Глава 2.

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА.

Исходные материалы.

Железо в чистом виде редко находят в поверхностных слоях земной коры. Благодаря большой склонности к окислению в земной коре встречаются обычно окислы железа в смеси с окисленными соеди­нениями других элементов. Насчитывается около 200 различных минералов, содержащих железо. Наиболее крупные и богатые окисленными соединениями железа скопления минералов называют месторождениями железных руд. Рудами называют горные породы, которые технически возможно и экономически целесообразно пере­рабатывать для извлечения содержащихся в них металлов.

К железным рудам относят красный, бурый, магнитный и шпа­товый железняки. Эти руды содержат значительное количество руд­ного вещества или соединений железа, из которого оно извлекается, и относительно небольшое количество пустой породы, легко отде­ляющейся при переработке.

В зависимости от количества рудного вещества различают бога­тые и бедные руды. Железные руды принято называть бога­тыми, если они содержат более половины железа; но это поня­тие меняется со временем. Пустой породой руды называют такие минералы, которые не вносят серьезных технологических осложнений в метал­лургическую переработку и легко отделяются от рудных минералов или в процессе обогащения или переходят в шлаки при плавке. Пустой породой в железных рудах чаще всего являются: кремнезем, каолин, реже доломит и магнезит. В рудах обычно выде­ляют вредные примеси, которые осложняют металлургичес­кие пределы, и, загрязняя основной металл, снижают его свойства. В железных рудах к вредным примесям обычно относят: серу, мышьяк и фосфор.

Основными рудообразующими минералами железа являются гематит, лимонит, магнетит и сидерит.

Красный железняк (гематит) содержит железо главным образом в виде Fe₂O₃ — безводной окиси железа. Пустой породой в нем обычно бывает кремнезем. Содержание железа в красных железня­ках составляет 45—65 % при малом содержании вредных примесей. Красный железняк хорошо восстанавливается в доменных печах.

Бурый железняк (лимонит) содержит железо в форме водных окислов типа nFe₂O₃-mH₂O с переменным количеством гидратной влаги. Собственно лимонитом обычно называют минерал, содержа­щий 57,14 % Fe₂O₃ и 25,3 % Н₂О и имеющий желтую окраску. Обычно бурый железняк содержит 25—50% Fe, но гидратная влага, легко удаляемая при плавке, делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению. Ее пустая порода обычно состоит из глины. Бурые железняки многих месторождений содержат значительные количе­ства серы, фосфора и других вредных примесей.

Магнитный железняк (магнетит) содержит железо главным обра­зом в виде Fe₃O₄ (закись-окись железа), обладающей хорошо вы­раженными магнитными свойствами. Пустой породой, сопутствую­щей ему, бывают кремнеземистые минералы. Магнетиты содержат железа от 40 до 70 % и являются наиболее богатыми железными рудами, но восстанавливаются труднее других руд, так как явля­ются плотными горными породами; часть магнетита в результате выветривания бывает иногда окислена до Fe₂O₃ и такие руды, в зави­симости от степени окисления, иногда называют полумартитом или мартитом. Если они залегают вместе с пиритами, то руда иногда может содержать и до 2% серы в виде FeS₂.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли FeCO₃. Его пустая порода содержит алюмосиликаты и магне­зит, а содержание железа колеблется от 30 до 37%. Для повышения процента железа эти руды перед плавкой обжигают, удаляющийся при этом углекислый газ делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению.

В природе часто встречаются руды, содержащие несколько полезных металлов. Такие руды принято называть комплексными. В некоторых железных рудах, кроме железа, содержатся полезные, металлы: марганец, хром, никель и другие, которые при плавке восстанавливаются и растворяются в железе — легируют его.

Для производства чугуна, кроме железных руд, требуются и другие материалы. К ним в первую очередь следует отнести мар­ганцевую руду, флюсы и кокс.

Марганцевые руды загружаются вместе с железными рудами в до­менную печь, если поступающая на плавку железная руда содержит недостаточное количество марганца для получения чугуна необхо­димого качества. Марганцевые руды содержат марганец в виде различных окислов МnО₂, Мn₃О₄, Мn₂О₃ с общим содержанием мар­ганца в пределах от 25 до 40%. Их пустая порода в большинстве случаев состоит из глинистых песчаников, которые могут быть ча­стично отделены простой промывкой.

Флюсы вводят в доменную печь для того, чтобы и не допустить «зарастания» рабочего пространства печи и обеспечить плавку пус­той породы руды и золы топлива при необходимой температуре: не слишком высокой, чтобы не тратить много топлива и не слишком низкой, при которой окислы железа еще не успевают восстановиться. Количество и характер добавляемых флюсов зависят от количества и химического состава пустой породы и определяются расчетным пу­тем. Так как пустая порода железных руд обычно содержит крем­незем, в качестве флюса в доменных печах часто применяют извест­няк СаСО₃, содержащий минимальное количество вредных примесей.

Каменноугольный кокс в современном доменном производстве играет двоякую роль. Во-первых, служит топливом и обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры и, во-вторых, обеспечивает восстановление окислов железа. Благодаря своей большой механической прочности, пористости и значительной теплотворной способности он применяется теперь повсеместно и почти вытеснил применявшийся ранее для этих целей древесный уголь. Каменноугольный кокс содержит 82—88% твер­дого углерода, от 5 до 10% золы, однако всегда содержит и серу от 0,5 до 2,0%

Обогащение руд. Богатые руды, содержащие 50% и более какого-либо металла и подлежащие прямой плавке, встречаются редко и в промышлен­ности используют бедные руды, прямая плавка которых дорога, а иногда и невозможна. Такие руды предварительно подвергают обогащению.

Обогащением называют обработку руды, не изменяющую хими­ческого состава основных минералов и их агрегатного состояния. Обогащением из руды отделяют часть пустой породы, в результате в оставшейся части, называемой концентратом, процентное содер­жание рудной массы увеличивается. Отделенную от руды пустую породу называют хвостами; если она не представляет никакой ценности, при обогащении ее отбрасывают. Обогащением иногда удается выделить из руды несколько концентратов с преобладанием в каждом разных металлов. Однако не все минералы поддаются обогащению в равной степени, а некоторые из них пока еще не умеют обогащать. В технике в зависимости от характера рудных минера­лов применяют много различных способов обогащения. Наиболее известны и широко применяются: рудоразборка, магнитное, грави­тационное и флотационное обогащение.

Простую рудоразборку применяют очень давно; в не­которых местах еще можно встретить рудоразборку на конвейере: по цвету, блеску или форме кусков (иногда при специальном осве­щении) отбирают либо крупные куски богатой руды, либо пустую породу.

Магнитное обогащение применяют к минералам, имеющим большую магнитную восприимчивость. Такие минералы отделяют магнитом или электромагнитом от других минералов. По степени притягиваемости магнитом различают: минералы сильномагнитные, среднемагнитные, слабомагнитные и немагнитные.

Аппараты, применяемые для магнитного обогащения, называют магнитными сепараторами. Если необходимо магнитное обогащение крупных кусков (120—150 мм), используют магнитные сепараторы, работающие в воздушной среде. Для мелких кусков (менее 8 мм) применяется как сухая, так и мокрая магнитная сепарация. Магнитные сепараторы, работающие в водной среде часто дают лучшие результаты. Магнитную сепарацию успешно применяют для обогащения бедных железных руд, имеющих вкрапления магнетита, а также для очистки и сортировки металлических отходов (стружки, опилки, лом). Стальные и чугунные опилки отделяют таким способом от отходов цветных металлов или от наждачной пыли.

Гравитационное обогащение основано на раз­личии в плотности и скорости падения зерен минералов в жидкостях и на воздухе. Простейшим ее видом является промывка водой желез­ных руд для отделения песчано-глинистой пустой породы. Однако больший эффект можно достичь, применяя отсадочные машины или концентрационные столы.

Флотационный метод обогащения также ши­роко применяется теперь, но им пока редко пользуются для обога­щения железных руд.

Подготовка материалов к доменной плавке

Доменная печь (см. рис. 10) работает нормально, если она за­гружена кусковым материалом оптимального размера. Слишком крупные куски руды и других материалов не успевают за время их опускания в печи прореагировать в их внутренних слоях и при этом часть материала расходуется бесполезно; слишком мелкие куски плотно прилегают друг к другу, не оставляя необходимых проходов для газов, что вызывает различные затруднения в работе в печи. Эксперименты и практический опыт показали, что наиболее удоб­ным материалом для доменной плавки являются куски от 60 до 80 мм в поперечнике. Поэтому добываемые на рудниках куски руды просеивают через так называемые грохоты, и куски более 100 мм в поперечнике подвергают дроблению до необходимых раз­меров. При дроблении материалов, как и при добыче руды в руд­никах, наряду с крупными кусками образуется и мелочь, тоже не пригодная к плавке в шахтных печах. Возникает необходимость окускования этих материалов до нужных размеров.

Наиболее широко в металлургии применяется агломерация (спекание), которая проводится теперь на больших ленточных агло­мерационных машинах непрерывного действия . Исход­ными материалами для агломерации служат рудная мелочь и колошниковая пыль – отход доменного производства.

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.

В России построены и эксплуатируются печи объемом в 2700 и 3200 м³.В 1974 г. на Криворожском заводе была построена крупнейшая доменная печь в мире объемом в 5000 м³. Эта печь существенно отличается от печей, построенных ранее. В ней выпуск продуктов плавки производится через четыре летки и много других нововведе­ний, облегчающих труд доменщиков и повышающих производитель­ность труда.

Понятие о работе и устройство доменных печей. Сущность доменной плавки сводится к раздельной загрузке в верхнюю часть печи, называемой колошником, руды (или агломерата), кокса и флюсов, располагающихся поэтому 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 взаимодействия компонентов шихты и газов в нижней части печи, называемой горном, образуются два несмешивающихся жидких слоя — чугун и шлак.

На рис.10 показана схема доменной печи, работающих ряде заводов. Материалы подаются к печи подъемниками с опрокидывающимися ковшами вместимостью по 17 м³, доставляющими агломерат, кокс и другие добавки к засыпному устройству на высоту 50 м. Засып­ное устройство доменной печи состоит из двух поочередно опускаю­щихся конусов. Для равномерного распределения материалов на колошнике печи малый конус с цилиндром после каждой засыпки поворачивается на заданный угол (обычно 60°).

В верхней части горна располагаются фурменные отверстия (16—20 шт.), через которые в печь подается под давлением около 300 кПа (3 ати) 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 направляется по желобам литей­ного двора в чугуновозные ковши, расположенные на железнодорож­ных платформах. Шлак, выливающийся с чугуном, предвари­тельно 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 пневма­тической пушки.

Печь монтируют в прочном сварном стальном кожухе, интен­сивно охлаждаемом водой. Внутри печь выкладывают высококаче­ственным шамотным кирпичом, а отдельные части печи делают из прессованных углеродистых блоков. Толщина боковых стенок печи в отдельных местах 300 кПа (3 ати) 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 направляется по желобам литей­ного двора в чугуновозные ковши, расположенные на железнодорож­ных платформах. Шлак, выливающийся с чугуном, предвари­тельно 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 пневма­тической пушки.

Печь монтируют в прочном сварном стальном кожухе, интен­сивно охлаждаемом водой. Внутри печь выкладывают высококаче­ственным шамотным кирпичом, а отдельные части печи делают из прессованных углеродистых блоков. Толщина боковых стенок печи в отдельных местах превышает 1,5 м, а лещади — 4 м. Печь полез­ным объемом 2700 м³ имеет высоту 80 м и весит с механизмами около 200 000 т. Печь работает непрерывно в течение 4—8 лет.

Физико-химические процессы, протекающие в доменной печи, очень сложны и многообразны. 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 кислородом воздуха, поступаю­щим через фурмы.

Образовавшаяся при этом углекислота вместе с азотом воздуха поднимается вверх и, встречаясь с раскаленным коксом, взаимодей­ствует с ним по реакции

СО₂ + С_тв 2 СО

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 кислородом воздуха, поступаю­щим через фурмы.

Восстановление окислов может происходить окисью углерода, углеродом и водородом. Главной целью домен­ного процесса является восстановление железа из его окислов. Согласно теории академика Б а й к о в а восстановление окислов железа идет ступенчато по следующей схеме

Fe₂O₃ Fe₃O₄ FeO Fe

При этом главную роль в восстановлении окислов железа играет окись углерода.

Науглероживание железа происходит следующим образом. Образовавшееся в результате восстановительного процесса твердое губчатое железо, соприкасаясь с печными газами, содержа­щими значительное количество СО, взаимодействует непосредст­венно с ним по реакции

3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂

Образование сплава железа с углеродом, имеющего температуру плавления ниже, чем чистое железо, приводит к формированию капель жидкого чугуна, которые, стекая в нижнюю часть печи через слой раскаленного кокса, еще более насыщаются углеродом.

Рис. 10. Схема доменной печи:

1 – чугунная летка, 2 — шлаковая летка, 3 — фурменный прибор, 4 — ле­щадь, 5 – чугуновоз, 6 — шлаковозы,

7 — газоотводы, 8 — засыпное устрой­ство, 9 — фундамент, 10 — воздухопровод.

Шлакообразование активно развивается при про­хождении шихты в области распара после окончания процессов восстановления окислов железа в доменной печи. Шлак состоит из окислов пустой породы и золы кокса, а также флюса, специально добавленного в печь, чтобы обеспечить достаточную жидкотекучесть 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 осложняется. 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 кремнезем SiO₂ (от 30 до 45%), окись кальция (40—50%), гли­нозем (10—25%^г).