Виробництво чавуну в доменній печі

Розділ І. Виробництво чавуну

Вихідні матеріали

Головний вихідний матеріал для виробництва чавуна в доменних печах – залізні руди. До них відносять гірські породи, що містять залізо в такій кількості, при якому виплавка стає економічно вигідною.

Залізна руда складається з рудної речовини і порожньої породи. Рудною речовиною найчастіше є окисли, силікати і карбонати заліза. А порожня порода звичайно складається з чи кварциту піщанику з домішкою глинистих речовин і рідше – з чи доломіту вапняку.

У залежності від рудної речовини залізні руди бувають багатими, котрих використовують безпосередньо, і бідними, котрих піддають збагаченню.У доменному виробництві застосовують різні залізні руди.

Червоний залізняк (гематит) містить залізо у виді безводного окису заліза. Вона має різне фарбування( від темно-червоної до темно-сірої). Руда містить багато заліза(45-65 %) і мало шкідливих домішок. Відновимо ость заліза з руди гарна.

Бурий залізняк містить залізо у виді водяних окислів. У ньому міститься 25- 50% залоза. Фарбування міняється від жовтої до буро-жовтої. Порожня порода залізняку глиниста іноді кременисто-глиноземиста.

Магнітний залізняк містить 40-70% заліза у виді закису-окису заліза.

Руда має добре виражені магнітні властивості, має темно-сірий чи чорний з різними відтінками колір. Порожня порода руди кремнеземиста з домішками інших окислів. Залізо з магнітного залізняку відновлюється сутужніше, ніж з інших руд.

Шпатовий залізняк (сидерит) містить залізо у виді вуглекислої солі. У цьому залізняку міститься 30-37 % залоза. Сидерит має жовтувато-білий і грязно-сірий колір. Він легко окисляється і переходить у бурий залізняк. З усіх залізних руд він володіє найбільш високою відновлюваністю.

Марганцеві руди містять 25-45% марганцю у виді різних окислів марганцю. Їх додають у шихту для підвищення в чавуні кількості марганцю.

Виробництво чавуну в доменній печі

Виплавка чавуна виробляється у величезних доменних печах, викладених з вогнетривких цеглин сягаючих 30 м висоти при внутрішньому діаметрі близько 12 м. Внутрішня частина домни викладена вогнетривкою цеглою, а зовнішня облицьована стальними листами.

Розріз доменної печі схематично зображений на малюнку 7.1.

Верхня її половина зветься шахти і закінчується нагорі отвором – колашником, що закривається рухливим стовпчиком – колашниковим затвором. Сама широка частина печі називається разпаром, а нижня частина – горном. Через спеціальні отвори в горні(фурми) до друку вдувається гаряче чи повітря кисень.

Доменну піч завантажують спочатку коксом, а потім шарами - агломератом і коксом. Агломерат – це певним чином підготовлена руда, спеченная з флюсом. Горіння і необхідна для виплавки чавуна температура підтримуються вдмухуванням у горн підігрітого чи повітря кисню. Останній надходить у кільцеву трубу, розташовану навколо нижньої частини печі, а з неї по зігнутих трубках через фурми в горн. У горні кокс згоряє, утворити CO2 , що, піднімаючись нагору і проходячи крізь шари розжареного коксу, взаємодіє з ним і перетвориться на CO. Оксид вуглецю, що утворився, і відновлює велику частину руди, переходячи знову в CO2 .

Процес відновлення руди відбувається головним чином у верхній частині шахти. Його можна виразити сумарним рівнянням:

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

Порожню породу в руді утворять, головним чином діоксид кремнію SiО2. Це – тугоплавка речовина. Для перетворення тугоплавких домішок у більш легкоплавкі з'єднання до руди додаються флюс . Звичайно як флюс використовують CaCО3. При взаємодії його з SiО2 утвориться CaSiО2, що легко відокремлюється у виді шлаку.

При відновленні руди залізо виходить у твердому стані. Поступово воно опускається в більш гарячу частину печі – разпар - і розчиняє в собі вуглець; утвориться чавун. Останній плавиться і стікає в нижню частину горна, а рідкі шлаки збираються на поверхні чавуна, захищаючи його від окислювання. Чавун і шлаки випускають у міру нагромадження через особливі отвори, забиті в інший час глиною.

Вихідні з отвору печі гази містять до 25% монооксиду вуглецю. Їх спалюють в особливих апаратах-кауперах, призначених для попереднього нагрівання, що вдмухується в піч повітря. Доменна піч працює безупинно. У міру того, як верхні шари руди і коксу опускаються, у піч додають нові їхні порції. Суміш руди і коксу доставляється підйомниками на верхню площадку печі і завантажується в чавунну лійку, закриту знизу колошниковим затвором. При опусканні затвора суміш попадає в піч. Робота печі продовжується протягом декількох років, поки не буде потрібний капітальний ремонт.

Процес виплавки може бути прискорений шляхом застосування в доменних печах кисню. При вдмухуванні в доменну піч збагаченого киснем повітря попередній підігрів його стає зайвим, а виходить, відпадає необхідність у громіздких і складних кауперах і всьому процесі спрощується. Разом з тим продуктивність печі підвищується і зменшується витрата палива. Така доменна піч дає в 1,5 рази більше заліза і вимагає коксу на ¼ менше ніж звичайна.

Добова продуктивність потужної домни становить 2000 т чавуну і навіть більше. Доменна піч після її пуску працює безперервно 5—6 років, а інколи навіть і до 10 років. Потім її ремонтують і знову пускають у роботу. Операції з підготовкишихти, завантаженні її в домну, випуску чавуну і шлаку механізовані. Шихту завантажують через верхню частину домни (колошник).

Спочатку засипають шар коксу, потім шар суміші руди з коксом і флюсами, потім знову шар коксу і т. д. Кокс служить джерелом тепла для підтримання потрібної температури в домні і для одержання відновника — монооксиду вуглецю CO, а флюси (найчастіше CaCO₃) — для перетворення пустої породи (SiO₂, глини тощо) в легкоплавкі сполуки — шлак.

Горіння коксу підтримується вдуванням у нижню частину домни (горно) попередньо нагрітого до 800—1000°С повітря. Найвища температура (до 1500 °C і навіть більше) досягається в нижній частині домни у зоні горіння коксу, а найнижча (до 200 °C) — у найвищій частині. Рис.7.2

В результаті згоряння коксу в нижній частині домни утворюється діоксид вуглецю CO₂, який, піднімаючись вгору і проходячи крізь шар розжареного коксу, перетворюється в монооксид вуглецю CO:

§ C + O₂ = СО₂

§ CO₂ + C = 2CO

Монооксид вуглецю як сильний відновник, проходячи через шари шихти, відновлюєоксиди заліза (залізну руду). Причому ступінь відновлення залежить від температури. При температурі 200—500°С Fe₂O₃ відновлюється до Fe₃O₄:

§ 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ ↑

Рис.7.2. Схема доменного процесу. Приблизний розподіл температур по висоті домни.

при 600 °C Fe₃O₄ відновлюється до FeO:

§ Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂ ↑

Вище 700 °C FeO відновлюється до вільного заліза, яке утворюється в твердому стані (так зване губчасте залізо):

§ FeO + CO = Fe + CO₂ ↑

При вищих температурах у процесах відновлення оксидів заліза бере участь, крім монооксиду вуглецю, і вільний вуглець:

§ FeO + C = Fe + CO ↑

Відновлення заліза з руди закінчується при температурі 1000—1100 °C. При цій температурі частково відновлюються й інші елементи із сполук, що входять до складу руди як домішки, — манган, силіцій, фосфор тощо. Наприклад:

§ SiO₂ + 2C = Si + 2CO ↑

§ Ca₃(PO₄)2 + 5C = 2Р + 3CaO + 5СО ↑

Утворюване губчасте залізо частково реагує з розжареним вуглецем і утворює хімічну сполуку — карбід заліза Fe₃C:

§ 3Fe + C = Fe₃C

Ця сполука не підлягає правилам звичайної валентності. Карбід заліза Fe₃C називають цементитом. Цементит в залізі утворює розчин, який називають чавуном.

Температура плавлення чавуну нижча, ніж чистого заліза, і залежить від вмісту вуглецю. Температура плавлення заліза 1538 °C, а чавун із вмістом вуглецю 4,3 % плавиться при 1130 °C. Це найнижча температура плавлення чавуну. Доменний чавун містить звичайно 3—4 % вуглецю і плавиться при 1200—1300°С.

У розплавленому чавуні легко розчиняються силіцій, манган, фосфор, сірка й інші домішки, які й залишаються в чавуні. Розплавлений чавун стікає в найнижчу частину домни (горно), звідки його періодично випускають. Пуста порода, що міститься в залізній руді, видаляється у вигляді шлаку. Шлак утворюється за такими хімічними рівняннями. Вапняк, що додається до шихти як флюс, при 800—1000°С розкладається на оксид кальцію і діоксид вуглецю. Утворюваний CaO як оксид з основними властивостями взаємодіє з силіцієвим ангідридом SiO₂ і амфотерним оксидом алюмінію Al₂O₃ (що міститься в глині) з утворенням відносно легкоплавких силікату кальцію і алюмінату кальцію:

§ CaCO₃ = CaO + CO₂ ↑

§ CaO + SiO₂ = CaSiO₃

§ CaO + Al₂O₃ = Ca(AlO₂)₂

Шлак плавиться близько 1100 °C і стікає в горно. Оскільки шлак легший від чавуну, він збирається над розплавленим чавуном і захищає його від окиснення. Розплавлений шлак, як і чавун, періодично випускають з домни. Доменний шлак використовують для виробництва будівельних матеріалів.

Крім описаних процесів в доменній печі відбувається плавлення пустої породи і шлакоутворення. Пуста порода і зола коксу складаються в основному з кремнезему (SiO2) і глинозему (Al2O3), які мають високу температуру плавлення. Зниження температури плавлення і утворення рідкого шлаку досягається введенням в шихту флюсу — вапняку.

Після закінчення процесу плавлення чавун і шлак випускають з доменної печі, чавун — 6-8 раз за добу, шлак в два рази частіше. Основний продукт доменного виробництва — чавун — сплав заліза з вуглецем і рядом інших елементів (Si, Mn, S, P).

Вміст вуглецю в чавуні складає 2 — 6,5 %. За хімічним складом і призначенням розрізняють три сорти чавуну:

- переробні чавуни використовуються для подальшої переробки на сталь. В них підвищений вміст марганцю (0,6 — 2,5 %), вуглець знаходиться у вигляді цементиту, що придає йому високу твердість. Залежно від способу переробки такі чавуни розрізняють на мартенівські (виплавляються з шихти з підвищеним вмістом марганцю), бесемерівські (виплавляються з руд з малим вмістом сірки і фосфору), томасівські (виплавляються з руд з підвищеним вмістом фосфору);

- ливарні чавуни отримують з шихти зі значним вмістом кремнезему (до 4,25 %), що сприяє виділенню з них вуглецю у вигляді графіту і надає їм текучості і легкоплавкості. Вони добре заповнюють ливарні форми і добре піддаються механічній обробці;

- спеціальні чавуни (феросплави) застосовуються для розкиснення і легування сталей. Найбільше застосування знайшли феросиліцій (вміст силіцію більше 13 %), феромарганець (вміст марганцю до 75 %), дзеркальний чавун (вміст марганцю 10 — 25 %).

Крім чавуну при доменній плавці одержують:

- шлак являє собою сплав пустої породи, флюсу і золи коксу; використовується для виготовлення цементу, шлакоблоків, шлаковати і ін.;

- доменний газ містить 28 % СО і має теплотворну здатність 3,8 МДж/м3; використовується в мартенівських печах, повітронагрівачах, котельних установках;

Доменний газ, крім азоту N₂, діоксиду вуглецю CO₂ та інших газів, містить близько 30 об'ємних процентів монооксиду вуглецю CO. Його спалюють у кауперах, в яких нагрівається повітря, що вдувається у домну. З метою підвищення продуктивності доменних печей і зниження собівартості одержуваного чавуну на багатьох металургійних заводах застосовують збагачене киснем повітря і дешевий природний газ. Заміна звичайного повітря збагаченим до 30 об'ємних процентів кисню повітрям, а також вдування у домну природного газу підвищує продуктивність домни на 10 і більше процентів і знижує витрати коксу до 20 %. Природний газ, який складається головним чином з метану, згоряє у домні з утворенням діоксиду вуглецю CO₂ і водяної пари H₂O. Останні, реагуючи з розжареним коксом, перетворюються в монооксид вуглецю CO і водень:

Внаслідок цього доменні гази збагачуються відновниками — монооксидом вуглецю і водню, а це прискорює процеси відновлення руди і зменшує витрати коксу.

- колошниковий пил — дрібні частинки руди, що виносяться газами з печі. Колошниковий пил містить до 45 % заліза, тому він вловлюється і направляється на агломерацію.

Види чавуну

Чавуни, які виплавляють у доменних печах поділяють на:

• переробні, які використовуються для виробництва сталі у кисневих конверторах, електропечах, мартенівських печах;

• ливарні, які використовуються для одержання виливків у ливарних цехах машинобудівних чи ливарних заводів. Частка цих чавунів зменшується й не перевищує 10 %.

Широке застосування чавунів у машинобудуванні пояснюється порівняно невеликою вартістю й добрими технологічними властивостями чавунів – високою рідкотекучістю й незначною ( ~ 1 %) усадкою під час кристалізації та наступного охолодження, здатністю легко оброблятися різанням, можливістю зміни властивостей термообробкою й легуванням. Найкращі ливарні властивості мають евтектичні чавуни, оскільки в них менший температурний інтервал кристалізації.

Залежно від хімічного складу та умов кристалізації Карбон в чавунах може кристалізуватися як у вільному стані у вигляді графіту, так і у вигляді сполуки з Ферумом – цементиту Fe₃C. Залежно від стану Карбону в чавунах, їх класифікують на білі та машинобудівні чавуни.

Білий чавун

У білих чавунах весь карбон перебуває в цементиті. Завдяки цементиту такі чавуни мають білий блискучий злам, від кольору якого і походить їх назва. Структуру білих чавунів у рівноважному стані творять дві фази – ферит та цементит. За рахунок твердого цементиту, кількість якого збільшується зі збільшенням вмісту карбону, білі чавуни мають високу твердість (450...550 НВ), дуже крихкі, практично не підлягають різанню лезовим інструментом. Тому в машинобудуванні білі чавуни мають обмежене застосування. Їх використовують тільки як зносотривкий матеріал для відливання деталей шламових насосів, гідроциклонів, доменних печей, кульових млинів для розмелювання руд. З виливків білого чавуну отримують ковкі чавуни.

Машинобудівні чавуни

Машинобудівні чавуни відливають за таких умов, що забезпечують повну або часткову графітизацію — виділенняграфіту. Тому властивості цих чавунів визначаються не тільки структурою металевої основи (ферит, перліт), але й формою, розмірами, кількістю й характером розташування в основі графітних виділень. Виливки з цих чавунів добре обробляються різанням й не підлягають обробці тиском.