3.3 Чавуни та їх характеристика

Чавун – залізовуглецевий сплав який містить більше 2,14% вуглецю (до 6,67%).

Чавун виготовляють в доменних печах, що являють собою плавильні агрегати шахтного типу які працюють за принципом протитоку. Сутність процесу отримання чавуну полягає у відновлені оксидів заліза у складі руди твердим розжареним вуглецем, воднем або оксидом вуглецю (чадним газом СО) який виділяється при згорянні палива.

Для виплавки чавуну в доменних печах використовують шихтові (вихідні) матеріали: залізні руди, паливо, флюси.

Для нормальної роботи доменної печі потрібно, щоб шматки матеріала були оптимального розміру (30…80 мм). До руд заліза відносять магнітний залізняк Fe₃O₄ (магнетіт), червоний залізняк Fe₂О₃ (гематит), бурий залізняк 2Fe₂О₃*3Н₂О, Fe₂О₃*Н₂О (лимоніт) та шпатовий залізняк FeСО₃. Перспективним є використання агломерата або офлюсованого агломерата.

Флюси – мінеральні домішки, що понижують температуру плавлення пустої породи і переводять її у легкоплавкі шлаки. Вони видаляють з метала сірку яка при плавці переходить з кокса та залізної руди. При роботі доменної печі на коксі використовують вапняк СаСО₃, доломіт, кремнезем та глинозем.

Кокс – продукт перегонки кам’яного вугілля без доступу повітря. Його використовують як джерело енергії та як хімічний реагент, що відновлює залізо з окислів. З метою економії частину коксу замінюють природними газом, мазутом або пилевидним паливом. На коксі виплавляють більше 98% всіх чавунів. Тільки при виплавки чистих по сірці чавунів використовують деревне вугілля.

Сутність доменної плавки полягає у роздільному завантаженні у верхню частину печі (колошник) руди (агломерата), кокса та флюсів з допомогою засипного пристрою так, щоб вони розмістились прошарками. У верхній частині горна (Рис3.14) знаходяться фурми через які подають гаряче повітря (+900…+1200С) збагачене киснем, що необхідно для інтенсифікації процесів горіння та зниження витрат коксу. При горінні коксу розвивається температура більше 2000С і утворюється газовий потік, що складається з СО, СО₂, N₂, Н₂, СН₄ та інших газів. Вони, піднімаючись, віддають тепло шихтовим матеріалам і нагрівають їх. Шихта поступово опускається назустріч гарячим газам і при температурі приблизно 570С починаються складні фізико-хімічні процеси. При горінні коксу відбуваються реакції:

С+О₂=СО₂

СО₂+С=2СО

Відновлення заліза починається від вищих оксидів до нижчих:

Fe₂О₃ Fe₃O₄ FeО Fe

Насичення заліза вуглецем відбувається за схемою:

3 Fe+2СО= Fe₃С+ СО₂

Сплав заліза з вуглецем має температуру плавлення нижчу ніж чисте залізо. Утворюються краплі чавуну, які стікають вниз і накопичуються у горні. Шлак накопичується на поверхні чавуну. Випускаємий з доменної печі шлак зливають у шлаковозні чаші, а чавун – у чавуновозні (80…100т) ковші.

1 – горн; 2 – фурми; 3 – заплечики; 4 – розпар; 5 – шахта; 6 – колошник; 7 – прийомний бункер;8 – засипний аппарат; 9- навантажувач; 10 – малий конус засипного апарата; 11 – проміжний бункер (чаша); 12 – підйомник навантажувача; 13 – великий конус засипного апарата; 14 – фурмовий пристрій; 15 – лещадь; 16 – шлакова льотка; 17 – чавунна льотка

Рисунок 3.14 Схема доменної печі

Вироблювані шлаки широко використовують у промисловості. На більшості заводів їх гранулюють, виливаючи з чаш у великі басейни. Отримані шлакові гранули переробляють у цемент та будівельні матеріали (шлаковату для теплоізоляції, шлакові блоки та інше). У верхній частині печі відділяють колошникові гази (СО – 26…32%, СО₂ – 9…14%, N – 54…58%) з теплотворною спроможністю 4000Дж/м³. Після очистки від пилу (50 кг на 1 т чавуну) його використовують як паливо для нагрівання повітря подаваємого у доменні печі.