4.1. Виробництво чавуну

4.1.1. Поняття про металургійний завод і комбінат

Чорна металургія – це галузь важкої промисловості, що складається з ряду взаємозалежних підгалузей: видобуток, підготовка залізоруд­ної сировини, безпосередньо металургійне виробництво (доменне, сталеплавильне, прокатне, ферросплавне), трубне, метизне, коксохімічне, виробництво, виробництво вогнетривів і ряд інших підгалузей.

Чавун, сталеві зливки, прокат (рейки, балки, швелери, кутки, труби, плити, листова і рулонна сталь, сталеві канати, дріт), метизи – ось стислий перелік продукції металургійного виробництва.

Сучасний металургійний завод – складне розгалужене господарство з великою концентрацією виробництва. Його основна продукція – чавун, металеві сплави. Металургійний комбінат працює за повним замкнутим циклом, тобто має у своєму складі усі види металургійного виробництва, включаючи прокатне. Його виробнича потужність – від 6 до 15 млн тонн сталі на рік. У той же час існують заводи неповного металургійного циклу, у складі яких відсутні цехи підготовки рудної шихти, доменні цехи (наприклад, московські заводи “Серп і молот”, “Електросталь”, а в Україні – “Істіл” (м. Донецьк)).

4.1.2. Вихідні матеріали для виплавки чавуну

Вихідними матеріалами для виробництва чавуну є руди, паливо і флюси. Основним видом сировини служать залізні руди, що містять хімічні сполуки заліза з киснем і порожні породи з глинозему (Al₂O₃), оксидів кальцію і магнію (СаО, MgО) та ін.

Цінність залізної руди визначається вмістом у ній заліза. Наявність шкідливих домішок (сірки, фосфору й ін.) обумовлює погіршення якості одержуваного чавуну і необхідність додаткових витрат на їхнє видалення.

Джерелом тепла для розплавлювання руди служить паливо – кокс, який одержують із коксівного вугілля шляхом його нагрівання в спеці­альних печах до 1000-1100ºС без доступу повітря. Кокс також бере участь у хімічних реакціях виробництва чавуну.

У число сирих матеріалів при виплавці чавуну входять флюси – мінеральні речовини, що додаються в шихту для зниження температури плавлення порожньої породи і видалення у виді шлаку непотріб­них компонентів (золи, сірки, порожньої породи).

Руда, паливо і флюси, взяті у визначених дозах (за масою), називаються шихтою.

4.1.3. Технологія виплавки чавуну

Доменна піч (рис. 4.1) являє собою шахтну піч круглого перетину, укладену в металевий суцільнозварний корпус товщиною 25-30 мм у верхній і 35-50 мм у нижній частині. Зсередини піч обкладена (футерована) вогнетривкою цеглою.

Сучасна доменна піч складається з колошника, шахти, розпару, заплічників і горна. У верхній частині печі на колошнику встановлений засипний апарат 1, що служить для засипання шихтових матеріалів, і газовідводні труби 2, через які відводиться доменний газ.

Нижня частина – горн має циліндричну форму. У верхній частині горна розташовані фурми 3, через які в піч подаються підігріте до 1000-1200ºС повітря і природний газ. Нижня частина горна, в якому збирається чавун і шлак, називають лещаддю. Вище неї розташований ливник 5 для випускання чавуну, а на висоті 3-3,5 м – шлаковий ливник 4. Обидва ливники забиваються вогнетривкою масою, а перед випусканням чавуну пробиваються.

Сутність доменного процесу полягає у відновленні оксидів заліза, яке забезпечується безупинною взаємодією шихтових матеріалів, що опускаються, і висхідного потоку пальних газів, що утворюються при горінні коксу в горні.

При нагріванні шихти відбувається видалення вологи і розкладання карбонатів, а оксиди заліза під дією газів СО, Н₂ і твердого вуглецю коксу поступово перетворюються в залізо за схемою F₂O₃ F₃O₄ FeO Fe.

Основний і найважливіший процес у горні доменної печі – спалювання вуглецю коксу. У результаті горіння коксу виділяється необхідне для процесу тепло, утворюються відновні гази і звільняється об’єм, що сприяє руху шихти згори вниз. У доменній печі залізо відновлюється майже цілком. Постійно контактуючи з доменним газом і розпеченим коксом, губчате залізо, відновлене зі шматків агломерату, окатишів або руди, поступово насичується вуглецем. При 1135ºС у залізі може розчинятися 4,3% вуглецю.

Навуглецювання заліза, тобто насичення його вуглецем, в основному, відбувається в зоні заплічників печі. Тут утворюються краплі сплаву FeС, що цівками стікають у горн печі. При русі вниз рідкий метал стикається зі шматками розпеченого коксу, відбувається розчинення вуглецю в залізі, концентрація вуглецю підвищується до 3,5-4,5%. Крім вуглецю в розплав заліза переходять частково відновлені кремній, марганець, фосфор і сірка. Цей багатокомпонентний сплав заліза називають чавуном. Залежно від складу шихти в чавуні можуть бути також хром, нікель, ванадій, титан, мідь і миш’як.

Випускання продуктів плавки здійснюється роздільно: чавуну – через кожні 1,5-2 години, шлаку – через 1 годину. Чавун випускається в чавуновозні ковші й транспортується для розливу в чушки або для подальшої переробки в сталеплавильні цехи. Доменна піч працює безупинно протягом 10-12 років, після чого піддається капітальному ремонту.