Тема. Производство чугуна

РАЗДЕЛ 1. МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

 

 

Чугун – это сплав железа с углеродом, где углерода более 2,14%.

Исходные материалы для выплавки чугуна: железная руда, топливо, флюсы (Si O₂,

Mg O, MnO).

Все материалы, загружаемые в печь, называют шихтой.

В состав шихты входит:

1) руда – природное минеральное сырье, содержащее металлы или их соединения в количестве или виде пригодном для промышленного использования. Руда – это совокупность минералов. Минералы, содержащие рудный металл называю рудными, а остальные – пустой породой.

2) топливо

Агрегатное состояние	Естественное	Искусственное
Твердое	Дрова, торф, каменный уголь	Каменноугольный кокс, брикеты из угля и торфа
Жидкое	нефть	Бензин, мазут, керосин
Газообразное	Природный газ	Коксовый газ, доменный газ

3) флюсы – для облегчения процесса шлакообразования

 - кислые Si O₂

 - основные CaO, MgO,  FeO

 - нейтральные – глинозем

I. Железные руды – это природные химические соединения, представлящие собой окиси железа, соединенные с пустой породой, в состав которой входят кремнезем, глинозем, окись кальция и др.

А) магнитный железняк Fe₃O₄. Количество железа равно 72 %. Руда обладает магнитными свойствами, плотная. Месторождение: Урал.

Б) Красный железняк – Fe₂O₃ – гематит. Количество железа равно 50-60%.Месторождение: район Курска, Кривой Рог.

В) Бурый железняк - Fe₂O_3*n H₂O. Железо составляет 60 %. Месторождение: Урал.

II. Подготовка руд к плавке

Необходимо для нормального хода доменного процесса.

1) дробление – измельчение кусковой породы на дробилках до размеров 30-100 мм, после чего руда идет на плавку. Процесс способствует ускорению плавки за счет снижения расхода дорогостоящего кокса.

2) промывка- отделение рудного концентрата сильной струей воды, применяется для бедных руд, не обладающих магнитными свойствами.

3) обжиг руды – производится при температуре 800°C, применяется для руд, содержащих воду. Процесс необходим для удаления воды, углекислоты и частичного выжигания серы, в результате чего руда очищается и обогащается соединениями железа.

4) спекание (агломерация) – процесс окусковывания мелких пород за счет спекания мелкой руды с топливом.

5) брикетирование – прессование со связующими добавками (глина, жидкое стекло, смола).

III. Виды топлива.

В качестве топлива применяется кокс, высококачественный уголь (антрацит).

Кокс – продукт сухой перегонки коксующихся каменных углей при температуре1100°C в течение 15 часов.

IV. Флюсы – минеральные вещества, добавляемые при плавке для образования с пустой породой руды и золой топлива легкоплавкого соединения, называемого шлаком.

V. Огнеупорные материалы.

Применяются для строительства и ремонта металлургических печей.

В зависимости от химического состава огнеупорные материалы делятся:

1) нейтральные – шамот – состоит из огнеупорных глин различного состава

2) кислые – динас - кварцит (кварцевый песок)

3) основные – (магнезит, доломит)

Если печь футерована кислым огнеупором, то шлак должен быть кислым.

Если печь футерована основным огнеупором, то шлак должен быть основным.

VI. Устройство доменной печи.

Чугун выплавляется в доменных печах.

Домна - вертикальная печь шахтного типа: сверху вниз опускается шихта, навстречу ей поднимается поток горячих газов. Печь имеет футерованный стальной корпус. Нагрев печи происходит за счет сгорания кокса

C + O₂ = CO₂ + 393,5кДж

CO₂ + C= 2СO – 171, 9 кДж

Дополнительный разогрев печи происходит за счет горячего воздуха газообразного распыленного или жидкого топлива, подаваемого в кольцевой трубчатый теплообменник (фурму), размещенный на наружной поверхности домны. Воздух подогревается в фурме очищенными колошниковыми газами.

В зоне фурмы идет реакция:

2C + O = 2CO + 110,5 кДж

В средней части домны получается губчатое железо в результате насыщения углеродом:

3Fe + C = Fe₃C

При содержании углерода 4…4,5 % температура плавления чугуна составляет 1200°, что позволяет получить его жидкую фазу в нижней части домны (в горне).

Колошник – самая верхняя цилиндрическая часть печи, предназначенная для приемки шихтовых материалов и отвода газов.

Шахта - самая высокая коническая часть доменной печи, облегчает пропускание проплавляемых материалов и распределение газов по поперечному сечению печи.

Распар – широкая цилиндрическая часть печи.

За распаром располагаются заплечики, суживающиеся книзу. Сужение связано с уменьшением объема материалов при переходе в жидкое состояние.

Нижняя цилиндрическая часть называется горном.

В верхней части горна расположены воздушные фурмы, которые служат для вдувания горячего воздуха, служащего для горения топлива.

Дно горна называется лещадью. Она состоит из нескольких рядов высококачественного шамотного кирпича. На ней собирается чугун и шлак, выпускаемый через специальные устройства, называемые лётками. Чугунная лётка находится на 400- 500 мм выше лещади, поэтому на ней всегда остается жидкий чугун, предохраняющий лещадь от разрушения.

Доменная печь опирается на железобетонный фундамент, по наружной поверхности которого установлены стальные колонны.

Для поднятия шихтовых материалов в засыпной аппарат служит наклонный подъемник с 2-мя саморазгружающимися вагонетками.

VII. Доменный процесс.

1. Разложение плавильных материалов

А) испарение влаги, имеющейся в плавильных материалах

Б) разложение соединений, заключающих в себе воду

В) разложение горючего с выделением летучих веществ

Г) разложение углекислых солей

 

1. Восстановление железа и других элементов

3Fe₂O₃+ CO =2 Fe₃O₄ + CO₂

2Fe₃O₄ + CO =6 FeO + 2CO₂ + CO

6FeO + CO =6 Fe + 6CO₂ + CO

Кроме железа, происходит восстановление окислов кремния и марганца

SiO₂+ 2C = Si + 2CO

1. Восстановленное железо получается в виде губки, которое в дальнейшем науглероживается. После того, как губка впитает то или иное количество углерода и будет нагрета до температуры 1170°С и выше, начинается ее плавление. Жидкий металл, стекая вниз, омывает куски кокса, при этом происходит дополнительное науглероживание.

VIII. Шлакообразование – это процесс сплавления пустой породы с известью, сопровождающийся переходом из твердого состояния в жидкое.

Одним из важнейших свойств шлака является его текучесть. Шлак оказывает влияние на ход процесса. Подвижность шлака должна быть средней, так как густые шлаки образуют на стенках печи настыли, приводящие к нарушению хода процесса, а очень жидкие разъедают кладку печи.

Доменный шлак широко используется для производства строительных материалов. Основные шлаки применяют для изготовления цемента. При продувании кислого шлака получаются длинные нити - шлаковая вата, которая является прекрасным теплоизоляционным материалом.

IX. Продукция доменного производства.

1) чугуны, содержащие свободный графит, имеют в изломе серый или темно-серый цвет и крупнозернистое строение. Эти чугуны называют литейными или серыми. Особенностью их является повышенное содержание кремния и пониженное содержание серы. Они хорошо заполняют литейные формы и легко поддаются обработке режущим инструментом.

2) Чугуны, содержащие углерод в составе цементита, очень твердые, хрупкие, имеют белый цвет в изломе. Для отливок мало пригодны, трудно обрабатываются режущим инструментом. Эти чугуны перерабатывают в сталь и называют белыми или передельными. Они содержат пониженное содержание кремния.

3) Специальные чугуны – ферросплавы, имеют повышенное содержание (больше 10%) одного или нескольких элементов (марганца или кремния). Нужны как присадки при выплавке стали.