Доменный процесс производства чугуна и стали

Общие сведения о технологическом процессе производства чугуна в доменном цеху

Сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % С, называются чугунами. В отличие от стали чугуны имеют более высокое содержание углерода, заканчивают кристаллизацию образованием эвтектики, обладают низкой способностью к пластической деформации и высокими литейными свойствами. Их технологические свойства обусловлены наличием эвтектики в структуре. Стоимость чугунов ниже стоимости стали.

Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах.

Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используют для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20 % всего выплавляемого чугуна используют для изготовления литья. В литейном чугуне обычно содержится не более 4,0 % С. Кроме углерода обязательно присутствуют примеси S, P, Mn, Si причем в значительно большем количестве, чем в углеродистой стали.

В зависимости от формы выделения углерода различают следующие виды чугунов.

1. Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe₃С. Чугун в изломе имеет белый цвет и характерный блеск.
2. Половинчатый чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8%) находится в виде цементита. Чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита.
3. Серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в связанном состоянии в виде цементита составляет не более 0,8 %.
4. Чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой – белого чугуна. Отбеленный слой получают в толстостенных массивных деталях при литье их в металлические формы. По мере удаления от поверхности вследствие уменьшения скорости охлаждения структура белом чугуна постепенно переходит в структуру серого. Чугун поверхностного слоя в микроструктуре содержит много твердого и хрупкого цементита, который хорошо сопротивляется износу. Поэтому чугуны с отбеленной поверхностью используют для деталей с высокой износостойкостью, для валков прокатных станов, мукомольных валов, вагонных колес с отбеленным ободом, лемехов плугов с отбеленным носком и лезвием. Отбел может достигаться путем местного увеличения скорости охлаждения за счет установки в литейную форму холодильников в виде металлических вставок.
5. Высокопрочные чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму.
6. Ковкие чугуны, в которых углерод находится в виде хлопьевидного графита, получаются из белых чугунов путем отжига.

Технологический процесс производства чугуна

Конечным продуктом доменного производства является чугун, для выплавки которого в настоящее время в основном применяются доменные печи. Исходным сырьем для получения чугуна является шихта, в состав которой входят: руда железная и марганцевая, металлические добавки (скрап и стружка), флюс и горючее. В настоящее время железная руда в натуральном виде в доменном производстве не используется.

В целях лучшей восстановимости железная руда, как правило, подготавливается к доменной плавке и подается в доменную печь в виде офлюсованного агломерата или обожженных окатышей.

Флюсами называются материалы, вводимые в шихту для перевода пустой породы, золы кокса и серы в шлак определенного состава и текучести, что необходимо для получения чугуна заданной марки.

В зависимости от химического состава рудной части шихты (агломерата) и золы кокса применяют кислые или основные флюсы. В качестве основного флюса применяется известняк, а в качестве кислого — кварциты, которые добавляются в железную руду в процессе ее агломерации и окатывания.

В качестве горючего в доменной плавке используется в основном каменноугольный кокс. В последнее время в целях снижения расхода кокса в качестве добавок применяются: природный газ, нефть и пылевидное топливо. В результате применения природного газа производительность доменных печей повышается примерно на 3%, а относительный расход кокса уменьшается на 13—15%.

Сущность доменного процесса заключается в следующем. Шихтовые материалы загружаются в доменную печь порциями (подачами) в строго определенной последовательности. Подачу в доменную печь с большого конуса опускают в два приема, а именно: сначала все топливо подачи, затем рудную часть подачи и флюс. Следовательно, шихтовые материалы в доменной печи располагаются слоями: кокс, агломерат и известняк, опять кокс, агломерат и известняк и т. д. Печь заполняется все время шихтовыми материалами по мере схода шихты во время работы доменной печи. При хорошо идущей доменной плавке этот порядок подач шихтовых материалов регулярно поддерживается, в случае расстройства хода печи и снижения ее производительности, указанный порядок загрузки печи может быть изменен.

Железо, входящее в состав чугуна, получается из рудной части шихты, в которой оно находится в виде соединений с кислородом (окислы железа). Для восстановления железа необходимо отнять кислород руды, соединяя его с веществом, имеющим большое сродство к кислороду и образующим с ним более прочное соединение, чем соединение кислорода с железом.

Вещество, отнимающее кислород руды, называется восстановителем. В доменном процессе восстановителем и источником тепла является углерод топлива.

Чтобы происходило восстановление железа, необходимо нагреть рудную часть шихты и восстановитель. За счет сгорания кокса в доменной печи и развиваются необходимые для реакции восстановления температуры. Для сжигания кокса в нижнюю зону доменной печи (заплечики) через воздушные фурмы подается нагретый до температуры 1000— 1200°С воздух под давлением 28—42 Н/см 2 (2,8—4,2 кгс/см 2 ).

В результате интенсивного горения топлива в области воздушных фурм и расплавления шихтовых материалов в зонах распара, заплечиков и горна освобождаются некоторые объемы печи, в которые с верхних горизонтов опускается шихта, при этом слои шихты разрыхляются, создавая хорошую газопроницаемость, необходимую для равномерного распределения газов, прогрева шихты и восстановления окислов железа. Образующиеся в процессе горения топлива в фурменной зоне газы поднимаются снизу вверх, интенсивно нагревая при этом шихтовые материалы.

В результате прохождения горячих газов через слои шихтовых материалов происходят следующие процессы:

• при температуре 100—150°С происходит испарение гигроскопической влаги;
• при температуре 300—400°С — удаление химически связанной гидратной влаги;
• при температуре 400°С начинается важнейший процесс — восстановление железа н других элементов из их окислов (непрямое восстановление) ;
• при температуре 600—900°С — удаление летучих из топлива, разложение известняка СаСO₃ и магнезита MgСO₃.

Весь процесс восстановления железа в доменной печи заключается в следующем. Окись железа, соприкасаясь при высокой температуре с окисью углерода, отдает окиси углерода свой кислород, частично восстанавливаясь до магнитной окиси железа, превращая при этом окись углерода в углекислоту: 3Fe2O3 + СО = 2Fe₃0₄ +CO₂.

Магнитная окись, опускаясь вниз, встречает новые порции окиси углерода, которые продолжают отнимать кислород от руды, восстанавливая ее дальше до закиси железа по следующей реакции: Fe₃О₄ + СО = 3FeO + СО₂.

Опускаясь еще ниже, закись железа восстанавливается посредством СО по следующей реакции: FeO + СО = Fe + СO₂.

При этом получается вместо закиси железа и окиси углерода — железо и углекислота. Все указанные превращения происходят при температурах от 300 до 950°С.

Принято считать, что в ходе доменного процесса железо на 50 % восстанавливается окисью углерода и водородом (косвенное восстановление) и на 50% твердым углеродом путем непосредственного контакта рудной части шихты с коксом (прямое восстановление). Прямое восстановление железа происходит при температурах выше 950°C в нижней части шахты, распаре, заплечиках и горне, где некоторая невосстановленная часть руды, соприкасаясь с раскаленным коксом, полностью восстанавливается и насыщается углеродом. Такое растворение углерода в железе понижает температуру плавления расплава, который уже плавится при температурах 1150—1200°С.

В результате в горне доменной печи скапливается не чистое железо, а чугун с содержанием углерода до 3,5—4%.

В доменной шихте, кроме окислов железа, всегда имеются окислы кремния, марганца, фосфора, кальция, магния и другие, которые также восстанавливаются и частично переходят в шлак и чугун.

Шлакообразование необходимо для сплавления между собой имеющих высокую температуру плавления следующих окислов пустой породы: кремнезема Si0₂, глинозема Аl₂O₃, извести СаО, магнезии MgO, золы топлива и флюсов с образованием при этом легкоплавких соединений (шлаков), температура плавления которых значительно ниже температуры каждого входящего в шихту окисла.

Восстановленный жидкий металл и шлак в процессе доменной плавки скапливаются в горне печи, где происходит отделение шлака от металла, при этом частицы шлака как более легкие всплывают на поверхность расплавленного чугуна. Выпуск чугуна и шлака осуществляется по мере их накопления. Шлак в процессе доменного производства является побочным продуктом, который служит хорошим сырьем для производства строительных материалов. Доменный шлак используется для производства следующих строительных материалов: различных видов высококачественных цементов, получаемых на основе гранулированного шлака; щебенки как заполнителя для бетона, получаемой методом дробления медленно остывшего шлака; брусчатки для мощения улиц, плит и блоков, отливаемых из огненно-жидкого шлака в металлические формы, прочность и плотность этих изделии приравнивается граниту; шлаковаты для термоизоляционных работ, получаемой методом распыления струи расплавленного шлака сжатым воздухом или паром; кирпича и шлакобетонных блоков, изготовляемых из гранулированного шлака с добавкой извести или цемента с последующим затвердением на воздухе или в паропропарочных камерах.

Современный доменный цех представляет собой комплекс различных весьма сложных сооружений и оборудования.

На рис 1. представлена схема расположения сооружений и оборудования доменного цеха.

Рис 1. Схема расположения сооружений и оборудования доменного цеха: 1 — вагоноопрокидыватель; 2 —рудный перегружатель; 3 —грейфер; 4 — рудный трансферкар; 5 — коксовый транспортер; 6 — силос; 7 —-коксовый трансферкар; 8 —бункерная эстакада; 9 — вагон-весы; 10 — грохот для отсева коксовой мелочи; 11— коксовые весы; 12 — скип; 13—наклонный мост; 14 — машинное здание; 15 —доменная печь; 16 — колошниковый копер; 17 — монтажная балка; 18 — газоотводы; 19 — воздуходувная станция; 20 — воздуходувка; 21 — воздухопровод холодного дутья; 22 — воздухонагреватель; 23 — труба; 24 — воздухопровод горячего дутья; 25 — фурменный прибор; 26 — чугунная летка н желоба; 27 — шлаковая летка; 28— ковши для шлака; 29 — ковши для чугуна; 30 — здание литейного двора; 31 — кран литейного двора; 32 — пылеуловители; 33 — газопровод грязного газа; 34 — электрофильтры; 35 — газопровод чистого газа; 36 — лебедки для кантовки чугуновозных ковшей; 37 — разливочная машина; 38- платформы для уборки холодного чугуна; 39 — паровоз; 40 — железнодорожные пути для уборки холодного чугуна на складе

В настоящее время все доменные печи имеют стальной кожух, изнутри футерованный огнеупорным кирпичом. Футеровка со стороны кожуха охлаждается чугунными холодильниками – плитами залитыми в них стальными трубами, внутри которых циркулируется вода.

Основными характеристиками доменной печи являются ее профиль и размеры.

Очертание рабочего пространства доменной печи в вертикальном сечении, проходящего через ось печи, называется профилем печи. Профиль доменной печи можно разделить по высоте на пять частей (рис. 2).

• колошник — верхняя цилиндрическая часть печи, предназначена для загрузки шихтовых материалов. Огнеупорная кладка стенок колошника защищается от ударов загружаемой шихты стальными литыми сегментами, заполненными огнеупорным кирпичом;
• шахта — коническая часть печи, расположенная ниже колошника, указанная форма способствует более свободному опусканию шихты н тем самым ее разрыхлению;
• распар — самая широкая цилиндрическая часть печи, здесь начинается плавление шихты. Огнеупорная кладка распара опирается на колонны через мараторное кольцо кожуха печи;
• заплечики — коническая часть профиля печи ниже распара, сужение профиля заплечиков книзу явилось следствием сокращения объема шихты;
• горн — нижняя цилиндрическая часть печи, является копильником жидких продуктов доменной плавки — чугуна и шлака.

Нижняя часть печи (дно горна) называется лещадью. Кроме указанных характеристик, принято учитывать следующие параметры доменных печей:

• полезный объем печи — объем, который занимают все шихтовые материалы и продукты плавки. Вычисляют этот объем от нижнего положения большого конуса в опущенном положении до оси чугунной летки;
• полезная высота печи — расстояние от оси чугунной летки до нижнего положения большого конуса в опущенном положении;
• полная высота доменной печи — расстояние от оси чугунной летки до верхнего края чаши большого конуса.

Рудный двор. На всех металлургических заводах, имеющих в своем составе доменные печи, имеются рудные дворы (см. рис. 1), предназначенные для создания определенных резервных запасов руд и усреднения их.

Создание рудных дворов особенно необходимо, если руда и флюсы завозятся издалека, учитывая могущие быть задержки в пути и особенно в зимнее время.

Рудные дворы размещаются вдоль фронта доменных печей. Емкость рудных дворов зависит от дальности и сезонности доставки шихтовых материалов, а также от назначения двора (хранение сырья или его усреднение).

Литейный двор. Для наблюдения за ходом доменной плавки и выполнения работ около фурменной зоны (замена фурменных и шлаковых приборов) вокруг горна доменной печи устраивают рабочую площадку, называемую поддоменником.

Кроме этого непосредственно к поддоменнику примыкает литейный двор, на котором осуществляются работы по выпуску чугуна и шлака из доменной печи. Литейный двор оснащается оборудованием, необходимым для выпуска чугуна и шлака, а также для хранения необходимых для указанных целей вспомогательных материалов и запасных частей.

Наклонный мост. Он предназначен для связи бункерной эстакады и скиповой ямы с засыпным устройством доменной печн. Обычно мосты колошниковых подъемников выполняют решетчатой конструкции, двухпутными, с двумя опорами, которые устанавливают внизу на фундамент скиповой ямы и наверху на специальный пилон, монтируемый на фундаменте доменной печи. По нижнему поясу моста прокладывают два пути в скиповую яму, где осуществляется загрузка скипов шихтой.

В верхней части моста находятся разгрузочные кривые рельсовых путей, с помощью которых осуществляется опрокидывание и разгрузка скипов в приемную воронку засыпного устройства. На мосту имеются площадки, на которых установлены направляющие канатные шкивы скиповых канатов, канатов для лебедок управления конусами и канатов
зондовых лебедок.

На доменных печах полезным объемом 3200 м 3 скиповой подъемник шихтовых материалов выполнен из двух мостов, расположенных (не параллельно) расходящимися лучами вниз.

На доменной печи полезным объемом 5000 м 3 подача шихтовых материалов осуществлена с бункерной эстакады непосредственно на колошник при помощи ленточных конвейеров с резиновой лентой.

Скиповая яма. Для подхода скипов главного скипового подъемника и подъемника коксовой мелочи под загрузку предназначена скиповая яма. В скиповой яме устанавливаются: воронка-весы для кокса, бункера для коксовой мелочи, желоба для спуска сырья в скипы, оборудование для подавления пыли, образующейся при спуске в скипы сырья, и насосы для откачки грунтовых вод, проникающих в яму.

Машинное здание. В машинном здании устанавливают оборудование колошниковой скиповой лебедки, лебедки управления конусами, зондовых лебедок и автоматических станций густой смазки для механического оборудования колошника.

Воздухонагреватели. Они предназначены для нагрева подаваемого в доменную печь воздуха. В настоящее время применяются исключительно регенеративные воздухонагреватели с возможностью нагрева в них воздуха до 1100—1200°С.

Бункерная эстакада. Она является промежуточным хранилищем шихтовых материалов для доменной плавки, обеспечивающем необходимый запас сырья для бесперебойной и ритмичной загрузки его в доменную печь, что является решающим условием для ровного и устойчивого хода печи.

В подбункерном помещении устанавливают оборудование для организации механизированной подачи сырья к скиповому подъемнику. На большинстве доменных печей Советского Союза принята система транспортировки шихты машинами периодического действия, при которой руда, агломерат и добавки транспортируются в бункера железнодорожными вагонами или кранами-перегружателями с рудного двора в рудный трансферкар, который развозит материалы по бункерам. Кокс транспортируется в бункера также железнодорожными вагонами или же непосредственно с коксохимического завода при помощи конвейера с резиновой лентой в промежуточный бункер (силос) и далее трансферкаром в коксовые бункера.

Бункерная эстакада располагается между фронтом доменных печей и рудным двором. Бункерная эстакада в основном строится из железобетона. Стенки бункеров изготовляются из листовой стали и, как правило, защищаются от износа пакетами рельсов или листами из марганцовистой стали. Стенки коксовых бункеров выкладываются шамотным кирпичом. В целях техники безопасности и для того, чтобы в бункера не попадали негабаритные куски шихтовых материалов, верхние проемы всех бункеров перекрываются решетками с размерами ячеек 200×200—250×250 мм.

Газоочистка. На заводах с полным металлургическим циклом, включая и коксохимическое производство, значение доменного газа как топлива чрезвычайно велико. На таких предприятиях тепло, получаемое из доменного газа, составляет 25—35% общего расхода энергетического топлива. Вследствие того что потребители доменного газа требуют, чтобы содержание пылн в нем не превосходило 20 мг/м 3 , а для обогрева коксовых печей 10 мг/м 3 , на каждой доменной течи сооружается газоочистительная система, назначение которой состоит в очистке доменного газа.

Разливочная машина предназначена для механизированной разливки чугуна из чугуновозных ковшей в специальные формы — мульды. Разлитый в мульды чугун охлаждается водой при помощи форсунок и в виде чушек отгружается на железнодорожные платформы иногородним потребителям или на заводские полувагоны для отправки на внутризаводский склад чугуна.

Испарительное охлаждение. Интенсивная работа доменной печи приводит к быстрому износу ее огнеупорной футеровки, если не примять надлежащих мер в целях удлинения ее срока службы. Одной из таких мер является охлаждение футеровки. Все современные доменные печи оснащаются устройствами для интенсивного охлаждения футеровки — внутренними холодильниками, которые охлаждают футеровку на значительную часть ее толщины. В настоящее время для охлаждения футеровки доменных печей применяют две системы охлаждения — водяное и испарительное. При водяном охлаждении через систему трубопроводов и охлаждающих устройств — холодильников, представляющих собой чугунные плиты с залитыми в них стальными трубами, пропускают техническую воду или воду из оборотного цикла, охлажденную в брызгальных бассейнах или градирнях. Отбор тепла при водяном охлаждении от элементов охлаждения достигается за счет перепада температуры в подводимой и отводимой воде. При испарительном охлаждении отбор тепла происходит за счет скрытой теплоты парообразования воды, температура которой 100°С и выше, в зависимости от того, какое давление поддерживается в системе испарительного охлаждения.

При этой системе каждый килограмм охлаждающей воды отбирает не 83,7 Дж (20 ккал) тепла, как при водяном охлаждении, а около 2,5 кДж (600 ккал). Вследствие этого расход воды на охлаждение печи резко уменьшается, а также исключается полностью образование накипи в трубках холодильников и охлаждаемых элементах клапанов горячего дутья.

Для испарительного охлаждения применяется химически очищенная вода, получаемая от химической водоочистки ПВС. Испарительное охлаждение работает по замкнутому контуру, поэтому безвозвратные потери химически очищенной воды незначительны. Полученный в системе испарительного охлаждения пар поступает на ПВС для подогрева конденсата, подаваемого на котлы. При испарительном охлаждении расход технической воды сокращается до 70% от расхода воды при водяном охлаждении.

Выплавка чугуна в низкошахтных печах

В некоторых странах Западной Европы (ФРГ, Бельгия и др.) для выплавки чугуна из низкосортного неметаллургического горючего и бедных руд применяют в ограниченных (промышленных и полупромышленных) масштабах низкошахтные печи.

Действующие печи различных заводов по своей конструкции довольно сильно отличаются друг от друга. Общим для низкошахтных печей является небольшая высота столба шихтовых материалов (до 5 м) и, соответственно, малый полезный и полный объем (до 120 м 3 ).

В поперечном сечении низкошахтные печи имеют круглую, овальную или прямоугольную форму. По высоте от горна до колошника поперечное сечение у одних печей сохраняется постоянным, у других печей изменяется, но в гораздо меньшей степени, чем в обычных доменных печах. Иногда колошник делается большего сечения, чем горн.

Особенность работы низкошахтных печей — малое время пребывания шихты в печи. Если в обычных доменных печах продолжительность пребывания шихты составляет 6—8 ч, то в низкошахтных печах она не превышает 2,5—3 ч. Меньшее время пребывания шихты требует ускорения всех физико-химических процессов, протекающих в печи, иначе шихтовые материалы могут поступать в горн неподготовленными, что вызовет нарушение нормального хода печи. Ускорения реакций восстановления и процесса теплообмена можно достигнуть путем увеличения реакционной поверхности шихты, улучшением контакта между частицами руды и горючего и газом.

В связи с этим для низкошахтных печей особое значение приобретает подготовка шихтовых материалов. Подготовка заключается в предварительном измельчении, сортировке и тщательном перемешивании материалов как перед загрузкой, так и при загрузке их в печь. При этом должна быть обеспечена гранулометрическая однородность и постоянство качества применяемого сырья. Применение рудноугольных и руднококсовых брикетов, железококса в этом отношении является наиболее перспективным.

Для улучшения тепловой работы и повышения производительности низкошахтных печей при малом их объеме оказалось целесообразным применение дутья, обогащенного кислородом. При этом достигается концентрация зоны высоких температур в горне и одновременное снижение температуры колошника.

Применение дутья, обогащенного кислородом, позволяет выплавлять из бедных руд и низкосортного топлива не только передельный чугун, но и ряд ферросплавов, а также дает возможность отказаться от нагрева дутья, что резко сокращает капиталовложения. При использовании углей с большим выходом летучих и смолы, кроме чугуна, можно получать газ, пригодный для синтеза жидкого топлива или аммиака. Производительность низкошахтных печей колеблется от 80 до 120 т в сутки. Выход металла 21—22%. Выход шлака 2,3—2,5 т на 1 т чугуна. Расход кокса порядка 2,0 т на 1 т чугуна. К. и. п. о. 0,96—0,99.

Доменный процесс производства чугуна и стали

Ключевые слова конспекта: производство чугуна, производство стали, железная руда, чугун, сталь, руда, кокс, силикат кальция, пирит, доменная печь.

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА. ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ

По объёму производства и потребления железо является важнейшим металлом. Обычно железо используется в виде сплавов. Отрасль промышленности, производящая железо и его сплавы, – чёрная металлургия.

Источником получения железа является железная руда. В руде основными компонентами являются соединения железа:

• Fe₃O₄ – магнетит (магнитный железняк),
• Fe₂O₃ – гематит (красный железняк),
• Fe₂O₃nH₂O – лимонит (бурый железняк),
• FeS₂ – пирит (железный колчедан, серный колчедан).

Пирит сначала обжигают (в ходе производства серной кислоты), а огарок (Fe₂O₃) используют в производстве чугуна.

Продуктами производства являются чугун и сталь.

Чугун – сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет более 2%, а также имеются примеси кремния, фосфора, серы и марганца.

Производство чугуна осуществляют в доменных печах (см. рис). Сырьём для производства являются железная руда, кокс, известняк и горячий воздух.

Доменную печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом и коксом. (Агломерат – это определённым образом подготовленная руда, спечённая с флюсом, в данном случае – с известняком.) Через специальные отверстия (фурмы) в нижнюю часть домны подаётся горячий воздух, обогащённый кислородом. В нижней части домны кокс сгорает, образуя СO₂, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои накалённого кокса, взаимодействует с ним и образует СО:

Руда последовательно претерпевает превращения:

В руде присутствует также пустая порода, которую образует главным образом кремнезём – SiO₂. Это тугоплавкое вещество. Для превращения его в легкоплавкие соединения к руде добавляется флюс. Обычно это известняк. При взаимодействии его с кремнезёмом (SiO₂) образуется силикат кальция:

СаСO₃ + SiO₂ = CaSiO₃ + CO₂↑ (800 °С)

Образующийся силикат легко отделяется в виде шлака.

При восстановлении руды железо получается в твёрдом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи – распар – и растворяет в себе углерод. Образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть домны, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки периодически выпускают через особые отверстия.

Когда металлическое железо выделяется в жидком состоянии, в нём сравнительно хорошо растворяется углерод. При кристаллизации такого раствора образуется чугун – сплав железа с углеродом. Он обладает высокой хрупкостью из-за большого содержания в нём карбида железа Fe₃C (цементита), который образуется в результате побочных реакций:

3Fe + С = Fe₃C
3Fe + 2СО = Fe₃C + СO₂

В чугуне содержатся примеси фосфора, серы. Сера ухудшает текучесть чугуна и вызывает красноломкость стали – хрупкость при нагревании до температуры красного каления. Фосфор вызывает хладноломкость стали – хрупкость при обычной температуре.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сталь – сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет менее 2%.

Сущность получения стали из чугуна заключается в уменьшении содержания углерода в металле и возможно более полном удалении примесей – серы и фосфора, а также в доведении содержания кремния, марганца и других элементов до требуемых пределов.

Существует несколько способов переработки чугуна в сталь : мартеновский, бессемеровский и томасовский. Они различаются методами окисления.

В бессемеровском и томасовском способах окисление осуществляется кислородом воздуха, продуваемого через расплавленный металл. Во всех процессах углерод, содержащийся в металле, окисляется до СО и СO₂, удаляемых из реакционной зоны. Кремний Si, марганец Мn, хром Сг и другие металлы, окисляясь, переходят в шлак в виде SiO₂, МnО и т. д.

Механизм процесса окисления может быть представлен следующим образом. В первую очередь окисляется часть железа. Часть образующихся оксидов растворяется в металле и взаимодействует с примесями:

С + FeO ⇆ Fe + СО
Si + 2FeO ⇆ 2Fe + SiO₂
2P + 5FeO ⇆ 5Fe + P₂O₅

Для максимального удаления примесей серы и фосфора необходимо, чтобы в процессе передела чугуна получались основные шлаки; это достигается путём добавления известняка или извести. Сера, содержащаяся в чугуне в виде FeS, реагирует с оксидом кальция СаО:

FeS + СаО = CaS + FeO

Образующийся сульфид кальция переходит в шлак. Образовавшийся P₂O₅ также взаимодействует с известью, образуя фосфат кальция, переходящий в шлак:

3СаО + P₂O₅ = Са₃(РO₄)₂

Бессемеровский и томасовский способы осуществляют в конвертерах. Конвертеры – аппараты грушевидной формы, изготовленные из специальной котельной стали (кожух) и футерованные изнутри огнеупорными материалами.

Конспект урока по химии «Производство чугуна и стали. Доменная печь». Выберите дальнейшее действие:

Производство стали и чугуна: процесс получения и используемые материалы

Чугун – это сплав на основе железа. Его главное достоинство – долговечность. Изделия из чугуна широко применяют в станкостроении, производстве труб и радиаторов отопления, сантехнических изделий. Для производства большинства видов чугуна применяют литье, но и в ковке этот материал очень пластичен. Таким способом делают ограждения, декор для интерьера, например, каминные решетки, флюгеры, кованые калитки и ворота. Сырьем для производства чугуна служат рудные материалы, флюсы, кокс.

Основные виды сырья для производства чугуна – железные руды, кремнезем, глинозем, пустые породы с содержанием оксидов кальция и магния.

Руда, кроме основного материала, содержит и дополнительные компоненты – ценные и редкоземельные металлы. Если их содержание невелико, они используются в производстве чугуна. Если же процентное содержание позволяет извлекать из них, например, молибден, ванадий или никель, такую руду разделяют на компоненты.

Породу, добытую из недр, переводят из сырой в товарную. Происходит это в несколько этапов:

1. Дробление для раскрытия рудного минерала.
2. Грохочение для калибрования кусков разного размера.
3. Окускование с целью получения крупных кусков руды из мелких.
4. Агломерация (спекание).
5. Обогащение для отделения пустой породы.
6. Обжиг – для удаления серы, воды и углекислоты.
7. Усреднение состава для достижения однородности.

После всех подготовительных процедур руду направляют на переплавку. Это делают в доменных печах на металлургических комбинатах.

Разновидности

В промышленном применении наиболее ценными являются руды:

• магнитный железняк, в котором содержание Fe колеблется от 45 до 70% и почти отсутствуют вредные примеси;
• красный железняк (55-60% Fe);
• бурый железняк (35-50%), основной недостаток – значительное количество вредных примесей;
• шпатовый железняк (30-45%).

Основные месторождения этих руд в нашей стране сосредоточены на Урале, в Сибири и ЦФО.

Свойства

Характеристики руды определяет ее химический состав. Чем выше содержание основного компонента, тем она ценнее.

Тип железной руды	Содержание Fe, %
бедная	< 45
средняя	От 45
богатая	60-65
очень богатая	> 65

Наличие вредных примесей и количество пустой породы делает производство металла из руд низкого качества более дорогостоящим. Чем выше содержание железа и меньше дополнительных компонентов, тем выше качество чугуна и дешевле его производство.

Стоимость железной руды на бирже находится на уровне 85 долларов за 1 тонну (на 18.02.2020).

Выплавка чугуна и стали

Современное металлургическое производство чугуна и стали состоит из сложного комплекса различных производств (рис. 22):

1. Шахт и карьеров по добыче руд, каменных углей, флюсов, огнеупорных материалов.
2. Горно-обогатительных комбинатов, на которых подготовляют руды к плавке, обогащают их, удаляя часть пустой породы, и получают концентрат – продукт с повышенным содержанием железа по сравнению с рудой.
3. Коксохимических цехов и заводов, на которых осуществляют подготовку коксующихся углей, их коксование (сухую перегонку при температуре ~1000°С без доступа воздуха) в коксовых печах и попутное извлечение из них ценных химических продуктов: бензола, фенола, каменноугольной смолы и др.
4. Энергетических цехов для получения и трансформации электроэнергии, сжатого воздуха, необходимого для дутья при доменных процессах, кислорода для выплавки чугуна и стали, а также очистки газов металлургических производств с целью охраны природы и сохранения чистоты воздушного бассейна.
5. Доменных цехов для выплавки чугуна и ферросплавов.
6. Заводов для производства различных ферросплавов.
7. Сталеплавильных цехов – конвертерных, мартеновских, электросталеплавильных для производства стали.
8. Прокатных цехов, в которых нагретые слитки из стали перерабатываются в заготовки (блюмы и слябы) и далее в сортовой прокат, трубы, лист, проволоку и т. п.

Современное производство стали основано на двухступенчатой схеме, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных способов последующего его передела в сталь. В процессе доменной плавки, осуществляемом в доменных печах, происходит избирательное восстановление железа из его окислов, содержащихся в руде. Одновременно с этим из руды восстанавливаются также фосфор и в небольших количествах марганец и кремний; происходит науглероживание железа и частичное насыщение его серой топлива (кокса). Таким образом из руды получают чугун – сплав железа с углеродом более 2,14%, кремнием, марганцем, серой и фосфором.

Передел чугуна в сталь осуществляют в металлургических агрегатах: в конвертерах, мартеновских и электрических печах. В них из-за ряда происходящих химических реакций осуществляется избирательное окисление примесей чугуна и перевод их в процессе плавки в шлак и газы. В результате получают сталь заданного химического состава.

Рис. 22. Схема современного металлургического производства

Каталог

• Главная
• Техническая информация
• Металлы и сплавы
• Производство чугуна и стали

Металлы и сплавы по химическому составу делятся на цветные (медь, алюминий, свинец, бронза, латунь и др.) и черные (железо, сталь, чугун). В чистом виде металлы используются редко, а в основном — в виде сплавов.
Чугун и сталь это сплавы железа с углеродом

, в которых неизбежно наличие примесей других химических элементов:

Сталь: Fe
+ С (< 2%) + примеси (относительно немного);
Чугун: Fe
+ С (> 2%) + примеси (больше, чем у стали).
Что общего и в чем различия (табл. 1.3) между этими сплавами?

Основа одна — железо. Главное отличие заключается в том, что чугун имеет повышенное содержание углерода (свыше 2% в чугунах и до 2% в сталях) Граница

между этими сплавами проходит по содержанию углерода в сплаве. Так же больше во многих чугунах марганца, серы, фосфора и кремния.

Стали чаще всего более твердые, прочные и износостойкие. Чугуны же более хрупкие, но обладают хорошими литейными свойствами. Сталь является производной от чугуна., т.к. производство её в основном двух стадийное: из железных руд сначала получают чугун, далее из чугуна и стального лома получают сталь.

Таблица 1.3 Сравнительные показатели чугунов и сталей.

№	Наименование показателей	Чугун	Сталь
1	Содержание углерода, %	> 2%	< 2%
2	Содержание S, P, Mn, Si	Много *	меньше
3	Структура	ледобурит,….	аустенит,феррит,…
4	Хрупкость	более хрупкий *
5	Твердость	более твердая *
6	Прочность	выше *
7	Ковкость	выше *
8	Литейные свойства	выше
9	Изготовляемые детали	станины, корпуса,	валы, шестерни,…
10	Технология изготовления	литье и механ. обраб.	прокатка и мех. обр.

Железо в руде находится в виде окислов, оксидов, карбонатов и прочих химических соединений. Кроме того, в руде много (до 30… 60%) пустой породы: кварцит (песок), глинистые вещества и др.

Основные железные руды:

1. Магнитный железняк Fe O — оксид (до 65% железа). (Соколовское и Сарбайское месторождения, Курская магнитная аномалия)

2. Красный железняк Fe O — оксид (до 60% железа). ( Криворожское месторождение, Курская магнитная аномалия)

3. Бурый железняк n Fe O х mH 2 O — карбонат (до 55% железа). (Лисаковское месторждение)

4. Шпатовый железняк Fe C O 3 — углекислая соль (до 40% железа). ( Криворожское месторождение)

Почти половина разведанных мировых запасов железа находится на территории государств СНГ. Добывалось и производилось чугуна и стали в бывшем СССР больше всех в мире. Причинами этого «достижения» были: несовершенство конструкций и низкая надежность машин и оборудования; низкое качество выплавляемых чугунов и сталей; огромные территории; большая протяженность дорог и коммуникаций; низкая эффективность сельскохозяйственного производства, строительных и дорожных работ. Всё это требовало намного больше металла, чем в других странах. И кроме того, зарытого металла в земле на стройках, брошенного на свалках, в лесах, болотах и на полях было больше всех в мире.

В историческом плане производство черных металлов развивалось по следующим этапам:

1. Сыродутный процесс (1500 лет до н. э.). Производительность процесса очень низкая, получали за 1 час всего до 0,5… 0,6 кг железа. В кузнечных горнах железо восстанавливалось из руды углём при продувке воздухом (рис. 1.19) с помощью кузнечных мехов.

Сначала при горении древесного угля образовывалась окись углерода

которая и восстанавливала чистое железо из руды

C O + Fe Ù Fe + C O2.

В результате длительной продувки воздухом из кусочков руды получались практически без примесей кусочки чистого железа, которые сваривались между собой кузнечным способом в полосу, которые далее использовались для производства необходимых человеку изделий. Это технически чистое железо содержало очень мало углерода и мало примесей (чистый древесный уголь и хорошая руда), поэтому оно хорошо ковалось и сваривалось и практически не корродировало. Процесс шел при относительно невысокой температуре (до 1100…1350 °С),металл не плавился, т. е. восстановление металла шло в твердой

фазе. В результате получалось ковкое (кричное) железо. Просуществовал этот способ до XIV века, а в несколько усовершенствованном виде до начала XX века, но был постепенно вытеснен кричным переделом.

Отсюда следует, что исторически самым первым сварщиком металлов был кузнец, а самый первый способ сварки- это кузнечная сварка.

2. С увеличением размеров сыродутных горнов и интенсификацией процесса возрастало содержание углерода в железе, температура плавления этого сплава (чугуна) оказывалась ниже, чем у более чистого железа и получалась часть металла в виде расплавленного чугуна, который как отход производства вытекал из горна вместе со шлаком.

В XIV век в Европе был разработан двухступенчатый способ получения железа (маленькая домна, далее кричной процесс). Производительность увеличилась до 40 …50 кг/час железа. Использовалось водяное колесо для подачи воздуха. Кричный передел -это процесс рафинирования чугуна (снижение количества C, Si, Mn) с целью получения из чугуна кричного (сварочного) железа.

3.В конце XVIII века в Европе начали использовать минеральное топливо в доменном процессе и в пудлинговом процессе. При пудлинговом процессе каменный уголь сгорает в топке, газ проходит через ванну, расплавляет и очищает металл. В Китае даже раньше, в X-ом веке, выплавляли чугун, а далее получали сталь процессом пудлингования. Пудлингование- это очистка чугуна в пламенной печи.

При очистке железные зерна собираются в комья. Пудлиновщик ломом много раз переворачивает массу и делит ее на 3…5 частей –криц. В кузнице или прокатной машине свариваются зерна и получают полосы и другие заготовки. Используются уже паровые машины вместо водяного колеса. Производительность возрастает до 140 кг сварочного железа в час.

4.В конце XIX века — почти одновременно внедряются три новых процесса получения стали: бессемеровский, мартеновский и томасовский. Производительность плавки стали возрастает резко (до 6 тн/час).

В середине XX века: внедряются кислородное дутье, автоматизация процесса и непрерывная разливка стали.

При сыродутном, кричном и пудлинговом процессах железо не плавилось (технический уровень того времени не давал возможность обеспечить температуру его плавления). Продувка кислородом расплавленного металла в бессемеровском конверторе из -за резкого увеличения поверхности соприкосновения металла с окислителем (кислородом) в тысячу раз ускоряет химические реакции по сравнению с пудлинговой печью.

В сыродутном и кричном процессах получали одностадийным методом ковкое, сварочное железо (малоуглеродистую сталь), причём имеющее небольшое количество примесей, поэтому весьма стойкое к коррозии. Сейчас в стадии развития находится одностадийный процесс производства стали: обогащение руд (получение окатышей, содержащих 90… 95% железа) и выплавка стали в электропечи.

Современное производство чугуна и сталей выполняется по следующей схеме (рис. 1.20).

Производство чугуна

Чугун выплавляется в домнах. Это сложное инженерное сооружение, работающее непрерывно в течение 5..10 лет.

Печь работает по принципу противотока. Сверху загружается руда, флюсы и кокс, а снизу подается воздух.. Кокс служит для нагревания и расплавления руды, а также участвует в восстановлении железа из окислов руды. В коксе должно быть минимум серы и фосфора. Флюсы (известняки, кремнеземы.) необходимы для получения шлаков При сгорании топлива образуется окись углерода, которая и является главным восстановителем железа. Восстановление железа происходит от высших окислов к низшим и, в конечном итоге, к металлу:

Fe2 O3 ® Fe3 O4 ® Fe O ® Fe

окисью углерода СО и твердым углеродом С. Восстановление марганца, кремния и других элементов выполняется также коксом.

Продуктами доменного производства являются:

чугун передельный, содержащий 4…4,5% С, 0,6…0,8 % Si, 0,25…1,0% Mn, до 0,3 % S и до 0,05% Р;

чугун литейный, содержащий Si около 3% ;

ферросплавы: ферросилиций (9 …13% Si) и ферромарганец (70 …75 % Mn), предназначенные для раскисления и легирования сталей;

шлаки, используемые для производства шлаковаты, шлакоблоков, цемента.

Производство стали.

Чтобы получить сталь из чугуна надо уменьшить в нем количество углерода, марганца, серы и фосфора. Сталь получают в кислородных конверторах, мартеновских печах и электропечах.

Конвертор (рис. 1.21) —это сосуд грушевидной формы, футированный внутри огнеупорным кирпичом и подвешенный на двух кронштейнах.

Жидкий чугун (1250…1400 °С), полученный в домне, с помощью ковша заливают в конвертор, Для получения шлака добавляют в конвертор железную руду и известь, боксит и плавиковый шпат. В конвертор снизу подается воздух, или сверху –кислород. Процесс получения стали проходит быстро, при этом отчетливо видны три периода (рис. 1.22).

В первые 4 …5 минут процесса окисляется железо

Далее, образовавшаяся окись железа окисляет кремний и марганец:

Si + FeO ® SiO2 + Fe,

Mn+ FeO ® MnO2 + Fe.

Кремний и марганец окисляются также и кислородом:

При окислении углерода, кремния, марганца и др. примесей выделяется большое количество тепла, температура расплава увеличивается, а окислы образуют шлак.

После того, как выгорят почти полностью Si и Mn наступает второй период бурного выгорания углерода

характерный тем, что пока окись углерода. горит

над горловиной. будет яркое пламя.

Третий период наступает, когда над горловиной появляется бурый дым- признак того, что начало окисляться железо и процесс получения стали завершен.

Кислород вдувается в конвертор сверху (давление до 1,2 МПа) на зеркало жидкого металла. Температура при продувке кислородом выше, чем при продувке воздухом, поэтому кроме расплавленного чугуна можно использовать до 30% железного скрапа и железной руды. При продувке кислородом в сплаве уменьшается содержание азота, время продувки сокращается по сравнению с продувкой воздухом в 2 раза и увеличивается производительность конвертора.

Мартеновское производство менее производительное, чем конверторное., но лучше регулируется процесс, используются чугунные чушки и металлолом. Мартен это регенеративная пламенная печь. Газ сгорает над плавильным пространством, где создается температура 1750… 1800 °С. Газ и воздух предварительно подогреваются (до 1200…1250 °С) в регенераторах. За счет тепла сгоревших газов, выходящих в трубу. Два регенератора: один работает, а другой накапливает тепловую энергию. Для интенсификации процесса ванну продувают кислородом. Раскисление ванны проводят ферросилицием и феромарганцем в ванне, а окончательное –алюминием и ферросилицием в сталеразливочном ковше.

Сталь высокого качества выплавляют в дуговых и индукционных электропечах. Процесс примерно такой же как и в мартеновской печи, но температура выше, поэтому можно получать в электропечах тугоплавкую сталь, содержащую хром, вольфрам и др. Два периода при выплавке электростали: окислительный (выгорают Si, Mn, C, Fe) за счет кислорода, воздуха и оксидов шихты; восстановительный — раскисление стали, удаление серы. Для этого вводят флюс, состоящий из извести и плавикового шпата.

Индукционная плавка применяется обычно для переплавки сталей и получения высоколегированных и специальных сталей в условиях вакуума или специальной регулируемой атмосферы.

Компоненты, необходимые для получения чугуна.

Итак, чугун является химически сложным веществом, поэтому при его выплавке используют различные компоненты, каждый из которых выполняет свою определенную функцию.

В среднем, для производства 1 тонны металла необходимо около 3 тонн (в зависимости от содержания железа) руды, 1,1 тонны кокса, 20 тонн воды, плюс различное количество флюса.

• Основа чугуна — металлическая руда, состоит из различных соединений железа, а также пустых пород. Процентное содержание Fe в руде отличается в зависимости от типа материала, и варьируется от 30 до 70%.
• Флюсы, другое название плавни. Разнообразные породы, добавляемые в руду при плавке. Основной задачей является снижение температурного параметра плавления руды, которое обеспечивает более эффективный вывод шлака. В зависимости от типа пустых пород, применяются разные виды флюсов.

• Процесс выплавки чугуна требует большого количества тепловой энергии, причем температура горения топлива должна соответствовать условиям плавки. В качестве топлива в металлургии в основном применяют коксующиеся угли, термоантрацит, природный газ.

Свойства этих компонентов, для более полного понимания процесса плавки, рассмотрим подробней.

Источник https://metallolome.ru/obshhie-svedeniya-o-tehnologicheskom-pro/

Источник https://uchitel.pro/%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B8%D0%B7%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE-%D1%87%D1%83%D0%B3%D1%83%D0%BD%D0%B0-%D0%B8-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8-%D0%B4%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F/

Источник https://nicespb.ru/tehnologii/shema-proizvodstva-stali-i-chuguna.html