2. Выплавка чугуна
Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах.
Доменная печь имеет стальной кожух, выложенный огнеупорным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15.
Устройство доменной печи
Выплавка чугуна производится в огромных доменных печах, выложенных из огнеупорных кирпичей достигающих 30 м высоты при внутреннем диаметре около 12 м. Верхняя ее половина носит название шахты и заканчивается наверху отверстием – колошником, которая закрывается подвижной колонкой – колошниковым затвором. Самая широкая часть печи называется распаром, а нижняя часть – горном. Через специальные отверстия в горне (фурмы) в печь вдувается горячий воздух или кислород. Доменную печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом и коксом. Горение и необходимая для выплавки чугуна температура поддерживаются вдуванием в горн подогретого воздуха или кислорода. В горне кокс сгорает, образуя СО2, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои наколенного кокса, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся оксид углерода и восстонавливает большую часть руды, переходя снова в СО2. Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части шахты. Пустую породу в руде образуют, главным образом диоксид кремния SiO2. Это – тугоплавкое вещество. Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляются флюс. При взаимодействии его с SiO2 образуется CaSiO2, легко отделяющийся в виде шлака. При восстановлении руды железо получается в твердом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи – распар – и растворяет в себе углерод; образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки выпускают по мере накопления через особые отверстия, забитые в остальное время глиной. Выходящие из отверстия печи газы содержат до 25% СО. Их сжигают в особых аппаратах-кауперах, предназначенных для предварительного нагревания вдуваемого в печь воздуха. Доменная печь работает непрерывно. По мере того как верхние слои руды и кокса опускаются, в печь добавляют новые их порции. Работа печи продолжается в течение нескольких лет, пока печь не потребует капитального ремонта. Чугун выпускают из печи каждые 3…4 часа, а шлак – каждые 1…1,5 часа. Чугун поступает в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи, или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.
Процесс выплавки может быть ускорен путем применения в доменных печах кислорода. При вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха предварительный подогрев его становится излишним, а значит, отпадает необходимость в громоздких и сложных кауперах и весь процесс упрощается. Вместе с тем производительность печи повышается и уменьшается расход топлива. Такая доменная печь дает в 1,5 раза больше железа и требует кокса на 50% меньше чем обычная.
Таким образом, сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива.
При выплавке чугуна решаются задачи:
-
Восстановление железа из окислов руды, науглероживание его и удаление в виде жидкого чугуна определённого химического состава.
-
Оплавление пустой породы руды, образование шлака, растворение в нём золы кокса и удаление его из печи.
Продукты доменной плавки
1. Чугун:
- передельный чугун (90 % общего производства чугуна). Содержит 3,8…4,4 % углерода, 0,3…1,2 % кремния, 0,2…1 % марганца, 0,15…0,20 % фосфора, 0,03…0,07 % серы.
- литейный.
2. Ферросплавы – сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Их применяют для раскисления и легирования стали.
3. Шлак (изготовляют шлаковату, цемент, удобрения).
4. Доменный газ (после очистки используется как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в печь).
Важнейшие технико-экономические показатели работы доменных печей
1. Коэффициент использования полезного объёма доменной печи (КИПО) – это отношение полезного объема печи V (м3) к ее среднесуточной производительности Р (т) выплавленного чугуна.
(м3/т)
Чем ниже КИПО, тем выше производительность печи. Для большинства доменных печей КИПО = 0,5…0,7 (для передовых – 0,45)
2.Удельный расход кокса, К – это отношение расхода кокса за сутки А(т) к количеству чугуна, выплавленного за это же время Р(т).
Удельный расход кокса в доменных печах составляет 0,5…0,7 (для передовых – 0,36…0,4)
K – важный показатель, так как стоимость кокса составляет более 50% стоимости чугуна.
Многовековое существование металлургии отягощает ее современный облик устаревшими технологиями, не учитывающими новые экологические требования по защите окружающей среды. Сталь производят на интегрированных заводах из чугуна, используя капиталоемкие кислородные конверторы или мартеновские печи для удаления углерода. В то же время чугун производят из сырья, не содержащего углерода, но при выплавке в домне по условиям технологии происходит его науглероживание.
Производственный цикл выпуска металлопродукции подразделяется на две стадии:
1) получение жидкого металла;
2) обработка стальных заготовок в твердом состоянии при высоких температурах с получением различной металлопродукции.
Пластическая деформация металла на 2-й стадии меньше всего связана с загрязнением окружающей среды и обеспечивается в настоящее время все более совершенным оборудованием.
Более консервативной является стадия получения жидкого металла, основным звеном которой является доменная печь, в которой используется кокс. Коксохимическое производство - один из основных источников загрязнения окружающей среды. Доменная печь требует специальной подготовки к плавке железорудного сырья: измельчения, обогащения, окускования в виде агломерата и окатышей. Все это вынуждает иметь горно-обогатительные комбинаты или производства. Конструкция доменной печи не позволяет осуществлять непрерывный выпуск из нее металла, хотя сам процесс его выплавки происходит непрерывно. Это не благоприятствует разработке непрерывных сталеплавильных процессов.