Физико-химические и технологические закономерности производства чугуна

 Чугуном называется сплав железа с углеродом, кото­рый содержит более 2,14 % углерода.

Около 80 % всего количества выплавляемого чугуна составляет передельный чугун, являющийся исходным продуктом для производства стали. Для производства литых деталей на машиностроительных заводах исполь­зуют литейный чугун (15—20 % от количества произво­димого чугуна), а в качестве легирующих добавок и раскислителей при выплавке стали — ферросплавы: ферромарганец и ферросилиций (1—2 % от общей вы­плавки чугуна).

Исходные материалы для доменного производства. Для выплавки чугуна нужны руда, флюсы, топливо и воздух. Основным способом получения чугуна являет­ся доменный процесс, протекающий в специальных (до­менных) печах, работающих непрерывно до капиталь­ного ремонта в течение нескольких лет.

Железными рудами называют горные породы, содер­жащие железо в таких количествах, при которых ее тех­нически и экономически целесообразно перерабаты­вать. Пригодность железной руды для доменного процесса зависит от содержания железа, состава пустой породы и концентрации вредных примесей, таких как сера, фосфор и др. Важную роль играет восстановимость руды, которая определяется скоростью восстановления из нее железа и зависит от плотности и пористости руды. Чем плотнее руда, тем хуже ее восстановимость. Для производства чугуна используют руды следую­щих основных типов:

 магнитный железняк (магнезит) содержит 45— 70 % железа в виде оксида Fe₃O₄ и обладает магнитными свойствами. Руда имеет черный цвет, высокую плотность и трудно восстанавливается;

 красный железняк (гематит) содержит 50—60 %
железа в виде безводного оксида Fе₂O₃. В нем мало вредных примесей серы и фосфора; по сравнению с магнитным железняком легче восстанавливает­ся. Благодаря этому красные железняки относят­ся к лучшим железным рудам;

 бурый железняк (лимонит) содержит около 30 % железа в виде водного оксида Fe₂O₃×ЗН₂О. Загряз­нен серой и фосфором. Благодаря хорошей восста­новимости использование небогатых руд бурого железняка экономически целесообразно;

 шпатовый железняк (сидерит) содержит 30—40 % железа в виде карбоната FeCO₃. Руда характеризу­ется хорошей восстановимостью и низким содер­жанием серы и фосфора.

Перед плавкой руды проходят специальную подго­товку, которая повышает производительность доменных печей и уменьшает расход топлива. Основными опера­циями подготовки руд к плавке являются: дробление, сортировка, обогащение, обжиг и спекание.

Доменные флюсы — это материалы, вводимые в до­менную печь для понижения температуры плавления пустой породы железной руды и ошлакования золы топ­лива, тем самым способствуя отделению от металла пу­стой породы.

Топливо является не только источником тепла для расплавления руды, но также участвует в химических реакциях, протекающих в доменной печи при выплав­ке чугуна (например, науглероживание расплава). При производстве чугуна применяется твердое топливо — кокс или древесный уголь.

Кокс получают сухой перегонкой при 1000— 1200°С без доступа воздуха некоторых сортов каменных углей, называемых коксующимися. Спекшаяся пористая мас­са кокса при выделении газов растрескивается и направ­ляется в химическое отделение коксохимического заво­да, где из него извлекают такие ценные химические продукты, как бензол, аммиак, смолы. После этого кок­совый газ используют в качестве топлива.

Кокс обладает значительным сопротивлением раз­давливанию и истиранию. Его недостаток — высокое содержание серы (до 2 %) и золы (9—12 %).

Древесный уголь — продукт нагрева древесины при 400—500°С без доступа воздуха. Это наиболее совершен­ный вид топлива. Содержание золы в древесном угле около 0,8—1,0 %, а сера и фосфор практически отсут­ствуют. Недостаток древесного угля — малая прочность, что ограничивает высоту доменных печей. Необходи­мость бережного отношения к лесным богатствам стра­ны позволяет применять древесный уголь только для выплавки высокосортных чугунов.

Одним из наиболее эффективных заменителей кокса для доменного процесса является природный газ, приме­нение которого снижает себестоимость чугуна, так как стоимость газа в десятки раз ниже стоимости кокса.

Доменная печь представляет собой печь шахтного типа (рис. 1). Современные доменные печи имеют об­щую высоту до 80 метров и объем рабочего пространства до 5600 м³. Огнеупорная кладка печи находится в сталь­ном кожухе толщиной 30—40 мм. Производительность доменной печи объемом 3000 м³ составляет более 6000 т чугуна в сутки.

Доменные, как и все шахтные печи, работают по принципу противотока. Сверху сходят шихтовые мате­риалы, а снизу им навстречу движутся газы, образующи­еся в процессе горения топлива.

Колошник имеет цилиндрическую форму. Он служит дня загрузки шихтовых материалов (смесь руды, топлива и флюсов) и отвода газов. Колошник футерован огне­упорным кирпичом (шамот) и изнутри защищен сталь­ными плитами.

 Засыпной аппарат (скиповый подъемник), располо­женный над колошником, подает шихтовые материалы в определенной последовательности.

Расширяющаяся книзу коническая шахта облегчает опускание материалов и равномерное распределение газов по сечению печи. Огнеупорная кладка (шамотный кирпич) имеет коробчатые холодильники, по которым циркулирует вода для охлаждения кожуха печи. В шах­те происходят процессы восстановления оксидов желе­за и начинается его науглероживание.

Ниже шахты следует самая широкая часть доменной печи — распар. Здесь происходит плавление пустой по­роды и флюсов с образованием шлака, которое закан­чивается в заплечиках, имеющих форму сужающегося книзу усеченного конуса.

Расположенный ниже заплечиков горн имеет цилинд­рическую форму. Кладка горна и заплечиков охлаждается плиточными холодильниками с водяным охлаждением. В верхней части горна расположены водоохлаждаемые медные фурмы_х через которые в доменную печь посту­пает нагретый воздух. Здесь происходит горение кокса, а в нижней части горна на лещади скапливаются жидкий чугун и шлак, которые периодически выпускаются че­рез специальные отверстия — летки. Чугунная летка расположена на 0,5 м выше лещади, а шлаковая летка — на 1,5 м.

Для повышения производительности доменных пе­чей и экономии дефицитного кокса успешно применя­ются: дутье постоянной влажности, повышенное давле­ние под колошником, обогащенное кислородом дутье и вдувание через фурмы природного газа, азота и уголь­ной пыли.

Все основные процессы: подготовка и загрузка шихтовых материалов, подогрев и обогащение дутья, обес­печение нормального хода плавки, выпуск и транспор­тирование чугуна и шлака — механизированы и автоматизированы.

Доменный процесс. В доменную печь через колошник сверху загружается шихта. В фурмы, расположенные в нижней части печи, вдувается горячий воздух. В домен­ной печи непрерывно взаимодействуют шихтовые мате­риалы, движущиеся сверху вниз, и продукты горения, движущиеся снизу вверх. Железная руда, соприкасаясь с углеродом кокса и продуктами его сгорания, в частно­сти с окисью углерода (СО), претерпевают процесс вос­становления железа, т. е. окислы железа (соединения железа с кислородом) превращаются в железо, которое не содержит кислорода.

Восстановленное железо (свободное от кислорода) соединяется с углеродом, причем температура его плав­ления понижается, оно плавится и капельками стекает в нижнюю часть печи — горн. Попутно капельки желе­за, омывая куски кокса, науглероживаются — таким об­разом получается чугун.

Продукты доменного процесса. Продуктами доменно­го процесса являются чугун, шлак, доменный газ и ко­лошниковая пыль.

Чугун является основным и главным продуктом до­менного процесса.

Чугун представляет собой сложный железоуглероди­стый сплав, содержащий (%): углерода от 2,14 до 6,67; кремния 0,5—4,25; марганца 0,2—2,0; серы 0,02—0,20; фосфора 0,1 — 1,20.

Входящие в состав чугуна элементы определяют его структуру и свойства.

Углерод— важнейшая составляющая чугуна. Если углерод находится в сплаве в свободном состоянии в виде графита, то чугун становится мягким и хорошо обрабатывается резанием. Если углерод находится в виде цементита (в химически связанном с железом со­стоянии — Fe₂C), то чугун имеет высокую твердость и плохо обрабатывается.

Кремний является важнейшей после углерода приме­сью в чугуне, способствует выделению углерода в виде графита. Улучшает литейные свойства чугуна (жидкотекучесть, усадка) и делает чугун более мягким.

Марганец препятствует графитообразованию, так как связывает углерод в виде цементита. При содержании до 1 % марганец очень полезен, так как повышает проч­ность чугуна и способствует удалению серы из сплава, образуя сернистый марганец (MnS), который, всплывая, уходит в шлак. Этим частично нейтрализует вредное действие серы.

Сера в чугуне является вредной примесью, так как вызывает явление красноломкости (в отливках в горя­чем состоянии образуются трещины). Кроме того, при­сутствие серы ухудшает жидкотекучесть чугуна, вслед­ствие чего он плохо заполняет литейные формы.

Однако некоторое количество серы всегда остается в чугунах. В передельных (белых) чугунах, предназначен­ных для производства стали, серы не должно быть бо­лее 0,08 %, а в литейных (машиностроительных) чугу­нах — не более 0,06 %.

Фосфор понижает механические свойства чугуна и вызывает хладноломкость, т. е. склонность к образова­нию трещин в отливках в холодном состоянии. Содер­жание фосфора в ответственных отливках допускается до 0,1 %, в менее ответственных — до 1,2 %.

Кроме вышеуказанных примесей, в чугун вводят спе­циальные (легирующие) элементы. Такие чугуны на­зываются легированными.

 Шлак — побочный продукт, является дешевым строительным материалом и идет на изготовление шлако­блоков, бетона, на засыпку дорог. Если шлак в жидком состоянии продуть паром или воздухом, то можно по­лучить шлаковую вату, являющуюся хорошим теплоизолятором.

Газ колошниковый — важный побочный продукт, вы­сококалорийное топливо. Очищенный газ использует­ся для нагрева воздухонагревателей мартеновских печей, для обогрева коксовых батарей, паровых котлов и дру­гих целей.

Пыль колошниковая содержит частицы руды и кокса, выносится из доменных печей с отходящими газами. За­держивается специальными пылеуловителями, затем направляется для спекания и в виде кусков идет обрат­но в шихту доменных печей.

 Производство литейного чугуна

Литейный чугун выплавляют в вагранках (рис. 2), электродуговых и индукционных печах.

Принцип работы вагранки состоит в следующем. Сначала шахту печи загружают коксом на высоту, при­мерно равную внутреннему диаметру вагранки (так на­зываемая холостая колоша). Затем загружают металли­ческую шихту (литейный и передельный чугун, возврат собственного производства, стальной лом, ферроспла­вы), кокс и флюс, необходимый для выведения шлака. В качестве флюса используют известняк. Холостую ко­лошу кокса разжигают, после чего через фурмы подают воздушное дутье. Металл по мере расплавления собира­ется в копильнике и периодически выпускается из него. По мере оплавления металлической шихты систематически производят ее подзагрузку, используя скиповый подъемник.

Современные вагранки имеют производительность 2,5—50,0 т/ч жидкого чугуна. Для снижения расхода кокса воздушное дутье подогревают до 350—550°С, ис­пользуется и кислородное дутье. В промышленности кроме коксовых пламенных вагранок широко применя­ются коксогазовые и газовые вагранки.

Рис. 1. Доменная печь:

1 — скиповый подъемник; 2 — приемная воронка; 3 — распреде­литель шихты; 4 — малый конус; 5 — большой конус; 6 — воронка большого конуса; 7 — защитные сегменты; 8 — воздушная фурма; 9 — чугунная летка; 10  —   шлаковая летка

Рис. 2. Схема вагранки:

1 — колонны; 2 — опорная плита; 3 — загрузочное окно; 4 — кожух шахты; 5 — фурма для воздушного дутья; 6 — копильник; 7 — шлаковая летка; 8 — летка для выпуска чугуна