Исходные материалы для доменного производства

Исходными материалами для доменного производства служат руда, флюсы, топливо и воздух.

Железная руда — это горная порода, содержащая железо в таких количествах, при которых ее технически и экономически целесообразно перерабатывать. Руда представляет собой горную породу, состоящую из смеси железосодержащих минералов и пустой породы, в состав которой входят различные соединения – кислые окислы (кремнезем Si0₂, глинозем А1₂Оз), основные окислы (оксид кальция СаО и оксид магния МgО). Железные руды содержат также вредные примеси - сера, фосфор, мышьяк и др.

Руда, идущая для плавки в доменных печах, должна удовлетворять следующим требованиям:

1) максимальное содержание железа (Руды, содержащие свыше 50% железа, называются богатыми, до 50% железа — бедными);

2) минимальное содержание вредных примесей — S и Р (сера и фосфор отрицательно влияют на качество чугуна: сера сообщает ему красноломкость, а фосфор — хладноломкость);

3) легкая восстановимость (Восстановимость руды определяется количеством тепла, необходимого для восстановления из нее железа, а это зависит от природы окислов железа, входящих в руду);

4) достаточная пористость (Пористость руды уменьшает расход топлива, так как при наличии каналов внутри руды газы приходят в соприкосновение с большей поверхностью, и процесс восстановления протекает быстрее);

5) надлежащий химический состав пустой породы (Химический состав пустой породы может в сильной степени влиять на условия ее расплавления. Так, пустая порода известкового состава требует для расплавления меньше топлива, чем пустая порода кремнистого состава. Оптимальным составом пустой породы является такой, при котором содержание кислых и основных окислов одинаково, т. е. (CaO+MgO): (SiO₂ + Al₂O₃) ~ 1);

6) обогатимость (Обогатимость железной руды определяется возможностью и трудоемкостью повышения в ней содержания железа).

Руды перед выплавкой чугуна проходят предварительные операции. К операциям подготовки руд относятся: дробление, грохочение, промывка, магнитное обогащение, агломерация.

Дробление производится для увеличения площади соприкосновения между поверхностью руды и газами. Размер кусков, поступающих в доменную печь, должен быть в пределах 50—80 мм. Рудная мелочь размером меньше 5 мм затрудняет движение газов и нарушает нормальную работу доменной печи. Для крупного и среднего дробления чаще всего используется щековая дробилка. Главными ее частями являются две массивные плиты (подвижная 2 и неподвижная 3 щеки), которые изготовляются из специальных сортов износоустойчивой марганцовистой или хромистой стали.

Грохочение применяется для рассортировки кусков руды по размеру. С этой целью руду после дробления пропускают через грохоты (плоские или барабанные), которые представляют собой металлические сита с ячейками различной величины.

Промывкой достигается удаление из руды глинистых и песчаных примесей. Этот процесс применяется преимущественно к рудам, содержащим глинистую пустую породу. Промывают руду в бутарах— цилиндрических или конических барабанах с решетчатой или сплошной поверхностью, вращающихся в корытных мойках.

Магнитная сепарация состоит в том, что измельченную руду помещают в магнитное поле. Магнит притягивает частицы руды, содержащие оксиды железа и обладающие магнитными свойствами, отделяя их от пустой породы. Магнитное обогащение осуществляется на магнитных сепараторах.

Агломерацией называется процесс спекания руд мелких фракций, концентрата в специальной машине для улучшения их металлургических свойств. Эти материалы смешиваются с измельченным твердым топливом (коксом, углем)- 6—12%, увлажняются и подаются в агломерационную машину, в которой производится спекание и получение агломерата.

Агломерат имеет высокую пористость (до 50 %) и хорошую восстановимость. Кроме того, в процессе спекания почти полностью выжигается сера, которая удаляется в виде сернистого газа.

Топливо

При доменной плавке углерод топлива является не только источником тепла, но и участвует в качестве восстановителя в химических реакциях, идущих в доменной печи. Топливо, должно быть близким к чистому углероду и обладать достаточной прочностью и сопротивлением истиранию. Оно должно быть кусковатым и достаточно пористым, чтобы обеспечить хорошее проникновение воздуха и газа через столб плавильных материалов. Кроме того, топливо должно содержать минимальное количество вредных примесей, особенно серы, и незначительное количество летучих веществ, так как присутствующий в них углерод бесполезно для плавки уходит в колошниковый газ.

Основным топливом, применяемым при получении, чугуна, является каменноугольный кокс. Он получается сухой перегонкой некоторых видов каменного угля, т. е. путем нагрева без доступа воздуха смеси коксующихся углей до температуры 1000—1200°С. При этом летучие вещества удаляются, а остаток получается в виде спекшейся твердой пористой массы — кокса. В среднем кокс содержит 80—90% С, 0,4—2,0% S, 7—15% золы. Теплотворная способность его 6700—8000 ккал/кг, температура воспламенения 700°С. Механическая прочность, т. е. способность противостоять истиранию при движении шихты вниз, дроблению от ударов и раздавливанию, у кокса выше, чем у других видов топлива. Пористость кокса около 50%.

Древесный уголь получается в результате сухой перегонки дров. Уголь, полученный обжигом в кучах, содержит до 90% С, до 3% Н, около 6% 02 и N2 и 1% золы. Теплотворная способность его составляет 7300 ккал/кг. Отсутствие серы и небольшая зольность являются весьма ценными качествами древесного угля как топлива для металлургических печей. Однако его прочность и сопротивление истиранию значительно ниже, чем у кокса. Пористость древесного угля доходит до 85%. Древесный уголь применяется в доменных печах небольшого объема (200— 300 м3) при выплавке высококачественного чугуна из руд, содержащих незначительные примеси серы и фосфора.

Антрацит содержит до 95% С при очень малой зольности и небольшом содержании серы. Теплотворная способность его 8500 ккал/кг. Отрицательным качеством антрацита является его способность при высоких температурах расслаиваться и измельчаться. Последнее обстоятельство заставляет пользоваться антрацитом главным образом как добавкой к коксу (от 15 до 50% от веса кокса).

Флюс

Доменные флюсы — это материалы, вводимые в доменную печь для понижения температуры плавления пустой породы железной руды и ошлакования золы топлива. При сплавлении пустой породы и золы с флюсом образуется легкоплавкий шлак, который удаляется из печи в жидком состоянии. Для облегчения плавления песчано-глинистых примесей (SiO2) в качестве флюса применяется известняк СаС03 или доломит СаСОз • MgC03. При известковых примесях флюсом служит песчаник или кварц (Si02).

Огнеупорные материалы

Огнеупорные материалы применяются для кладки и облицовки частей металлургических печей, подвергаемых действию высоких температур, поверхность которых соприкасается с расплавленным металлом.

Качество огнеупорных материалов определяется главнейшими свойствами — огнеупорностью и химической стойкостью.

Огнеупорность — свойство материалов противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур. По степени огнеупорности различают: огнеупорные материалы (1580—1770°), высокоогнеупорные (1770—2000°) и высшей огнеупорности (свыше 2000°).

Химическая стойкость огнеупорных материалов определяется способностью их противостоять разъедающему действию соприкасающихся с ними материалов, главным образом шлаков.

В зависимости от химического состава огнеупорные материалы разделяются на кислые, нейтральные и основные. В особую группу выделяются углеродистые, нейтральные по своим свойствам, огнеупоры.

Кислые огнеупоры (динас и кварцит) содержат не менее 93% Si02. Динасовый кирпич содержит 93—97% Si02. Огнеупорность его 1680—1730°. Кварцит содержит свыше 98% Si02. Огнеупорность 1750—1800°.

Нейтральные огнеупоры содержат А1₂0₃. К ним относится шамот, содержащий 45—30% А1₂0₃ и 50—60% Si0₂. Огнеупорность его 1600—1770°. Шамотовый кирпич очень широко применяется в металлургии, в частности он служит для огнеупорной кладки доменных печей.

Основные огнеупоры (магнезит и доломит) содержат окись магния MgO и окись кальция СаО. Магнезитовый кирпич содержит около 93% MgO и примерно 3% СаО. Огнеупорность его 2300—2500°. Но магнезит чувствителен к резким переменам температуры (небольшая термоустойчивость). Доломит — это горная порода состава MgC0₃, CaC0₃ (с примесями Si0₂, А1₂0₃, Fe₂0₃). Огнеупорность 1750—2000°.

Также существует целый ряд специальных огнеупоров — форстерит, хромомагнезит, карборунд (SiC) и др., применяемых для повышения производительности металлургических печей. Для кладки горнов доменных печей могут применяться углеродистые материалы в виде блоков и плит. Они отличаются очень высокой огнеупорностью и стойкостью против разъедающего действия кислот и щелочей.