1 Производство чугуна
1.1 Исходные материалы и подготовка их к плавке
Для производства чугуна в доменных печах необходимо иметь следующие исходные материалы: железные руды, топливо (если оно твердое) и флюсы. Эти исходные материалы называются шихтой.
Железные руды представляют собой оксиды или карбонаты железа и другие соединения. Руда, образованная гематитом ИегОз, называется красным железнякам (содержит железа 55...70%), магнетитом Fe3O4 — магнитным железняком (55...60 % Fe), гидратами оксидов Ре2О3 nFhO – бурым железняком (37...55% Fe). Руда, состоящая из сидерита РеСОз (карбоната железа), называется шпатовым железняком (30...40 % Fe). На основе железной соли титановой кислоты FeTiO3 (ильменита) в сростках с обычным магнетитом образуются титано-магнетитовые руды (36,8 % Fe и 31,8 % Ti). В состав железных руд входят также и образующие пустую породу оксиды: SiO2, A12O3, СаО и MgO. Примеси руд делятся на полезные (Mn, Cr, Ni, V, W, Mo) и вредные (в основном Р и S), приводящие к хладно- и красноломкости металла соответственно.
Установлено, что доменный процесс становится рациональным при доле железа в шихте не менее 60...61 %. Поэтому подготовка руд к плавке является важнейшим этапом современного металлургического производства. Руды дробят и измельчают, после чего их сортируют и обогащают.
Обогащение руд осуществляют следующими способами: промывкой, обжигом, магнитной сепарацией, флотацией и гравитацией. Продукты обогащения подразделяются на концентрат (более 60% Fe) и хвосты – отходы с малой долей железа.
Рисунок 1. Схема доменной печи шахтного типа
Концентрат подвергается окускованию. Результатом первого способа окускования – агломерации – является кусковой пористый офлюсованный материал – агломерат, второго способа – окатывания – окатыши (офлюсованные шарики диаметром 10...15 мм).
Основным топливом для доменной плавки служит кокс – продукт сухой перегонки каменного угля коксующихся сортов при температурах 900... 1100° С без доступа воздуха. Как частичные заменители кокса могут быть использованы природный газ, мазут или пылевидное топливо.
Пустая порода вместе с флюсами образует жидкий шлак. Флюс придает шлаку необходимые состав и свойства, благодаря чему обеспечиваются заданный режим работы печи и очистка чугуна от серы. В качестве флюса используют известняк СаСОз или доломитизированный известняк.
1.2 Основные физико-химические процессы в современных доменных печах
Доменная печь представляет собой шахтную печь круглого сечения объемом 2 тыс. м3 и более (рис. 1.1). Стальной кожух выложен изнутри огнеупорным материалом 3. Колошник цилиндрической формы служит для загрузки печи шихтой, доменный (колошниковый) газ удаляется через газоотводы 2. Горячий газ, нагревая шихту, охлаждается и в районе колошника имеет температуру всего 300...400 °С. . Агломерат, известняк и кокс подаются на колошник через засыпной аппарат 1. Шахта печи представляет собой расширяющийся книзу конус, что обеспечивает свободное перемещение шихты сверху вниз по мере ее расплавления. В распаре шихта плавится и объем ее уменьшается, в заплечиках образуется губчатое железо. Заплечики, имеющие форму усеченного конуса, сужаются книзу. Это необходимо для удержания твердой шихты в распаре и шахте. Губчатое железо каплями стекает в горн, в процессе перемещения оно насыщается углеродом.
Цилиндрический горн состоит из двух зон: верхней (фурменной) и нижней (металлоприемник). В верхней зоне установлены фурмы 4, через которые подается горячий воздух (дутье) и топливо (жидкое, пыле- или газообразное), температура здесь достигает 2000 °С. В нижней зоне собираются жидкий чугун и расплавленный шлак, которые выпускают через чугунную 6 и шлаковую 5 летки в ковши.
Доменный процесс относят к восстановительному противоточному процессу. Совершается взаимодействие опускающихся сверху вниз шихтовых материалов с поднимающимся снизу вверх потоком нагретых восстановительных газов.
При сжигании топлива в доменной печи первым процессом является сгорание углерода раскаленного кокса в небольших объемах вблизи фурм, при этом образуется диоксид углерода СО2. Вследствие воздействия высокой температуры и отсутствия твердого углерода кокса СО2 неустойчив, поэтому конечная стадия горения углерода может быть записана так:
2С + О2 - 2СО + Q, (1)
Так возникает конечный продукт горения кокса – оксид углерода СО.
Второй процесс характеризуется восстановлением железа, марганца, кремния, фосфора, серы и других элементов. Восстановителями являются СО, Н2 (образующийся в результате воздействия углерода на влагу дутья в виде водяного пара) и твердый углерод С. Восстановление оксидов железа газами называется косвенным, а твердым углеродом – прямым.
Восстановленное в доменной печи железо активно поглощает углерод (науглероживается) и другие элементы, что приводит к образованию чугуна:
3Fe + 2CO - FesC + CO2 + Q, (2)
Насыщенное углеродом железо имеет пониженную (до 1150.. .1200°С) в сравнении с чистым железом (1539°С) температуру плавления, что повышает экономическую эффективность процесса.
Жидкий чугун стекает вниз и собирается в горне. Пустая порода, известняк и кокс при опускании вниз попадают в зону более высоких температур и на уровне распара расплавляются и образуют жидкий шлак.
В получаемом чугуне кроме железа содержатся полезные (Мп и Si) и вредные (S и Р) примеси. Марганец восстанавливается твердым углеродом.
Часть кремния растворяется в чугуне, а часть остается в шлаке.
Фосфор, как и железо, полностью восстанавливается в доменной печи и переходит в металл.
В доменном процессе удалению серы из металла придается большое значение. Сера вносится в печь коксом (основная доля) и железорудными материалами. Часть серы удаляется в виде газов, большая же часть входит в состав шлака в виде CaS и FeS, последний растворяется в чугуне. Поэтому главная задача удаления серы из чугуна (десульфурация металла) заключается в том, чтобы перевести ее в нерастворимые в железе соединения в присутствии шлака.