Производство чугуна

Производство  чугуна

Чугун – сплав железа и углерода с сопутствующими элементами (содержание углерода более 2,14 %).

 

 Для выплавки чугуна в  доменных печах используют железные  руды, топливо, флюсы.

 

 К железным рудам относятся:

 – магнитный железняк () с содержанием железа 55…60 %, месторождения – Соколовское, Курская магнитная аномалия (КМА);

 – красный железняк () с содержанием железа 55…60 % , месторождения – Кривой Рог, КМА;

 – бурый железняк (гидраты  оксидов железа 2Fe2O3 * 3H2O и Fe2O3 * H2O) c содержанием железа 37…55 % – Керчь.

 

 Марганцевые руды применяются  для выплавки сплава железа  с марганцем – ферромарганца  (10…82% ), а также передельных чугунов, содержащих до 1% марганца. Марганец в рудах содержится в виде окислов и карбонатов: и др..

 

Топливом для доменной плавки служит кокс, возможна частичная замена газом, мазутом.

 

Флюсом является известняк или  доломитизированный известняк, содержащий и , так как в шлак должны входить основные оксиды (), которые необходимы для удаления серы из металла.

 

^ Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна.

 

 Метод подготовки зависит  от качества руды.

 

^ Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной величины, осуществляются с помощью дробилок и классификаторов.

 

Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в ее состав:

 

 а) промывка – отделение  плотных составляющих от пустой  рыхлой породы;

б) гравитация (отсадка) – отделение  руды от пустой породы при пропускании  струи воды через дно вибрирующего сита: пустая порода вытесняется в  верхний слой и уносится водой, а  рудные минералы опускаются;

 в) магнитная сепарация –  измельчённую руду подвергают  действию магнита, притягивающего  железосодержащие минералы и  отделяющего их от пустой породы.

 

Окусковывание производят для переработки концентратов в кусковые материалы необходимых размеров. Применяют два способа окусковывания: агломерацию и окатывание.

 

 При агломерации шихту, состоящую  из железной руды (40…50 %), известняка (15…20 %), возврата мелкого агломерата (20…30 %), коксовой мелочи (4…6 %), влаги  (6…9 %), спекают на агломерационных  машинах при температуре 1300…1500 0С. При спекании из руды  удаляются вредные примеси (сера, мышьяк), разлагаются карбонаты,  и получается кусковой пористый  офлюсованный агломерат,

 

 При окатывании шихту из измельчённых концентратов, флюса, топлива увлажняют и при обработке во вращающихся барабанах она приобретает форму шариков-окатышей диаметром до 30 мм. Их высушивают и обжигают при температуре 1200…1350 0С.

 

 Использование агломерата и  окатышей исключает отдельную  подачу флюса– известняка в доменную печь при плавке.

Выплавка чугуна

Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах.

Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается  в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды оксидом углерода, водородом и тв¨рдым 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.

 

^ Устройство и работа  доменной печи.

 

 Доменная печь (рис. 1.1) имеет  стальной кожух, выложенный огнеупорным  шамотным кирпичом. Рабочее пространство  печи включает колошник 6, шахту  5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15.

 

 В верхней части колошника  находится засыпной аппарат ^ 8, через который в печь загружают  шихту. Шихту подают в вагонетки  9 подъемника, которые передвигаются  по мосту 12 к засыпному аппарату  и, опрокидываясь, высыпают шихту  в приемную воронку 7 распределителя  шихты. При опускании малого  конуса 10 шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого  конуса 13 – в доменную печь, что  предотвращает выход газов из  доменной печи в атмосферу.

 

 При работе печи шихтовые  материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство подают новые порции шихты, чтобы весь полезный объем был заполнен.

 

 Полезный объем печи –  объем, занимаемый шихтой от  лещади до нижней кромки большого  конуса засыпного аппарата при  его опускании.

 

 Полезная высота доменной  печи (^ Н) достигает 35 м, а полезный  объем – 2000…5000 м3.

 

 В верхней части горна  находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает  нагретый воздух, необходимый для  горения топлива. Воздух поступает  из воздухонагревателя, внутри которого  имеются камера сгорания и  насадка из огнеупорного кирпича,  в которой имеются вертикальные  каналы. В камеру сгорания к  горелке подается очищенный доменный  газ, который, сгорая, образует  горячие газы. Проходя через насадку,  газы нагревают ее и удаляются  через дымовую трубу. Через  насадку пропускается воздух, он  нагревается до температуры 1000…1200 0С и поступает к фурменному  устройству, а оттуда через фурмы  2 – в рабочее пространство  печи. После охлаждения насадок  нагреватели переключаются.

 

^ Горение топлива. Вблизи фурм  природный газ и углерод кокса,  взаимодействуя с кислородом  воздуха, сгорают:

C + CO2=2CO

В результате горения выделяется большое  количество теплоты, в печи выше уровня фурм развивается температура выше 2000 0С.

 

 Продукты сгорания взаимодействуют  с раскаленным коксом по реакциям:

 Образуется смесь восстановительных  газов, в которой окись углерода  является главным восстановителем  железа из его оксидов. Для  увеличения производительности  подаваемый в доменную печь  воздух увлажняется, что приводит  к увеличению содержания восстановителя.

 

 Горячие газы, поднимаясь, отдают  теплоту шихтовым материалам  и нагревают их, охлаждаясь до 300…400 0С у колошника.

 

 Шихта (агломерат, кокс) опускается  навстречу потоку газов, и при  температуре около 570 0С начинается  восстановление оксидов железа.

 

^ Восстановление железа в доменной печи.

 

 Закономерности восстановления  железа выявлены академиком Байковым  А.А.

 

 Восстановление железа происходит  по мере продвижения шихты  вниз по шахте и повышения  температуры от высшего оксида  к низшему, в несколько стадий:

 

Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + Q;

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 - Q;

 FeO + CO = Fe + CO2 + Q.

 

Температура определяет характер протекания химических реакций.

 

 Восстановителями окcидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород.

 

 Восстановление твердым углеродом  (коксом) называется прямым восстановлением,  протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие  температуры, по реакции:

FeO + CO = Fe + CO2 + Q

CO2 + C = 2CO– Q

 FeO + C = Fe + CO2 – Q

 При температуре 1000…1100 0C восстановленное  из руды тв¨рдое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод. При насыщении углеродом температура плавления понижается и на уровне распара и заплечиков железо расплавляется (при температуре около 1300 0С).

 

 В нижней части доменной  печи образуется шлак в результате  сплавления окислов пустой породы  руды, флюсов и золы топлива.  Шлаки содержат . Шлак образуется постепенно, его состав меняется по мере стекания в горн, где он скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Состав шлака зависит от состава применяемых шихтовых материалов и выплавляемого чугуна.

 

 Чугун выпускают из печи  каждые 3…4 часа через чугунную  летку ^ 16, а шлак – каждые 1…1,5 часа через шлаковую летку  17 (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади).

 

 Летку открывают бурильной  машиной, затем закрывают огнеупорной  массой. Сливают чугун и шлак  в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши.

 

 Чугун поступает в кислородно-конвертерные  или мартеновские цехи, или разливается  в изложницы разливочной машиной,  где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

 

 

 

 

 

 

Продукты доменной плавки

 

Основным продуктом доменной плавки является чугун.

Передельный чугун предназначается для дальнейшего передела в сталь. На его долю приходится 90 % общего производства чугуна. Обычно такой чугун 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 чугун применяется после переплава на машиностроительных заводах для получения фасонных отливок.

 

 Кроме чугуна в доменных  печах выплавляют

Ферросплавы – сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Их применяют для раскисления и легирования стали.

Побочными продуктами доменной плавки являются шлак и доменный газ.

Из шлака изготовляют шлаковату, цемент, удобрения (стараются получить гранулированный шлак, для этого  его выливают на струю воды).

Доменный газ после очистки  используется как топливо для  нагрева воздуха, вдуваемого в печь.

 

Классификация чугунов

 Чугун отличается от стали:  по составу – более высокое  содержание углерода и примесей; по технологическим свойствам  – более высокие литейные свойства, малая способность к пластической  деформации, почти не используется  в сварных конструкциях.

 

 В зависимости от  состояния углерода в чугуне  различают:

• белый чугун – углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск;
• серый чугун – весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии находится не более 0,8 % углерода. Из-за большого количества графита его излом имеет серый цвет;
• половинчатый – часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не менее 2 % углерода находится в форме цементита. Мало используется в технике.

 

Строение, свойства и маркировка чугунов

Отличаются от стали только наличием графитовых включений, определяющих специальные  свойства чугунов.

 

 В зависимости от формы  графита и условий его образования  различают следующие группы чугунов:  серый – с пластинчатым графитом; высокопрочный – с шаровидным  графитом; ковкий – с хлопьевидным  графитом.

 

 Наиболее широкое распространение  получили чугуны с содержанием  углерода 2,4…3,8%. Чем выше содержание  углерода, тем больше образуется  графита и тем ниже его механические  свойства, следовательно, количество  углерода не должно превышать  3,8 %. В то же время для обеспечения  высоких литейных свойств (хорошей  жидкотекучести) углерода должно быть не менее 2,4 %.

 

Серый чугун.

 Структура не оказывает влияние  на пластичность, она остается  чрезвычайно низкой. Но оказывает  влияние на твердость. Механическая  прочность в основном определяется  количеством, формой и размерами  включений графита. Мелкие, завихренной  формы чешуйки графита меньше  снижают прочность.

Серый чугун широко применяется  в машиностроении, так как легко  обрабатывается и обладает хорошими свойствами.