4. Производство чугуна

4.1. Материалы, применяемые для производства чугуна

Чугун  это сплав железа с углеродом, содержание углерода в котором 2,14…6,67 %.

Чугун выплавляют из железных руд пирометаллургическим способом в доменных печах, используя для этого твердое топливо  кокс и флюсы.

Железные руды содержат железо в виде оксидов, гидратов оксидов, карбонатов. Пустой породой в железных рудах обычно является кварцит или песчаник, глинистые вещества.

К основным железным рудам относятся:

магнитный железняк  содержит до 65 % железа в виде оксида Fe₃O₄;

красный железняк  содержит до 60 % железа в виде оксида Fe₂O₃;

бурый железняк  содержит до 55 % железа в виде гидратов оксидов nFe₂O₃  mH₂O;

шпатовый железняк  содержит до 40 % железа в виде углекислой соли FeCO₃.

Топливо (кокс) в процессе выплавки чугуна выполняет роль не только горючего, но и восстановителя железа из руды.

Флюсами при выплавке чугуна в доменной печи служат известняк CaCO₃ или доломит СаСО₃  MgCO₃. Их назначение  перевод пустой породы (в основном SiO₂ и Al₂O₃) в шлак, а также связывание и удаление серы, находящейся в топливе и руде.

Огнеупорным материалом для футеровки доменной печи служит шамот.

4.2. Подготовка руд к плавке

Перед плавкой железные руды подвергают обогащению, агломерации, окатыванию.

Обогащение руды. Увеличение содержания железа в руде достигается: промывкой руды водой, что позволяет отделить часть песчано-глинистой породы; гравитацией (отсадкой), основанной на отделении руды от легкой пустой породы при пропускании под напором воды через руду. Магнетитовые руды обогащают способом магнитной сепарации, основанной на различии магнитных свойств железосодержащих минералов и частиц пустой породы.

Для улучшения процесса плавки обогащенную руду (концентрат) перерабатывают в кусковые материалы агломерацией или окатыванием.

Агломерация заключается в спекании руды (40…50 %), известняка (15…20 %), возврата мелкого агломерата и кокса при температуре 1300…1500 С. При этом из руды удаляется часть примесей, разлагаются карбонаты и образуется пористый офлюсованный материал  агломерат. Применение офлюсованного агломерата позволяет повысить производительность доменных печей на 10…25 % и уменьшить расход кокса на 10…20 %.

Окатывание заключается в окусковании тонко измельченных концентратов. Для этого концентрат, флюсы и топливо увлажняют и загружают во вращающуюся наклонную чашу (гранулятор) или в пустотелый барабан, где и образуются окатыши-шарики диаметром 25…30 мм. Готовые окатыши высушивают и обжигают при 1200…1350 С. Использование окатышей и агломерата, улучшает доменную плавку, повышает производительность доменной печи, уменьшает расход топлива.

4.3. Выплавка чугуна

Производство чугуна является восстановительным процессом.

Чугун выплавляют в доменных шахтных печах, выложенных из огнеупорного кирпича и заключенных в кожух из листовой стали толщиной до 35 мм. Современная доменная печь имеет высоту до 35 м с полезным объемом до 5000 м³.

4.4. Физико-химическая сущность доменного процесса

Доменная печь работает по принципу противотока: шихтовые материалы движутся сверху вниз, а навстречу им поднимается поток горячих газов  продуктов сгорания топлива. При этом происходит горение топлива, восстановление и науглероживание железа, восстановление других элементов, образование шлака.

В районе воздушных фурм углерод кокса, взаимодействуя с кислородом дутья, сгорает, в результате чего температура в этой зоне печи достигает 1800…2000 С. Углекислый газ СО₂, взаимодействуя с углеродом кокса, образует оксид углерода СО  главный восстановитель железа. Несколько выше, в зоне печи с температурой 700…450 С часть оксида углерода разлагается с образованием сажистого углерода.

Шихтовые материалы, опускаясь навстречу потоку раскаленных газов, нагреваются, из них испаряется влага, выделяются летучие вещества. При достижении температуры 750…900 С в шихте восстанавливается железо до образования закиси железа FeO. Часть закиси железа опускается до распара и заплечников доменной печи и восстанавливается углеродом кокса.

В восстановлении железа участвуют также сажистый углерод и водород.

В результате этих реакций образуется твердое губчатое железо. При 1000…1100 С губчатое железо науглероживается.

Углерод понижает температуру плавления железоуглеродистого сплава, поэтому, опускаясь в нижнюю часть шахты, сплав начинает плавиться, дополнительно насыщается углеродом и другими элементами, восстанавливаемыми из руды  марганцем, кремнием, фосфором, серой.

Марганец содержится в руде в виде оксидов, легко восстанавливаемых до оксида MnO, который затем частично восстанавливается твердым углеродом.

Кремний содержится в пустой породе руды в виде кремнезема SiO₂, также восстанавливается твердым углеродом. Невосстановленные оксиды марганца и кремния переходят в шлак.

Фосфор находится в руде, главным образом, в виде соединения Р₂О₅3СаО, восстанавливается оксидом углерода и твердым углеродом и почти полностью переходит в сплав.

Сера вносится в доменную печь в составе руды и кокса в виде соединений FeS₂, FeS, CaSO₂, CaS. Значительная часть серы удаляется в виде летучих соединений (SO₂, H₂S и др.), другая переходит в сплав (FeS) или шлак (СаS).

Таким образом, в зоне распара в доменной печи между собой взаимодействуют кокс, окислы, газы, шлак и сплав из Fe, C, Mn, Si, S, P и других элементов. Полученный сплав железа с углеродом (С от 2,14 до 6,67 %) и называется чугуном. Температура его плавления около 1200 С, сплав находится в жидком состоянии и стекает в нижние зоны печи.

Одновременно в нижней части печи на поверхности жидкого чугуна собирается шлак  сплав пустой породы, флюсов, золы топлива, а также часть невосстановившихся оксидов. По мере образования и накопления чугун и шлак выпускают из печи: чугун через 3…4 ч, а шлак  через 1…1,5 ч .