Производство чугуна
Несмотря на то, что к настоящему времени разработаны и доведены до промышленного применения способы прямого получения железа из железной руды, из руды получают не железо, а чугун.
Для выплавки чугуна применяют доменные печи. Исходными материалами для выплавки чугуна служат: железная руда, топливо и флюс.
Руда – это минеральное сырье, содержащее металл в количестве, при котором экономически целесообразно его извлечение, т.е. отделение от пустой породы. Известно около 300 минералов, содержащих железо, но только некоторые из них являются рудами. В железных рудах железо содержится в большинстве случаев в виде оксидов Fe2O3 или Fe3O4.
Содержание железа в рудах находится в пределах от 30 до 60 %. После добычи в карьере или шахте руда поступает на обогащение, то есть отделение пустой породы, не содержащей железа. Так как в ходе обогащения руду измельчают в порошок, то для обеспечения надлежащего протекания доменной плавки полученный концентрат подвергают окомкованию (окускованию). Для этого осуществляют агломерацию – спекание рудной мелочи в пористые куски агломерата или получают окатыши – шарики диаметром мм15–30мм. Надлежащая подготовка руды к доменной плавке – один из важнейших факторов повышения производительности доменных печей и снижения расхода топлива. Для этого применяют добавление в агломерат и в окатыши флюса с получением офлюсованного агломерата и офлюсованных окатышей, а при добавлении топлива рудно – топливных окатышей.
Топливом в доменной печи служит каменноугольный кокс – продукт сухой перегонки коксующихся сортов каменного угля. Кокс в ходе доменной плавки выполняет двойную роль: при сгорании он дает тепло для поддержания в печи требуемого температурного режима, а во-вторых является источником углерода, который служит восстановителем в процессе восстановления железа из руды.
Полного удаления из руды пустой породы в процессе обогащения не удается и пустая порода вместе с рудой попадает в доменную печь. Для правильного хода плавки необходимо, чтобы пустая порода плавилась и превращалась в шлак только после полного восстановления железа, которое заканчивается при 1100–1200 ∘C. Для управления процессом шлакообразования в состав материалов, загружаемых в доменную печь (шихту), вводят флюсы. Флюсы, взаимодействуя с пустой породой и золой топлива, образуют легкоплавкие расплавы – шлаки (1250–1300 ∘C) и тугоплавкие до 1500 ∘C. Введение флюсов облегчает расплавление компонентов пустой породы SiO2 – 1730 ∘C, Al2O3 – 2050 ∘C и др. При песчано – глинистой пустой породе (SiO2, Al2O3) флюсом служит известняк CaCO3 или доломит CaCO3·MgCO3. При известковой пустой породе флюсом служит кварцевый песок SiO2.
Большое значение для нормальной работы металлургического оборудования – доменных печей, плавильных и нагревательных печей, ковшей и желобов для разливки металла и многих других устройств, подверженных действию высоких температур, расплавленного металла и шлака, горячих дымовых газов, имеет правильный подбор огнеупорных материалов, которыми облицовываются (футеруются) рабочие поверхности.
Огнеупорные материалы должны выдерживать высокие температуры, иметь высокую механическую прочность и стойкость против истирания, быть устойчивыми к резкому изменению температуры, химически стойкими к воздействию расплавленных металлов, шлаков и дымовых газов.
Огнеупорные материалы подразделяют по огнеупорности на огнеупорные (1580–1770 ∘C), высокоогнеупорные (1770–2000 ∘C) и высшей огнеупорности >2000 ∘C; по химсоставу на кислые на основе кислотных окислов, например, динас (до 97% SiO2) с огнеупорностью до 1700 ∘C, Основные, например, магнезит – MgO с огнеупорностью до 2800 ∘C и нейтральные, например, шамот (SiO2+Al2O3).
Устройство и работа доменной печи
В целом доменная печь – это очень сложный агрегат. Доменная печь – это печь шахтного типа, рабочее пространство которой вытянуто в вертикальном направлении. Общая высота современных доменных печей достигает 100м, а высота рабочего пространства 30 метров. Рассмотрим элементы рабочего пространства доменной печи. Рабочее пространство доменной печи состоит из нескольких цилиндрических и конических участков, которые сначала увеличиваясь, а затем уменьшаясь в диаметре, обеспечивают плавное опускание шихтовых материалов.
Схема рабочего пространства доменной печи
Рабочее пространство имеет 6 элементов:
1. колошник,
2. шахта,
3. распар,
4. заплечики,
5. горн,
6. лещадь.
Загрузка печи осуществляется через колошник, а лещадь является дном рабочего пространства печи.
Шихта движется сверху вниз, а навстречу ей снизу вверх идет поток газов (CO, CO2 и др.), образующихся при горении топлива в горне. Опускаясь вниз, кокс нагревается и достигает горна в раскаленном состоянии, где встречает поток горячего – 1200–1400 ∘C и обогащенного кислородом до 30% воздуха, который вдувается под высоким давлением через отверстия (фурмы) в верхней части горна. Нагретый воздух (горячее дутье) поступает в доменную печь из воздухонагревателей. Доменная печь имеет 3–4 воздухонагревателя (каупера) в виде больших колонн с куполообразным верхом. В результате сгорания топлива образуется и устремляется вверх газовый поток с температурой около 2000 ∘C, содержащий CO, CO2, и др. газообразные продукты.
Доменный процесс является процессом восстановительным.
Восстановление оксидов железа в доменной печи происходит за счет CO, H2 и твердого раскаленного углерода кокса. Восстановление твердым углеродом называют прямым восстановлением, а восстановление газами – косвенным восстановлением. Восстановление оксидов железа начинается с косвенного восстановления в верхней части печи при температуре 350–400 ∘C и заканчивается прямым восстановлением в нижней части печи при температуре 1100–1200 ∘C.
Косвенное восстановление протекает по реакциям:
Fe2O3+CO→Fe3O4+CO2
Fe3O4+CO→FeO+CO2
FeO+CO→Fe+CO2
Прямое восстановление протекает по реакциям:
Fe2O3+C→Fe3O4+CO
Fe3O4+C→FeO+CO
FeO+C→Fe+CO
Железо, температура плавления которого около 1539 ∘C, восстанавливается в твердом состоянии и науглероживается, образуя чугун, который начинает плавиться при 1200−1300 ∘C.
Fe+CO→Fe3C+CO2
Fe+C→Fe3C
Железо растворяет 3,5–4% углерода и, превращаясь в чугун, стекает на дно горна.
Одновременно с восстановлением железа в доменной печи частично восстанавливаются Si, Mn, P и другие элементы, которые затем переходят в чугун. Так как при доменной плавке нет условий для удаления фосфора, то весь восстановленный фосфор переходит в чугун. По другому обстоит дело с серой, которую можно частично удалить. Сера находится в чугуне в виде сульфидов железа FeS и сульфидов марганца MnS. Для удаления серы в печи необходим Основный шлак, содержащий в свободном виде CaO.
FeS+CaO→CaS+FeO
Сера переходит в шлак, т.к. CaS растворяется в шлаке и не растворяется в чугуне.