4.1. Чорна металургія

Завдання чорної металургії виробляти залізо у вигляді сплавів – чавуну і сталі, які називаються чорними металами. В чистому вигляді залізо отримують і споживають в незначній кількості.

Чорна металургія займає друге місце (після енергетики) за загальною кількістю викидів в атмосферу серед галузей промисловості. Переважно викиди складаються з оксидів вуглецю (67,5% сумарного викиду), твердих речовин (15,5%), діоксиду сірки (10,8%) та оксиду азоту (5,4%). Щорічно у поверхневі водні об’єкти скидається до 1,0 млн.м³ стічних вод, з яких 85% містять значну кількість забруднюючих речовин, включаючи сульфіди, хлориди, сполуки заліза, важких металів тощо. За даними аерокосмічних знімків снігового покрову, зона дії підприємств чорної металургії простягається на відстань до 60 км від джерела забруднення.

4.1.1. Виробництво чавуну

Чавун  найважливіший первинний продукт чорної металургії. Він використовується як ливарний сплав, але, основне, як сировина для виготовлення сталі. Широкому використанню чавуну сприяє його міцність та добрі ливарні якості. В машинобудуванні на долю чавунних деталей припадає 75 % від загальної маси заготовок.

Заводи з виробництва чавуну та сталі в Україні здебільш прив’язані до залізорудних гірничодобувних комбінатів і до джерел виготовлення коксу. Найбільша кількість їх розташована в районах: Наддніпрянщина (Дніпропетровськ, Дніпродзержинськ, Запоріжжя); Криворіжжя (Кривий Ріг); Донбас (Донецьк, Макіївка, Алчевськ, Костянтинівка, Енакієво, Краматорськ); Приазов’я (Маріуполь, Керч).

Сучасне виробництво дозволяє виробляти чавун різної якості, що визначає його різне використання в народному господарстві. Це такі різновиди чавуну:

1) сірий використовують в машинобудуванні, будівельних конструкціях і сантехніці;

2) половинчастий – використовують як фрикційний матеріал (гальмівні колодки) і для деталей підвищеної зносостійкості (прокатні валки);

3) високоміцний – використовують для заміни стальних, ливарних та ковких деталей в машинобудуванні;

4) білий – використовують для виготовлення деталей, що працюють в умовах підвищеного абразивного зношування;

5) ковкий – переважно використовується в автомобільному, тракторному і сільськогосподарському машинобудуванні;

6) легований ‑ знаходить застосування в середовищах з підвищеною агресивністю і перенавантаженням.

Чавун одержують в доменних печах (рис. 16). Металургійний цикл розпочинається з підготовки руди, з якої виготовляють чавун. Первинна підготовка руди має велике значення: чим ретельніше підготувати руду до доменної плавки, тим вища продуктивність печі, нижчі витрати палива та вища якість чавуну, що виплавляється.

Схема підготовки руди складна і має таку послідовність: подрібнення, магнітна сепарація, флотація, усереднення, окускування залізної сировини, отримання окатишів.

Шихта-суміш, що подається в лійку доменної печі, складається з таких основних частин, які беруться у відповідних співвідношеннях: руда у вигляді червоних, бурих, магнітних залізняків або залізного шпату (40...70%), колошниковий пил (20...30%), чавунний брухт (5...10%).

Для виплавляння чавуну з руди потрібно в доменній печі підтримувати температуру близько 1500С. Для цього в печі зпалюють різні види палива, основним з яких є кам’яновугільний кокс. Але з метою зниження витрат коксу та підвищення інтенсивності виплавки чавуну в доменну піч вдувають природний газ, а також додають мазут та вугільний пил.

Рис. 16. доменна піч:

1 – подача шахти; 2 ‑ лійка; 3 – вихід колошникового газу; 4 – повітряна фурма; 5 – шлакова летка; 6 –горно; 7 – чавуна летка

В залізних рудах і в золі від коксу містяться кремнезем та глинозем у надмірних кількостях, тому в шихту як флюс додають вапняк або доломіт. Вони сприяють шлакуванню сірки – шкідливої домішки в чавуні.

Отримання чавуну можна описати такою загальною схемою: підготовка шихти – завантаження печі – доменний процес – розлив чавуну.

Підготовка шихти перед завантаженням в доменну піч заключається в її агломерації (спіканні) або у виготовленні з неї окатишів. Але ці процеси супроводжуються виділенням значної кількості пилу і шкідливих газів.

Так виробництво 1 т агломерату супроводжується виділенням 2500…4000 м³ газів, які містять 5…60% г/м³ пилу, 0,3…3% оксиду вуглецю, 4…10% діоксиду вуглецю, 12…17% кисню, 0,01…0,60% діоксидів сірки, азот та інертні гази. При виробництві окатишів з 1 м² корисної площі машини виділяються 63…69 м³/хв газів, які містять 2,2…3,7% діоксиду вуглецю, 75...78% азоту, 15…20% кисню, 1,6…5,7% водню, 0,1 оксиду вуглецю, 0,03…0,2 діоксиду сірки, 2,5…4% пилу.

Подрібнені шматки агломерату або окатиші за допомогою скипів подаються у верхню частину доменної печі – лійку, відкіля вони через колошниковий затвор потрапляють в шахту. Шахта має конусоподібну форму, що дозволяє шихті внаслідок розширення при нагріванні вільно рухатись вниз до розпару. На рівні розпару та заплечиків утворюється губчасте залізо, яке поступово навуглецьовується, плавиться і стікає в горно.

Разом з чавуном в горно потрапляє рідинний шлак, який є побічним продуктом плавки. Він утворюється в доменній печі з флюсів, золи коксу, пустої породи та агломерату. Чим бідніша шихта на вміст заліза, тим більший вихід шлаку з печі. В середньому в Україні на кожну тонну чавуну припадає 0,3…0,6 т шлаку.

Так як рідинний чавун має густину (6900 кг/м³) набагато більшу ніж густина рідинного шлаку (2500 кг/м³), то в нижній частині горну збирається чавун, а у верхній – шлак. Для випуску їх з печі в кожній зоні горну влаштовують дві леткі: нижня для чавуна, верхня для шлаку.