Получение чугуна

Чугун – сплав железа и углерода с сопутствующими элементами (содержание углерода более 2,14 % до 6,67 %).

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. Mарганец в рудах содержится в виде окислов и карбонатов: и др..

Хромовые руды применяются для производства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов – хромомагнезитов.

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.

Домна – вертикальная плавильная печь шахтного типа, работает по принципу противотока: шихт а загружается сверху, проплавляется и опускается, а горячий воздух и газы поднимаются вверх (рисунок 2). Шихт о й называют все материалы, загружаемые в печь. В доменном производстве это руда, кокс и флюсы. Все эти материалы проходят предварительную обработку: дробление крупных кусков, спекание мелких, обогащение. В домну загружается не природная руда, а обогащенный концентрат, причем в виде кусков определенной величины (10-80 мм), полученных агломерацией (спеканием) или окатыванием (из мелких фракций увлажненной шихты делаются шарики диаметром 30 мм и обжигаются).

Домна вмещает до 7 тыс. т шихты (5 железнодорожных составов). Это печь непрерывного действия, она работает в течение 5-8 лет круглосуточно, без ремонта. Снаружи домна одета стальным кожухом толщиной 40-50 мм, шамотная кладка печи имеет толщину от 70 см в верхней части до 1,5 м в районе горна. Подогретое дутьё (воздух для горения топлива, обогащенный кислородом) подается из воздухонагревателей через фурмы. Температура дутья достигает 1200 °C, что позволяет экономить кокс и повышает производительность. У каждой домны есть несколько воздухонагревателей, которые поочередно работают то на нагрев кирпичной насадки отходящими газами (рисунок 3), то на подогрев воздуха.

Кокс сгорает с выделением большого количества тепла: температура в заплечиках достигает 2000 °C. Продукты сгорания – газы CO и CO₂ – отдают тепло шихте. На выходе их температура составляет всего 300 °C.

В домне идет косвенное (газами CO и H₂) и прямое (твердым углеродом кокса) восстановление железа, последовательно от старших оксидов к младшим

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe.

Кроме того, восстанавливаются примеси – кремний, марганец, фосфор; железо активно растворяет углерод и серу. Сплав, насыщенный углеродом до ≈4 %, плавится, стекает в горн, и дальнейшее науглероживание становится невозможным: слой жидкого чугуна прикрыт сверху слоем жидкого шлака, состоящего из оксидов и более легкого, чем металл.

Сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой называется доменным чугуном. Он подразделяется на литейный чугун, который разливают в слитки весом 45 кг (чушки) или получают из него отливки, и передельный чугун, который идет на передел в сталь. Передельный чугун из чугуновозных ковшей сливают в миксер – огнеупорную емкость, обогреваемую горючим газом, вместимостью до 2 тыс. т жидкого чугуна. В миксере происходит усреднение состава чугуна из разных плавок, что важно для правильной работы сталеплавильных агрегатов.

Чугун и доменные ферросплавы, применяемые для раскисления и легирования стали, – это основная продукция доменного производства, а шлак и доменный газ – побочная.

Технико-экономические показатели работы домны:

1) коэффициент использования полезного объема

КИПО = V / P [м³/т],

где V – полезный объем, P – суточная производительность;

2) удельный расход кокса K = A / P, где A – расход кокса в сутки.

Понятно, что чем меньше эти показатели, тем эффективнее работает доменная печь. У лучших печей оба эти показателя имеют величину ≈0,4.