1.2. Производство чугуна

Чугуном называется сплав железа с углеродом с содержанием его более 2,14%. Кроме этого в сплаве имеются кремний Si < 3,75%, марганец Mn < 2,5 %, содержание вредных примесей ограничивается, например S < 0,07 %. Содержание фосфора (Р) в чугуне, который используется для художественного литья, может достигать до Р < 1,2 %.

Чугун является исходным материалом для производства стали. Кроме того, чугун является наиболее распространенным литейным сплавом.

Для получения черных металлов чугуна используются руды. Рудой называется горная порода, из которой экономически целесообразно извлекать металлы и их соединения. Экономическая целесообразность определяется браковочным пределом по извлекаемому металлу.

Так, для железа он составляет 20…60, для меди 1…3 % и т.д. Руды обычно называют по одному или нескольким металлам, которые содержатся в них. Так, для производства чугуна используются железные и марганцевые руды. Руда состоит из рудного минерала, пустой породы и примесей. Примеси могут быть полезными и вредными. К вредным примесям относятся сера, фосфор, мышьяк, цинк.

Рудным минералом называется природные химические соединения металлов (чащу всего оксиды). Пустая порода – балластные химические соединения, не содержащие основные металлы руды. Так, пустая порода железной руды обычно состоит из кварцита SiO₂ или песчаника с примесью глинистых веществ (Al₂O₃, 2SiO₂ 2H₂O).

Для выплавки чугуна применяют красный, бурый, магнитный и шпатовый железняки. Красный железняк (гематит) содержит 55…60 % железа, а некоторые разновидности – до 69 % железа в виде в виде безводной окиси железа Fe₂O₃. Магнитный железняк Fe₃O₄ содержит 55…60 % Fe, который имеет высокую магнитную восприимчивость. Бурый железняк содержит 35…55 % железа в виде водных окислов (лимонит-2Fe₂O₃ 3H₂O и гетит – Fe₂O₃H₂O). Шпатовый железняк (сидерит) содержит 30…40 % железа в виде FeCO₃.

Чугун получают в доменных печах. Для получения чугуна используются железные и марганцевые руды, флюс (CaCO₃), кокс, природный газ.

В зависимости от количества пустой породы железные руды разделяются на богатые, содержащие 45 –70 % железа, и бедные. Богатые руды после дробления и сортировки направляют в плавку, а бедные подвергают обогащению, в результате которого увеличивается относительное количество окислов железа.

1.2.1.Подготовка руды к плавке

Подготовка руды к плавке имеет большое значение, так как от этого зависит поступление сырья определенной крупности, равномерного химического состава. Подготовка руды к плавке способствует ускорению плавки, снижает расход кокса, повышает эффективность работы доменной печи и включает в себя:

• дробление и измельчение кусков руды (оптимальные размеры 30...80 мм);

• обогащение (гравитационное обогащение, магнитная сепарация, флотация, магнетизирующий обжиг);

• окускование железорудного сырья (агломерация и получение окатышей).

Окускование железорудного сырья

Агломерация - это спекание мелкой и порошкообразной руды 40...50 %, мелкого кокса 4...6 %, измельченной извести 15...20 %, возврата мелкого агломерата 20…30 %.Хорошо измельченная шихта увлажняется (10 %). Спекание шихты производится на агломерационной машине при Т_сп = 1400...1500 С. Подготовленную шихту направляют на спекание, осуществляемое на колосниковой решетке. Схема процесса представлена на рис. 1.1.

Под колосниковой решеткой создают разрежение около 7...10 кПа, в результате с поверхности в слой засасывается наружный воздух. Чтобы процесс начался, специальным зажигательным устройством нагревают до 1200...1300 С и топливо воспламеняется. Горение поддерживается в результате просачивания атмосферного воздуха под действием разрежения. При достижении зоной горения “постели”, процесс спекания заканчивается. Он обычно продолжается 10...20 мин. В зоне горения температура достигает 1500 С. Продукты сгорания отдают свое тепло нижним слоям и уходят с температурой около 60 С...150 С. При агломерации образуются легкоплавкие соединения, например - фаялит 2FeO SiO₂ ( tпл = 1205 C), ферриты CaO 2Fe₂O₃ ( t = 1230 С) и др. При этом они связывают более тугоплавкие и крупные компоненты руды. Агломерат обладает достаточной прочностью, высокой пористостью, хорошей восстанавливаемостью. При агломерации значительно выгорает сера и частично удаляется мышьяк, но фосфор не удаляется. Производительность агломерационных машин достигает 2...2,5 тыс. т агломерата в сутки.

К эксгаустеру

Рис.1.1. Схема агломерационного процесса: 1 колосниковая решетка; 2 – высота постели 30...35 мм, состоит из возврата крупностью 10...25 мм); 3 – шихта (250…350 мм)

Производство окатышей: суть этого способа заключается в перемешивании рудной мелочи и пыли с небольшим количеством дешевого тонкоизмельченного связующего, обычно глины и известняка. После увлажнения (8…10 %) эту смесь помещают в смеситель типа пустотелого барабана. Рудная шихта, вращаясь в барабане, пересыпается с места на место, слипается, образуя круглые окатыши размером 25…30 мм. Затем окатыши сушат или обжигают, чтобы сделать достаточно прочными для применения в доменных печах. Обжиг в восстановительной атмосфере позволяет частично восстановить окислы железа и повысить тем самым производительность доменных печей.