Тема 3. Залізовуглецеві сплави Виробництво чавуну. Залізні руди, флюси, паливо та вогнетривкі матеріали

Чавун – це сплав заліза з вуглецем (2,14 – 6,67%). Крім заліза і вуглецю в чавуні завжди є кремній, марганець, фосфор та сірка. Чавун використовується для виготовлення відливків та переробки в сталь.

Основним способом отримання чавуну є плавка в доменній печі. Для цього використовують залізні та марганцеві руди, флюси, паливо і повітря.

Залізні руди складаються з хімічних сполук заліза та породи. Найбільш поширеними залізними рудами є магнітний залізняк Fe₃O₄, червоний залізняк Fe₂O₃, бурий залізняк 2Fe₂O₃·3Н₂О і шпатовий залізняк FeСO₃. Руди містять 30 – 60 % заліза.

Флюси застосовуються для оплавлення тугоплавкої пустої породи і золи з утворенням легкоплавких шлаків, які легко витікають з доменної печі. Флюси також частково переводять в шлак сірку. Шлаки легші за метал, тому захищають його від атмосфери печі. Флюси поділяють на основні та кислі. До основних флюсів відносяться вапняк CaCO₃ та доломіт CaMg(CO₃)₂. До кислих флюсів відноситься кварцовий пісок.

В якості палива в доменному процесі використовується кокс. Кокс отримують сухою перегонкою коксівного вугілля без доступу повітря при температурі 900 - 1050ºС.

Метали виплавляються в печах при високих температурах. Тому внутрішні стінки печей, ковшів, пристроїв для транспортування рідкого металу викладають вогнетривкими матеріалами. Вогнетривкі матеріали мають витримувати високі температури, мають протистояти хімічній взаємодії з металом, шлаком та пічними газами. По хімічному складу вогнетривкі матеріали поділяються на основні, кислі та нейтральні.

Динас є кислим вогнетривом, містить до 96% SiO₂ , має вогнетривкість 1700 - 1710ºС. Динасовою цеглою футерують печі, які працюють з кислими шлаками, де багато SiO₂ .

До основних вогнетривів відносяться магнезит (MgO), хромомагне-зит (MgO і Cr₂O₃) та доломіт (MgO і СаО).

До нейтральних вогнетривів належать шамот, який отримують з вогнетривкої глини.

Доменне виробництво

Доменна піч у вигляді мета­левої оболонки із сталевих листів товщиною до 35 мм, футерована зсередини вогнетривкими матеріалами, у висоту може ся­гати до 35 м, в діаметрі — до 9 м, корисний об'єм — до 5000 м³. Для виплавлення чавуну в домну завантажують шихту — суміш певного співвідношення руди (збагаченої), палива і флю­сів. Окремі порції шихти називають колошами. Колоші з бун­кера 1 вагонеткою 2 подаються піднімачем 3 до від­носно загерметизованого засипного апарата 4, що з'єднаний з колошником 6. У засипний апарат вмонтовані труби 5 для кон­трольованого випуску колошникового газу. Із колошника ши­хта потрапляє в шахту 7, яка має форму зрізаного конуса, що розширюється донизу, сприяючи опусканню шихти внаслідок її розплавлення. У шахті відбуваються відновлення заліза та інших елементів, навуглецювання заліза і плавлення сплаву, що утворився. У нижній частині шахта переходить у цилінд­ричний розпар 8, в якому плавляться і перетворюються у шлак пуста порода руди, флюси та зола палива. Під розпаром розта­шовані заплечики 9, що мають форму конуса, розширеного догори, бо об'єм сировинних матеріалів у зв'язку з розправ­ленням різко зменшується. У твердому стані залишаються лише паливо та частина флюсу. Нижня частина печі — горн 11. У верхній частині циліндричного горна по периметру розташо­вані фурми 10, через які в піч вдувається нагріте до 1100...1200°С повітря. Для цього його пропускають через нагріті спаленим колошниковим газом повітронагрівачі 14. Нижче від фурм роз­ташована шлакова льотка 12, а на рівні дна горна, що назива­ється подом, — чавунна льотка (отвір) 13. Відпрацьовані гази, що нагріли повітронагрівач, відводяться в димар 15. Температу­ра в печі неоднакова і зменшується від 1800°С в зоні фурм до 150...200°С в зоні колошника. Внутрішня поверхня металевого корпуса печі облицьована вогнетривкою цеглою, товщина шару якої контролюється спеціальними приладами. У нижню части­ну шахти вмонтовані рідинні холодильники.

Для успішного перебігу доменного процесу необхідно ство­рити таку кількість тепла і таку температуру в різних зонах по висоті печі, щоб усі хімічні реакції відбувались в потрібний час і в потрібному місці. Іншим завданням є створення умов для утворення шлаку лише після закінчення відновлення заліза і необхідних домішок.

О тримувані при згорянні коксу тепло і вуглекислий газ, піднімаючись вгору, нагрівають шихту, що складається з про­шарків руди, палива і флюсу. Взаємодія вуглекис­лого газу з нагрітим коксом утворює відновний газ СО, який вступає в реакцію з оксидами заліза руди і відновлює його в послідовності:

Fе₂О₃ → Fе₃О₄ → FеО → Fе

Рис. 2.3. Схема доменного виробництва

Відновлене в доменній печі залізо являє собою твердий і пористий продукт — губчасте залізо. Водночас з відновленням заліза відбувається відновлення з шихти кремнію, марганцю, сірки та фосфору. Вони відновлюються переважно твердим вуглецем. Під час реакції поглинається тепло при високих (1200...1300°С) температурах. При температурах 900...1000°С оксид вуглецю вступає в реакцію з чистим залізом і утворю­ється карбід заліза Fе₃С— цементит, який розчиняється в залізі і сприяє його навуглецюванню. Навуглецьоване до 1,8...2,0% С залізо має низьку (1150...1200°С) температуру плавлення і, розплавляючись, стікає краплями в горн. Контактуючи з кус­ками розжареного коксу, воно додатково насичується вугле­цем.

Таким чином, на поді доменної печі накопичується рідкий сплав заліза з вуглецем, кремнієм, марганцем, сіркою та фосфо­ром — чавун. Для одержання 1 т чавуну витрачають 1,8 т руди, 0,7...0,8 т коксу, 0,25…0,40 т флюсу.