17.4. Производство чугуна и стали

17.4.1. Производство чугуна

Чугун выплавляют в доменных печах из железных руд, содер­жащих 20…70 % железа. В руде, кроме железа, имеется пустая порода, состоящая из различных природных хи­мических соединений (SiO₂, А1₂Оз и др.) и вредных примесей (серы, фосфора). Наиболее часто применяемые железные руды: красный, магнитный, бурый и шпато­вый железняк и легированные руды.

Железные руды перед загрузкой в доменную печь подвергаются предварительной подготовке: дроблению, промывке, обогащению, а также спеканию (агломерации) мелочи в более крупные куски. В последнее время нача­ли применять офлюсованный агломерат, получае­мый спеканием железной руды с известняком, что об­легчает образование шлака, снижает расход кокса на 7…20 %, сокращает расход руды, повышает производи­тельность печей на 10…25 %.

Топливо при выплавке чугуна из руд должно быть в виде кусков с размером 40…80 мм в поперечнике, пористым, ма­лозольным, иметь высокую прочность и такую же удель­ную теплоту сгорания. Кокс – основной вид топлива доменного процесса, на нем выплавляется около 98 % всего чугуна. Кокс яв­ляется продуктом сухой перегонки спекающихся сортов каменных углей. Он обладает высокой прочностью, го­рючестью, пористостью (50 %). Недостатки кокса как топлива – его высокая зольность (9…10 %) и большое содержание вредной примеси – серы (0,5…2 %). При­менение каменного угля в доменной печи затруднено из-за его высокой плотности и непроницаемости для газов, а также большой хрупкости при высоких температурах, что приводит к засорению печного пространства. Древесный уголь применяется только для выплавки высоко­качественного металла с малым содержанием серы и фосфора.

Флюсы вводятся при выплавке чугуна для пониже­ния температуры плавления пустой породы, для ошлаковывания золы топлива и для удаления вредных примесей. Количество и состав флюсов зависят от состава руды, пустой породы и назначения чугуна.

Огнеупорные материалы, применяемые для внутрен­них частей металлургических печей, делятся на кислые (динас), основные (магнезит, доломит, хромомагнезит) и нейтральные (шамот, графит). В последнее время на­чали прибегать к высокоглиноземистым шамотным огне­упорам, содержащим до 45 % А1₂О₃ и обладающим повы­шенной химической стойкостью и огнеупорностью при 1750 °С и выше, а также к хромомагнезитовым огнеупор­ным материалам.

Доменные печи представляю­т собой вертикальные шахтные печи. По­лезный объем современных действующих печей достига­ет 5000 м³. Руда, агломерат, кокс и флюсы загружают в домну послойно и они постепенно передвигаются вниз под влиянием собственной массы. Горение кокса поддерживается воздухом, предварительно подогретым до 600…900 °С в воздухонагревателях, вду­ваемым через фурмы под давлением 0,10…0,15 МПа.

Чугун получается в результа­те восстановления железа из руд

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe.

После восстановления железо находится в твердом (губчатом) состоянии в смеси с пустой породой, кото­рая делается пористой и ноздреватой. В поры восстанов­ленного железа проникает углерод, и железо постепен­но науглероживается (до 3,5…4,0 %)

3Fe + 2СО → Fe₃С + СО₂.

Затем наступает расплавление науглероженного ме­талла, который стекает в горн доменной печи. Так как чугун соприкасается с раскаленным коксом, то насыще­ние железа углеродом продолжается. При доменной плавке восстанавливаются также и другие элементы, находящиеся в руде, по следующим реакциям

SiO₂ + 2С = Si + 2CO, МnО + С = Мn + СО, Р₂0₅ + 5С = 2Р + 5СО.

Эти элементы, а также часть серы в виде FeS перехо­дят в чугун. В ходе плавки получается шлак, который всплывает на поверхность чугуна и защищает его от оки­сления. Шлак выпускается через (шлаковую) верхнюю летку, расположенную выше уровня отверстия для выпус­ка чугуна. Затем через нижнее отверстие выпускается чугун. Для получения 1 т чугуна расходуется примерно: руды 1,9 т; кокса 0,6…0,8 т; флюса-известняка 0,4 т и марганцевой руды для удаления серы из чугуна 0,10…0,12 т. Применение кислородного дутья способствует ус­корению доменного процесса.

В результате доменной плавки могут быть получены различные виды чугунов: передельные чугуны, идущие в основ­ном на производство стали (80…90 %); литейные чугуны, предназначенные для получения чугунных от­ливок (8…18 %). В доменных печах вы­плавляют также ферросплавы, содержащие повышенное коли­чество Si и Мn, которые применяются в качестве добавок-раскислителей, при получении стали.