Производство чугуна

 

 

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

 

Чугун – железоуглеродистый сплав, содержащий более 2% углерода. Кроме углерода, в нем всегда присутствуют кремний (до 4%), марганец (до 2%), а также фосфор и сера. Чугун является основным исходным материалом для получения стали, на что расходуется примерно 80-85% всего чугуна.

 

РУДЫ, ФЛЮСЫ И ТОПЛИВО

 

Железные руды – основной исходный материал для выплавки чугуна. Пустая порода обычно состоит из кварца и песчаников с примесью глин, т.е. является кислой (избыток SiO2).

Железные руды в отличие от медных и многих других относительно богаты. Наиболее богатые руды содержат 60% железа и больше, наиболее бедные 30-40%.

В железных рудах всегда присутствуют вредные примеси – сера и фосфор. По типу рудного минерала руды бывают следующих основных видов.

Красный железняк. Рудный минерал – гематит, безводная окись железа Fe2O3 (70% Fe). Руда обычно содержит 50-60% Fe. Это наиболее распространенный вид руды во всем мире.

Магнитный железняк. Рудный минерал – магнетит, магнитная окись железа Fe3O4 (72,4% Fe), в руде 55-60% Fe.

Бурый железняк. Рудный минерал – водные окислы железа nFe2O3 · mH2O (52-66% Fe). В руде обычно содержится 30-50% Fe.

Шпатовый железняк. Рудный минерал – сидерит, карбонат железа FeCO3 (48,3% Fe), в руде обычно 30-40% Fe.

Доменные флюсы необходимы для удаления из доменной печи тугоплавкой пустой породы руды и золы  топлива. Сплавляясь с флюсом, они образуют легкоплавкий сплав – доменный шлак; в расплавленном состоянии он удаляется из печи через шлаковую летку. Кроме того, флюс должен обеспечить получение шлака с необходимым химическим составом и физическими свойствами, что в значительной мере определяет состав чугуна.

Флюсы выбирают в зависимости от пустой породы руды. В отечественных железных рудах пустая порода, как правило, содержит избыток SiO2. Поэтому в качестве  флюса используют сильноосновные материалы, главным образом известняк CaCO3. Типичный металлургический известняк после обжига содержит 50-55% CaO. Избыток извести в доменном шлаке способствует также удалению из чугуна серы. На отечественных заводах флюсы вводят в доменную печь главным образом в виде офлюсованного агломерата и офлюсованных окатышей.

Топливо в доменных печах служит не только источником тепла, но реагентом, обеспечивающим восстановление железа из руды и образования чугуна (путем науглероживания железа).

Основные требования к доменному топливу – высокая теплотворность, малое содержание золы, чистота по содержанию вредных примесей. Топливо должно иметь высокую механическую прочность, так как его дробление и образование мелочи препятствует нормальному движению печных газов, а также высокую пористость для обеспечения интенсивного горения. Топливо должно быть недефицитным и иметь невысокую стоимость.

Кокс является главным видом топлива в доменных печах и в среднем содержит 10-13% золы, 0,5-2% серы. Он достаточно прочен, что позволяет строить крупные доменные печи объемом до 5000 м3. На выплавку 1т чугуна расходуется около 550 кг кокса. При этом стоимость кокса составляет 45-55% себестоимости чугуна.

Вдувание 60-100 м3 природного газа на 1т выплавляемого чугуна снижает расход кокса на 10-15%, повышает восстановительную способность доменных газов, обеспечивает более высокую производительность доменной печи. Наиболее эффективным оказалось применение природного газа в сочетании с высокотемпературным дутьем, обогащенным кислородом.

 

ПОДГОТОВКА РУДЫ К ПЛАВКЕ

 

В настоящее время для выплавки чугуна используют лишь около 5% сырой железной руды; 95% всей руды до плавки подвергают предварительной подготовке. Подготовка железной руды является одним из эффективных направлений в совершенствовании доменного производства и дает возможность использовать более бедные руды. Подготовка руд включает дробление, сортировку и другие операции.

Дробление обеспечивает нужную степень измельчения руды. Для плавки в доменной печи размер кусков руды должен составлять 10-18 мм, для агломерации – менее 5-10 мм, для магнитного обогащения – 0,1 мм.

Сортировку руды по классам крупности при размерах кусочков более 1-3 мм проводят на механических грохотах. Для более тонко измельченных материалов используют гидравлическую классификацию. Разделяемый материал подают вместе с водой в специальные устройства, где крупные зерна быстрее оседают, отделяясь от более мелких. В устройствах типа гидроциклон разделение частиц по крупности происходит под действием центробежной силы.

Усреднение материалов по химическому составу и свойствам необходимо для обеспечения ровного хода доменной печи. Одним из основных методов усреднения руды является ее послойная укладка в штабеля большой емкости.

Обогащение руды приобретает все большее значение. В настоящее время до плавки обогащают около 80% всей руды. Это связано с использованием все более бедных руд, а также руд с тонковкрапленными в пустой породе рудными зернами. Так, например, в результате обогащения бедных криворожских железистых кварцитов с 20-45% Fe получают концентраты с 60-65% Fe. Основным  способом обогащения железной руды в нашей стране является магнитный. Сущность сухой магнитной сепарации состоит в том, что тонкоизмельченную руду помещают в магнитное поле, где магнитные частицы руды отделяются от пустой породы. При мокрой сепарации руда при воздействии на нее магнитного поля одновременно промывается водой. Этот способ более гигиеничен, чем предыдущий, при котором выделяется много пыли. Магнитное обогащение можно непосредственно использовать только для так называемых сильномагнитных магнетитовых и титаномагнетитовых руд. Для других руд – средне- и слабомагнитных – перед обогащением производят магнетизирующий обжиг.

Среди других методов обогащения наиболее распространен гравитационный: отсадка и разделение в тяжелых суспензиях (взвесях), в которых рудный минерал тонет, а частицы пустой породы всплывают.

Для удаления рыхлой песчаной и глинистой пустой породы применяют также наиболее простой и дешевый способ – промывку водой.

 

УСТРОЙСТВО ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

 

Доменная печь (рис.6) – вертикальная печь шахтного типа. Ее высота (до 35 м) примерно в 2,5-3 раза больше диаметра.

Стенки печи выкладывают из огнеупорных материалов – в основном из шамота. Нижнюю часть горна и его основание (лещадь) выполняют из особо огнеупорных материалов – углеродистых (графитизированных) блоков. Для повышения стойкости огнеупорной кладки в ней устанавливают (примерно на ¾ высоты печи) металлические холодильники, по которым циркулирует вода. Для уменьшения расхода воды (для крупных печей до 70000 м3 в сутки) применяют испарительное охлаждение, основанное на том, что поглощаемое тепло используется для парообразования.

Кладка печи снаружи заключена в стальной кожух толщиной до 40 мм. Для уменьшения нагрузки на нижнюю часть печи ее верхнюю часть (шахту) сооружают на стальном кольце, опирающемся на колонны.

С увеличением полезного объема (рабочего пространства) доменных печей повышается их экономичность.

Современные крупные доменные печи имеют объем 2000-3000 м3.

На Криворожском заводе с 1974 г. работает печь объемом 5000 м3.

Воздух для горения топлива вдувается через 14-36 фурм в верхнюю часть горна печи.

В современную доменную печь для выплавки 1т чугуна вдувается около 3000 м3 воздуха; его расход на крупных печах достигает 6000-7000 м3/мин, что обеспечивается быстроходными турбовоздуходувными машинами (3500-4500 об/мин). Воздух нагревается в специальных воздухонагревателях. Каждую доменную печь обслуживают три-четыре автоматически переключающихся воздухонагревателя.

 

 

 

Применение высокотемпературного дутья привело к значительной интенсификации плавки. За последние годы температура воздушного дутья была повышена до 1200-1300º С.

Значительный эффект дало повышение давления под колошником примерно до 2,5 атм., приводящее к уменьшению скорости газа, улучшению теплообмена и интенсификации физико-химических процессов. Крупнейшим усовершенствованием явилось обогащение дутья кислородом (до 30%). Наибольший эффект дало комплексное использование этих мер при применении природного газа. Производительность печей повысилась примерно на 50%, а расход кокса снизился на 25-30%.

Доменная печь работает непрерывно в течение 5-10 лет. Для этого по мере необходимости в нее загружают отдельными порциями (колошами) шихтовые материалы, периодически выпускают чугун и шлак, непрерывно удаляют доменные газы.

Для выплавки 1т передельного (мартеновского) чугуна в среднем расходуется около 1,8т офлюсованного агломерата, 550 кг кокса. Таким образом, печь объемом 3000 м3 в сутки потребляет примерно 8500т шихтовых материалов и выплавляет около 5000-5500т чугуна.

В современных доменных печах все процессы по подготовке и загрузке шихтовых материалов полностью механизированы.

К вспомогательным устройствам, обеспечивающим работу печи, относятся: шихтовые дворы, оборудованные погрузочно-разгрузочными устройствами; бункерные эстакады с вагон-весами для автоматического взвешивания шихтовых материалов, подъемные механизмы, доставляющие самоопрокидываааающиеся тележки-скипы с шихтой к загрузочному аппарату доменной печи. Для нормальной работы печи необходимы также воздухонагреватели и другие устройства для осуществления горячего дутья, литейный двор, ковши – чугуновозы и шлаковозы, разливочные машины и т.д.

 

ДОМЕННЫЙ ПРОЦЕСС

 

Доменная печь работает по принципу противотока. Шихтовые материалы – агломерат, кокс и др. – загружают сверху при помощи засыпного (загрузочного) аппарата. Навстречу опускающимся материалам снизу вверх движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива (кокса), а также природного газа.

В доменной печи протекают следующие основные процессы.

Восстановление железа. Этот процесс происходит последовательно от высших окислов к низшим и далее к чистому металлу (принцип А.А. Байкова): Fe2O3 – Fe3O4 – FeO – Fe *.

Главными восстановителями железа в доменной печи являются окись углерода и твердый углерод кокса. Некоторое количество железа восстанавливается водородом.

*   Восстановление  в две стадии Fe2O3 – Fe3O4 – Fe происходит при температурах ниже 570º С и в доменной печи не получает развития.

Восстановление окисью углерода называется косвенным (непрямым) восстановлением и происходит по реакциям

3Fe2O3  + CO  =  2Fe3O4 + CO2 + Q;  

Fe3O4  + CO  =  3FeO + CO2  - Q;

FeO + CO  =  Fe + CO2  + Q.

Восстановление Fe2O3 начинается при сравнительно низких температурах (400-500º С) в верхней части шахты печи. По мере опускания рудных материалов повышаются температура и содержание СО в доменных газах; при этом создаются условия для окончательного восстановления железа. Эти процессы заканчиваются в нижней части шахты печи при температурах около 900-950º С.

Одновременно в шахте печи происходит также косвенное восстановление окислов железа водородом по реакциям, аналогичным реакциям восстановления окисью углерода   (например, 3Fe2O3  + Н2  = 2Fe3O4  + Н2О  и т. д.).

Значение косвенного восстановления очень велико. В зависимости от условий работы печи окисью углерода СО и водородом восстанавливается 60-80% всего железа. Остальная часть железа восстанавливается твердым углеродом.

Восстановление твердым углеродом называется прямым восстановлением. Оно происходит при температурах выше 950-1000º С (зона распара печи) по реакции FeO + C = Fe + CO – Q.

Следует отметить, что эта реакция отражает лишь конечный результат процесса прямого восстановления, который протекает в две стадии:

FeO + CO = Fe + CO2 + Q

CO2 + Cкокса = 2CO2 – Q

_____________________________________________________________________

FeO + Cкокса = Fe + CO2 – Q

Таким образом, при прямом восстановлении расходуется только углерод кокса, хотя реагентом, взаимодействующим с FeO, является окись углерода СО. Непосредственное восстановление окислов железа при контакте с углеродом кокса практически не происходит. В прямом восстановлении могут также участвовать водород и сажистый углерод.

Значение прямого восстановления обосновал акад. М.А. Павлов, доказавший ошибочность ранее общепризнанной теории французского металлурга Грюнера. По Грюнеру, восстановление железа должно происходить только косвенно (так называемый идеальный ход). М.А. Павлов установил, что наиболее экономичная работа печи (с наименьшим расходом кокса) может быть обеспечена, когда происходит как косвенное, так и прямое восстановление железа. Оптимальное соотношение между прямым  и косвенным восстановлением зависит от температуры воздушного дутья, количества используемого природного газа и других факторов.

  Науглероживание железа. Восстановление железа начинается при 400-500

º С и заканчивается при 1300-1400ºС (в распаре печи). При этих температурах железо (T пл. = 1539º С) находится в твердом состоянии в виде пористой губчатой массы.

Уже в шахте доменной печи при температурах выше 400-500º С наряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание за счет окиси углерода СО по реакции  3Fe + 2CO = Fe3 C + CO2  + Q*.

Карбид железа Fe3С хорошо растворяется в твердом железе и постепенно образуется сплав железа с углеродом. С увеличением содержания углерода температура плавления сплава значительно понижается и достигает минимального значения 1147º С при 4,3%. В зонах печи с высокими температурами – обычно в нижней части шахты – начинается плавление сплава. Жидкий сплав – чугун, стекая вниз, омывает куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. В нем также растворяются восстановленный марганец, кремний, сера и другие примеси. Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение имеют состав, свойства и количество шлака.