Производство чугуна

Восстановление других элементов. В доменную печь  с шихтовыми материалами попадают марганец, кремний, сера и другие элементы в виде различных химических соединений. Эти элементы частично или полностью восстанавливаются и входят в состав чугуна, улучшая или ухудшая его свойства.

Постоянными полезными примесями чугуна являются марганец и кремний, вредными – сера и фосфор.

Марганец – постоянная примесь железных руд. При выплавке чугунов с повышенным содержанием марганца в доменную печь загружается марганцовая руда.

Высшие окислы марганца восстанавливаются до закиси марганца MnO окисью углерода, аналогично окислам железа: MnO2 → Mn2O3 → Mn3O4  → MnO. Закись марганца восстанавливается твердым углеродом по реакции MnO + C = Mn + CO – Q.

Эта реакция протекает при температурах выше 1100º С с поглощением тепла. Поэтому для восстановления марганца требуется увеличить расход кокса и температуру дутья. Например, при выплавке зеркального чугуна с 10-25% Mn расход кокса увеличивается в 2-2,5 раза. Значительная часть MnO находится в виде силикатов, из которых может быть выделена известью.

Таким образом, дополнительным условием для увеличения степени восстановления марганца является достаточное количество извести CaO в шлаке, т.е. его повышенная основность.

Кремний находится в пустой породе руды и в золе кокса в виде свободного кремнезема SiO2  или в виде силикатов (SiO2· 2СaO и др.).

Восстановление кремния происходит из кремнезема SiO2  по реакции SiO2 + 2С = Si + 2СО – Q **.

 

____________________

 

* Конечная (итоговая) реакция процесса науглероживания, протекающего в две стадии.

** Итоговая реакция. Восстановление  кремния происходит в две стадии: SiO2 → SiO → Si.

По-видимому, кремний восстанавливается из SiO2 и карбидом железа Fe3C.

 

Эта реакция протекает с поглощением тепла при температурах не ниже 1450 С. Поэтому для выплавки чугуна с повышенным содержанием кремния необходимо значительно увеличивать расход кокса и применять высокотемпературное дутье, обогащенное кислородом. Для увеличения количества свободного кремнезема в шлаке необходимо уменьшать в нем содержание извести CaО, т.е. понижать его основность.

Другие полезные примеси – никель, ванадий, титан и т.д. – попадают в доменную печь в виде примесей железной руды. При доменной плавке никель восстанавливается и переходит в чугун полностью, хром – на 85-95%, ванадий – на 70-80%.

Фосфор – вредная примесь железных руд находится в них главным образом в виде P2O5 · 3СaO. Восстановление фосфора происходит окисью углерода СО, водородом, а также твердым углеродом. Весь фосфор, внесенный шихтой, восстанавливается и переходит в чугун практически полностью.

Сера – особенно вредная примесь в чугуне (а также в стали). Основное количество серы вносит кокс, часть – железная руда, агломерат, окатыши. В доменной печи 10-20% серы удаляется в виде соединений. Остальная часть серы переходит в чугун и в шлак в виде сульфидов FeS, CaS и др. Сульфид железа FeS хорошо растворяется в чугуне.

В условиях доменной плавки основным способом десульфурации, т.е. удаления серы из металла, является образование сульфида кальция CaS по реакции FeS + CaO = FeO + CaO + Q.

Сульфид кальция CaS нерастворим в чугуне и находится в шлаке. Наиболее интенсивно эта реакция протекает при прохождении капель чугуна через слой шлака.

Из этой реакции следует, что одним из основных условий удаления серы из металла является достаточное количество извести CaO в шлаке. Удалению серы способствует высокая температура в горне; с нагревом уменьшается вязкость шлака, что улучшает диффузию сульфидов и способствует восстановлению FeO.

Часть серы удаляется с помощью магнезии MgO (всегда содержащейся в шлаке), а также марганца по реакциям FeS + MgO = FeO + MgS и FeS + Mn = Fe + MnS.

Сульфид магния MgS нерастворим в металле, а сульфид марганца MnS растворяется незначительно. Широкое распространение получило внедоменное удаление серы из чугуна. При выдержке его в ковшах-чугуновозах и в миксере часть серы может переходить из металла в шлак в виде сульфида марганца MnS, так как растворимость этого соединения в металле при понижении температуры уменьшается. Такой способ дает хорошие результаты при содержании в чугуне более 2% Mn.

Одним из опробованных в промышленных масштабах способов внедоменного удаления серы является обработка чугуна в выпускном желобе или в чугуновозе содой NaCO3 (1% от массы чугуна). Сера удаляется по реакции FeS + NaCO3  = FeO + Na2S + CO2. Образующийся  при этом сернистый натрий Na2S переходит в шлак. В настоящее время проводят исследование работы по изысканию других недефицитных и дешевых реагентов.

 

 

Шлакообразование начинается примерно в распаре печи. Первичный шлак образуется в результате сплавления CaO, SiO2,  Al2O3  и других окислов, находящихся в составе флюса и пустой породы руды. При определенных соотношениях по массе эти тугоплавкие окислы могут образовывать легкоплавкие смеси  – сплавы с Т пл = 1150-1200˚ С. Стекая вниз и накапливаясь в горне, шлак существенно изменяет свой состав. В результате взаимодействия с расплавленным чугуном и остатками несгоревшего кокса в шлаке восстанавливаются окислы железа и марганца, в нем растворяются FeS, MnS, зола кокса и т.д. Химический состав шлака определяет состав чугуна и поэтому при выплавке передельных, литейных и других чугунов всегда подбирают шлак соответствующего состава. Типовой состав шлака: 40-50% CaO; 38-40% SiO2; 7-10% Al2O3.     

Одна из важнейших характеристик шлака – его основность, т.е. отношение содержания основных окислов к содержанию кислотных окислов. В заводской практике основность нередко определяется упрощенно, как Ош = %(CaO) / %( SiO2).

При выплавке разных чугунов и ферросплавов ее значение колеблется в пределах 0,9-1,4.

Как уже отмечалось, с увеличением основности шлака улучшаются удаление серы и восстановление марганца; для восстановления кремния основность должна быть уменьшена. В сложных физико-химических процессах взаимодействие шлака с чугуном, коксом и т.п. большое значение имеет не только состав шлака, но и его количество, вязкость и другие свойства, а также температура в горне печи.

 

ПРОДУКТЫ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

 

Расплавленный чугун выпускают через одне-две чугунные летки по 10-18 раз в сутки. В ковшах-чугуновозах емкостью 80-100т его по железнодорожным путям подают либо в сталеплавильный цех для передела в сталь, либо на разливочную машину. В первом случае чугун сливают в миксеры (копильники) емкостью до 2000т, отапливаемые газом. При выдержке в миксере выравниваются химический состав и температура чугуна, происходит дополнительное удаление серы.

Разливочная машина представляет собой конвейер с укрепленными на нем формами (мульдами); в них получают небольшие слитки – чугунные чушки (до 55 кг), которые направляют на другие заводы.

Чугуны и ферросплавы. В доменных печах выплавляют передельные и литейные чугуны, а также некоторые ферросплавы.

Передельные чугуны по ГОСТ 805-69 выплавляют трех видов: 1 – коксовый М1, М2, М3; Б1, Б2; 2 – фосфористый МФ1, МФ2, МФ3; 3 – высококачественный ПВК1, ПВК2, ПВК3.

По содержанию вредных примесей – фосфора и серы – чугуны делятся на классы А, Б и т.д. по фосфору и на категории I,II и т.д. по сере.

Наиболее распространенные чугуны М1, М2, М3 содержат 3,8-4,4% C, 0,5-1,4% Si, 0,5-1,5% Mn, 0,15-0,3% P, 0,02-0,06% S. Чугуны этих марок применяют для выплавки стали мартеновским и кислородно-конверторным способами. Чугуны марок Б1, Б2, содержащие фосфора<=0,06% (класс А) и серы <=0,04% (категория III), используют для передела на сталь и бессемеровским способом. Фосфористые чугуны МФ1, МФ2 и МФ3 содержат 1-2% фосфора, их переделывают в сталь в мартеновских качающихся печах. Высококачественные чугуны ПВК1, ПВК2, ПВК3 имеют минимальное содержание вредных примесей (например, класс А<=0,02% Р, категория I<=0,015% S) и используется для выплавки качественных сталей в электродуговых и других печах.

Литейные чугуны ЛКО – ЛК5 применяют для получения литых деталей. Обычные литейные чугуны содержат 0,1-0,3% P, для художественного литья применяют фосфористые чугуны, содержащие до 1,2% P.

Доменные ферросплав: зеркальные чугуны ЗЧ1, ЗЧ2, ЗЧ3 содержат 10-25% Mn, ферромарганец Mn6, Mn7 70-75% Mn, доменный ферросилиций Си10, Си15 9-13% Si (иногда больше) и до 3% Mn. Эти сплавы применяют при выплавке сталей для раскисления и легирования.

В доменных печах из руд некоторых месторождений выплавляют также природнолегированные чугуны, содержащие хром, ванадий, никель и т.д.

Доменный шлак – побочный продукт плавки – по мере его накопления выпускают в расплавленном состоянии через шлаковые летки в ковши-шлаковозы емкостью 30т, транспортируемые по железнодорожным путям. Еще сравнительно недавно шлаки направляли в отвал. В настоящее время шлак все шире используют для получения строительных материалов.

Широкое применение нашла мокрая грануляция шлаков: при выливании жидкого шлака в воду он превращается в мелкозернистый материал. Гранулированный шлак используют для производства цемента, шлаковых строительных кирпичей и блоков. Из доменного шлака получают также щебень, литые изделия и т.д.

Доменный или колошниковый газ выделяется в больших количествах и непрерывно удаляется через газоотводы в колошнике из доменной печи.

При сгорании 1т кокса образуется около 5000 м3 газа. Таким образом, в крупных печах объемом 3000-3200 м3 в сутки выделяется примерно 15-17 млн. м3 газа. Он содержит значительное количество горючих составляющих, его теплотворная способность около 850-950 кал / м3. После очистки от пыли (частиц руды, топлива, флюсов) доменный газ используют как топливо для нагрева воздухонагревателей доменных печей, водяных и паровых котлов. В смеси с более высококалорийным коксовым или природным газами его применяют также для отопления мартеновских и нагревательных печей. Колошниковая пыль содержит 45-50% Fe и ее используют при агломерации.

 

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА

 

Основными показателями работы доменной печи являются ее производительность и расход кокса на 1т чугуна.

Коэффициент использования полезного объема печи определяется как отношение полезного объема печи V (в м3) к ее среднесуточной производительности P в тоннах выплавляемого передельного чугуна:

к.и.п.о. = V/P.

Чем меньше к.и.п.о., чем выше производительность печи. В нашей стране для большинства печей  к.и.п.о. равен 0.5-0.7, по отдельным печам 0.4-0.45.

Удельный расход кокса в отечественной металлургии в среднем около 550 кг на 1т передельного чугуна, на передовых заводах ниже 450 кг. Это важный экономический показатель, так как стоимость кокса составляет 45-55% стоимости чугуна.

Основными направлениями в совершенствовании доменного производства являются строительство экономически более выгодных крупных печей объемом до 5000 м3, улучшение подготовки сырых материалов к плавке (обогащение, применение офлюсованного агломерата и окатышей), интенсификация доменного процесса путем обогащения дутья кислородом, применение природного газа и т.д. Все большее значение имеет совершенствование систем комплексной механизации и автоматического управления доменным процессом.

 

Литература:  Кнорзов Б.В. Технология металлов. Москва. Металлургия,                        1978г.