Производство чугуна и стали

Ведущую роль в современном металлургическом производстве как по общему объему, так и по многообразию областей применения играют сплавы на основе железа с углеродом, называемые чугунами и сталями. Поскольку основная масса чугуна перерабатывается в сталь, получение чугуна можно рассматривать как первую стадию двухстадийного процесса производства стали.

Производство чугуна

В качестве сырья для получения чугуна используют железные руды, топливо и флюсы. Из железных руд в черной металлургии применяются, магнитный железняк с 50 - 65 % магнетита (РезОд), красный железняк, содержащий гематит (до 66 % РегОз), бурый железняк (около 35 - 55 % гидроксидов железа в виде РегОз пНгО), а также шпатовый железняк (30 - 38 % РеСОз). В качестве примесей в рудах содержатся соединения серы, фосфора, марганца, кремния и целого ряда соединений других металлов и неметаллов.

Основные виды топлива в производстве чугуна - кокс и природный газ. Флюсы используются в процессе плавки для отделения от чугуна пустой породы в виде относительно легкоплавкого, несмешивающегося с металлом шлака. В качестве флюсов применяют известняк (СаСОз) и доломит (CaCOs'MgCOs).

Для увеличения производительности процесса и снижения расхода топлива проводят предварительную подготовку сырья. Вначале железная руда измельчается в дробилках, классифицируется на грохотах и усредняется по качеству, затем проводится ее обогащение. Для обогащения в зависимости от типа руды проводят ее промывку, электромагнитную сепарацию, флотацию или восстановительный обжиг. Наиболее часто используют электромагнитную сепарацию.

Концентрат руды подвергают агломерации (укрупнению) - спеканию измельченной руды с коксовой мелочью и раздробленными флюсами при температурах около 1400 °C в агломерационной машине непрерывного действия.

Укрупнение измельченного сырья проводят для снижения сопротивления доменным газам и улучшению условий их контактирования с твердой шихтой. Полученная шихта загружается в основной аппарат для получения чугуна -доменную печь (домну) (рисунок 18).

Домна - расширяющийся книзу реактор идеального вытеснения шахтного типа, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом и приспособленный для встречного движения загружаемой сверху шихты подаваемого снизу воздуха.

Рисунок 18 - Схема доменной печи

В нижней части печи формируется восстановительная атмосфера, что составляет важнейшую особенность доменного процесса. Восстановительные газы

образуются в результате экзо- и эндотермических реакций, протекающих с участием кокса, входящего в состав шихты:

С + О₂ = СО₂ + 401кДж

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О + 802,5 кДж (71)

2С + О₂ = 2СО - 166 кДж

С + Н₂О = Н₂ + СО- 125,5 кДж

Поскольку подаваемый в домну воздух

предварительно подогревается за счет

отходящих доменных газов в специальных

регенераторах - кауперах, а экзотермические реакции (70) и (71) преобладают над эндотермическими (72) и (73), в нижней части печи (горне) достигается максимальная температура (1800 °C). Температура постепенно снижается по мере движения восстановительных газов вверх, достигая в верхней части доменной печи (колошнике) 250 °C.

Основные реакции доменного процесса - последовательное восстановление

железа из его оксидов:

Ре₂0з —> РезО₄ —> FeO —> Fe

В качестве восстановителя основную роль играют СО и Н₂, входящие в состав восстановительных газов и образующиеся по реакциям (72) и (73). Для последней стадии восстановления используется СО:

FeO + СО = Fe + СО₂ (74)

Содержание СО при температуре 800 °C должно быть не менее 60 %.

В качестве восстановителя при более высоких температурах (> 1000 °C) может выступать и углерод (прямое восстановление):

FeO + С = Fe + СОТ (АН < 0) (75)

Вследствие термической диссоциации СО на поверхности руды образуется сажистый углерод:

2СО = СО₂ + С (76)

Сажистый углерод отличается повышенной активностью. Реагируя с восстановленным железом, он может превращаться в цементит:

3Fe + С = Fe₃C (77)

При более высоких температурах процесс науглероживания железа протекает более интенсивно, в нем принимает участие и раскаленный кокс.

Вместе с оксидами железа в домне восстанавливаются и другие компоненты, присутствующие в руде. Их восстановление происходит преимущественно за счет твердого углерода:

SiO₂ + 2С = Si + 2СО

МпО₂ —>Мп₃О₄ -> МпО -> Мп

Са₃(РО₄)₂ + 5С + SiO₂ = 2Р + 5СО + 3CaOSiO₂

Восстановившиеся кремний, марганец и фосфор вместе с углеродом и цементитом растворяются в чугуне. Присутствующие в руде сульфиды благодаря обменным реакциям переходят в шлак:

FeS + CaO FeO + CaS

MnS + CaO MnO + CaS

Поскольку CaS не растворим в чугуне, но растворим в шлаке, равновесие данных реакций смещается вправо. Шлакообразование происходит за счет взаимодействия образующихся при разложении флюсов оксидов кальция и магния с невосстановившимися кислыми оксидами, присутствующими в исходной руде:

СаСОЗ = СаО + СО₂

CaO + 2SiO₂ = CaO2SiO₂

CaO + пА1₂О₃ = СаОпА1₂Оз

Таким образом, шлак представляет собой относительно легкоплавкий сплав, содержащий силикаты, алюмосиликаты и применяется в производстве цемента, шлакобетона, шлаковаты.

Основные продукты доменного процесса - серый и белый чугун.

Серый (литейный) чугун значительную часть входящего в его состав углерода содержит в виде графита. Это определяет его основные свойства - серый цвет в изломе, сравнительную мягкость, возможность, механической обработки на станках, хорошие литейные качества. Белый (передельный) чугун значительную часть углерода содержит в виде карбидов. Он отличается более высокой твердостью, почти не поддается механической обработке и используется для передела в сталь.

В домнах выплавляются также ферросплавы - сплавы железа с кремнием, марганцем, хромом и другими металлами. Ферросплавы применяются преимущественно в качестве раскислителей в производстве стали.