Раздел 1. Производство черных и цветных металлов

1.1. Производство чугуна

Производство чугуна

Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы.

К железным рудам относятся: магнитный железняк (Fe₃O₄); красный железняк (Fe₂O₃); бурый железняк (гидраты оксидов железа 2Fe₂O₃∙3H₂O и Fe₂O₃∙H₂O).

Топливом для доменной плавки служит кокс, возможна частичная замена газом, мазутом.

Флюсом является известняк CaCO₃ или доломитизированный известняк, содержащий CaCO₃и MgCO₃, так как в шлак должны входить основные оксиды (CaO, MgO), которые необходимы для удаления серы из металла.

Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Метод подготовки зависит от качества руды.

Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной величины, осуществляются с помощью дробилок и классификаторов.

Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в ее состав: промывка, гравитация (отсадка), магнитная сепарация.

Окусковывание производят для переработки концентратов в кусковые материалы необходимых размеров. Применяют два способа окусковывания: агломерацию и окатывание.

Выплавка чугуна

 Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах.

Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива.

При выплавке чугуна решаются задачи:

1. Восстановление железа из окислов руды, науглероживание его и удаление в виде жидкого чугуна определённого химического состава.

2. Оплавление пустой породы руды, образование шлака, растворение в нём золы кокса и удаление его из печи.

Горение топлива. Вблизи фурм природный газ и углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорают, развивая в печи выше уровня фурм температурe выше 2000 ⁰С.

Восстановление железа в доменной печи.

Восстановление железа происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте и повышения температуры от высшего оксида к низшему, в несколько стадий:

Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe

Температура определяет характер протекания химических реакций.

Восстановителями оксидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород.

При температуре 1000…1100 ⁰C восстановленное из руды твердое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод.

Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4%), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1200 ⁰C восстанавливаются из руды, и серой, содержащейся в коксе.

В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. Шлаки содержат .

Чугун выпускают из печи каждые 3…4 часа через чугунную летку, а шлак – каждые 1…1,5 часа через шлаковую летку (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади).

  Продукты доменной плавки

Передельный чугун предназначается для дальнейшего передела в сталь.

Литейный чугун применяется после переплава на машиностроительных заводах для получения фасонных отливок.

Кроме чугуна в доменных печах выплавляют ферросплавы – сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Их применяют для раскисления и легирования стали.

Побочными продуктами доменной плавки являются шлак и доменный газ.

Процессы прямого получения железа из руд

 Под процессами прямого получения железа понимают такие химические, электрохимические или химико-термические процессы, которые дают возможность получать непосредственно из руды, минуя доменную печь, металлическое железо в виде губки, крицы или жидкого металла.

 Получение губчатого железа в шахтных печах. При получении губчатого железа добытую руду обогащают и получают окатыши. Содержание железа в окатышах достигает 90…95%.

 Восстановление железа в кипящем слое. Мелкозернистую руду или концентрат помещают на решётку, через которую подают водород или другой восстановительный газ под давлением 1,5 МПа. В кипящем слое обеспечивается хороший контакт газа-восстановителя с частицами оксидов железа.

Получение губчатого железа в капсулах-тиглях. Внутренняя часть капсулы заполнена восстановителем – измельченным твердым топливом и известняком для удаления серы. Второй слой – восстанавливаемая измельченная руда или концентрат, окалина, затем еще один концентрический слой – восстановителя и известняка. Капсулы нагревают до температуры 1200 ⁰C и охлаждают в течение 100 часов. Восстановленное железо получают в виде толстостенных труб, их чистят, дробят и измельчают, получая железный порошок с содержанием железа до 99 %, углерода – 0,1…0,2%.

 Вопросы для самопроверки по теме 1.1:

1. В виде каких соединений находится железо в руде?

2. Какие вредные примеси содержатся в руде?

3. Объясните сущность и назначение агломерации руд.

4. Каково назначение кокса в доменной плавке?

5. Каково назначение флюсов при выплавке чугуна?

6. Из чего образуется шлак и какова его роль в процессе доменной плавки?

7. Дайте характеристику продуктов доменного производства.