ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

И ПРЯМОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ЖЕЛЕЗА

1. Сырые материалы доменной плавки

Сырыми материалами доменной плавки являются топли­во, железные, марганцевые руды и флюсы.

Топливом служит получаемый из каменного угля кокс, сжигание которого в струе горячего воздуха обеспечивает домен­ный процесс теплом и компонентами, необходимыми для восстановления оксидов железа и образования чугуна.

С железными рудами в доменную печь вносится хими­чески связанное с другими элементами железо, которое восстанавливается, науглероживается и образует чугун.

Для понижения температуры плавления пустой породы руды, перевода золы кокса в шлак и придания шлаку не­обходимых свойств в доменную печь загружают добавки, называемые флюсами, к которым чаще всего относят из­вестняк СаСО₃.

Топливо.

В качестве топлива в доменной плавке при­меняют кокс, мазут, природный и коксовый газы, камен­ноугольную пыль.

Основным видом топлива является каменноугольный кокс, который представляет твердую и прочную порис­тую массу, оставшуюся после удаления из угля летучих веществ при сухой перегонке его при высокой темпера­туре без доступа воздуха. Кокс получают в коксовых пе­чах или камерах коксования при температурах 950— 1100°С (рис. 1).

Шихтой для производства кокса служат коксующиеся угли разных сортов, которые сначала дро­бят, обогащают для уменьшения содержания золы, из­мельчают и усредняют.

Рис. 1. Схема коксовой батареи:

1 — люки для загрузки угольной шихты; 2 — коксовые камеры; 3 — обогрева­тельные каналы простенков; 4 — переходные каналы; 5 — подача горючего газа; 6 — регенераторы для подогрева воздуха; 7 — борова для отвода про­дуктов сгорания.

Большое распространение получили коксовые печи периодического действия. Они состоят из камеры коксо­вания, обогревательных простенков и регенераторов. Шихта из угольной башни с помощью загрузочного ва­гона через люки поступают в узкие камеры шириной 0,4—0,5, высотой 5 и длиной 15 м. Камеры изолированы от окружающей атмосферы и соединены лишь с аппара­тами для улавливания выделяющихся при коксовании веществ. Камеры объединены в коксовые батареи, име­ющие до 80 камер коксования, каждая из которых имеет объем до 42 м³ и позволяет получить за один прием до 20 т кокса. Нагрев камер до температур около 1100°С обеспечивается за счет применения подогретого в регене­раторах воздуха, используемого для сжигания доменно­го и коксового газов в простенках между камерами — вертикальных каналах (рис.1). Камеры регенератора, заполненные огне-упорным кирпичом наподобие пче­линых сот, нагреваются отходящими газами. При дости­жении кирпичной кладкой определенной температуры поступление горячего дыма прекращается и в регенера­тор направляют холодный воздух, который нагревается и поступает в вертикальные каналы для сжигания топли­ва. Затем опять проводят смену направления потоков га­за и воздуха.

При нагреве в камере до 250°С угольная шихта под­сушивается и начинает выделять летучие продукты раз­ложения; в интервале 250-350°С выделяется легкая смо­ла, а при температуре выше 450°С уголь начинает прев­ращаться в пластическую массу, которая при 500—650°С разлагается с выделением смолы и газа, затвердевает и образует полукокс. При 800°С выделение газа прекра­щается, и при температуре около 1000°С образуется кокс.

Процесс коксования длится 14—16 ч, после чего от­крывают переднюю и заднюю дверцы камеры и специ­альным выталкивателем коксовый спек в виде пирога выдавливают в вагон, который отправляют в башню для тушения кокса водой или азотом. Охлажденный кокс по­ступает на сортировку.

Из 1000 кг угольной шихты получают 750—800 кг кокса, 300—330 м³ коксового газа с теплотой сгорания около 17 МДж/м³, 33 кг каменноугольной смолы и 11 кг бензола, из которых получают много ценных химических продуктов.

Полученный кокс сортируют по размерам кус­ков на три класса: мелочь 0—15 мм, орешек 15—25 мм и металлургический кокс крупнее 25 мм.

В коксе содер­жится 80—88% нелетучего углерода, 8—12% золы, 2— 5% влаги, 0,7—1,2% летучих веществ, 0,5—1,8% серы и 0,02—0,2% фосфора.

Основными физико-химически­ми свойствами кокса являются прочность, т. е. степень сопротивления кокса разрушению под воздействием внеш­них сил; реакционная способность взаимодействия кокса с диоксидом углерода (СО₂) с образованием оксида СО; скорость сгорания и температура воспламенения (600— 700 °С).

При доменной плавке часть кокса может быть заме­нена природным или коксовым газом, мазутом и пыле­видным топливом.

Железные руды. Рудой называют минеральные иско­паемые, содержащие металл в виде оксидов или суль­фидов, пустую породу и различные примеси. Железные руды в основном содержат железо и в зависимости от его содержания делятся на бедные (менее 30 % Ре), средние ,(30—50 % Ре) и богатые (более 50 % Ре). Пустая по­рода является нежелательным, но неизбежным спутни­ком железа и в основном состоит из кремнезема (5Ю₂), глинозема (А1₂О₃), извести (СаО) и магнезита (М§О), образующих сложные минералы. К полезным примесям, которые обычно находятся в руде в виде оксидов, отно­сят марганец, хром, никель, ванадий, вольфрам, молиб­ден и другие; к вредным — серу, фосфор, мышьяк, цинк свинец и, в большинстве случаев, медь.

По виду соединений железа руды разделяют на сле­дующие основные типы.

1. Магнетитовая руда или магнитный железняк. Но­сителем железа в ней является минерал магнетит РезО₄,содержащий 78,4 % чистого железа и обла-дающий маг­нитными свойствами. Магнетитовые руды обычно содер­жат 50—60 % Fе и часто бывают загрязнены серой в ви­де пирита FеS₂.

2. Гематитовая руда или красный железняк — это в основном безвод-ный оксид железа Fе₂Оз, содержащий 70 % Fе и образовавшийся в результате выветривания магнитных железняков. Это наиболее распространенная руда, содержащая 50—70 % Ре с небольшим количеством вредных примесей. Пустая порода руды состоит в основ­ном из кремнезема с незначительными примесями дру­гих оксидов. Гематитовые руды обладают высокой восстано-вимостью, но содержат много мелочи и, как прави­ло, пылеватые.

3. Бурый железняк или водный оксид железа состоит из минералов лимонита 2Fе₂О₃∙3Н₂О и гетита Fе₂О₃∙Н₂О. Наиболее распространенный лимонит содержит 59,8 % Fе. Большинство месторождений бурых железняков осадоч­ного происхождения, образовавшихся в результате вы­ветривания и окисления других железных руд. Обычно руда содержит 37—55 % Ре, повышенное количество марганца и вредных примесей — Р и S, часто смешана с квар­цитом и глиной. Благодаря малой плотности и высокой пористости руды легко восстанавлива-ются.

4.Шпатовый железняк или сидерит — это соединение оксидов железа с СО₂. Минерал сидерит (FеСО₃), содер­жащий 48,3 % Fе, при взаимодействии с влагой и кисло­родом превращается в бурый железняк. Руды чисты по вредным примесям, но, по сравнению с другими типами руды, содержат меньше железа (30—40%).

К наиболее крупным месторождениям Европей­ской части бывшего СССР относятся: Курская магнитная анома­лия (КМА) с запасами 42 млрд. т, Криворожское — 24 млрд. т, Керченское — 2 млрд. т. Запасы железных руд на Урале составляют около 15 млрд. т,, 80 % которых находится в Качканарском, а остальное в Тагило-Кушвинском, Магнитогорском, Бакальском и Орско-Халиловском железорудных районах. Запасы железных руд Ка­захстана, составляющие 16,7 млрд. т, представлены Соколовско-Сарбайским, Качарским, Лисаковским, Аятским и Атасуйским месторождениями. В Сибири наибо­лее значительными являются месторождения Горной Шории, Ангаро-Питский и Ангаро-Илимский железоруд­ные районы.

Марганцевые руды. Марганец в рудах содержится в виде минералов: пиролюзита (МnО₂), браунита (Мn₂О₃), гаусманита (Мn₃О₄) и родохрозита (МnСО₃). Руды содержат 42—47 % Мn и применяются для выплав­ки ферромарганца, а также для производства литейного и передельного чугунов, содержащих около 1 % Мn. Пус­тая порода по своему составу такая же, как и в желез­ных рудах и в основном состоит из кремнезема. Наибо­лее крупными месторождениями марганцевых руд в бывшем СССР является Чиатурское на Кавказе и Никопольское на Украине.

Флюсы. Флюсы вводят для перевода пустой породы железной руды и золы кокса в легкоплавкий жидкотекучий шлак, обладающий нуж­ными физико-химическими свойствами и, в частности, способностью связывать серу и нейтрализовать кремне­зем. Наиболее распространенным флюсом является из­вестняк, в основном состоящий из СаСО₃ и не содержа­щий серы, фосфора и кремнезема. В настоящее время из­вестняк большей частью вводят не прямо в доменную печь, а в шихту при процессе окускования железных руд или концентратов.

При доменной плавке используют и отходы различ­ных метал-лургических производств с повышенным содер­жанием железа или марганца. К ним относят: колошни­ковую пыль — отходы доменной плавки, содержащие до 45 % Fе, сварочный шлак — отходы прокатного производ­ства, содержащие до 50 % Fе и окалину нагревательных печей. Пылевидные отходы, как и флюсы, обычно добав­ляют в шихту к рудам и концентратам при их окусковании. В некоторых случаях в доменной плавке используют шлаки сталеплавильного производства, мелкий стальной скрап и стружку.