Подготовка исходных материалов к плавке
Сейчас для выплавки чугуна до 95% железных руд предварительно подготавливают как по качеству, так и по величине кусков, 5% руды используют без обработки. Железную руду подготавливают в следующем порядке:
1. Железную руду дробят для измельчения до нужной фракции.
2. Сортируют руду по крупности фракций (10…80 мм).
3. Бедные руды обогащают, удаляя часть пустой породы промыванием или магнитным сепарированием, с целью повышения содержания железа.
4. Окускование мелкой обогащенной и необогащенной руды в более крупные фракции размером более 10 мм.
Окускование осуществляют путем агломерации (спекания) смеси кусочков руды, кокса и флюсов в большие пористые куски. Рудную мелочь смешивают с пылевидным топливом и загружают в коробки с решетчатым дном. Смесь поджигают. Температура достигает 1500 0С, руда спекается и образуется прочный пористый агломерат.
Доменный процесс.
Доменное оборудование.
Доменная печь – печь шахтного типа (рис. 4.1). Верхняя часть печи называется колошником, который предназначен для приемки шихтовых материалов и отвода газов. Засыпной аппарат 1 предназначен для загрузки в печь сырья, которое подается на колошник при помощи наклонного скипового подъемника. К колошнику подведены трубы 2 для отвода доменного (колошникового) газа. Ниже колошника расположена шахта, которая, имея форму усеченного конуса, позволяет сырью легко опускаться до низа печи, а также благоприятствует лучшему распределению газов. Шахта заканчивается цилиндрическим распаром. Под распаром размещены заплечики, которые имеют форму усеченного конуса с расширением вверх. В заплечиках объем сырья резко уменьшается вследствие образования жидких продуктов плавки. Нижняя часть печи называется горном. Через фурмы 10 в печь вдувается воздух, предварительно нагретый в воздухонагревателях. Ниже фурменных отверстий 10 размещается лётка 15 для выпускания шлака. Дно горна называется лещадь, которая опирается на фундамент. На уровне лещади размещена лётка 13 для выпускания жидкого чугуна.
Расстояние от оси чугунной лётки до уровня засыпания исходных материалов на колошнике называется полезной высотой печи, а соответствующий объем рабочего пространства – полезным объемом печи.
Огнеупорную кладку 4 помещают в стальной кожух 5 и охлаждают водой при помощи специальных холодильников 7.
К примеру, полезный объем печи в Кривом Рогу 5000 м3, и ее продуктивность составляет более 11000 т чугуна в сутки (построена в 1978 г.).
Процесс получения чугуна.
В печи сверху вниз движется поток сырья (шихта), а снизу вверх – поток горячих газов. Горячие газы, проходя сквозь сырье, нагревают его и восстанавливают железо из соединений. Восстановленное железо науглероживается, плавится и превращается в чугун, в котором растворяются другие восстановленные элементы (кремний, марганец, фосфор). Пустая порода, зола расплавляются и образуют шлак.
Рис. 4.1. Доменная печь (вертикальный разрез)
1 – засыпной аппарат; 2 – газоотводы; 3 – защитные щиты; 4 – огнеупорная кладка;
5 – стальной кожух; 6 – кольцевые площадки; 7 – холодильники шихты; 8 – опорное кольцо; 9 – кольцевой воздухопровод; 10 – фурменный рукав; 11 – рабочая площадка; 12 – колонна; 13 – летка для чугуна; 14 – холодильники; 15 – летка для шлака
Железо восстанавливается из руды оксидом углерода (СО) или твердым углеродом. Процесс восстановления происходит последовательно. Восстановление оксидом углерода (непрямое восстановление) происходит в такой последовательности:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + Q
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 - Q
FeO + CO = Fe + CO2 + Q
Прямое восстановление железа из руды при помощи твердого углерода происходит в более горячих нижних зонах доменной печи
2СО→СО2 + С + Q
FeO + C = Fe + CO – Q
Также происходит восстановление кремния и марганца:
SiO2 + 2C = Si + 2CO – Q
Mn3O4 + CO = 3MnO + CO2 + Q
MnO + C = Mn + CO – Q
Сера S попадает в печь вместе с шихтовым материалом. Железосодержащий сплав FeS восстанавливается известью и твердым углеродом:
FeS + CaO + C = Fe + CO + CaS – Q
Большая часть серы удаляется из металла и переходит в шлак. Содержание серы в чугуне допускается до 0,08%. Фосфор, как и сера, попадает в печь с сырьевым материалом и является вредной примесью. Он практически весь попадает в чугун.
Восстановленное в печи железо – это твердый и пористый продукт, который имеет название губчатое железо. В результате взаимодействия с оксидом углерода или с твердым углеродом железо науглероживается и образует карбид (цементит) железа:
3Fe + 2CO = Fe3C + CO2
3Fe + C = Fe3C
Науглероженное железо при температуре 12000С переходит в жидкое состояние и каплями стекает в горн доменной печи.
Продуктами доменной плавки являются чугун, ферросплавы, шлак и колошниковый газ.
Чугун выплавляется передельным (для передела в сталь), объем которого составляет 80…85% всего доменного производства, и литейным (для получения отливок из чугуна).
Передельные чугуны по химическому составу делятся на марки М1, М2, М3, МФ1 и т.д. (по содержанию кремния), на группы I, II, III (по содержанию марганца), на классы А, Б, В (по содержанию фосфора), и на категории I, II, III, IV (по содержанию серы).
Литейные чугуны марок ЛК используются для получения отливок (радиаторы, чугунные трубы и пр.).
Ферросплавы выплавляются в домнах в небольших количествах (2…3% общего объема чугуна) и применяются для раскисления и легирования стали.
Шлак используют как сырье для получения цемента, кирпича, шлаковой ваты.
Колошниковый газ применяется для отопления воздухонагревательных и коксовых печей.
Для получения 100 т чугуна необходимо: 195 т руды, 95 т кокса, 50 т извести, 350 т воздуха. Продуктами производства 100 т чугуна являются 80 т шлака и 500 т газов.
Производство стали.
По химическому составу сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода, серы, фосфора, с заданным содержанием кремния, марганца и др.
Процесс передела чугуна в сталь сводится к проведению окислительной плавки для удаления избытков элементов, а при получении легированных сталей – для их добавления.
В настоящее время используются следующие материалы для выплавки стали:
– передельный чугун, скрап (металлолом) и ферросплавы;
– флюсы (известняк CaCO3 и др.) и окислительные добавки (железная руда);
– топливо (коксовый или колошниковый газ, мазут, природный газ).
Для получения стали в электропечах используется электроэнергия.
При получении стали используют кислые и основные металлургические процессы.
Способы получения стали.
Сегодня основные способы получения стали это: мартеновский, конвертерный и в электрических печах. Последний используется для получения машиностроительной стали, но не строительной.
Кислородно-конверторный процесс к середине 1970-х годов практически полностью вытеснил бессемеровский и томасовский способы производства стали из чугуна.