6.2. Основы производства чугуна и стали
Производство черных металлов из железной руды является сложным процессом, состоящим из двух стадий: выплавка чугуна и переработка чугуна в сталь.
Сущность выплавки чугуна заключается в восстановлении железа из руды, процесс производства стали основан на уменьшении в чугуне процентного содержания углерода и снижении содержания примесей (Mn, Si, S, Р).
Рис. 6.1. Схема доменной печи:
1 — шахта; 2 — колошник; 3 — загрузочное устройство; 4 — металлический кожух; 5 — футеровка; 6 — шахта; 7 — заплечики; 8 — горн; 9 — летка для выпуска шлака; 10 — чугун; 11 — летка для выпуска чугуна; 12 — труба для подачи воздуха (фурма)
Производство чугуна. Чугун выплавляют в доменных печах, представляющих собой вертикальные шахтные печи (рис. 6.1). Снаружи они покрыты металлическим кожухом, а изнутри стенки футерованы огнеупорным кирпичом. Исходными материалами для производства являются железные руды, флюсы и топливо.
Железные руды. Обычно для производства чугуна используют магнитный железняк, красный железняк и бурый железняк.
Магнитный железняк состоит из минералов магнетита Fe3О4 и содержит до 70% Fe; 0,02...2,5% S; 0,2...0,07% Р. Эта руда плотная, восстанавливается труднее других железных руд.
Красный железняк состоит из минерала гематита Fe3О3 и содержит до 65% Fe, немного серы и фосфора.
Бурый железняк Fe3О3 nH2О (содержит до 60% Fe) распространен в земной коре, но содержит меньше железа, чем магнитный и красный железняки, и применяется реже.
Флюсы (плавни) снижают температуру плавления пустой породы и переводят ее в шлак.
Железные руды содержат кислую пустую породу, поэтому для образования шлака добавляют основной флюс: известняк (СаСО3) или доломит (СаСО3 MgC03).
Топливо не только служит источником тепла, необходимым для плавки, но и принимает участие в восстановительных процессах и науглероживании железа. Основным топливом для доменной печи является кокс — продукт сухой перегонки (сжигание без доступа воздуха), коксующихся каменных углей при температуре 1000 °С...1ЮО °С. Это куски размером 25...60 мм, обладающие высокой твердостью и прочностью.
В доменной печи различают следующие части: колошник, шахту, заплечики и горн. Сырьевые материалы (железную руду, флюсы и топливо) загружают слоями в загрузочное устройство — колошник. Для поддержания горения топлива в нижнюю часть печи — горн через фурмы подается под давлением 0,150...0,300 МПа нагретый воздух до 1100...1300 °С, обогащенный кислородом и углесодержащими добавками (природный газ, мазут). Шихта, опускаясь вниз, нагревается и претерпевает в различных температурных зонах физические и химические изменения. Газы, образованные при сжигании топлива, проходят вверх через шихту.
Сырьевые материалы подаются в печь непрерывно, также непрерывно происходят в ней процессы, а чугун и шлак выпускаются периодически. В доменной печи материалы находятся в течение 4...6 ч. При выплавке чугуна происходят следующие физико-химические процессы: горение топлива, восстановление железа из оксидов, науглероживание железа и образование чугуна и шлака.
Горение топлива происходит за счет кислорода воздуха в верхней части горна, по реакции С + О2 = СО.,. Углекислый газ, поднимаясь вверх, взаимодействует с коксом и образует оксид углерода: С02 + С = 2СО. Оксид углерода является хорошим восстановителем.
Он энергично соединяется с кислородом, входящим в состав железной руды, и другими соединениями руды.
Восстановление железа из оксидов — главный процесс в плавке чугуна. Восстановление железа происходит по схеме: Fe9O3 — Fe304 — FeO — Fe Химически этот процесс выражается следующим образом: 3Fe2О3+C = 2Fe3О4+CO; Fe3О4 +C = 3FeO + CO; FeO + C = Fe + CO.
Железо восстанавливается в доменной печи полностью; 99...99,8% железа переходит в чугун и только 0,2...1,0% — в шлак.
После восстановления железо находится в твердом состоянии. Науглероживание железа происходит при температуре выше 900 °С. В поры восстановленного железа проникает углерод и образуется карбид железа (цементит) по реакции 3Fe + 2CO = Fe3С + CO2.
При температуре выше 1130°С науглероженное железо плавится, образуется жидкий чугун, который стекает в горн. Плавленые пустые породы и флюсы образуют шлак, который также стекает в горн и как более легкий материал всплывает на поверхность чугуна, защищая его от окисления. В чугун переходят небольшие количества различных элементов, восстановленных на разных уровнях печи. Температура чугуна в печи 1400...1450 °С.
Шлак выпускают через (шлаковую) летку, расположенную выше уровня отверстия для выпуска чугуна.
Затем через нижнюю летку выпускают чугун. Расплавленный чугун подают к разливочным машинам для отливки в «чушки» или в специальных ковшах доставляют в сталеплавильные цехи для переработки в сталь.
Самая большая современная доменная печь (объем 5000 м3) выплавляет 12 000 т чугуна и выдает около 4000 т шлака и 27 000 т колошникового газа в сутки.
Отходами металлургического производства являются шлак и колошниковый газ.
Шлак, быстро охлажденный после расплавления, имеет стекловидное строение; медленно охлажденный — кристаллическое.
Значительная часть доменных шлаков (до 75%) используется в качестве сырья для производства различных строительных материалов — шлаковой пемзы (термозита), шлаковаты, шлакопортландцемента, шлакоситаллов, гранулированного шлака, используемого в качестве заполнителя для легких бетонов.
Колошниковый газ применяется для нужд металлургического производства.
Производство стали. Исходными материалами для производства стали служит передельный чугун, стальной лом, ферросплавы или железная руда и флюсы.
В настоящее время сталь выплавляют тремя способами: конвертерным, мартеновским и электроплавильным.
Конвертерный процесс происходит в конвертерах — печах грушевидной формы (рис. 6.2). Снаружи конвертер имеет стальной кожух, а изнутри — огнеупорную футеровку и может поворачиваться вокруг горизонтальной оси на цапфах. Его вместимость до 600 т.
Жидкий чугун заливается через горловину на 25% его высоты, когда конвертер находится в горизонтальном положении.
Можно загружать стальной лом и шлакообразующие материалы (плавиковый шпат, известь и др.).
Рис. 6.2. Схема конвертера:
1 — вращающийся грушевидный сосуд; 2 — футеровка; 3 — фурменные
отверстия для подачи воздуха; 4 — поворотный механизм
Конвертер поворачивают в вертикальное положение и снизу через фурмы подают кислород. Продувка кислородом продолжается 12...20 мин. Под действием кислорода избыточный углерод, кремний, марганец и небольшое количество железа окисляются. Образовавшаяся закись железа FeO реагирует с примесями. Оксиды кремния, марганца, фосфора, а также известь и другие сыпучие материалы переходят в шлак или выгорают, а закись железа при этом восстанавливается до чистого железа. Продолжительность плавки в конвертере составляет 30...55 мин.
Этот процесс выплавки стали высокопроизводителен и экономичен. Кислородное дутье улучшает качество стали и приближает его к качеству мартеновской стали.
Конвертерную сталь применяют для изготовления листовой стали, прокатных профилей, проволоки и т.д.
Мартеновский способ носит имя француза Пьера Мартена, который в 1864 г. провел первую плавку стали. В настоящее время этот способ наиболее распространен.
Мартеновская печь (рис. 6.3) представляет собой агрегат, рабочее пространство которого ограничено сверху сводом, а снизу подом (ванна для плавления). Вместимость печи до 1000 т. Внутренние поверхности печи футерованы огнеупорным кирпичом. В передней стенке печи имеются завалочные окна для загрузки материалов, а в задней — отверстие для выпуска готовой стали. В верхней части имеются каналы, соединяющие рабочую камеру с газовыми и воздушными регенераторами — камерами для подогрева воздуха и газа (топлива). Исходными материалами для выплавки стали являются передельный чугун, металлический лом (скрап) и другие материалы.
Смесь горючего газа и воздуха поступает в регенераторы, подогревается до температуры 1000...1200 °С и поступает в печь. Температура в рабочей зоне печи достигает 1700 °С. Шихта расплавляется и в ванне образуется жидкий металл и шлак, который всплывает на поверхность металла, как более легкий материал. Шлак связывает вредные примеси и защищает сталь от окисления. Углерод при высоких температурах выгорает.
Рис. 6.3. Схема мартеновской печи:
1, 7 — регенераторы; 2 — расплавленный шлак и металл; 3 — завалочные окна; 4 — рабочее пространство; 5 — свод; 6 — под
Для удаления серы применяют известняк в качестве флюса. Продолжительность плавки составляет 4...8 ч. Во время выплавки стали в ее состав вводят различные добавки — ферросплавы или легирующие элементы; по окончании плавки ее выпускают в ковши, а затем разливают по формам — изложницам.
Мартеновская сталь отличается высокими механическими свойствами, ее широко применяют для изготовления ответственных строительных конструкций: ферм, мостов, рельсов, подкрановых балок, высокопрочной арматуры и др.
Электроплавка. Наиболее совершенными сталеплавильными агрегатами являются электрические печи, в которых плавление металлов осуществляется с помощью электрической энергии. В настоящее время существует два вида электропечей: индукционные и дуговые.
При электроплавке можно применять шихтовые материалы с вредными примесями, так как в электропечах они уничтожаются; в плавильном пространстве можно достигнуть более высокой температуры, позволяющей получать специальные легированные стали; можно точнее регулировать температуру металла; получать сталь с низким содержанием серы и неметаллических включений. Однако производство стали в электропечах дороже, чем в конвертерах и мартенах, и их применяют главным образом для получения высококачественных и легированных сталей. Длительность плавки стали в дуговых печах вместительностью 5...100 т составляет 3,5...6 ч.
Для получения фасонных отливок сталь из ковша заливается в формы, а для получения слитков — в изложницы.