Производство чугуна

Чугун выплавляется в домнах. Это сложное инженерное сооружение, работающее непрерывно в течение 5–10 лет.

Печь работает по принципу противотока. Сверху загружаются руда, флюсы и кокс, а снизу подается воздух. Кокс служит для нагревания и расплавления руды, а также участвует в восстановлении железа из окислов руды. В коксе должен быть минимум серы и фосфора. Флюсы (известняки, кремнеземы и др.) необходимы для получения шлаков. При сгорании топлива образуется окись углерода, которая и является главным восстановителемжелеза. Восстановление железа происходит окисью углеродаСОи твердым углеродомСот высших окислов к низшим и, в конечном итоге, к металлу

Fe₂O₃ ®Fe₃O₄ ®FeO ®Fe.

Восстановление марганца, кремния и других элементов выполняется также коксом.

Продуктами доменного производства являются:

чугун передельный, содержащий 4–4,5 % С, 0,6–0,8 % Si, 0,25–1,0 % Mn, до 0,3 % S è до 0,05 % Р;

чугун литейный, содержащий около 3 % Si;

ферросплавы: ферросилиций (9–13 % Si) и ферромарганец (70–75 % Mn), предназначенные для раскисления и легирования сталей;

шлаки, используемые для производства шлаковаты, шлакоблоков, цемента.

Производство стали

Чтобы получить сталь из чугуна, надо уменьшить в нем количество углерода, марганца, серы и фосфора. Сталь получают в кислородных конверторах, мартеновских печах и электропечах.

Конвертор (рис. 1.21) — это сосуд грушевидной формы, футированный внутри огнеупорным кирпичом и подвешенный на двух кронштейнах.

Жидкий чугун (1250–1400° С), полученный в домне, с помощью ковша заливают в конвертор. Для получения шлака добавляют в конвертор железную руду и известь, боксит и плавиковый шпат. В конвертор снизу подается воздух, или сверху — кислород. Процесс получения стали проходит быстро, при этом отчетливо видны три периода (рис. 1.22).

В первые4–5 минут процесса окисляется железо

Fe + O₂ ®FeO.

Далее, образовавшаяся окись железа окисляет кремний и марганец:

Si + FeO ®SiO₂ + Fe,

Mn+ FeO ®MnO₂ + Fe.

Кремний и марганец окисляются также и кислородом:

Si + O₂ ®SiO₂,

Mn + O₂ ®MnO₂.

При окислении углерода, кремния и других примесей выделяется большое количество тепла, температура расплава увеличивается, а окислы металла FeO,SiO,MnOобразуют шлак.

После того, как выгорят почти полностьюSi è Mn, наступаетвторойпериод бурного выгорания углерода

C + FeO ®Fe + CO,

характерный тем, что, пока окись углерода горит

CO + O₂ ®CO₂,

над горловиной будет яркое пламя.

Третийпериод наступает, когда над горловиной появляется бурый дым — признак того, что начало окисляться железо и процесс получения стали завершен.

Кислород вдувается в конвертор сверху (давление до 1,2 МПа) на зеркало жидкого металла. Температура при продувке кислородом выше, чем при продувке воздухом, поэтому кроме расплавленного чугуна можно использовать до 30 % железного скрапа и железной руды. При продувке кислородом в сплаве уменьшается содержание азота, время продувки сокращается по сравнению с продувкой воздухом в 2 раза и увеличивается производительность конвертора.

Мартеновское производство менее производительное, чемконверторное, но лучше регулируется процесс, используются чугунные чушки и металлолом. Мартен — это регенеративная пламенная печь. Газ сгорает над плавильнымпространством, где создается температура до 1750–1800° С. Газ и воздухпредварительно подогреваются (1200–1250° С) в регенераторах за счет тепла сгоревших газов, выходящих в трубу. Два регенератора: один работает, а другой накапливает тепловую энергию. Для интенсификации процесса ванну продувают кислородом. Раскисление металла проводят ферросилицием и ферромарганцем в ванне, а окончательное — алюминием и ферросилицием в сталеразливочном ковше.

Сталь высокого качества выплавляют в дуговых и индукционныхэлектропечах. Процесс примерно такой же, как и в мартеновской печи, но температура выше, поэтомуможно получать в электропечах тугоплавкую сталь,содержащую хром, вольфрам и др. Два периода при выплавке электростали: окислительный (выгораютSi, Mn, C, Fe) за счет кислорода, воздуха и оксидов шихты; восстановительный — раскисление стали, удаление серы. Для этого вводят флюс, состоящий из извести и плавикового шпата.

Индукционная плавкаприменяется обычно для переплавки сталей и получения высоколегированных и специальных сталей в условиях вакуума или специальной регулируемой атмосферы.