Производство чугуна

Производство чугуна — это первая стадия двухступенчатого процесса переработки железных руд в сталь, который в настоящее время преобладает. Чугун выплавляют из железорудного сырья в доменных печах, в которых за счет сгорания топлив создаются высокие температуры, обеспечивающие процесс восстановления оксидов железа руды, образования жидкого чугуна и отделения пустой породы в виде шлака. Подобны процесс получил название доменного процесса или доменной плавки.

Сырье доменной плавки

Сырьём для выплавки чугуна служат специально подготовленные железные руды, топливо (твердое, жидкое и газообразное), флюсы, воздух и иногда марганцевые руды.

Смесь твердых компонентов сырья, загружаемого доменную печь, называется шихтой.

Железные руды.

Вследствие высокого сродства к кислороду железо находится в природе в виде оксидов различной степени окисления.

Минеральные породы, содержащие подобные оксиды в смеси с пустой породой называются железными рудами.

Пустая порода состоит из оксидов кремния, алюминия, кальция и магния, которые образуют различные силикаты и алюмосиликаты.

Железные руды в качестве вредных примесей также содержат соединения серы, фосфора, мышьяка и других элементов.

Промышленные типы железных руд

По содержанию железа руды делятся на бедные (менее 30%), средние (30—50%) и богатые (более 50%).

Промышленные типы железных руд классифицируют по типу преобладающего рудного минерала:

1) магнитные железняки состоят в основном из минерала магнетита Fe₃O_4.; характеризуются наиболее высоким содержанием железа – до 75% и наиболее низким содержанием серы; В наиболее распространенных рудах содержание железа составляет 50—60%, обычно они содержат серу и фосфор и трудно восстанавливаются.

2) красные железняки содержат 50-70% железа в виде минерала гематита - Fe₂O₃ содержит незначительное количество примесей серы и фосфора. Образуется в результате выветривания и окисления магнитного железняка. Содержит 50—70% железа с небольшим количеством серы и фосфора. Легко восстанавливается.

3) бурые железняки представляют собой гидроксиды железа состава Fe₂O₃∙nH₂O с переменным количеством связанной воды (бедны по содержанию железа от 25 до 50%), часто загрязнены вредными примесями – серой, фосфором, мышьяком. Легко восстанавливается.

4) шпатовые железняки (сидерит) содержат железо в виде его карбоната FeCO₃, без каких либо примесей, (содержание железа не превышает 30-40%).

Железо добывают из минералов с процентным содержанием не менее 16% - магнетит (магнитный железняк) - Fe₃O₄ (72,4% Fe), гематит (железный блеск или красный железняк) - Fe₂O₃ (70% Fe), бурые железняки (гётит, лимонит и т.п.) с содержанием железа до 66,1% Fe, но чаще 30-55%.

Вредные примеси

Сера встречается в рудах в виде пирита (FeS₂) и придает стали «красноломкость» - хрупкость при ковке и прокате металла.

Фосфор встречается в рудах в виде фосфорита и сообщает стали «хладноломкость» - хрупкость при обычных условиях.

ТОПЛИВО

Топливо обеспечивает создание в печи высоких температур, необходимых для протекания реакций восстановления оксидов железа, образование оксида углерода (II) и водорода, являющихся газообразными восстановителями, диффузию углерода в восстановленное железо и образование чугуна. В качестве топлива используется преимущественно каменноугольный кокс и, для снижения его расхода, добавки газообразного (пpиродный и коксовый газы), жидкого (мазут) и аэрозольного (угольная пыль) топлив. Доменный кокс должен обладать высокой прочностью, сопротивлением к истиранию, не спекаться в условиях доменного процесса и содержать минимальные количества золы, серы и фосфора.

ФЛЮСЫ

Флюсы вводят в шихту для образования с пустой породой руды и золой кокса, содержащих тугоплавкие оксиды кремния, алюминия и кальция, легкоплавкого жидкотекучего и легко отделяемого от чугуна шлака. В качестве флюса используют не содержащие серы и фосфора карбонат кальция доломит СаСО₃*МgСО₃. В современном процессе флюсы вводят не непосредственно в доменную печь, а в шихту при ее подготовке, образуя так называемый офлюсованный железорудный материал.

МАРГАНЦЕВЫЕ РУДЫ

Марганцевые руды, содержащие оксиды марганца МnО₂ и Mn₂O₃ или карбонат марганца МnСО₃, используются при выплавке ферромарганца и высокомарганцовистых (с содержанием Мn около 1%) сортов литейного и передельного чугунов.

ВОЗДУХ

Воздух, обогащенный кислородом, обеспечивает горение топлива и образование газообразных восстановителей.