4. Производство чугуна

Чугуны довольно широко применяются в различных отраслях народного хозяйства, являясь одним из основных материалов современности. Возможность воздействовать на строение чугуна, варьируя химический состав, условия кристаллизации, термической обработки, делает чугун универсальным литейным материалом с довольно широким комплексом эксплуатационных свойств.

На заре металлургии железо получали в сыродутных горнах, в которые сверху загружали руду, древесный уголь, а снизу мехами подавали воздух. Восстановленное из руды пористое железо (крицу) проковывали затем на изделия. С ростом потребности в металле горны увеличивались в размерах, превратились в домницы.

Восстановленное в них железо содержало много углерода и не ковалось — так был получен чугун. Когда люди научились перерабатывать его в сталь, домницы стали расти и преврати­лись в домны. Резко возросло количество чугуна, а процесс получе­ния стали надолго стал двухступенчатым: получение чугуна; пере­работка его в сталь. В настоящее время до 80...85% производящего­ся чугуна расходуется на производство стали. Остальной чугун идет для производства литья.

Большой вклад в развитие доменного процесса внесли совет­ские ученые — академик М. А. Павлов, М. К. Курако, А. А. Байков и др.

Исходные материалы доменной плавки

Сырьем для выплавки чугуна служат железные руды (основное сырье), флюсы и топливо. Иногда используются и марганцевые руды. Железо в рудах в основном находится в виде окислов, реже в виде карбоната FеСО₃. В черной металлургии применяют различные виды железных руд. Флюсами, или плавнями, называются примеси, прибавляемые при выплавке металлов с целью образования шлака надлежащей степени плавкости. Впрочем, часто флюсами называются также примеси, прибавленные с целью разложить то или другое металлическое соединение или растворить металл или его соединения в массе прибавленного вещества.

Магнитный железняк содержит 50...60% Fе в виде магнитной окиси Fе₃О₄ (магнетит). Красный железняк содержит 50...70% Fе в виде безводной окиси Fе₂О₃ (гематит). Это богатые руды, отличающиеся небольшим содержанием фосфора и серы. Пустая порода — кремнеземистая. Наиболее крупные залежи этой руды находятся в Кривом Роге. Бурый железняк содержит 25...50% Fе в виде гидроокиси 2Fе₂О₃*ЗН₂О (лимонит) и Fе₂О * Н₂О (гетит). Это бедные руды, загрязненные мышьяком, фосфором. Пустая порода — глинистая или кремнеземисто-глиноземистая. Бурые железняки предварительно обогащают. Шпатовый железняк — бедная руда, содержащая 30...40% Fе в виде карбоната FеСО₃ (сидерит). Эта руда легко восстанавливает­ся, содержит мало серы и фосфора. При производстве чугуна используются также марганцевые руды — добавка для введения в чугун марганца и исходный мате­риал для производства ферромарганца. Марганцевые руды содержат 20...55% Мn в виде различных окислов и встречаются в природе реже, чем железные. Богатыми считаются руды, содержащие 45...52% Мn. К комплексным рудам относятся железомарганцевые, хромистые, ванадиевые и др. В процессе доменной плавки сопутствующие элементы играют различную роль. Так. никель, хром, титан, ири­дий переходят в чугун. Они улучшают физико-механические пара­метры чугуна и поэтому считаются полезными примесями. Но в чугун попадают и вредные примеси — сера, мышьяк, фосфор. Комплексные руды используют для выплавки природно-легированных чугунов.

В доменной плавке используют также некоторые отходы про­изводства: колошниковую пыль, спекающуюся перед плавкой с железной рудой; шлаки сталеплавильного производства с повышен­ным содержанием марганца; окалину и сварочный шлак прокатного и кузнечного производства. Роль флюсов в доменном процессе играют известняк или доломитизированный известняк.

Основным видом топлива является кокс в виде довольно крупных, прочных и пористых кусков с высоким содержанием углерода. Прочность кокса позволяет применять его в печах большого объема. На 1 т чугуна расходуется 550 кг кокса — дорогого дефицитного вида топлива. В современном производстве в качестве топлива используют и природный газ, который выгоден и в экологическом плане.

Подготовка руд к плавке

Основная масса руды (примерно 95%) проходит стадию предварительной подготовки к плавке, включающую в себя дробление, сортировку, обогащение и окускование.

Сначала руду дробят на конусных и щековых дробилках, а после этого сортируют. Пригодными для плавки считаются куски размером 40... 100 мм. Более 80% всех руд подвергается обогаще­нию. Основным методом обогащения руд в нашей стране является метод магнитной сепарации, сущность которого заключается в том, что в магнитном поле происходит отделение магнитной части руды (содержащей железо) от немагнитной. Предварительным обжигом руды при температуре 600...800 °С немагнитные окислы переводятся в магнитные.

Рудная мелочь и тонкоизмельченные концентраты препятствуют движению газов, чем затрудняют плавку. Для устранения этого проводится окускование мелкой породы. Различают два способа окускования: путем агломерации и окатывания.

Агломерация — спекание концентрата руды, рудной мелочи и пыли в пористые куски — производится при температуре 1300... 1500 °С на агломерационных машинах. В процессе спекания уда­ляется сера (на 85...95%) и мышьяк; происходит офлюсование руды и частичное восстановление оксидов железа с образованием фаялита (2FеО-SiO₂).

Окатывание (гранулирование) — новый прогрессивный способ подготовки сырья, позволяющий повысить качество продукции и улучшить ход плавки. Смесь тонкоизмельченных концентратов, флюса, топлива увлажняет­ся и обрабатывается во вращающихся барабанах, тарельчатых грануляторах. Получаются шарики-окатыши диаметром 20...30 мм. Более мелкие окатыши идут на вторичную переработку (возврат). Окатыши сушат при температуре 200...400 °С и обжигают при температурах 1200...1400 °С для придания им прочности.

Устройство и работа доменной печи

Чугун из железных руд выплавляют в домнах — вертикальных печах шахтного типа. Контур вертикального сечения рабочего пространства домны называют профилем. Высота доменной печи достигает 35 м и примерно в 2,5...3 раза больше ее диаметра. Рабочее пространство печи состоит из колошника 6, шахты 5, распара 4, заплечиков 3 и горна 2 (см. рис.).

В верхней части горна равномерно по окружности размещаются 16...36 фурменных устройств 11, через которые под давлением подается в печь подогретый в воздухонагревателях (кауперах) до 1100... 1300 °С воздух. В гор­не имеются летки для выпуска шлака 13 и чугуна 1. Стенки доменной печи футеруются вы­сококачественным шамотным кирпичом, горн — углеродисты­ми или графитизированными блоками. Снаружи печь имеет сварной стальной кожух.

Основными характеристика­ми доменной печи служат ее по­лезная высота и полезный объем. Первый параметр оп­ределяет расстояние от леща­ди до нижнего конуса засып­ного аппарата, второй — ра­бочий объем, заполненный шихтой и продуктами плавки. Современные доменные печи имеют полезный объем 2000... 5000 м³, суточную производи­тельность 3000...10 000 т, по­лезную высоту до 35 м.

Доменная печь относится к печам непрерывного типа. Она работает до капитального ремонта в течение 5... 10 лет. При этом в нее по мере на­добности загружают шихту, периодически выпускают шлак и чугун и постоянно газы.

Доменные печи имеют вспомогательные устройства: воздухонагреватели (кауперы), погрузочно-разгрузочные уст­ройства, ковши — чугуно- и шлаковозы, вагон-весы и др.

Рис.2. Схема устройства доменной печи

а - разрез; б- профиль рабочего пространства; 1-чугунная летка; 2-горн; 3-заплечики; 4-распар; 5-шахта; 6-колошник; 7-засыпной аппарат; 8-горизонт образования чугуна; 9-горизонт образования шлака; 10- зона горения кокса; 11- фурменные устройства; 12- слой шлака; 13- шлаковая летка; 14- расплавленный чугун.

Доменные печи работают по принципу противотока: поток шихтовых материалов, загружаемых при помощи засыпного аппарата 7, через колошник, постепенно, послойно, перемещается сверху вниз, а поток горячих газов от фурм перемещается снизу вверх. В результате происходит постоянное непрерывное взаимодействие шихтовых материалов с встречным потоком восстановительных газов. Восстановление железа идет ступенчато:

Fе₂О₃ - Fе₃О₄ - FеО -Fе.

Восстановителями являются оксид углерода, водород воздуха и твердый (сажистый) углерод кокса. Восстановление газами называется косвенным, восстановление углеродом — прямым. Косвен­ным путем обычно восстанавливается до 60% железа.

Зона сгорания топлива 10 находится в районе фурм, через которые подается в печь из кауперов нагретый воздух или его смесь с кислородом или природным газом:

С + О₂ = СО₂

Выделяющееся при реакции тепло повышает температуру до 1800... 2000 °С. Поднимаясь выше, углекислый газ вступает в реакцию с новыми слоями раскаленного кокса:

СО₂+С = 2СО

Образовавшаяся окись углерода восстанавливает железо из оксидов.

Восстановление железа оксидом углерода начинается уже в верхней части шахты при температуре 400...600 °С и по мере опу­скания шихты становится все интенсивнее (увеличивается концен­трация СО в газах и повышается температура). В нижней части шахты заканчивается косвенное восстановление железа оксидом углерода (при температуре 900...950 °С).

Одновременно в шахте печи происходит восстановление железа водородом по той же схеме. Прямое восстановление осуществляется при более высокой температуре (950... 1400 °С) в зоне распара печи.

Академик М. А. Павлов доказал, что наиболее экономичная работа печи наблюдается при оптимальном соотношении косвенного и прямого восстановления. Этого оптимального соотношения доби­ваются, регулируя температуру и состав дутья. Считается, что 40...60% оксидов железа восстанавливается прямым методом.

Вместе с железом восстанавливаются и другие элементы. При температуре 400...800 °С, например, оксидом углерода восстанавли­вается из оксидов марганец. Аналогично восстанавливается и кремний из кремнезема при температуре не ниже 1450 °С. Восстанавливаются также сера и фосфор, причем сера частично удаляется, а фосфор полностью переходит в чугун.

Одновременно с восстановлением элементов происходит на­углероживание восстанавливающегося железа. Оно начинается еще в шахте печи по реакции:

ЗFе+С=Fе₃С

Образовавшийся карбид железа хорошо растворяется в твердом железе, науглероживая его и тем самым, понижая температуру плавления. Поэтому уже в нижней части шахты печи 5 появляются первые капли жидкого чугуна, которые, стекая вниз — в горн, науглероживаются до 3,7...4,2% С и растворяют в себе примеси: марганец, хром, кремний, серу, фосфор и др. Однако основная масса железа даже в распаре находится еще в твердом состоянии в виде губчатой пористой массы. Конечный состав чугуна устанавливается в горне.

В верхней части распара 4 печи начинается шлакообразование. Сначала происходит спекание и химическое взаимодействие оксидов, затем легкоплавкие эвтектики (частично они образуются уже в процессе агломерации и окатывания) плавятся при 1150...1200 °С и капли жидкого шлака стекают в горн, по пути обедняясь оксидами железа и марганца в результате их восстановления и обогащаясь оксидом кальция.

Химический состав шлака определяет не только состав чугуна, но и всю работу доменной печи. Полное плавление пустой породы и образование шлака заканчивается внизу распара или вверху у заплечиков. Стекая вниз, шлак 12 покрывает слой чугуна 14 (плот­ность чугуна выше, чем шлака). Поэтому летка для выпуска шлака расположена выше летки для выпуска чугуна. Доменный шлак состоит в основном из оксидов СаО, SiO₂, А1₂О₃. Состав шлака важен и для удаления серы. Чем больше основность шлака (упро­щенно: отношение СаО к SiO₂), тем полнее удаляется сера.

Пути интенсификации доменного процесса

Важнейшими технико-экономическими показателями работы доменных печей служат коэффициент использования полезного объема (КИПО) и удельный расход кокса. Первый показатель определяется отношением полезного объема печи (м³) к ее средне­суточной производительности (т). Чем выше производительность печи, тем ниже коэффициент использования полезного объема. Второй показатель — удельный расход кок­са — также характеризует экономичность доменного процесса. Это объясняется тем, что стоимость кокса составляет более поло­вины стоимости чугуна. Снижение обоих показателей дает большой экономический эффект.

Один из путей повышения экономичности производства чугу­на — улучшение подготовки шихтовых материалов и интенсифика­ция процесса плавки. Так, применение офлюсованного агломерата позволяет повысить производительность труда на 10...30%, умень­шить расход кокса примерно на 20%. Замена агломерата окатыша­ми дополнительно увеличивает выплавку чугуна на 5...8% и не­сколько уменьшает расход кокса.

Интенсифицируют плавку повышением давления на колошнике (способствует более равномерному распределению давления газа по сечению печи, более полному восстановлению железа); обога­щением дутья кислородом (повышает температуру горения, уско­ряет процессы восстановления кремния, марганца); вдуванием в горн природного газа и угольной пыли (уменьшает расход кокса на 10...15%, ускоряет восстановительные процессы).

Большое значение имеет механизация и автоматизация таких процессов, как регулирование температуры в рабочем простран­стве печи, дозирование подачи шихтовых материалов, воздуха и др. В последние годы для управления процессом плавки начали применять электронно-вычислительные машины.

Продукты доменного производства.

В доменных печах полу­чают чугун, шлак и доменный (колошниковый) газ. Жидкий чугун выпускают из печи 6... 18 раз в сутки. Его сли­вают в чугуновозные ковши емкостью до 140 т и транспортируют к миксеру — металлоприемнику (копильнику), футерованной огне­упорным кирпичом емкости (до 2000 т) для хранения перед пере­делом в сталь или к разливочной машине для разливки в небольшие слитки (чушки).

В доменных печах выплавляют передельные (для передела в сталь), литейные (для производства отливок) и специальные чугуны — ферросплавы (для раскисления и легирования стали). Про­изводство передельных чугунов составляет 81...82%, литейных — 16%, специальных — 2...3%.

Побочные продукты доменной плавки — шлак и колошниковый газ. Жидкий шлак выпускают из печи (по мере накопления) в ковши-шлаковозы емкостью до 30 т. При выливании шлака в воду происходит его грануляция — образование мелких частиц (гра­нул), которые используют для производства шлаковаты, шлако­блоков, цемента, щебня и др. Колошниковый доменный газ ис­пользуют в качестве топлива в цехах металлургических заводов.