Общая схема переработки железной руды

конверторная

ЛИТЕЙНЫЙ

плавка

ЧУГУН

ПЕРЕДЕЛОЧНЫЙ

Доменный мартеновская

процесс плавка

электроплавка

РУДА

МЕТАЛЛИЗИРО

ВАННЫЙ ПРОДУКТ

прямое

СТАЛЬ

восстано- электроплавка

ление

ЖЕЛЕЗНЫЙ ПОРОШОК

ХЛОРИД ЖЕЛЕЗА

ЖЕЛЕЗО

Гидроме- осаждение плавка

таллургия

13.9.2 Производство чугуна

Сырьем для производства чугуна служат железные руды, подразделяющиеся на четыре группы:

Руды магнитной окиси железа или магнитные железняки, содержат 50-70% железа и состоят в основном из минерала магнетита Fе₃О₄. Руды магнитной окиси железа трудно восстановимы.

Руды безводной окиси железа (красный железняк) содержат 50-70% железа в виде минерала гематита Fе₂О₃. Красные железняки восстанавливаются легче, чем магнитные железняки и обычно содержат малые количества фосфора и серы

Руды водной окиси железа или бурые железняки содержат железо в виде химического соединения его окиси с водой Fе₂О₃*nН₂О и переменного количества адсорбированной воды. Эти руды преимущественно бедные по содержанию железа (25 –50%). Руды загрязнены вредными примесями, и их целесообразно предварительно обогащать.

Руды углекислой соли железа или шпатовые железняки, содержат 30-37% железа в виде минерала сидерита FеСО_3.

Подготовка железной руды к доменной плавке обычно включает процессы дробления, грохочения, сортировки по крупности, усреднения, обогащения. Подготовленная железная руда загружается в доменную печь вместе с углеродсодержащим материалом (коксом) и флюсом.

В н.в около 99% чугуна выплавляется на коксе. Кокс должен быть прочным, пористым и содержать ограниченное количество примесей.

Сгорая в горне доменной печи за счет кислорода дутья, кокс образует газ с высоким содержанием окиси углерода, являющейся восстановителем окислов железа. При сгорании кокса в доменной печи создаются высокие температуры, обеспечивающие необходимые физико-химические процессы и образование продуктов плавки. Флюсы загружают в доменную печь для образования с пустой породой руды и золой кокса легкоплавкого жидкотекучего и легко отделяемого от чугуна шлака, состоящего из силикатов и алюминатов кальция и магния. В качестве флюсов используют не содержащие серы и фосфора карбонат кальция и доломит СаСО₃ * МgСО₃

Доменная печь представляет собой шахтную печь круглого сечения. Железная руда, кокс и флюсы подаются в печь сверху при помощи наклонного подъемника. Образовавшиеся в процессе доменной плавки чугун и шлак, периодически выводятся из горна раздельно через соответствующие летки. Воздух поступает в печь через фурмы, расположенные в фурменной зоне горна. В этой зоне печи создается окислительная атмосфера, и углерод кокса сгорает по реакции:

С + О₂ = СО₂ + 409 кдж

Образовавшаяся двуокись углерода далее восстанавливается углеродом раскаленного кокса до окиси углерода

С + СО₂ = 2СО – 165.8 кдж.

Образующийся в горне газ поднимается в верх печи, отдавая тепло шихтовым материалам и взаимодействуя с ними как восстановитель. Наивысшая температура в доменной печи достигает 1800⁰С. По мере опускания шихты от колошника в более горячую зону доменной печи происходят следующие процессы: разложение компонентов шихты, восстановление оксидов железа и других соединений, образование чугуна (обуглероживание железа), шлакообразование и плавление.

Восстановление окислов железа–основная цель плавки. Твердые окислы железа восстанавливаются окисью углерода в следующем порядке: Fе₂О₃→ F₃О₄ → FеО → Fе

Восстановление возможно, если прочность связи кислорода с восстановителем больше, чем с металлом.

Восстановление окислов железа окисью углерода протекает по реакциям:

3Fе₂О_{3 (тв)} + СО = 2Fе₃О_{4 (тв)} + СО₂ + 63.1 кдж

Fе₃О_{4 (тв)} + СО = 3FеО (тв) + СО₂ – 22.4 кдж

FеО (тв) + СО = Fе (тв) + СО₂ + 13.2 кдж.

Шлакообразование происходит одновременно с восстановлением железа из его окислов. Процесс шлакообразования влияет на состав и качество чугуна и на работу печи в целом. Температура плавления смеси пустой породы и флюсов должна быть 1250-1350⁰С. Для достижения этой температуры необходимо иметь определенное соотношение СаО, МgО, Аl₂О₃ и SiО₂ в шихте. Плотность расплавленного шлака меньше, чем чугуна, поэтому он накапливается в горне над расплавленным чугуном. Для предупреждения перехода FеО в шлак необходимо повышать основность шлака (избыток СаО). Повышенная основность шлака необходима также и для удаления серы, фосфора из металла.

Чугун делится по применению на литейный, передельный и специальный.

Литейный чугун предназначен для изготовления чугунных изделий методом литья. Он содержит 2-4% кремния и 0.3% фосфора. Чугуны, содержащие никель, ванадий, хром, называются легированными и применяют для специального литья.

Передельный чугун предназначается для производства стали. В зависимости от способа передела чугуна в сталь различают: бессемеровский, мартеновский, томасовский чугуны Мартеновский чугун перерабатывается на сталь в мартеновских печах, бессемеровский – путем продувки расплавленного чугуна воздухом в конверторе с кислой футеровкой, томасовский чугун переделывается в сталь в конверторах с основной футеровкой.