Технология производства чугуна - ABCD42.RU

Технология производства чугуна

Производство чугуна. Марки чугуна. Технология производства

В настоящее время основной способ получения чугуна — плавка железных руд в доменных печах. Для плавки необходим ряд сырых материалов, таких как флюсы, железные или марганцовые руды, а также топливо. В качестве топлива используется кокс, который, по сути, является каменным углем. Роль кокса – обеспечить процесс восстановительной энергией и определенным количеством тепла. Давайте рассмотрим производство чугуна более подробно. Так как это сложный и длительный процесс, то его описание займет много времени.

Топливо для плавки

Как было отмечено выше, в качестве топлива используют кокс. Но, помимо этого, допустимо использование мазута, угольной пыли и природного, а также коксового газов. Тем не менее практически всегда в качестве основного горючего применяют именно кокс. Это вещество, которое образуется при удалении летучих газов из угля при температуре от 900 до 1 200 градусов. Сегодня это единственный вид твердого топлива, который сохраняет свою исходную форму во время движения от колошника к горну. В принципе, к этому материалу выдвигаются жесткие требования, которые касаются механической прочности и жесткости, что нужно для восприятия больших нагрузок в нижней части доменной печи. Крайне важно выдерживать фракцию кокса. Слишком мелкие частицы способствуют газопроницаемости шихты, а слишком большие разрушаются и образуют мелкую фракцию. Помимо этого, необходимо соблюдать определенный процент влажности, что нужно для поддержания теплового режима.

Руды для плавки

В земной коре довольно много железа, однако в чистом виде оно не встречается, его всегда добывают с горными породами в виде различных соединений. Железной рудой можно называть только те породы, из которых с экономической точки зрения выгодно добывать железо посредством плавления в печи. В природе существуют богатые и бедные железные руды. Если говорить с точки зрения металлургической промышленности, то в руде есть ряд полезных добавок, которые необходимы при получении чугуна, – это хром, никель, марганец и другие. Есть и вредные включения: сера, фосфор, медь и т.п. Кроме того, железная руда может делиться на несколько групп в зависимости от минерала:

  • красный железняк – 70% железа, 30% кислорода;
  • магнитный железняк – 72,4% железа, 27,6% кислорода;
  • бурый железняк – до 60% железа;
  • шпатовый железняк – до 48,3 % железа.

Логично было бы сделать вывод, что доменное производство чугуна должно предусматривать использование руды из второй группы. Но самой распространенной является первая, поэтому ее чаще и применяют.

Подготовка руды к плавке

Нельзя добыть железную руду из земли и тут же забросить ее в загрузочное устройство доменной печи. Сначала необходимо несколько улучшить технико-экономические показатели, что позволит использовать для получения чугуна относительно бедные руды, которых в земной коре значительно больше. К примеру, увеличение железа в руде всего на 1% приводит к экономии кокса на 2% и к увеличению производительности ДП на 2,5%. На первом этапе руда дробится на фракции, а дальше проходит грохочение. Последнее мероприятие необходимо для разделения железной руды по крупности. Дальше идет усреднение, где выравнивается химический состав. Один из самых важных и сложных этапов – обогащение. Суть процесса заключается в удалении пустых пород с целью увеличения содержания в руде железа. Обычно обогащение проходит в два этапа. Заключительным этапом является окускование, которое нужно для улучшения протекания плавки в доменной печи.

Технология производства

Доменный процесс – это совокупность механических, физических и химико-физических процессов, которые протекают в функционирующей ДП. Загружаемые флюсы, руды и кокс в процессе плавки превращаются в чугун. С точки зрения химии, это окислительно-восстановительный процесс. По сути, из оксидов восстанавливается железо, а восстановители окисляются. Но процесс принято называть восстановительным, так как конечная цель – получить металл.

Еще о доменном процессе

Кокс, поступающий непосредственно в горн, имеет температуру порядка 1 500 градусов. В результате в зоне горения образуется смесь газов температурой 2 000 градусов. Он поднимается в верх доменной печи и нагревает опускающиеся к горну материалы. При этом температура газа несколько понижается, примерно до 1700-1600 градусов.

Шихта грузится в колошник порционно. Распространение в ДП происходит слоями. Обычно загружают одну порцию в 5 минут. Перерыв нужен для освобождения места в колошнике. Науглероживание проходит еще в твердом состоянии железа, после температура падает до 1 100 градусов. В этот период заканчивается восстановление железа и начинается окисление кремния, марганца и фосфора. В результате мы имеем науглероженное железо, которое содержит не более 4% углерода. Оно плавится и стекает в горн. Туда же попадает и шлак, но так как удельные массы материалов различные, то они не соединяются. Через чугунную летку выпускают чугун, а через шлаковые летки – шлак. В принципе, это и вся технология производства, описанная вкратце. Сейчас рассмотрим еще один интересный вопрос.

Основные марки чугуна

Чугун – сплав железа с углеродом. Содержание последнего элемента не должно быть меньше 2,14%. Помимо этого, присутствуют и другие элементы, такие как кремний, фосфор, сера и др. Углерод обычно находится или в связанном состоянии (цементит), или же в свободном (графит). Чугун можно поделить на следующие виды:

  • Литейный – имеет маркировку Л1-Л6 и ЛР1-ЛР7.
  • Передельный чугун – маркируется как П1 и П2. Если материал предназначается для отливок, то это ПЛ1 и ПЛ2. Металл с большим содержанием фосфора обозначается как ПФ1,ПФ2, ПФ3. Помимо этого, есть и высококачественный передельный чугун – ПВК1, ПВК2 и ПВК3.
  • Серый – СЧ10, СЧ15, СЧ20,СЧ25, СЧ30 и СЧ35.
  • Ковкий чугун – КЧ30-6, ЧК45-7,КЧ65-3 и др. Если после букв стоят цифры, то они обозначают временное усилие на разрыв.
  • Легированный чугун, имеющий специальные свойства, обозначается буквой «Ч»;
  • Антифрикционный (серый) – АЧС.

Можно говорить о том, что любой вид чугуна имеет свое дальнейшее назначение. К примеру, передельный используется для переделки в сталь и для производства отливок. В это же время марки ПЛ1 и ПЛ2 отправятся в литейный цех, а П1 и П2 будут использованы в сталеплавильном производстве.

Влияние различных соединений на свойства

Независимо от вида и марки чугуна есть ряд элементов, которые значительно влияют на его свойства и технические характеристики. В качестве примера возьмем серый чугун. Повышенное содержание кремния способствует понижению температуры плавления и значительно улучшает его технологические и литейные свойства. По этой простой причине в литейный цех обычно отправляют чугун с большим содержанием этого элемента. А вот марганец – это своего рода противоположность кремнию. Однако он является полезным химическим элементом, так как увеличивает прочность и твердость изделия.

Про науглероживание железа

Восстановленное в ДП железо поглощает в себя самые различные химические элементы и углерод в том числе. Как результат, образуется полноценный чугун. Как только он появляется в твердой форме, сразу же начинается его науглероживание. Сам процесс заметен при относительно невысоких температурах в 400-500 градусов. Кроме того, стоит отметить, что чем больше углерода в составе железа, тем ниже температура плавления. Однако когда металл находится уже в жидком состоянии, процесс протекает несколько интенсивней. Нужно понимать, что после того, как в чугуне будет окончательное количество углерода, изменить это уже будет невозможно. Такие элементы, как марганец и хром, способствуют увеличению содержания углерода, а кремний и фосфор уменьшают его количество.

Немного о литейном производстве

Еще кое-что интересное

Стоит обратить ваше внимание на то, что литейное производство использует металл, который был получен в доменной печи. По сути, при вторичной плавке получают изделия с требуемыми свойствами, которые изменяются в плавильной печи. В это же время отливки, химический состав которых оставляют неизменным в литейном производстве, изготавливают крайне редко. В частности это касается чугуна. Когда нужно получить деталь из черного металла, помимо чугуна, в печь загружают ряд модификаторов, флюсов, раскислителей, а также стальной лом и штыковой чугун. Последний нужен для получения стальных и чугунных отливок. Сам же процесс производства чугуна мало чем отличается от доменного производства.

Заключение

Помимо рассмотренных нами, существуют и другие способы производства чугуна. К примеру, плавка в мартеновских печах. Но этот метод морально устарел, так как он слишком энергозатратный, хотя качество металла находится на хорошем уровне. Совсем другое дело – конвертерный способ, который, наоборот, только набирает популярность с каждым годом. К примеру, производство чугуна в России в конвертерах занимает около 30-45% от всего производства. Конвертерный метод обладает рядом существенных преимуществ, одно из них – высокая скорость плавки. Кроме того, из конвертера чугун переливается непосредственно в формы и используется по назначению. Стоит отметить, что остановить ДП невозможно, так как производство непрерывно. В крайнем случае имеет место консервация, при которой кокс тлеет в горне. Если же доменная печь останавливается, то проще построить новую, нежели запустить старую.

Чугун: процесс производства, классификация и маркировка

В век бурного развития металлургической промышленности и производства чугун играет ключевую роль. Давайте разберемся, что это за материал, как он появился, как производится, какими свойствами обладает, какие виды классификации чугуна существуют, и каким образом он применяется в различных областях промышленности.

Определение

Чугуном называется смесь 2,14 % углерода с железом, полученная при термическом нагревании в доменных печах до 1200 градусов Цельсия. С помощью шестого элемента таблицы Менделеева железо в форме сплава приобретает увеличенную твердость, теряя пластичность и ковкость, делая данный материал хрупким.

Помимо углерода, для получения особых параметров, в металлическую матрицу, добавляются такие элементы, как Si, Mg, P, S. Также широко применяются легирующие агенты – Cr, V, Ni, Al.

История

Технология изготовления чугуна пришла к нам из Китая, где «ходили» чугунные деньги еще в 10 веке нашей эры. Потомки монголов уже в 13 веке готовили котлы из этого сплава. На полях сражений в Столетней войне впервые применялись артиллерийские орудия и боеприпасы, отлитые из данного твердого раствора. В России его широкое применение в изготовлении оружия было налажено в 16 веке после появления доменной печи. В связи с этим, в 1701 году был построен Уральский чугунолитейный завод, который стал началом народного промысла, получившего название «Каслинское литье».

Начиная с 18 века Великобритания занимает пальму первенства по производству чугуна в мире. Благодаря новой технологии Уилкинсона, к середине 19 века в этой стране производилось половина всего мирового объема.

Технология изготовления не стояла на месте, что позволило Соединенным Штатам в конце 19 века вырваться вперед.

В то время из этого сплава начали изготавливать рельсы, водопроводные и канализационные трубы, камины, и такие сложные инженерно-строительные сооружения, как мосты.

Процесс производства чугуна

Получение чугуна проводят в доменных печах. Этот процесс является достаточно энергоёмким и затратным производством. В качестве сырья используют 4 основных группы руд:

  • Гематитовый железняк, состоящий из ангидридного оксида железа, держит 70% (Fe) и 30% (O);
  • Магнетитовый железняк, содержит 72,4% (Fe), и 27,6% (O);
  • Бурый железняк, содержит 59,8% элементарного железа;
  • Сидеритовый железняк, содержит 48,3% (Fe).

Технологический процесс проходит в несколько этапов

Сначала, в процессе подготовки, измельчают железную руду с содержанием оксидов железа (FeO и Fe2O3) не менее 40% от общей массы. Затем путем дробления, грохочения, усреднения, промывки, обогащения и обжига, избавляются от неметаллических примесей – S, P, As, и поднимают массовую долю основного металла в руде.

По окончанию, подготовительного этапа, загружают все компоненты в печь.

Доменная печь представляет собой непрерывно действующее металлургическое оборудование в виде шахты, массой 30 тысяч тонн. Доменная печь состоит из 5 элементов: верхней части в форме цилиндра – колошника, широкой конической части – шахты, широкой части – распары, зауженной части – заплечиков и нижней части – горна. Загрузка всех компонентов производится сверху через колошник, а готовый продукт и шлак раздельно выходят снизу из горна.

Одновременно с рудой в домну помещают коксующиеся угли, выполняющие функцию топлива. В процессе термического разложения углей образуются соединения углерода, участвующие в качестве восстановительного агента. Для ускорения процесса высвобождения металла из руды добавляется флюсы. Обычно это горные породы, содержащий оксиды кальция и магния.

После окончания этапа загрузки начинается процесс выплавки, когда загруженные компоненты превращаются в сплав, шлак и газ. Физико-химические реакции, протекающие при этом можно охарактеризовать как восстановительно-окислительные, так как происходит восстановление окислов железа и окисление восстановительного агента.

Процессы протекающие в печи

Процессы, протекающие в доменной печи можно описать следующими химическими уравнениями:

При нагревании кокса происходит выделение элементарного углерода, который с кислородом образует углекислый газ.

С + О2 = СО2 + выделение энергии

CO2 при нагревании дальше окисляется до оксида углерода, и восстанавливает элементарное железо из его оксидов в руде.

Fe2O3 + 3 CO = 2Fe + 3 CO2

После реакции восстановления, металл насыщается углеродом, а при достижении 1150-1200°С стекает уже в форме металлического компаунда в горн. Из остатков пустой руды и флюсов образуют отход — шлак, который непрерывно удаляется.

Параметры чугуна

Плотность — 7,2 г/см3. Температура плавления составляет 1200 °С. Хрупкость и малая пластичность сплава обусловлена следующими факторами:

  1. Увеличение длины связи, между атомами Fe, из-за повышенного содержания углерода;
  2. Неполное внедрение атомов углерода в структуру матрицы железа в связи с низкой, по сравнению со сталью, температурой плавления.

Именно по этим причинам, данный твердый металлический раствор нашел широкое применение в производстве деталей, обладающих высокой прочностью. Однако, он не подходит для продукции, подвергающейся нагрузкам, значения которых быстро изменяются во времени.

Классификация чугунов

Существуют несколько видов классификации чугунов.

  1. По содержанию элементарного углерода делятся на:
    • доэвтектический (2,14-4,3 %);
    • эвтектический (4,3%);
    • заэвтектический (4,3-6,67%).
  2. По видам углерода, и цвету излома:
    • Белый (С > 3%, в форме карбида). Его применение ограничено производством изделий, не подвергающихся большим нагрузкам, из-за значительной хрупкости. Но при добавлении легирующих присадок, содержащих хром, никель, ванадий, алюминий повышаются его эксплуатационные параметры;
    • Серый (С -2,5%, в форме перлита) обладает хорошей износостойкостью и понижает силу трения. Применяется при изготовлении деталей промышленного оборудования, подвергающихся циклическим нагрузкам. При добавлении специальных присадок, имеющих в составе Mo, Ni, Cr, B, Cb, Sb улучшается стойкость при использовании в агрессивных средах;
    • Половинчатый (С – 3,5-4,2%, в форме графита и карбида и наличие следовых количеств цементита и ледебурита). Такой вид нашел свое применение при производстве изделий, подвергающихся постоянному трению.
  3. По физическим параметрам, согласно ГОСТ 1412-54 и 1215-59, различают марки чугуна:
    • Ковкий (КЧ), представляет собой его белую разновидность после специального обжига. При этом доля углерода находится на уровне 3,5%, и он представлен в форме Fe2O3 или зернистого перлита, с графитовыми включениями. В качестве присадок для повышения устойчивости к трению обычно добавляют Mg, Te, B. Следует отметить, данная марка никогда не подвергается ковке, в прямом смысле этого слова;
    • Высокопрочный (ВЧ), образуется путем вкрапления в металлическую решетку шарообразных включений углерода и введении в состав магния, кальция, селена, иттрия. Характеризуется улучшенными механическими, теплопроводными пластическими параметрами.
  4. По специфическим свойствам:
    • Износостойкий;
    • Антифрикционный;
    • Коррозионностойкий;
    • Жаростойкий;
    • Немагнитный.
  5. По шкале твердости Бринелля:
    • Мягкий (НВ менее 149);
    • Умеренной твердости (НВ 149-197);
    • Улучшенной твердости (НВ 197-269);
    • Твердый (НВ более 269).
  6. По значению временного сопротивления при растяжении:
    • Обыкновенной прочности (менее 20 кгс/мм2);
    • Улучшенной прочности (20-38 кгс/мм2);
    • Максимальной прочности (более 38 кгс/мм2).
  7. По магнитным характеристикам:
    • Ферромагнитный — обладающий магнитными свойствами, из-за высокого содержания в металлической матрице феррита и цементита;
    • Паромагнитный – обладающий малой магнитной проницаемостью, содержащий в своем составе присадки из хрома, меди и алюминия.

Маркировка

По Гостам, все существующие марки обозначаются 2 буквами и 2 числами, при этом числа отражают значения временного сопротивления (кгс/мм2) и относительного удлинения (%). К примеру, цифры в марке КЧ-30-6, показывают временное сопротивление — 30 кгс/мм2 и относительное удлинение — 6 %.

Путем введения в состав специальных добавок, модифицируют состав сплава. Тогда к названию марки прибавляется буква М.

Области использования

Применение различных марок чугуна зависит от металлургического компаунда и его эксплуатационных характеристик.

Белый вид используется в производстве нагревательных элементов и бытовой сантехники (ванн, раковин), а также является сырьем для получения ковких разновидностей твердых растворов.

Серый — входит в состав различных элементов двигателей для машиностроительной отрасли.

Ковкий – при изготовлении тормозных колодок и деталей для промышленного измельчительного оборудования. Кроме того, он имеет широкое применение в текстильной промышленности при отливке запасных частей сложной формы для оборудования. Применяется КЧ при изготовлении кухонной посуды, элементов интерьера, уличных фонарей, перил для лестниц.

Высокопрочный сорт применяется при производстве труб, фитингов для водоснабжения, канализации, нефтедобывающего производства. Кроме того, из него делают секционные радиаторы, эксплуатируемые в системах центрального отопления жилых домов и административных зданий.

Из ферромагнитного типа изготавливают электрощиты и другие составляющие электротехнического оборудования, а немагнитный его тип наоборот используется в качестве электроизолирующего материала.

В огромном количестве чугун используется как сырье на сталелитейных предприятиях.

Интересные факты

По мнению профессора Мариенбаха, свое название чугун получил от китайского слова – «чжугун», что в переводе означает «литейщик».

Чугунная посуда издавна используется по всему миру и очень удобна для приготовления различных видов пищи.

Неотъемлемым атрибутом русских народных сказок является печь, в которой в чугунке – сосуде определенной формы и отлитой из данного сплава, герои варили главное блюдо – картошку в мундире.

Самые лучшие блины получаются на чугунной сковородке.

До появления электрических утюгов, хозяйки использовали тяжелые чугунные утюги, с идеально гладкой подошвой нагревая её до красна, над источником огня.

Следующим этапом, были угольные чугунные утюги по своей конструкции напоминающие маленькие печки. Для их разогрева внутрь помещали березовый уголь. Такой утюг даже имел трубу для получения необходимой тяги.

Известные нам с детства канализационные люки для смотровых колодцев имели круглую форму, отливались из чугуна и были впервые изготовлены сто пятьдесят лет назад.

Производство чугуна во всем мире в 2015 году составило более 898 млн. тонн, что на 3% меньше чем в 2008 году.

Заключение

Подробно рассмотрев те вопросы, которые были поставлены выше, можно заключить:

  1. Чугун – это сплав железа с углеродом с добавлением специальных модификаторов;
  2. Для его производства добываются различные типы руд, подвергающиеся предварительной подготовке и обогащению;
  3. Выплавка происходит в доменной печи, которая непрерывно работает и представляет собой целый металлургический комплекс оборудования;
  4. В зависимости от количества и форм растворенного углерода в металлической матрице, все сплавы делятся на различные виды и обладают различными свойствами;
  5. Применение различных марок чугуна напрямую зависит от его физико-химических параметров полученного сплава;
  6. Несмотря на наличие новых типов материалов, кухонная чугунная посуда до сих пор пользуется спросом у многих домохозяек и поваров;
  7. Старинные угольные чугунные утюги представляли собой маленькую печку и топились углем, что делало процесс глажки очень утомительным и пожароопасным делом;
  8. Производство чугуна достаточно энергоёмкое и финансово затратное дело, поэтому в настоящее время его объем неизменно сокращается во всем мире, так как на смену приходят другие современные, износостойкие и дешевые в изготовлении композиционные материалы.

Технология производства чугуна

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
2
P + 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 = Са3O4)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:

  • Вернуться к Списку конспектов по химии
  • Найти конспект в Кодификаторе ОГЭ по химии
  • Найти конспект в Кодификаторе ЕГЭ по химии

Краткое описание технологии выплавки чугуна в доменном производстве

Историческая справка. Чугун был известен за 4-6 вв. до н. э. Доменное производство возникло в результате развития сыродутного процесса — «прямого» получения железа в твёрдом состоянии непосредственно из железной руды путём восстановления её в низких горнах или шахтных печах (домницах) с помощью древесного угля. Первые доменные печи в Европе появились в середине 14 в., а в России — около 1630, вблизи Тулы и Каширы. На Урале первый чугун получен в 1701, а в середине 18 в. благодаря развитию уральской металлургии Россия вышла на 1-е место в мире, которое удерживала до начала 19 в. До середины 18 в. единственное топливо для доменного производства — древесный уголь. В 1735 А. Дерби применил в доменной плавке каменно-угольный кокс.

Основные этапы развития доменного производства: применение паровой воздуходувной машины (И. И. Ползунов, 1766), нагрев дутья (Дж. Нилсон, 1829), изобретение кирпичного воздухонагревателя регенеративного типа (Э. Каупер, 1857). В 1913 в России было выплавлено 4,2 млн. т чугуна и она занимала 5-е место в мире. В 1940 в СССР было выплавлено 15 млн. т чугуна (3-е место в мире), а с 1947 Советский Союз уступал только США. В 1970 СССР вышел на 1-е место в мире. Выплавка чугуна в СССР в 1971 составила 89,3 млн. т. Большую роль в развитии доменного производства в СССР сыграли М. А. Павлов, М. К. Курако, И. П. Бардин. Доменное производство в СССР характеризуется применением высокомеханизированных и автоматизированных агрегатов и передовой технологии.

Выплавка чугуна производится в доменных печах, представляющих собой сложный технологический агрегат.

Доменная печь, домна — большая металлургическая, вертикально расположенная печь шахтного типа для выплавки чугуна и ферросплавов из железорудного сырья. Важнейшей особенностью доменного процесса является его непрерывность в течение всей кампании печи (от строительства печи до ее «капитального» ремонта) и противоток поднимающихся вверх фурменных газов с непрерывно опускающимся и наращиваемым сверху новыми порциями шихты столбом материалов.

Основным материалом для доменного производства является железная руда, содержащая железо в виде оксидов. Оксиды железа купить в виде руды возможно у сырьевых компаний крупнейших стран-экспортёров: Австралия, Бразилия, Индия, Канада, ЮАР, Украина, Россия, Швеция, Казахстан. Для загрузки в печь наиболее удобны куски руды диаметром от 10 до 50 мм. Более мелкая и пылевидная руда должна быть окускована путем спекания. Такое спекание называется агломерацией и производится на агломерационных фабриках, которые строятся иногда на рудниках, но чаще непосредственно на металлургических заводах.

В доменной печи происходит отделение железа от кислорода (процесс восстановления). Этот процесс возможен при высоких температурах, для создания которых в доменной печи сжигается кокс. Кокс содержит углерод, который при высоких температурах соединяется с кислородом оксидов железа или, как принято говорить, восстанавливает железо из оксидов. Раньше вместо кокса в доменных печах сжигали обыкновенный древесный уголь.

Пустая порода, содержащаяся в большом количестве в железной руде, и зола, имеющаяся в коксе, при плавлении шихты не переходят в металл, а образуют шлак, который нужно своевременно удалить из печи. Чтобы облегчить удаление шлака, в руду добавляют флюсы — материал, придающий шлаку более жидкий вид. Обычно флюсом служит известняк.

Материалы подают в засыпное устройство, находящееся в верхней части домны, по наклонному мосту в специальных тележках-скипах, емкость которых на больших печах достигает 10 м 3 ; подача материалов идёт непрерывно.

Рис. 1. Схема доменного производства

Таким образом, основными материалами для производства чугуна в доменной печи является железная руда, кокс и известняк. Кроме того, в доменном процессе для поддержания горения необходим воздух. Печь может работать только при непрерывной подаче воздуха.

Для того чтобы не охлаждать печь во время работы и ускорить плавку, воздух в печь подается подогретым до 600-800° и под давлением 1,5-2 атм. Воздух подогревают в специальных аппаратах — воздухонагревателях.

Воздухонагреватели представляют собой сварные цилиндрические сосуды диаметром от 7 до 9 м и высотой до 46 м с днищем и куполом. Воздухонагреватели изготовляют из листовой стали толщиной 10-14 мм. Внутреннее пространство воздухонагревателей разделено стенкой из огнеупорного кирпича на две вертикальные камеры — камеру горения и камеру насадки.

Камера, или шахта горения, и разделительная стенка начинаются от днища и идут до основания купола, так что под куполом остается свободное пространство для сообщения между камерами. В нижней части воздухонагревателя со стороны камеры: горения врезана горелка для сжигания газа.

Насадка — кирпичная кладка — выкладывается из огнеупорного (шамотного) кирпича так, чтобы образовались вертикальные сквозные от низа до верха каналы для прохода газа и воздуха. Благодаря каналам насадка обладает большой поверхностью нагрева (от 10 до 20 тыс. м2 и более). Насадка кладется на чугунную поднасадочную решетку, которая опирается на специальные колонны и расположена на уровне 2-2,5 м от днища воздухонагревателя.

Каналы насадки соответствуют отверстиям в решетке и имеют выход в пространство под решеткой, называемое поднасадочным пространством. В поднасадочное пространство по воздухопроводу холодного дутья подводится от воздуходувных машин холодный воздух.

Нагрев воздуха в воздухонагревателях происходит за счет сжигания очищенного газа, который, сгорая в камере горения, поднимается вверх под купол, а затем по каналам насадки опускается вниз и, отдав тепло насадке, уходит в дымовую трубу. После нагрева насадки газ и дымовую трубу отключают и через насадку пропускают воздух, который движется в направлении, обратном движению горячего газа. Горячий кирпич насадки отдает свое тепло воздуху.

Подогретый воздух по воздухопроводу горячего дутья подается от воздухонагревателей в кольцевую трубу и затем через специальные приборы, называемые фурмами, — в доменную печь.

Для одной доменной печи строят три или четыре воздухонагревателя, которые работают поочередно, т. е. если в одном нагревается насадка, то в другом — воздух, а третий запасной. Доменный процесс сопровождается также выделением побочных продуктов — доменного газа и шлака.

Жидкий шлак выпускается через шлаковые лётки в специальные ковши, в которых отвозится в шлаковые отвалы. В дальнейшем из него изготовляют строительные материалы — шлакоблоки. Доменный газ используется как топливо для сжигания в коксовых и мартеновских печах, в нагревательных печах прокатных цехов, а также в обыкновенных котельных топках.

Образующийся в печи газ через подсвечники, свечи и наклонные газопроводы отводится, в пылеуловители. Обычно на каждую доменную печь ставилось два пылеуловителя — первичный и вторичный. В настоящее время доменные печи сооружаются преимущественно с одним первичным пылеуловителем.

Свечи своей нижней частью, так называемыми подсвечниками, примыкают к куполу шахты. На доменную печь ставятся четыре подсвечника, а далее каждая пара подсвечников объединяется в одну свечу; свечи соединяются с первичным пылеуловителем двумя наклонными газопроводами грязного газа.

Пылеуловители представляют собой сварные цилиндрические сосуды диаметром от 9 до 11 м с коническим днищем и куполом, пылеуловители изготовляются из листовой стали толщиной 10-14 мм.

Доменный газ уносит с собой большое количество мелких частиц руды и кокса (колошниковой пыли) и по наклонным газоотводам попадает в пылеуловители. Здесь вследствие большего объема сосуда давление и скорость газа резко падают и значительная часть пыли (до 3/4) осаждается в конусах пылеуловителей, откуда ее периодически выпускают в вагоны и отвозят в отвал или на агломерационную фабрику, где она спекается в куски и вновь используется как шихтовый материал для доменной печи.

Пыль сильно истирает стенки свечей, газоотводов и пылеуловителей, поэтому их футеруют (выкладывают) шамотным кирпичом, а тройники и подсвечники — специальными чугунными плитами.

В пылеуловителях доменный газ проходит грубую очистку. Для дальнейшего использования газа необходима его полная очистка, которая происходит в специальных газовых цехах — газоочистках, входящих в комплекс сооружений доменного цеха. От пылеуловителей к газоочистке газ подается по газопроводу грязного газа. Очищенный газ по газопроводу чистого газа поступает к потребителям.

Доменный газ совершенно бесцветный и не имеет запаха, ядовит, а при соединении с воздухом образует взрывчатую смесь, которая при вспышке взрывается с огромной разрушительной силой. Поэтому при обращении с доменным газом требуется большая осторожность.

Таким образом, основным продуктом доменного производства является чугун, побочными продуктами — шлак, доменный газ и колошниковая пыль.

Основной примесью чугуна является углерод (2-4% и более), который может содержаться в чугуне в виде механической примеси (свободного графита) и в виде химического соединения с железом, называемого карбидом железа или цементитом. Получаемые в доменной печи чугуны разделяются на сорта: литейный, передельный и специальный.

Литейный чугун содержит свободный графит и имеет в изломе серый цвет и крупнозернистое строение. Этот чугун хорошо заполняет формы и легко поддается обработке режущим инструментом. Литейный чугун применяют для отливки радиаторов, труб, печных приборов и других строительных и бытовых изделий.

Передельный чугун содержит углерод в виде химического соединения с железом и имеет блестящий белый излом, поэтому иногда называется белым чугуном (белый цвет излома следует считать условным). Этот сорт чугуна плохо отливается и обрабатывается и идет главным образом в переплавку на сталь.

Специальные чугуны, или ферросплавы, имеют повышенное (более 10%) содержание одного или нескольких элементов, например кремния, марганца и др. Применяют их в основном в качестве специальных добавок при выплавке сталей.

Чугун и шлак периодически выпускают из печи: чугун через 4-6 час., а шлак через 2-3 часа. Производительность доменной печи характеризуется коэффициентом использования полезного объема, который представляет собой отношение полезного объема печи в кубических метрах к суточной выплавке чугуна в тоннах. Полезным объемом называется объем печи от уровня чугунной лётки до отметки низа большого конуса в опущенном состоянии.

Чем меньше коэффициент по абсолютному значению, тем лучше работает доменная печь. Более экономичными в эксплуатации являются доменные печи большого объема, поэтому впредь предполагается строительство печей большого объема.

Рис. 2. Разрез по оси доменной печи:

1 – пылеуловители; 2 – фундамент; 3 — рабочая площадка; 4 — кольцевой воздухопровод; 5 – лещадь; 6 – кладка горна; 7 – фурменные отверстия; 8 – кладка заплечиков; 9 – кладка шахты; 10 – колошник; 11 — наклонный газопровод; 12 – колошниковая площадка; 13 — засыпной аппарат; 14 – свечи; 15 – крыша здания поддоменника; 16 – колонны для удержания шахты; 17 — здание скипового подъемника; 18 – наклонный мост; 19 – железнодорожные вагоны с исходными шихтовыми материалами; 20 – бункер с шихтовыми материалами; 21 – скип; 22 — рудно-грейферный кран; I – горн; II – заплечики; III – распар; IV – шахта; V – колошник.

Технологии производства чугуна постоянно совершенствуются

Чугун является сплавом железа, содержащим углерод. Его состав может кроме них включать марганцевые, фосфорные, кремниевые, серные и др. компоненты. Изначально материалами для производства чугуна служат железосодержащие руды, топливные материалы, флюсы. Как правило, в виде сырья для производств чугуна применяются железняки, имеющие в составе от 30 до 70% железа и прочих химических веществ в пустой породе, а также вредных серо- и фосфоросодержащих соединений. Топливным материалом для производства чугуна служит кокс, представляющий собой результат сухой, то есть без участия воздуха, переработки каменного коксугля. Применяемые флюсы, чаще всего это кварц, доломит, песчаники и известняки, позволяют снизить температуру расплавления пустой породы, а также привести ее вместе с золой от топлива к шлаку.

Доменное производство чугуна

Наибольшее применение нашел в производстве чугуна доменный процесс. Он включает ряд физических, физико-химических, а также механических проявлений, наблюдаемых в действующей доменной печи. Помещенные в эту печь исходные компоненты (кокс, железосодержащие материалы с флюсами) при прохождении всех операций преобразуются в сплав чугуна, выделяющиеся доменные газы со шлаками. Задача доменного производства чугуна – создание этого сплава из железосодержащих компонентов посредством их переплавления в доменных печах в очень высокой температуре.

Поэтому доменный цех – один из важнейших в структуре завода по производству чугуна. Помимо этого производство чугуна в доменной печи – основа для изготовления стали, прокатных изделий – конечной продукции металлургического цикла других предприятий. Часть чугуна является товарным продуктом, поставляемым в твердом виде в форме небольших слитков (чушек). Их получают на разливочных машинах, установленных в стороне от доменного цеха в специальном разливочном отделении. Другая часть чугуна идет на производство сталей. Газ, получаемый в ходе процесса производства чугуна, используют в мартеновском и коксохимическом производствах в металлургии. Он служит основным топливом нагревательных устройств прокатных цехов, доменных воздухонагревателей.

Чугун выплавляется в печах, куда помещаются, чередуясь слоями, железосодержащие компоненты с флюсами, топливом. От воздействия своей массы они спускаются в низ печи, куда в особые отверстия подается подогретый воздух под определенным давлением. Он поддерживает нужные условия горения загруженного кокса. Технологический процесс производства чугуна предполагает восстановление железа, а также других элементов из их окислов. В процессе восстановления кислород отнимают от окислов и получают из них компоненты или окислы меньшего содержания кислорода.

Одним из ведущих способов производства чугуна считается восстановление железа от действия окиси углерода. Она образуется от сгорания в горне печи природного газа. Еще стоит отметить, что восстановление железа, предусмотренное технологией производства чугуна для данных печей, осуществляется постепенно, в процессе поэтапного извлечения кислорода из окислов. Доменный процесс предполагает, что в процессе восстановления железа участвуют как окиси углерода, так и непосредственно сам твердый углерод.

Определенное количество железа также восстанавливается с помощью водорода. В схеме производства чугуна восстановление железа от действия водорода или окиси углерода считается непрямым (то есть косвенным), а восстановление с помощью твердого углерода называют прямым. На самом деле восстановление железа в данном случае осуществляется двумя стадиями. К моменту достижения железорудным составом зоны распада доменной печи, где установилась температура около 1000°С и больше, окислы железа успевают частично восстановиться непрямым путем в зоне, где действуют менее высокие температуры. В результате их прямого разложения углеродом получается полное восстановление железа.

Производство высокопрочного чугуна

При производстве высокопрочного чугуна большое место отводится науглероживанию железа. Чугун с такими характеристиками образуется, когда восстановленное в доменной печи из рудного материала железо принимает в себя много углерода и прочих элементов. Начало процесса науглероживания железа характеризуется его образованием в губчатом состоянии на участке печи, где действует температура до 500°С. Только что восстановленное железо выступает в качестве катализатора, способствующего распаду окиси углерода на два компонента: двуокись и сажистый углерод. В итоге распада окиси углерода от температуры 550-650°С получаются карбиды железа, прочих металлов. Наделенный особой активностью, сажистый углерод активно вступает в химическое взаимодействие с частицами железа.

При температуре в 1000°С и больше карбид железа распадается на железо с углеродом. С ростом количества углерода температура в процессе плавления становится существенно ниже. Так, чистое железо расплавляется при температуре от 1539°С, а сплав его с углеродом способен плавиться уже от 1147°С. Плавление сплава происходит в зонах доменных печей, где действуют высокие температуры, то есть внизу шахты. Образующийся жидкий сплав и есть чугун. При стекании вниз он, омывая раскаленные части кокса, еще больше науглероживается.

Науглероживание металла завершается ниже уровня шлаковой летки – в металлоприемнике. Здесь на соотношение углерода с металлом оказывает влияние содержание других компонентов. Итоговое наполнение углеродом при производстве серого чугуна, например, может зависеть от стойкости карбидов, которая в большой степени определяется содержащимися в чугуне примесями. Например, примесь марганца способствует науглероживанию металла, так как он входит в состав карбида, растворяющегося в чугуне. Аналогичное действие оказывают ванадий, хром, титан. Кремний с фосфором или сера препятствуют образованию карбидов. Из-за этого ферромарганец и зеркальные чугуны всегда содержат больше углерода, чем чугуны передельные, ферросилиций или полученные в литейном производстве чугуны.

В ходе плавления восстанавливается не только само железо, но и ряд различных элементов, находившихся в рудной массе. В составе шихтовых материалов в печи, помимо окислов железа, поступают еще окислы и отдельные химические элементы, такие как марганец, хром, ванадий, титан, свинец, медь, цинк, мышьяк и др. Они в полностью или частично восстановленном виде вместе с частицами серы попадают в чугун и влияют на его свойства в худшую или в лучшую сторону. В основах производства чугуна считается, что чаще всего ценными примесями служат кремний с марганцем, а вредоносными – сера с фосфором.

Наличие в чугуне серных компонентов можно уменьшить до оптимального предела путем внедоменного обессеривания. Если выдержать чугун с 2% марганца в ковше-чугуновозе или миксере, то некоторый объем серы в различных ее соединениях с марганцем перейдет из состава металла в шлак. Это возможно благодаря уменьшению растворяемости данного соединения в металлах от снижения температуры. Подобное обессеривание в ковше чугуна может достичь 60%. Кроме этого существуют еще методы внедоменного обессеривания чугунов. В производствах чугуна в мире довольно часто в этих целях используют обессеривающие присадки, такие как известь, кальцинированная сода или металлический магний.

Особенности процесса производства чугуна

В процессе плавления в горн с общей смесью стекает расплавленный шлак. Благодаря его плотности, меньшей, чем у чугуна, он всплывает поверх него. Это явление наблюдается в районе распара печи. Первоначальный шлак получается от сплавления находившихся в пустых породах руд, а также флюсах окислов. При стекании вниз, в процессе накапливания шлак значительно меняется по составу. Благодаря реакциям с компонентами не полностью прогоревшего кокса, расплавляющегося чугуна в нем получают восстановление из своих окислов марганец с железом, а кроме того растворяются соединения серы, зола и кокс.

Равномерность работы доменных печей, качественное производство отливок из чугуна с его видом зависят от таких свойств шлака, как плавкость, вязкость, текучесть, температура плавления, серопоглотительная способность. Данные качества шлака продиктованы его химическим наполнением, минералогическими свойствами исходных шихтовых компонентов. Химическое содержание шлака предопределяет итоговый состав чугуна, этим объясняется тот факт, что для производства различных чугунов (литейного, передельного и др.) обычно выбирают шлак с определенными свойствами. Расплавленные шлаки и получаемый чугун поочередно выпускаются в особые отверстия – шлаковую и чугунную летки, сначала шлак, потом чугун.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: