3. Виробництво чавуну.

Основними вихідними матеріалами для вироб­ництва чавуну є залізні руди, флюси (вапняк) і паливо (кокс). Сировиною можуть бути також відходи виробництва чорних і кольорових металів, але їх частка у загальному споживанні руд невелика. Суміш вихідних матеріалів, призначених для переробки, називається шихтою.

Залізні руди спеціально підготовляють для доменної плав­ки; подрібнюють, усереднюють, збагачують (відновлювальним випалюванням, магнітною сепарацією, флотацією), після чого руду агломерують. Агломерація ‒ це термічний спосіб спікан­ня дрібних часток матеріалів у грудки (рудного дріб’язку, кон­центрату, колошникового пилу та ін.) з метою поліпшення їх металургійних властивостей. Для цього дрібні зерна концент­рату, рудний дріб’язок змішують з вугіллям і вапняком. При спалюванні вугілля створюються необхідні для спікання температурні умови в агломераційних машинах або обертових випа­лювальних печах. А вапно, що утворюється при розкладанні вапняку, ошлаковує пусту породу. Утворюється офлюсований агломерат ‒ спечена в грудки дрібнозерниста або пилувата руда. При цьому масова частка Феруму в грудках збільшується до 80‒90%. Завдяки використанню агломерату зменшується витрата дорогого металургійного коксу і підвищується продук­тивність доменної печі.

Теоретичні основи процесу доменної плавки. Процес віднов­лення залізної руди відбувається головним чином у верхній частині доменної печі. Його можна виразити сумарним рів­нянням:

Fe₂O₃ + 3СО = 2Fе + 3СO₂ ∆H = -30 кДж

У нижній частині домни (зона горну) за рахунок інтенсивно­го надходження повітря підтримується окисне середовище, і кокс згоряє. При цьому виділяється теплота, необхідна для розплавлення заліза, шлаків і здійснення самої реакції:

С + О₂ = СО₂ ∆H = -401 кДж

Оксид вуглецю (IV) відновлюється коксом до оксиду карбо­ну (II);

СО₂ + С = 2СО ∆H = +174 кДж

Утворений в горні відновний газ піднімається у верхню частину печі, нагріває і відновлює компоненти шихти.

У різних зонах доменної печі послідовно відбуваються такі процеси:

а) розклад нестійких компонентів шихти;

б) від­новлення оксидів феруму та інших сполук;

в) навуглецювання заліза (розчинення Карбону);

г) шлакоутворення і плавлення.

Розклад компонентів шихти починається у верхній частині печі, в колошнику, де температура нижча за 250°С. Одночасно видаляється вода. При дальшому нагріванні шихти до 400‒600°С інтенсивно розкладаються карбонати феруму, мангану, магнію, присутні в руді, а при 800‒900°С розкладається вапняк:

СаСО₃ = CaO + СО₂ ∆H = +178 кДж

Оксиди кальцію і магнію взаємодіють із складовими части­нами пустої породи, найчастіше з оксидом силіцію (IV), утво­рюючи більш легкоплавкі сполуки, що відокремлюються у вигляді шлаку:

СаО + SiO₂ = СаSiО₃

Відновлення Феруму являє собою процес послідовного перехо­ду від вищих оксидів до нижчих і до елементарного заліза за схемою:

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe

Відновник ‒ оксид карбону (II):

3Fe₂O₃ + CO  Fe₃O₄ + CO ∆H = -63 кДж

Fe₃O₄ + СО  3FeO + СO₂ ∆H = +22 кДж

FeO + СО  Fе + СO₂ ∆H = -13 кДж

Відновлення Феруму відбувається не лише за рахунок взаємо­дії з оксидом карбону (II), а й в результаті прямої взаємодії з карбоном коксу:

FeO + С  Fe + CO ∆H =+153 кДж

і взаємодії з карбоном, що утворюється при термічній дисоціації СО на поверхні руди:

2СО = СO₂ + С

Крім заліза, в умовах доменного процесу одночасно віднов­люються й інші елементи з оксидів, що містяться в руді:

MnO₂ + 2CO = Mn + 2CO₂

SiO₂ + 2CO = Si + 2CO₂

P₂O₅ + 5CO = 2P + 5CO₂

Гетерогенне відновлення руди завершується утворенням губчастого заліза, в порах якого СО розкладається. Одержаний при цьому сажистий карбон із залізом дає цементит:

3Fe + С = Fe₃C

Одночасно відбувається навуглецювання заліза завдяки роз­чиненню вуглецю. Збільшення вмісту карбону в залізі знижує температуру його плавлення. Приблизно при 120°С навуглецьоване залізо плавиться, стікає по кусках коксу і флюсів, додатково розчиняючи Карбон, Силіцій, Манган, Фосфор та інші елементи. Розплавлений метал (чавун) стікає в горно. Тут найвища температура ‒ 1800°С.

Шлакоутворення починається при температурі близько 1000°С взаємодією СаО із SiО₂, Аl₂О₃, МnO₂. При 1250‒1350°С шлаки плавляться, стікають у горно і збираються на поверхні розплавленого чавуну, захищаючи його від окиснення.