Основы технологии черных металлов

 

Общая схема получения черных металлов показана на рис. 12.1.

Получение чугуна

Чугун получают из железных руд при высоких температурах в результате восстановительных процессов (восстановительным процессом называют химический процесс, при котором от оксидов металлов отнимается кислород).

Наиболее ценными рудами для получения чугуна считаются:

− магнитный железняк Fe₃O₄;

− красный железняк Fe₂O₃;

− бурый железняк 2Fe₃O₃∙3Н₂О;

− шпатовый железняк FeСO₃.

Разработке подвергают преимущественно руды, содержащие незначительное количество вредных примесей (фосфора, серы, мышьяка) и пустой породы (глины, песка и др.).

Для получения чугуна железные руды перерабатывают в доменных печах. Схема доменной печи приведена на рис. 12.2.

Домна – высокая шахтная печь высотой до 30 м и более, 6 м в ширину. Стенки доменной печи выложены из огнеупорного кирпича, а снаружи кладка заключена в стальной кожух толщиной 20-40 мм.

Исходными материалами для доменной плавки являются руда, флюсы (плавни) и топливо (кокс), которые загружаются в доменную печь сверху в количествах, определяемых расчетами. Смесь этих материалов называется шихтой. Загружаемое в один прием количество руды, кокса и флюсов (известняк, доломит) называется «подачей» или «колошей». Отсюда и название верхней части доменной печи «колошник».

В доменной печи происходят следующие основные процессы:

а) горение углерода топлива;

б) удаление из сырых материалов влаги и летучих веществ;

в) восстановление и науглероживание железа;

г) плавление восстановленного и науглероженного металла и отшлаковывание пустой породы и флюсов.

Флюсы – это материалы минерального происхождения, вводимые в шихту для образования шлака. Флюсы способствуют переходу вредных для металла примесей в шлак. По химическому составу различают основные (известняк), кислые (кремнезем) и нейтральные (глинозем) флюсы. Температура плавления и превращения пустой породы в шлак обычно очень высока. Для ее понижения в состав шихты вводят флюсы (плавни).

Шихту непрерывно подают в верхнюю часть домны через загрузочное устройство. В нижней части домны сгорает кокс (через фурмы подают горячий воздух):

С + О₂ = СО₂.

Углекислый газ, поднимаясь, соприкасается с раскаленным коксом и переходит в оксид углерода:

СО₂ + С = 2 СО.

Еще выше в домне оксид углерода (СО) взаимодействует с раскаленной рудой:

СО + Fe₂O₃ = 2 FeO + CO₂

и далее образуется восстановленное железо (Fe):

FeO + CO = Fe + CO₂.

Таким образом, углерод кокса при высоких температурах восстанавливает железную руду до чистого железа (Fe).

Восстановленное железо насыщается углеродом (науглероживается примерно до 3,5…4 %), превращаясь в чугун (Fe₃С):

3 Fe + 2 CO = Fe₃C + CO₂.

Чугун стекает в нижнюю часть домны. Из домны чугун выпускают через специальное отверстие – летку. Чугун начинает образовываться при температуре 1250 °С. Он стекает между кусками кокса в горне.

Продукты плавки – чугун и шлак периодически выпускают через летки в ковш.

При доменном производстве на каждую тонну чугуна получают около 0,6 огненно-жидкого шлака. Шлак – ценное сырье для промышленности строительных материалов. Из него получают шлакопортландцемент, шлаковую пемзу, шлаковую вату, шлаковый щебень и др.

Запущенная в действие доменная печь функционирует непрерывно в течение нескольких лет. Современная доменная печь может выплавлять 12000 т чугуна и выдает около 4000 т шлака, а также 27000 т колошникового газа в сутки.

Руду, кокс и флюсы периодически добавляют через верхнее отверстие (колошник) домны. Также периодически производится выпуск из нее чугуна и шлака – через каждые 4-6 ч. При этом 99-99,8 % железа переходит в чугун и только 0,2-1 % − в шлак.

По назначению доменные чугуны разделяют на литейный, передельный и специальный. Литейный чугун переплавляют и из него отливают чугунные элементы строительных конструкций: тюбинги для тоннелей, опорные части железобетонных ферм и балок, санитарно-технические изделия (ванны, мойки, канализационные трубы).

Передельный чугун предназначен для переработки в сталь. На долю передельных чугунов приходится свыше 80 % всей продукции доменных печей.

Специальные чугуны (доменные ферросплавы) содержат кремний или марганец в повышенном количестве и их используют как добавки при выплавке стали.

В чугуны часто вводят медь, алюминий, титан, хром, никель. Подобно сталям такие чугуны называют легированными.

 

Получение стали

Получение стали из чугуна основано на уменьшении содержания углерода и других входящих в чугун элементов. Процесс выплавки стали, наряду с обезуглероживанием чугуна, включает освобождение его от загрязняющих примесей и введение полезных. Сталь получают главным образом в жидком состоянии (литая сталь).

По способу выплавки стали делятся на конверторные, мартеновские и электростали.

При конверторном способе расплавленный чугун продувают сжатым воздухом или кислородом в больших грушевидных сосудах-конверторах с внутренней огнеупорной футеровкой (рис. 12.3).

При мартеновском способе сталь получают в печах Сименса-Мартена (рис. 12.4) с регенерацией теплоты отходящих газов.

При получении стали электроплавкой (специальные стали) используют электродуговые, индукционные и высокочастотные печи (рис. 12.5).

В заключение можно отметить, что в мире в конверторах выплавляются более 50 % стали, причем эта доля стали, выплавляемой высокопроизводительными методами (конвертор и электроплавка), имеет тенденцию к непрерывному увеличению, тогда как доля мартеновской выплавки постепенно снижается.