Глава II Производство чугуна

1. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ДОМЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ, И ИХ ПОДГОТОВКА К ПЛАВКЕ

Для выплавки чугуна в доменных пе­чах используют железные руды, топливо, флюсы.

Железные руды содержат железо в различных соединениях: в виде оксидов Fe₃0₄, Fe₂0₃; гидроксидов Fe₂0₃ • пН₂0; карбонатов FeC0₃ и др., а также пустую породу, состоящую в основном из Si0₂, А1₂0₃, CaO, MgO и др. К железным рудам относятся магнитный железняк Fe₃0₄ (55 ... 60 % Fe), красный железняк Fe₂0₃ (55 ... 60 % Fe), бурый железняк, содер­жащий гидраты оксидов железа 2Fe₂0₃ x х ЗН₂0 и Fe₂0₃ • пН₂0 (37 ... 55 % Fe); шпатовые железняки, содержащие FeC0₃ (30...40%Fe).

Марганцевые руды применяют для выплавки сплава железа с марганцем -ферромарганца (10 ... 82 % Мп), а также передельных чугунов, содержащих до 1 % Мп. Марганец в рудах содержится в виде оксидов и карбонатов: Мп0₂, Мп₂0₃, Мп₃0₄, МпС0₃ и др.

Хромовые руды используют для про­изводства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов - хро­момагнезитов. Хромовые руды содержат хромит (FeO • Cr₂0₃), магнохромит (Mg, Fe), Сг₂0₃ (до 40 % Сг₂0₃).

Комплексные руды используют для выплавки природно-легированных чугу­нов. Это железомарганцевые руды (до 20 % Мп), хромоникелевые руды (37 ... 47 % Fe, до 2 % Ст, до 1 % Ni), желе-зованадиевые руды (до 0,17 ... 0,35 % V).

Топливом для доменной плавки слу­жит кокс, позволяющий получать необхо­димую температуру и создавать условия для восстановления железа из руды; в це­лях экономии часть кокса заменяют при­родным газом, мазутом, пылевидным топ­ливом.

Флюсом при выплавке чугуна в до­менных печах является известняк СаС0₃ или доломитизированный известняк, со­держащий СаС0₃ и MgC0₃, так как в шла­ки должно входить определенное количе­ство основных оксидов (CaO, MgO). Это необходимо для удаления серы из метал­ла, в который она переходит из кокса и железной руды при плавке. В известняке суммарное содержание оксидов Si0₂ и А1₂0₃ не должно превышать 1 %. Содер­жание серы и фосфора должно быть ми­нимальным. Для нормальной работы до­менной печи шлак должен быть достаточно жидкотекучим при температуре 1450 °С. В таком шлаке отношение кислотных ок­сидов к основным должно быть около единицы:

(Si0₂ + А1₂0₃)/(СаО + MgO) * 1.

28

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Подготовка руд к доменной плавке

осуществляется для повышения произво­дительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугу­на. Цель этой подготовки - увеличение содержания железа в шихте и уменьше­ние в ней вредных примесей - серы, фос­фора, повышение ее однородности по кус-коватости и химическому составу. Метод подготовки добываемой руды зависит от ее качества.

Дробление и сортировка руд по круп­ности служат для получения кусков опти­мальной для плавки величины. Дробление руды осуществляется на щековых или ко­нусных дробилках, а также в шаровых мельницах и других агрегатах.

Размельченную руду сортируют по крупности грохочением, подобным про­сеиванию, на различных по конструкции классификаторах и гидроциклонах.

Обогащение руды основано на разли­чии физических свойств минералов, вхо­дящих в ее состав: плотностей состав­ляющих, магнитных, физико-химических свойств минералов. Промывка руды водой позволяет отделить плотные составляю­щие руды от пустой породы (песка, гли­ны). Гравитация (отсадка) - это отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита, на котором лежит руда: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы опускаются. Магнитная сепарация основана на разли­чии магнитных свойств железосодержа­щих минералов и частиц пустой породы. Измельченную руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодер­жащие минералы, отделяя их от пустой породы.

Окускование производят для переработ­ки концентратов, полученных после обога­щения, в кусковые материалы необходимых размеров. Применяют два способа окуско-вания: агломерацию и окатывание.

При агломерации шихту, состоящую из железной руды (40 ... 50 %), известняка (15 ... 20 %), возврата мелкого агломерата

{29 ... 30 %), коксовой мелочи (4 ... 6 %), влаги (6 ... 9 %), спекают на агломераци­онных машинах при температуре 1300 ... 1500 °С. При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера, мышьяк), разла­гаются карбонаты и получается кусковой пористый офлюсованный материал - аг­ломерат.

При окатывании шихту из измельчен­ных концентратов, флюса, топлива увлаж­няют, и при обработке во вращающихся барабанах, тарельчатых чашах (грануля-торах) она приобретает форму шариков-окатышей диаметром до 30 мм. Окатыши высушивают и обжигают при температуре 1200 ... 1350 °С на обжиговых машинах, после чего они становятся прочными и пористыми. Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса-известняка в доменную печь при плавке, так как флюс в необходимом ко­личестве входит в их состав.

2. ВЫПЛАВКА ЧУГУНА

Чугун выплавляют в печах шахтного ти­па - доменных печах. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заклю­чается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом, выделяющимся при сгорании топлива в печи и твердым углеродом.

Устройство доменной печи и ее ра­бота. Доменная печь (рис. 2.1) имеет стальной кожух, выложенный внутри ог­неупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через ко­торый в печь загружают шихту (офлюсо­ванный агломерат и окатыши). Шихту взвешивают, подают в вагонетки 9 подъ­емника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату 8 и, опрокидыва­ясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 засыпного аппарата шихта попадаете чашу //, а при опуска-

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

29

Рис. 2.1. Устройство доменной печи

нии большого конуса 13 - в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу. Для равно­мерного распределения шихты в доменной печи малый конус и приемная воронка после очередной загрузки поворачиваются на угол, кратный 60°.

При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загру­зочное устройство в печь подаются новые порции шихты в таком количестве, чтобы весь полезный объем печи был заполнен. Полезный объем печи - это объем, зани­маемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппара­та при его опускании. Современные домен­ные печи имеют полезный объем 2000 ... 5000 м³. Полезная высота доменной печи достигает 35 м.

В верхней части горна находятся фур­менные устройства 14, через которые в

печь поступает нагретый воздух, необхо­димый для горения топлива. Воздух на­гревают для уменьшения потерь теплоты и снижения расхода кокса. Воздух поступа­ет в доменную печь из воздухонагревате­ля, внутри которого имеются камера сго­рания и насадка. Насадка выложена из огнеупорных кирпичей, так что между ними образуются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный от пыли доменный газ, кото­рый сгорает и образует горячие газы.

Газы, проходя через насадку, нагрева­ют ее и удаляются через дымовую трубу. Затем подача газа к горелке прекращается, и через насадку пропускается воздух, по­даваемый турбовоздуходувной машиной. Воздух, проходя через насадку, нагревает­ся до температуры 1000 ... 1200 °С и по­ступает к фурменному устройству 14, а оттуда через фурмы 2 - в рабочее про­странство. Доменная печь имеет несколь­ко воздухонагревателей: в то время как в одних насадках нагревается, в других на­садка отдает теплоту холодному воздуху, нагревая его. После охлаждения насадки воздухом нагреватели переключаются.

Физико-химические процессы до­менной плавки. Условно процессы, про­текающие в доменной печи, разделяют на горение топлива; разложение компонентов шихты; восстановление железа; науглеро­живание железа; восстановление марган­ца, кремния, фосфора, серы; шлакообразо­вание. Все эти процессы проходят в до­менной печи одновременно, но с разной интенсивностью, при различных темпера­турах и на разных уровнях.

Горение топлива. Вблизи фурм (см. рис. 2.1) углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорает. В результате горения выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий СО, С0₂, N₂, Н₂, СН₄ и др. При этом в печи несколько выше уровня фурм развивается темпера­тура выше 2000 °С. Горячие газы, подни­маясь, отдают теплоту шихтовым мате­риалам и нагревают их, охлаждаясь до температуры 300 ... 400 °С у колошника.

30

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Восстановление железа в доменной печи. Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре 500 ... 570 °С начинается восстановление оксидов железа.

Разложение компонентов шихты про­исходит в зависимости от ее состава. Если в доменную печь подается офлюсованный агломерат, то эти процессы протекают при агломерации и в доменной печи почти не идут. При работе на шихте, содержа­щей флюсы и часть сырой руды, в верхней части доменной печи разрушаются гидраты оксидов железа и алюминия. Из­вестняк флюса диссоциирует по реакции СаС0₃ = СаО + С0₂.

В результате взаимодействия оксидов железа с оксидом углерода и твердым уг­леродом кокса, а также с водородом про­исходит восстановление железа. Восста­новление газами называют косвенным, а восстановление твердым углеродом -прямым. Реакции косвенного восстанов­ления - экзотермические (сопровождают­ся выделением теплоты), они происходят главным образом в верхних горизонтах печи. Реакции прямого восстановления -эндотермические (сопровождаются по­глощением теплоты), они протекают в нижней части доменной печи, где темпе­ратура более высокая.

Восстановление железа из руды в до­менной печи происходит по мере продви­жения шихты вниз по шахте печи и повы­шения температуры в несколько стадий -от высшего оксида к низшему:

Fe₂0₃ -> Fe₃0₄ -> FeO -> Fe.

Восстановление железа заканчивается при 1100 ... 1200 °С. В доменной печи железо восстанавливается почти полно­стью. Потери со шлаком составляют не более 1 %.

Науглероживание железа. Восстанов­ление железа начинается в верхней части шахты доменной печи при 500 ... 570 °С и заканчивается в распаре при 1100 ...

1200 °С. При этих температурах восста­новленное железо с Т_ш = 1539 °С находит­ся в твердом состоянии или в виде губча­той массы. Однако уже в шахте доменной печи наряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание при взаимодействии с оксидом углерода, кок­сом, сажистым углеродом. Это приводит к образованию жидкого расплава, который каплями начинает стекать в горн.

Эти капли, протекая по кускам кокса, насыщаются углеродом (4 % и более), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1000 ... 1200 °С восста­навливаются из руды, а также серой, со­держащейся в коксе.

Марганец в виде оксидов в доменную печь вносится железной, марганцевой ру­дами или агломератом и восстанавливает­ся в шахте по реакции, аналогичной вос­становлению оксидов железа: Мп0₂ -> -> Мп₂0₃ -> МщОз -> МпО. Оксид мар­ганца (МпО) восстанавливается только твердым углеродом с образованием кар­бида марганца (Мп₃С) при температуре не ниже 1100 °С. Карбид марганца растворя­ется в железе, повышая содержание мар­ганца и углерода в чугуне. Другая часть МпО входит в состав шлака.

Кремний, содержащийся в руде в виде Si0₂, также частично восстанавливается твердым углеродом и растворяется в же­лезе. Другая часть Si0₂ переходит в шлак. Кремний восстанавливается при темпера­турах не ниже 1450 °С.

Фосфор содержится в руде в виде со­единений (FeO)₃ • Р₂0₅ и (СаО)₃ • Р₂0₅. При температурах выше 1000 °С фосфат железа восстанавливается оксидом угле­рода и твердым углеродом с образованием фосфида железа. При температурах выше 1300 °С фосфор восстанавливается из фосфата кальция. Фосфор и фосфид желе­за Fe₃P полностью растворяются в железе.

Сера присутствует в коксе и руде в ви­де органической серы и соединений FeS₂, FeS, CaS0₄. Сера летуча, и поэтому часть

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

31

ее удаляется с газом при нагреве шихты в печи, а часть в виде серы и FeS растворя­ется в чугуне. Вследствие реакции

FeS + СаО = CaS + FeO

часть серы в виде CaS удаляется в шлак. Фосфор и сера в чугуне являются вредны­ми примесями.

Таким образом, в результате процесса восстановления оксидов железа, части оксидов марганца и кремния, фосфатов и сернистых соединений, растворения в же­лезе С, Mn, Si, P, S в доменной печи обра­зуется чугун.

Образование ишака. Шлакообразова­ние активно происходит в распаре после окончания процессов восстановления же­леза путем сплавления флюсов, добавляе­мых в доменную печь для обеспечения достаточной жидкотекучести при темпе­ратуре 1400 ... 1450 °С, оксидов пустой породы и золы кокса. Основные составляю­щие доменного шлака: оксиды кремния (30 ... 45 %), оксиды кальция (40 ... 50 %), оксид алюминия (10 ... 25 %) и другие компоненты. Шлак стекает в горн и скап­ливается на поверхности жидкого чугуна благодаря меньшей плотности.

Чугун выпускают из печи каждые 3 ... 4 ч, а шлак - через 1 ... 1,5 ч. Чугун вы­пускают через чугунную летку 16 (рис. 2.1) - отверстие в кладке, располо­женное несколько выше лещади, а шлак— через шлаковую летку 17. Чугунную летку открывают бурильной машиной, после выпуска чугуна ее закрывают огнеупор­ной массой. Чугун и шлак сливают в чугу-новозные ковши и шлаковозные чаши. Чугун транспортируют в кислородно-кон­вертерные или мартеновские цехи для пе­редела в сталь. Чугун, не используемый в жидком виде, разливают в изложницы разливочной машины, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

Продукты доменной плавки. Чугун -основной продукт доменной плавки. В доменных печах получают чугун раз­личного химического состава в зависимо­сти от его назначения.

Передельный чугун выплавляют для передела его в сталь в конвертерах или мартеновских печах. Он содержит 4 ... 4,4 % С, 0,6 ... 0,8 % Si, 0,25 ... 1,5 % Mn, 0,15... 0,3 %Р и 0,03 ... 0,07 %S.

Литейный чугун используют на маши­ностроительных заводах при производстве фасонных отливок. Он содержит 2,75 ... 3,25 % Si. Кроме чугуна в доменной печи выплавляют ферросплавы доменные -сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Их применяют для раскисления и легирования стали. К ним относятся ферросилиций (9 ... 13 % Si и до 3 % Мп), ферромарганец (70 ... 75 % Мп и до 2 % Si), зеркальный чугун (10 ... 25 % Мп и до 2 % Si).

Побочные продукты доменной плавки -шлак и доменный газ. Из шлака изготов­ляют шлаковату, цемент, шлакоситаллы, а доменный газ после очистки используют как топливо для нагрева воздуха, вдувае­мого в доменную печь.

Технико-экономические показатели работы доменной печи. Основным пока­зателем работы доменной печи принято считать: коэффициент использования полез­ного объема доменной печи (КИПО) - это отношение полезного объема доменной печи V (м³) к ее среднесуточной произво­дительности Р (т) выплавленного тугуна. КИПО = VIP. Чем меньше КИПО, тем вы­ше производительность доменной печи. В современных доменных печах КИПО не превышает 0,6. Другим важным показате­лем работы доменной печи является удельный расход кокса (К) - отношение расхода кокса (А) за сутки к количеству чугуна (Р), выплавленного за это же вре­мя: К = AIP. Удельный расход кокса со­ставляет 0,5 ... 0,7. Кроме того, эффектив­ность работы доменной печи характеризу­ется пребыванием шихты в доменной печи (5 ... 6 ч) и длительностью кампании (4 ... 5 лет и более непрерывной работы).

Эти показатели являются обобщенны­ми: они зависят от доли агломерата и ока­тышей в шихте, качества кокса, расхода природного газа, температуры дутья и содержания в нем кислорода, качества огнеупоров и других факторов.

32

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ