3. Производство черных металлов - чугуна и стали.

3.1. Производство чугуна.

3.1.1.Состав шихты.

Чугуны – сплавы железа и углерода, содержание углерода в чугунах превышает 2,14%. Рудные материалы для производства чугуна – это оксиды железа – Fe₂O₃ (гематит), Fe₃O₄ (магнетит) и водные оксиды типа (nFe₂O₃·mH₂O) – лимонит. Пустые породы содержат преимущественно кварц - SiO₂.

Марганец является полезной примесью чугуна. Однако, большинство железных руд содержит недостаточное количество марганца (до 1…2%). Поэтому в шихту добавляют марганцевые руды. Марганец в них находится в оксидах – MnO₂ (пиролизит) и водных оксидах: манганит - MnO Mn(OH₂) и псиломелан - nMnO MnO₂ mH₂O.

Руды подвергают обогащению (обжигу – для удаления влаги, магнитной сепарации). Шихта состоит из руд, специально вводимого флюса (CaCO₃) и каменноугольного кокса.

Руды содержат фосфор – вредную примесь. Сера также является вредной примесью, она попадает в шихту вместе с коксом (состав кокса: 82…88% твердого углерода, 5…10% золы и 0,5…2% серы). Эти примеси приводят к повышению хрупкости чугуна.

3.1.2. Выплавка чугуна.

Для получения чугуна используется технология пирометаллургии. Задачей выплавки чугуна является получение железоуглеродистого сплава с необходимым количеством полезных примесей - марганца и кремния и возможно меньшим содержанием вредных примесей - серы и фосфора.

Выплавку чугуна осуществляют в домнах. Доменная печь это гигантская шахтная печь высотой до 80м и более с полезным объемом 1300…3200 м³. Эти печи выплавляют в сутки до 2000 т чугуна.

Высокая температура 1800…2000°С возникает в результате горения кокса – экзотермической реакции углерода и подаваемого в домну под давлением ~300 КПа обогащенного кислородом воздуха: С+О₂→ СО₂. Образующийся газ вступает в реакцию с углеродом раскаленного кокса: СО₂+С (кокс)→ 2СО.

Образовавшийся оксид углерода является основным восстановителем оксидов железа: ЗFе₂О₃+СО→2Fе₃О₄+СО₂ и Fе₃О₄+СО→3FеО+СО₂.

Восстановление закиси железа (FеО) осуществляется твердым углеродом: FеО (МnО)+С→Fе (Мn)+СО.

В результате восстановления образуется мягкое, губчатое (получило название, т.к. имеет вид пористой губки) железо.

Науглероживание железа и, таким образом, образования чугуна (напомним, что чугун железоуглеродистый сплав с содержанием углерода более 2,14%) происходит за счет взаимодействия твердого металлического (восстановленного из оксидов) железа с печными газами, содержащими оксид углерода (СО): 3Fe+2CO→Fe₃C+CO₂. Температуры плавления сплава снижается по мере насыщения его углеродом (при~2% С она становится равной ~1150°С).

Восстановление оксидов полезных примесей - марганца и кремния – (это раскислители) происходит в результате реакций, аналогичных восстановлению железа.

Оксиды марганца восстанавливаются ступенчато за счет СО:

МnО₂→Мn₂О₃→Мn₃О₄→МnО.

Закись марганца и оксид кремния восстанавливаются твердым углеродом: МnО+С→Mn+CO и SiO₂+2C+Fe→FeSi+2CO.

Образовавшиеся марганец и ферросилиций растворяются в металлическом расплаве. В результате всех этих процессов и происходит образование железоуглеродистого сплава - чугуна.

Фосфор и сера - вредные примеси. Фосфор попадает в шихту вместе с рудой, при высокой температуре фосфор, взаимодействуя с железом, образует фосфид железа (Р+ЗFе→Fе₃Р), который переходит в чугун.

Сера попадает в шихту вместе с коксом и образует соединение с железом – сульфид железа (FеS). 10…20% находящейся в шихте серы удаляется при плавке в виде газов SО₂ и Н₂S. Еще некоторое количество серы удаляется за счет флюса (СаСО₃). При высокой температуре происходят следующие реакции - разложение флюса: СаСО₃→СаО+СО₂ и реакция обмена между оксидом кальция и сульфидом железа: FеS+СаО→СаS+FеО. Сульфид кальция растворяется в шлаке и удаляется вместе с ним.

Образование шлака происходит при 1200°С при плавлении достаточно легкоплавких составляющих шихты - соединений, образующихся при сплавлении флюсов с оксидами пустой породы руды. Шлак в основном содержит оксиды пустой породы (SiO₂ - 30…45%, Al₂0₃ - 10…25%) и флюса (СаО - 40…50%), а также составляющих золы, возникшей при сгорании кокса. Плотность шлака – около 2,5 г/см³ значительно ниже, чем у чугуна – 6,9 г/см³, поэтому слой шлака находится над чугуном.

Однако, всю серу удалить не удается и в чугуне она присутствует в виде сульфидов железа.

Таким образом, чугун – это сплав железа и углерода (его содержание более 2,14%), в его состав также входят полезные примеси марганец (1,0…3,5%), кремний (0,2…1,1%) и вредные примеси сера (0,2…0,5%) и фосфор (0,1…0,2%).