Металловедение

61

Наиболее широко в металлургии применяется агломерация (спекание),

которая проводится теперь на больших ленточных агломерационных машинах непрерывного действия (рис. 43). Исходными материалами для агломерации служат рудная мелочь и колошниковая пыль - отход доменного производства

(см. ниже). Эта материалы смешивают с небольшим количеством (8-12%) мел-

кого кокса, так называемым коксиком, имеющим в поперечнике менее 3 мм,

или каменноугольной мелочью. Часто в шихту добавляют мелкий, недостаточ-

но спекшийся агломерат.

Слегка увлажненную (5-6% влаги) и хорошо перемешанную шихту за-

гружают на колосниковую решетку машины слоем 200300 мм и затем поджи-

гают с поверхности под камерой зажигания, расположенной над лентой. Под колосниковой решеткой имеются камеры, в которых создается небольшой ва-

куум (остаточное давление 6 кПа - 12 кПа или 600-1200 мм вод. ст.), обеспечи-

вающий просасывание воздуха через слой агломерационной шихты и переме-

щение зоны горения коксика с поверхности шихты в ее нижние слои. В зоне го-

рения коксика развивается высокая температура (до 1500° С), вследствие чего образуется небольшое количество жидкой фазы - файалита по реакции

62

Fe2O3 + 3Si02 + 2СО == 3(2FeO.Si02) + 2C02

(файалит)

Образующийся файалит склеивает куски руды после перемещения зоны горения и охлаждения материала (рис. 44).

В результате образуется ноздревато-пористый черно-серый продукт спе-

кания - агломерат.

Ленточная машина для получения агломерата (см. рис. 43 и 44) размеща-

ется в здании высотой 5-6 производственных этажей и устанавливается на стальном каркасе с транспортными направляющими рельсами А, на которых помещают определенное число металлических налет / (тележек с днищем в ви-

де колосниковой решетки с бортами и двумя парами роликов по бокам). При-

водной механизм 7 (рис. 43) захватывает палеты за ролики, поднимает их с нижних направляющих на верхние и передвигает справа налево. Палеты плотно примыкают друг к другу торцами и образуют в верхней части машины горизон-

тальный желоб с колосниковым дном, под которым размещены камеры разря-

жения Б.

В левой части машины находится загрузочное оборудование (система бункеров, транспортеров и питателей), с помощью которого на колосники налет сначала засыпается тонкий слой мелкого агломерата (постель), предохраняю-

щий колосники от разгара и удерживающий мелкие частицы шихты от проска-

кивания в зазоры между колосниками, а затем толстый слой шихты. После раз-

равнивания слоя шихты, по мере движения налет, они подходят под камеру за-

жигания 2, имеющую газовые или мазутные горелки, под которыми зажигается коксик верхних слоев шихты и расположены камеры разряжения.

Во время перемещения налет по верхнему горизонтальному участку аг-

ломерационной машины заканчивается перемещение зоны горения коксика к нижним слоям шихты и завершается процесс агломерации. Попадая на полу-

круглый участок пути, палеты сбрасывают раскаленный агломерат на колосни-

63

ковый грохот и, перевертываясь вверх колесами за счет силы тяжести по на-

клонному нижнему рельсовому участку машины, подкатываются к приводному механизму и вновь поднимаются на верхний ее участок. Производительность крупных агломерационных машин достигает 2,5 тыс. т агломерата в сутки.

Последнее десятилетие наряду с обычным агломератом стали произво-

дить так называемый офлюсованный агломерат, получаемый путем дополнения в агломерационную шихту мелких кусочков флюса (обычно известняка). В

процессе агломерации известняк СаСОз разлагается, выделяя СО2 и участвуя в образовании агломерата.

Офлюсованный агломерат еще в большей степени, чем обычный, увели-

чивает производительность доменных печей на 10-25% и уменьшает расход кокса на доменную плавку на 7-20%.

Окускование рудной мелочи проводят и другими способами. В металлур-

гии нередки случаи брикетирования - простейшего способа окускования по-

рошковых материалов путем прессования их смеси с какими-либо связующими материалами (глиной, жидким стеклом, смолой и т. п.). Вынутые из прессов брикеты в зависимости от характера связующего сушат на воздухе или обжи-

гают для придания им необходимой прочности.

С50-х годов в черной металлургии применяют новый метод окускования

-производство окатышей. Суть этого способа заключается в смешивании руд-

ной мелочи и пыли с небольшим количеством дешевого тонкоизмельченного связующего, обычно глины или извести. После небольшого увлажнения до 8-

10% эту смесь помещают в смеситель типа пустотелого барабана или наклон-

ной неглубокой чаши. Рудная шихта, вращаясь в барабане (чаше), пересыпается с места на место, слипается, образуя круглые окатыши размером 25-30 мм.

Затем окатыши сушат или обжигают, чтобы сделать их достаточно проч-

ными для применения в крупных доменных печах. Обжиг в восстановительной

64

атмосфере позволяет частично восстановить окислы железа и повысить тем са-

мым производительность доменных печей (см. ниже).

§ 5. Выплавка чугуна

Получение чугуна из железных руд осуществляется в доменных печах.

Доменные печи являются крупнейшими современными шахтными печами.

Большинство действующих сейчас доменных печей имеет полезный объем

1300-2300 м3 - объем, занятый загруженными в нее материалами и продуктами плавки. Эти печи имеют высоту примерно 30 м и дают в сутки по 2000 т чугуна.

На Криворожском металлургическом заводе им. В. И. Ленина с 1967 г.

работает доменная печь полезным объемом 2700 м3 производительностью 5

тыс. т чугуна в сутки; такие печи работают теперь также на Череповецком заво-

де и Нижне-Тагильском комбинате.

В 1971 г. в СССР было закончено строительство еще более крупной до-

менной печи полезным объемом 3200 м3. Печь рассчитана на работу с повы-

шенным давлением газа на колошнике до 250 кПа (2,5 атм), на дутье постоян-

ной влажности, нагретое до 1200° С и обогащенное до 30% кислородом. Преду-

смотрено также вдувание в печь природного газа. Управление процессом на-

грева воздуха введением в него кислорода и природного газа ведется по задан-

ной программе автоматически. Печи объемом в 2700 и 3200 м3 будут строить и

вдальнейшем.

В1974 г. на Криворожском заводе была построена крупнейшая доменная печь в мире объемом в 5000 м3. Эта печь существенно отличается от печей, по-

строенных ранее. В ней выпуск продуктов плавки производится через четыре летки и много других нововведений, облегчающих труд доменщиков и повы-

шающих производительность труда.

Понятие о работе и устройство доменных печей. Сущность доменной плавки сводится к раздельной загрузке в верхнюю часть печи, называемой ко-

лошником, руды (или агломерата), кокса и флюсов, располагающихся поэтому

65

в шахте печи слоями. При нагревании шихты за счет горения кокса, которое обеспечивает вдуваемый в горн горячий воздух, в печи идут сложные физико-

химические процессы (которые описаны ниже) и шихта постепенно опускается вниз навстречу горячим газам, поднимающимся вверх. В результате взаимодей-

ствия компонентов шихты и газов в нижней части печи, называемой горном,

образуются два несмешивающихся жидких слоя - чугун и шлак.

На рис. 45 и 46 показаны схемы доменной печи объемом 2700 м3. Печи этого типа работают на ряде заводов. Материалы подаются к печи двумя скипо-

выми подъемниками с опроки-

дывающимися ковшами вме-

стимостью по 17 м3, достав-

ляющими агломерат, кокс и другие добавки к засыпному устройству на высоту 50 м. За-

сыпное устройство доменной печи состоит из двух пооче-

редно опускающихся конусов.

Для равномерного распределе-

ния материалов на колошнике печи малый конус с цилин-

дром после каждой засыпки поворачивается на заданный угол (обычно 60°).

В верхней части горна располагаются фурменные от-

верстия (16-20 шт.), через ко-

торые в печь подается под давлением около 300 кПа (3

66

атм) горячий, обогащенный кислородом воздух при температуре 900-1200°С.

Жидкий чугун выпускается каждые 3-4 ч поочередно через две или три летки, которые для этого вскрываются с помощью электробура. Выливающийся из печи чугун выносит с собой и шлак, находящийся над ним в печи. Чугун на-

правляется по желобам литейного двора в чугуновозные ковши, расположен-

ные на железнодорожных платформах. Шлак, выливающийся с чугуном, пред-

варительно отделяется от чугуна в желобах с помощью гидравлических запруд и направляется в шлаковозы. Кроме того, значительную часть шлака обычно выпускают из доменной печи до выпуска чугуна через шлаковую летку. После выпуска чугуна летка закрывается

путем ее забивки пробкой из огнеупорной глины с помощью пневма-

тической пушки.

Печь монтируют в прочном сварном стальном кожухе, интенсивно охла-

ждаемом водой. Внутри печь выкладывают высококачественным шамотным кирпичом, а отдельные части печи делают из прессованных углеродистых бло-

ков. Толщина боковых стенок печи в отдельных местах превышает 1,5 м, а ле-

щади - 4 м. Печь полезным объемом 2700 м3 имеет высоту 80 м и весит с меха-

низмами около 200 000 т. Печь работает непрерывно в течение 4-8 лет.

Физико-химические процессы, протекающие в доменной печи, очень сложны и многообразны. Советские ученые академики А. А. БайковиМ. А.

67

Павлов и другие глубоко занимались их изучением и создали капитальные тру-

ды по этим вопросам.

Условно процесс, протекающий в доменной печи, можно разделить на следующие этапы: горение углерода топлива; разложение компонентов шихты;

восстановление окислов; науглероживание железа; шлакообразование.

Эти этапы процесса проходят в печи одновременно, переплетаясь друг с другом, но с разной интенсивностью, на разных уровнях печи.

Горение углерода топлива происходит главным образом возле фурм, где основная масса кокса, нагреваясь, встречается с нагретым до 900-1200° С ки-

слородом воздуха, поступающим через фурмы.

Образовавшаяся при этом углекислота вместе с азотом воздуха поднима-

ется вверх и, встречаясь с раскаленным коксом, взаимодействует с ним по ре-

акции

CO2 + Cтв = 2CO

Эта реакция обратима, причем ее равновесие сдвигается вправо при по-

вышении температуры и влево при понижении.

Вдуваемый в фурмы пар также встречается с раскаленным коксом и окисляет его при высоких температурах

Н2Oпар + Cтв = СО + Н2

Разложение компонентов шихты протекает различно - в зависимости от ее состава. При работе на буром железняке важнейшими процессами здесь яв-

ляются разрушение гидратов окиси железа и окиси алюминия, разложение из-

вестняка по реакции СаСОз = СаО+СО2

и некоторые другие процессы.

Восстановление окислов может происходить окисью углерода, углеродом и водородом. Главной целью доменного процесса является восстановление

68

ж е л е з а из его окислов. Согласно теории академика Байкова восстановление окислов железа идет ступенчато по следующей схеме

Fe2О3 → Fe3О4 → FeО → Fe

Главную роль в восстановлении окислов играет окись углерода ЗFe2О3 + СО = 2Fe3О4 + СО2 + Q1

Эта реакция практически необратима, протекает легко при очень низкой концентрации СО в газовой фазе. Для развития этой реакции вправо необходи-

мы температура не ниже 570° С и значительный избыток СО в газах Fe3О4 + СО = ЗFeО + СО2 - Q2

Затем происходит образование твердой железной губки

FeОтв + СО = Feтв + СО2 + Q3

ее развитие вправо требует еще более высокой температуры и высокой концентрации СО в газовой фазе. Но как показывают исследования, в про-

странстве печи есть для этого необходимые условия, так как выше 950° С в га-

зовой фазе присутствует только СО (CO2 не образуется).

Наряду с СО в процессах восстановления железа из окислов значитель-

ную роль играет и твердый углерод

FeОтв + Ств = Feтв + СО - Q

Это взаимодействие происходит за счет непосредственных контактов окислов руды с восстановителем во время перемещения руды в печи, а также в горячей зоне печи за счет соприкосновения кусков кокса с жидкими шлаками,

содержащими избыток закиси железа.

Начало и скорость этих реакций в доменной печи зависит от физического состояния руды, состава газов, их давления и ряда других факторов. Аналогич-

но идет и восстановление окислов железа водородом, но поскольку его доля в газовой фазе невелика, роль его в доменном процессе не является первостепен-

ной.

69

Восстановление окислов марганца происходит также ступенчато главным образом за счет СО

MnО2 → Mn 2О3 → Mn3 О → MnO

восстановление закиси марганца происходит почти исключительно за счет твердого углерода

MnОтв + Ств = Mnтв + СО - Q

Эта реакция требует в два раза больше тепла, чем восстановление железа,

а поэтому повышенного расхода топлива, т. е. горячего хода печи.

Восстановление кремния происходит преимущественно твердым углеродом по реакции

SiО2тв + 2С = Si + 2СО - Q

но требует еще более высокой температуры и тугоплавких шлаков.

Ф о с ф о р вносится в доменную печь с рудой в виде минералов ЗСаО.Р2О5 и ЗFеО.Р2О5.8Н2О.

При высокой температуре в присутствии углерода эти соединения вос-

станавливаются

2(ЗСаО • Р2О5) + 3Si02 + 10С = 3(2СаО • SiO2) + 10СО + 4Р - Q

а так как SiO2 почти всегда есть в руде, эта реакция идет практически до конца. Фосфор взаимодействует с железом и образующийся фосфид переходит

вчугун

Р+ ЗFе = Fе3Р

Сера находится в руде и коксе в виде пирита и других устойчивых суль-

фидов. При агломерации или в доменной печи пирит разлагается FeS2 → FeS + S; образовавшаяся сера окисляется и удаляется с газами в виде SO2, а FeS рас-

творяется в чугуне. Некоторое количество серы можно удалить образованием растворимого в шлаке и не растворимого в чугуне сернистого кальция

FеSмет + СаО = FеО + CaSшл

70

Реакция идет в правую сторону с увеличением основности шлака (больше СаО) и понижения в нем содержания закиси железа.

Науглероживание железа происходит следующим образом. Образовав-

шееся в результате восстановительного процесса твердое губчатое железо, со-

прикасаясь с печными газами, содержащими значительное количество СО,

взаимодействует непосредственно с ним по реакции 3Fe + 2СО = FезС + С02

Образование сплава железа с углеродом, имеющего температуру плавле-

ния ниже, чем чистое железо, приводит к формированию капель жидкого чугу-

на, которые, стекая в нижнюю часть печи через слой раскаленного кокса, еще более насыщаются углеродом.

Шлакообразование активно развивается при прохождении шихты в об-

ласти распара после окончания процессов восстановления окислов железа в до-

менной печи. Шлак состоит из окислов пустой породы и золы кокса, а также флюса, специально добавленного в печь, чтобы обеспечить достаточную жид-

котекучесть шлака при температуре 1400-1450° С. При слишком легкоплавком шлаке не успевает восстановиться значительная часть окислов железа, которая выносится с этим шлаком из зоны восстановления. При слишком тугоплавком шлаке на стенках печи образуются большие настыли и доменный процесс ос-

ложняется. Состав шлака зависит от состава пустой породы руды, а также от того, получают ли в доменной печи передельный чугун, литейный чугун или ферросплавы. Основными составляющими доменного шлака являются кремне-

зем SiO2 (от 30 до 45%), окись кальция (40-50%), глинозем (10-25%).

Состав и маркировка чугунов, которые в значительных количествах вы-

плавляют в доменных печах, приведены в табл. 1 и 2.

*Примечание. Кроме того, ГОСТ 4832-72, вошедший в действие с I янва-

ря-1974 г., предусматривает для каждой марки чугуна три группы марганца с