Доменное производство

1. Исходные материалы для доменной плавки при производстве чугуна
Основные исходные материалы для доменной плавки:
1) Железные руды:
а) бурый железняк Fe2O3 . H2O;
б) красный железняк Fe2O3;
в) магнитный железняк Fe3O4;
г) шпатовый железняк FeСO3.
Железные руды являются источниками (поставщиками) железа в доменной плавке. Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, а также пустой породы, т. е. примесей.
2) Флюсы – вещества, необходимые для оплавления пустой породы и перевода ее в шлак (легкоплавкое соединение), а также для борьбы с вредными примесями (сера S, фосфор Р). В доменной плавке в качестве флюса в основном применяется известняк СаСО3.
3) Топливом в доменной плавке чаще всего является каменноугольный кокс. Его получают путем нагрева каменного угля без доступа воздуха при температуре Т=950 – 1000 ℃ в течение 14 – 16 часов. Выход летучих веществ после такой «сухой перегонки» должен составлять 18 – 26 %. В коксе содержится 80 – 88 % углерода (С), остальное – примеси. Кокс является не только источником тепла, углерод кокса выступает активным химическим компонентом, участвующим в процессе восстановления железа.
Куски кокса должны иметь размер 25 – 60 мм и достаточную прочность, чтобы не разрушаться под весом шихты (шихта – смесь исходных материалов для доменной плавки).
Реже в качестве топлива при доменной плавке используются другие содержащие углерод вещества – природный газ или мазут.
4) Огнеупорные материалы.
Они необходимы для изготовления внутреннего облицовочного слоя (т. н. футеровки) металлургических печей и ковшей для разливки жидкого металла. В зависимости от химических свойств различают:
а) кислые огнеупоры – на базе т. н. «динаса», кислотного оксида кремния (SiO2);
б) основные огнеупоры – на базе основных окислов СаО и МgО (например, «магнезит» MgCO3);
в) нейтральные огнеупоры – содержащие большое количество Al2O3 или Cr2O3 (например, «шамот» Al2O3 + SiO2). Огнеупорные материалы должны выдерживать перепады температур, нагрузки при высоких температурах, противостоять химическому воздействию шлака и печных газов.
2. Устройство и принцип работы доменной печи
Доменные печи для выплавки чугуна – это печи шахтного типа. Печь имеет стальной кожух (рис. 1), выложенный внутри огнеупорным шамотным кирпичом.
93372210858500
Рисунок 1 – Устройство доменной печи
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 смесь исходных материалов – шихту. Шихта подается вагонетками 9 по мосту 12 и попадает в приемную воронку 7 распределителя. При опускании малого конуса 10 шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 – в доменную печь, что предотвращает выход газов из печи в атмосферу.
Шихты засыпают столько, чтобы был заполнен весь рабочий объем печи. Современные печи имеют полезный объем 2000 – 5000 м3. Высота печей достигает 35 м.
Через фурмы 14 в печь поступает нагретый воздух для горения топлива. Воздух нагревают для уменьшения потерь теплоты и снижения расхода кокса. Нагревание происходит за счет теплоты сгорания доменного (т. н. колошникового) газа – побочного продукта доменного производства.
Газы, образующиеся при окислении углерода кокса, поднимаются вверх. При этом они нагревают шихту, а сами охлаждаются.
Схема распределения температур по высоте печи приведена на рис. 2.
139412429254800
Рисунок 2 – Схема распределения температур по высоте доменной печи
Шахта печи – расширяющийся книзу конус, что обеспечивает свободное перемещение шихты сверху вниз по мере ее расплавления. В распаре шихта плавится и объем ее уменьшается, а в заплечиках образуется губчатое железо. Жидкий шлак и жидкий чугун стекают в горн. Шлак обычно имеет меньшую плотность, чем металл и располагается в печи над жидким металлом. Чугун выпускают через каждые 3 – 4 часа через чугунную летку 17. Шлак выпускается через каждые 1 – 1,5 часа через шлаковую летку 16. Чугунную летку открывают бурильной машиной, после выпуска чугуна ее закрывают огнеупорной массой. В дальнейшем чугун либо подают в жидком виде в сталеплавильные цехи для металлургического передела в сталь, либо охлаждают в разливочной машине, где он затвердевает в виде чушек-слитков.
3 Основные физико-химические процессы доменной плавки
при производстве чугуна
Сущность процесса выплавки чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, выделяющимся при сгорании топлива (кокса) в печи, а также твердым углеродом кокса. Различают следующие группы химических превращений, происходящих в процессе доменной плавки.
1) Окислительные:
С + О2 → СО2;
С + О2 → СО.
2) Промежуточные:
СО2 + С → СО.
3) Реакции восстановления железа из окислов (протекают в шахте печи):
Fe2O3 + CO → Fe3O4 + CO2;
Fe3O4 + CO → FeO + CO2;
FeO + CO → Fe + CO2.
Восстановление железа, таким образом, происходит в несколько стадий, от высшего оксида к низшему (т. н. «принцип Байбакова»):
Fe2O3→ Fe3O4→ FeO→ Fe.
Примерно 60 % железа восстанавливается газовым реагентом СО.
Кроме того, восстановление железа происходит твердым углеродом (в зоне распара печи, около 40% восстановленного железа):
FeO + C → Fe + CO.
Восстановление газами называют косвенным, а твердым углеродом – прямым.
4) Науглероживание железа:
FeO + C → Fe3С;
FeO + CО → Fe3С + СО2.
В результате этих реакций получается чугун (соединение Fe – Fe3C).
5) Восстановление постоянных примесей марганца (Мn) и кремния (Si) из окислов углеродом кокса:
МnО + С → Мn + СО;
SiО2 + С → Si + СО.
6) Реакции десульфурации (уменьшается содержание вредной примеси – серы S). Известняк СаСО3, используемый в качестве флюса, в процессе плавки распадается на соединения СаО и СО2. Оксид СаО связывает серу в соль CaS, которая не растворяется в железе и всплывает в шлак:
FeS + CaO → FeO + CaS↑.
4 Продукция доменного производства
Основная продукция доменной плавки:
1) Передельные (белые) чугуны, содержащих 3,5 - 4,2 % С; 0,3 - 1,5% Si; 1,5 ÷ 3,5 % Mn; 0,03 - 0,05 % S), которые идут для производства стали и составляют 80 – 90 %. Для отливок они малопригодны и трудно обрабатываются режущим инструментом. Эти чугуны преимущественно перерабатываются на сталь.
2) Литейные (серые) чугуны, выплавляется 8 – 17 %. Эти чугуны применяются для получения отливок, так как хорошо заполняют литейные формы и достаточно легко поддаются обработке режущим инструментом. Такой чугун называют серым или литейным чугуном.
Для машиностроительной промышленности используются главным образом коксовые литейные чугуны (содержащие 3,5 - 4,2 % С; 1,5 - 3,5 % Si; 0,1 - 0,5 % Р; 0,5 - 1,5 % Мn; 0,03 % S), в том числе и легированные, содержащие Cr, Ni, Ti, V и другие элементы.
3) Ферросплавы (т. н. специальные чугуны) – ферросилиций (соединение железа с кремнием, содержит 9 – 13 % Si), и ферромарганец (соединение железа с марганцем, содержит 70 – 75 % Mn). Ферросплавы применяются для раскисления и легирования стали.
Побочные продукты доменной плавки:
1) Доменный шлак (в жидком виде он удаляется через шлаковую летку доменной печи). Из него изготовляют шлаковые блоки, цемент, кирпичи и т. д.
2) Доменный (колошниковый) газ. Используется в качестве газообразного топлива для нагрева воздуха, подаваемого в доменные и мартеновские печи.
5 Достоинства и недостатки доменного способа производства
Доменный процесс дает больше 90% всего черного металла; нет процессов, которые в обозримом будущем могли бы составить конкуренцию доменному в получении основной массы металла, что связано с рядом достоинств доменного процесса:
а) наличием в горне печи высокотемпературной зоны с окислительным потенциалом газовой фазы и температурами 2000–2400 °С, что обеспечивает практически полное сгорание всех горючих составляющих отходов;
б) наличием восстановительной атмосферы, что препятствует образованию оксидов азота;
в) наличием многометрового, достаточно плотного слоя твердой шихты, который затрудняет интенсивный вынос твердых частиц, как бы «процеживая» поднимающиеся вверх газы;
г) наличием высокой (30 м и более) шахты, что обеспечивает почти полную утилизацию в самой шахте тепла отходящих газов (температура отходящих из печи газов всего 100–200 °С при температуре газов в горне 2000 °С и более);
д) высокой производительностью современных крупных доменных печей. При годовой производительности одной доменной печи 3,5 млн. т чугуна введение в шихту 5 % отходов позволяет перерабатывать ежегодно более 150 тыс. т отходов на одной печи.
Однако доменному производству свойственны следующие существенные недостатки: необходимость применения каменноугольного кокса, использование железорудного сырья в виде достаточно прочного кускового материала (агломерата). Таким образом, необходимыми условиями для функционирования доменного производства являются: добыча коксующихся углей, наличие коксохимического производства, обогащение железных руд, агломерационное производство и т. д. Все это помимо чисто производственных затрат связано с решением серьезных экологических проблем.

Список использованных источников
1. Солнцев Ю.П. Технология конструкционных материалов [Электронный ресурс]: учебник для вузов/ Солнцев Ю.П., Ермаков Б.С., Пирайнен В.Ю. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2014. – 504 c.
2. Орлов А.С. Конструкционные металлы и сплавы. Технология конструкционных материалов: лабораторный практикум/ Орлов А.С., Рубцова Е.Г., Зиброва И.Ю.– Электрон. текстовые данные. – Воронеж: Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, ЭБС АСВ, 2014. – 387 c.
3. Воронин Н.Н. Технология конструкционных материалов: учебное иллюстрированное пособие/ Воронин Н.Н., Зарембо Е.Г. – Электрон. текстовые данные. – М.: Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2013. – 72 c.
4. Оськин В.А. Материаловедение. Технология конструкционных материалов. / В.А. Оськин, В.В. Евсиков – М. КолосС, 2008. – 447 с.
5. Дальский А. М. и др. Технология конструкционных материалов / А.М. Дальский – М.: Машиностроение.1981 – 373 с.
6. Кондратьев Е. Т. Технология конструкционных материалов и материаловедение / Е.Т. Кондратьев -М.: Колос.1992(УМО). – 2011. – 429 с.
7. Прейс Г.А. и др. Технология конструкционных материалов. К.: Выща школа, 1991. – 396 с.