32. Производства чугуна. Сырье, химические реакции, устройство доменной печи. Пути интенсификации доменного процесса. Технологическая схема производства.

Сырье. Сырьем для выплавки чугуна служат железные руды, флюсы, топливо и воздух, а иногда и марганцевые руды. Железные руды, помимо соединений железа, содержит пустую породу (кремнезем, глины, сланцы и т.д.) и в качестве примесей соединения серы, фосфора и других элементов. Сера встречается в рудах в виде пирита, фосфор в виде фосфорита и так же является вредной примесью. Черная металлургия использует железные руды: Магнитный железняк или магнетит – это оксид Fe (Fe₃O₄). Богатые руды содержат от50-60% Fe. Красный железняк, или гематит, - это Fe₂O₃. Содержание Fe 51-66% при небольшом количестве серы и фосфора. Бурые железняки представляют собой Гидроксиды состава mFe₂O₃*nH₂O. Они часто бывают загрязнены серой и фосфором, а иногда содержат никель, хром. Содержание Fe 37-55%. Шпатовый железняк, или сидерит, FeCO₃. Это очень бедные железом руды, вследствие чего их применение ограничено. Содержание Fe 30-40%. Главным месторождением железных руд является Курская магнитная аномалия. Назначение флюсов – образовывать с пустой породой руды и золой кокса сравнительно легкоплавкий сплав (шлак), не смешивающийся с чугуном, пустая порода содержит чаще всего избыток кремнезема, и, чтобы образовать шлак, в шихту добавляют в качестве флюсов более чистый известняк CaCO₃ или доломит. Основным видом топлива является кокс в виде крупных, прочных и пористых кусков с высоким содержанием углерода. При его сгорании выделяется теплота необходимая для нагревания шихты и поддерживания высокой температуры. Воздух, необходимый для окисления углерода, поступает нагретым до 700-800⁰С и даже до 1000-1200⁰С в крупных печах под избыточным давлением. Руду дробят сперва на щековых и конусных дробилках на куски, а для мелкого дробления применяют валковые дробилки. После этого руду сортируют по классам. Посредством мокрого обогащения от руды отмывают глину и песок. Магнетитовые руды подвергают электромагнитному обогащению, а руды, содержащие красный или бурый железняки, - восстановительному обжигу:

3Fe₂O₃ + CO=2Fe₃O₄ + CO₂ (восстановление)

6Fe₂O₃ =4Fe₃O₄+O₂ (диссоциация) после чего проводят электромагнитное обогащение. Усреднение руд – выравнивание сырья, поступающего в плавку, по качеству, т.е. приблизить неодинаковый состав отдельных порций металлов к его среднему значению. Агломерация – процесс спекания концентрата руды в крупные пористые куски, пригодные для использования в доменной печи: мелкоизмельченную руду перемешивают с мелочью кокса, мелкоизмельченными флюсами и увлажняют.

Доменная печь. Чугун из железных руд выплавляют в специальных шахтных печах – домнах. Ее выкладывают из огнеупорного кирпича и заключают в стальной кожух. Для повышения стойкости огнеупорной футеровки домну охлаждают водой (спец. Холодильники). Сверху печь закрывают засыпным аппаратом, который служит для герметичной загрузки сырья в домну без выхода газов из нее наружу. Подготовленное сырье поступает со склада в бункеры, затем на автоматические весы и в скип. По рельсам наклонного моста скипового подъемника одновременно движутся два скипа: один – вверх, другой – вниз. Сырье загружают в печь отдельными порциями (колошами): руду с флюсами, а затем кокс и т.д. через каждые 5-10 мин, по мере опускания шихты. Цилиндрическую часть печи, которая служит для приема шихты, называют колошником. Ниже его находится основная часть печи – шахта, расширяющаяся книзу, чтобы вызвать разрыхление постепенно опускающейся шихты и тем самым обеспечить лучшее соприкосновение ее кусков с поднимающимся вверх газом. Шахта опирается на опорное кольцо, поддерживаемое колоннами. Вслед за наибольшим расширением (распар) домна суживается книзу (заплечики), т.к. здесь объем шихты вследствие расплавления и сгорания отдельных компонентов ее резко уменьшается. Нижняя цилиндрическая часть печи (горн) имеет 12-24 отверстий (амбразур). Воздух, необходимый для горения топлива, подают в печь через специальные фурменные устройства, в которые он поступает по кольцевому воздухопроводу, опоясывающему горн. Вследствие того что фурмы работают при высокой температуре, их вставляют в амбразуры, которые непрерывно охлаждаются водой. Фурмы изготовляют из меди и из алюминия. Их располагают на одинаковом расстоянии друг от друга, образуя фурменный пояс печи, а это обеспечивает равномерную подачу воздуха по всему ее сечению. Недалеко от пода печи (лещади) находится отверстие для выпуска чугуна (чугунная летка), заделанное огнеупорной массой, а несколько выше – летка для шлака. Расстояние от оси чугунной летки до верхнего уровня засыпки шихты называют полезной высотой, а отвечающий ей объем – полезным объемом домны.

1. В верхней части горна сгорание кокса, t мак.:

C+O₂ =CO₂ +Q

2)Восстановление СО с избытком углерода в СО:

СО₂ +С=2СО-Q

3)При сгорании CH образуется СО и водяной пар:

СН₄ + 2О₂ =СО₂ +2Н₂О+Q

H₂O+C=H₂ +CO-Q

4)Восстановления оксида Fe(III) в верхней части шахты:

3Fe₂O₃ +CO=2Fe₃O₄ +CO₂ +Q

Устанавливается равновесие, т.к. в газовой фазе участвуют СО₂ и СО.

Fe₃O₄+ CO = 3FeO + CO₂ – Q

5)Получение металлического железа:

FeO + CO = Fe + CO₂ + Q

6)В заплечниках и в горне при высоких t восстановление доходит до конца:

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂ + Q

Побочные реакции (1150-1300⁰С):

А) SiO₂ + 2C = Si + CO – Q (1450⁰C)

B) MnO + C = Mn + CO ~1000⁰C

C) FeS + CaO = FeO + CaS

FeS + Mn = Fe + MnS + Q

MnS + CaO = MnO + CaS

D) 4CaO*P₂O₅ + 4SiO₂ = 4CaO*SiO₂ + P₂O₅

P₂O₅ + 5C = 2P + 5CO

E) Ca₃(PO₄)₂ + 5C + 3SiO₂ = 2P + 5CO + 3CaSiO₃ – Q