Відновленнядомішок

Удоменнійшихтіразоміззалізомівуглецем - основнимиелементами, щоутворюютьчавун, завждиприсутнідомішки, якієкориснимиабошкідливимидлявластивостейчавуну.

Кориснідомішкикремнію (Si) імангану (Мn) відновлюютьсяізоксидів (SiO₂, MnO₂таін.) іпереходятьучавун.

Шкідливимидомішкамиучавунієфосфор (Р) ісірка (S). Відновлений фосфор практично повністю переходить у чавун. Відновлена сірка частково окислюється до сірчастого газу (SO₂) і виходить разом з доменним газом, частково утворює сполуки, які переходять до шлаку, а деяка частка утворює сірчасте залізо (FeS), що розчиняється у чавуні.

5. Утворення шлаку

При температурі близько 900 °С вапняк розпадається з утворенням оксиду кальцію і діоксиду вуглецю:

СаСОз = СаО + СО₂

Оксид кальцію при температурах вище 1000 °С взаємодіє з кремнеземом SіО₂, глиноземом А1₂О₃ та іншими складовими породи і коксової золи. Утворюється шлак, який плавиться в розпарі та заплечиках і стікає у горно, та спливає на поверхню чавуну. Чавун із печі випускають у ковші — чавуновози, у виливниці. Шлак випускають у шлаковози.

Продуктами доменного виробництва є чавуни, шлак, доменний газ і доменний пил.

Основний продукт - чавуни.

Чавуни (за призначенням):

- Переробний білий чавун

^{- Ливарний (сірий) чавун}

- Спеціальні чавуни