Доменне виробництво чавунів

Основи технологій чорної металургії. Виробництво чавуну: загальна характеристика і основні процеси

До чорної металургії відносять галузі промисловості, безпосередньо пов’язані з отриманням і використанням залізовуглецевих сплавів чавунів і сталей.

Чавуни та сталі - це сплави заліза з вуглецем, які містять у своєму складі легуючі елементи і домішки (Si, Mn, S і P та ін.)

Чавуни містять більше вуглецю (2,14-6,67 %) і домішок, більш крихкі, погано зварюються, але мають добрі ливарні властивості і дешевші за сталі. Їх отримують із залізних руд з використанням відходів промисловості (металобрухту, браку виготовлення виробів із чорних металів тощо).

Залізні руди - природні утворення мінералів з вмістом заліза від 25 % до 72 %, які технічно можливо й економічно доцільно переробляти на чавуни та сталі.

Традиційно сталь варили з чавунів, але дедалі ширше впроваджується технологія безчавунного виробництва сталі із металевих грудок.

Отримання чавунів та сталей ґрунтується на процесах відновлення (зниження ступеню окислення) заліза з його сполук (оксидів), в яких воно міститься (руди, чавун, шихта), з використанням вуглецю (СО), водню (Н2) і коксу (С) в потоці гарячого повітря розжареної печі.

Шихта -суміш сировинних компонентів (рудних концентратів, флюсу, коксу та інших) в певній пропорції, що використовуються у металургійних печах і забезпечують якісну плавку.

Оксиди заліза відновлюються послідовно від вищих до нижчих і далі до чистого металу за схемою:

Fe2O3→ Fe3O4→ FeO → Fe

Поряд із відновленням заліза у чавуно– та сталеплавильних печах відбувається його навуглецьовування, яке проходить між залізом і присутніми сполуками вуглецю (СО і С):

3Fe + 2СО = Fe3С + СО2+ Q (теплота)

3Fe +C = Fe3C

Отриманий цементит (Fe3C) - фазова складова залізовуглецевих сплавів, яка добре розчиняється у залізі і утворює з ним сплав.

Суть технології виробництва чавуну - виведення із залізних руд сторонніх домішок і насичення заліза вуглецем.

Сировина:

- залізні руди,

- - металодобавки (чавунний брухт, брак чавунного лиття),

- паливо та флюси.

Для підвищення ефективності доменного процесу, зменшення витрат палива і забезпечення якості чавуну, потрібно, щоб руда містила не менше 55% заліза, мінімум породи і шкідливих домішок (S та P), а також мала певні розміри.

Технологічні операцій по підготовці шихтових компонентів до плавки:

- подрібнення — великі шматки роздрібнюють до оптимальних розмірів і фракційного складу;

- збагачення — ручне і гравітаційне сортування, відокремлення домішкових складових з використанням ефектів різної їх намагнічуваності чи змочуваності (флотація);

- гранулювання —утворення грудок злипанням зволожених водою подрібненої руди, пилу, малих кількостей глини або вапняку з подальшим їх висушенням і спіканням;

- агломерація — спікання дрібних та порошкових речовин в агломерати, тобто грудки оптимального розміру.

Залізні руди, що використовуються для отримання чавуну:

- червоний залізняк (гематит) містить 55-60 % заліза у складі оксиду заліза Fe2O3;

- магнітний залізняк (магнетит) містить 45-72 % заліза у складі оксиду заліза Fe3O4;

- бурий залізняк (лимоніт) містить 30-55 % заліза у складі водного оксиду заліза Fe2O3∙nH2O;

- шпатовий залізняк (сидеріт, або болотна руда) містить 25-40 % заліза у складі карбонату заліза FeСО3;

- залізисті кварцити містять 30—40 % заліза у складі оксидів Fе2О3і Fе3О4.

У доменному виробництві як паливо використовують кокс, природний газ, доменний газ, а останнім часом - подрібнене вугілля.

Найбільше використовують кам’яновугільний кокс, у складі якого є шлаки (10—13 %) та сірка (0,5—2 %).

Найякісніший чавун отримують з використанням природного газу, оскільки газ не містить шкідливих домішок і після згорання не залишає твердих решток (як вугілля чи кокс).

Як флюси в доменному процесі використовують карбонатні мінерали вапняк або доломіт, які сприяють виведенню кремнезему (SiO2) — найбільш поширеного в залізних рудах, а також шлаків - сплавлених рештків породи, золи, палива та інших шкідливих домішок.

Останнім часом у шихті замість руди і вапняку використовують офлюсований агломерат, виготовлений спіканням порошкової зволоженої маси, що складається з руди, коксу та вапняку. Використання офлюсованого агломерату зменшує витрати коксу та вапняку і покращує техніко-економічні показники доменного виробництва.

В Україні вперше чавун зварили на Юзівському, нині Донецькому металургійному заводі в 1873 р. В наш час чавун виплавляють в доменних печах (домнах) шахтного типу висотою 30-50 м.

Сучасна домна викладена усередині вогнетривкою шамотною цеглою, а зовні корпус печі окутий товстолистовою сталлю. Піч охолоджують водою, яка поступає із спеціальних холодильних установок.

Процес плавки чавуну відбувається за принципом зустрічних потоків: згори вниз рухається потік шихти, а розжарені потоки газів, утворених при згорянні палива, підіймаються вгору - назустріч.

Впровадження останнім часом високотемпературного (1200-1300 °С) зволоженого і збагаченого киснем (до 30 %) повітряного дуття дає змогу поліпшити техніко - економічні показники доменного виробництва, збільшити продуктивність домен і зменшити витрати палива.

Доменну продукцію чавун і шлак випускають періодично через льотки. Доменний газ виходить із печі безперервно газовивідними трубами, які розташовані у верхній частині домни.

Доменна піч працює безперервно 6-10 років. Потім її ставлять на капремонт.

При виплавлянні чавуну в доменній печі мають місце такі основні процеси: горіння палива, відновлювання заліза, навуглецьовування заліза і утворення чавуну, відновлення домішок, утворення шлаків, доменного газу і пилу.

1. Горіння палива

Кисень дуття реагує з вуглецем палива з виділенням тепла

С + О2 = СО2+ Q

Температура в горні досягає 1800-1900 °С. Діоксид вуглецю (СО2) піднімається догори, досягає розжареного коксу і відновлюється, утворюючи оксид вуглецю:

СО2 + С = 2СО – Q

Якщо як паливо застосовують природний газ, то горіння протікає за реакціями:

СН4+ 2О2= СО2+ 2Н2О + Q

СО2 + С = 2СО + Q

2. Відновлення заліза

Залізо відновлюється в шахтній частині печі із рудних оксидів заліза оксидом вуглецю (СО) і воднем (частково), який утворюється від розкладання вологи повітря. Процеси відновлення йдуть послідовно від вищих оксидів до нижчих і до чистого заліза за реакціями:

3Fе2О3+ СО = 2Fе3О4+ СО2 + Q

Fе3О4+ СО = ЗFеО + СО2 + Q

FеО + СО = Fе + СО2 + Q

Fe2O3+ 3H2= 2Fe + 3H2O

В циліндричній частині печі – розпарі при температурах нижче температури плавлення (1539 °С) залізо відновлюється твердим вуглецем:

FеО + С = Fе + СО + Q

Отримане залізо має твердий стан і називається губчастим залізом.

3. Навуглецьовування заліза і утворення чавуну

Губчасте залізо, що утворилося після відновлення, — це твердий пористий продукт. В інтервалах температур від 400-500 °С до 1 100-1200 °С починається і продовжується насичення заліза вуглецем:

3Fе + С = Fе3C

3Fe + 2 CO = Fe3C + CO2 + Q

Навуглецьоване залізо розплавляється, переходить у рідкий стан, розчиняє відновлені домішки і стікає до горна домни. В горні збирається рідкий, залізовуглецевий сплав — чавун.

4. Відновлення домішок

У доменній шихті разом із залізом і вуглецем - основними елементами, що утворюють чавун, завжди присутні домішки, які є корисними або шкідливими для властивостей чавуну.

Корисні домішки кремнію (Si) і мангану (Мn) відновлюються із оксидів (SiO2, MnO2та ін.) і переходять у чавун.

Шкідливими домішками у чавуні є фосфор (Р) і сірка (S). Відновлений фосфор практично повністю переходить у чавун. Відновлена сірка частково окислюється до сірчастого газу (SO2) і виходить разом з доменним газом, частково утворює сполуки, які переходять до шлаку, а деяка частка утворює сірчасте залізо (FeS), що розчиняється у чавуні.

5. Утворення шлаку

При температурі близько 900 °С вапняк розпадається з утворенням оксиду кальцію і діоксиду вуглецю:

СаСОз = СаО + СО2

Оксид кальцію при температурах вище 1000 °С взаємодіє з кремнеземом SіО2, глиноземом А1₂О₃ та іншими складовими породи і коксової золи. Утворюється шлак, який плавиться в розпарі та заплечиках і стікає у горно, та спливає на поверхню чавуну. Чавун із печі випускають у ковші — чавуновози, у виливниці. Шлак випускають у шлаковози.

Продуктами доменного виробництва є чавуни, шлак, доменний газ і доменний пил.

Основний продукт - чавуни.

Чавуни (за призначенням):

- Переробний білий чавун є сировиною для переробки його в сталь. Частка переробного чавуна становить близько 90 % всього, що виробляється. В ньому вуглець перебуває у вигляді цементиту Fе3С, що надає переробному чавуну білого кольору, твердості і низької пластичності. Шляхом відпалу з нього отримують ковкий чавун.

- Ливарний (сірий) чавун є важливим конструкційним матеріалом, має добрі ливарні властивості, добре обробляється металорізальними інструментами, але досить крихкий, погано витримує ударні навантаження.. Широко застосовується в машинобудуванні, будівництві тощо. З нього виробляють корпусні деталі машин, станини, санітарно — технічне обладнання, труби і таке інше.

Із ливарного чавуну одержують модифікований (високоміцний), додаючи до розплаву модифікатори (манган та ін.). Модифікований чавун має підвищену міцність, пластичність і ударну в’язкість.

- Спеціальні чавуни - феросплави. До них належать феросиліцій і феромарганець, їх використовують для розкислення і легування сталей.

- Леговані чавуни одержують з руд, що мають включення легуючих елементів (Сг, Nі, Sі), або легуванням чавуну в процесі плавки. Вони мають підвищену міцність та корозієстійкість, краще працюють в агресивних і високотемпературних середовищах.

Шлак - розплавлена суміш породи, попелу, рудних домішок, флюсів та ін. Його застосовують для виробництва будівельних матеріалів, мінеральних добрив і т. д.

Доменний газ містить значну кількість горючих газів (СО, Н2), має теплотворну здатність до 950 кал/м3. Після очищення від колошникового пилу використовується в домнах для нагріву дуттьового повітря, а також як паливо.

Дата добавления: 2014-01-04