Доменная плавка на металлизированной шихте

 

Данный метод в последние годы вызывает всё больший интерес. При этой плавке в процессе окускования шихты в виде окатышей или агломерата или на отдельной стадии после окускования материал подвергается восстановительной обработке с использованием недефицитного восстановителя.

Частично восстановленную шихту направляют в доменную печь. При этом уменьшается расход кокса и повышается производительность печи. Главное преимущество плавки на металлизированной шихте заключается в снижении затрат на производство дорогого и дефицитного кокса. Переход на предварительно металлизированную шихту позволяет отказаться от вдувания природного газа в доменную печь и снизить удельный расход кокса до 0,3 т/т чугуна.

 

Виды чугунов

 

Чугуны различаются по структуре, способам изготовления, химическому составу и назначению.

По структуре чугуны бывают серые, белые и ковкие. По способам изготовления—обыкновенные и модифицированные.

По химическому составу чугуны различают не легированные и легированные, т. е. такие, в составе которых имеются специальные примеси.

Серый чугун

Серый чугун наиболее широко применяется в машиностроении для отливок из него различных деталей машин. Он характеризуется тем, что углерод в нём находится в свободном состоянии в виде графита. Поэтому серый чугун хорошо обрабатывается режущими инструментами. В изломе он имеет серый и темно-серый цвет. Получается серый чугун путём медленного охлаждения после плавления или нагревания. Получению серого чугуна также способствует увеличение в его составе содержания углерода и кремния.

Механические качества серого чугуна зависят от его структуры.
По структуре серый чугун бывает:

1. Феррито-графнтовый;

2. Феррито-дерлито-графитовый;

3. Перлито-графитовый.

Если серый чугун быстро охлаждать после плавления, то он отбеливается, т. е. становится очень хрупким и твердым. Серый чугун в несколько раз лучше работает на сжатие чем на растяжение. Серый чугун достаточно хорошо сваривается с применением предварительного подогрева и в качестве присадочного мате риала специальных чугунных стержней с повышенным содержанием углерода и кремния. Сварка без предварительного подогрев затруднена вследствие отбеливания чугуна в зонах шва.

Белый чугун

Белый чугун применяется в машиностроении в значительно меньших количествах, чем серый. Он представляет собой сплав железа с углеродом, в котором углерод находится в виде химического соединения с железом. Белый чугун очень хрупкий и твёрдый. Он не поддаётся механической обработке режущими инструментами и применяется для отливки деталей, не требующих обработки, или подвергается шлифованию абразивными кругами. В машиностроении применяется белый чугун как обыкновенный, так и легированный. Сварка белого чугуна весьма затруднительна в связи с образованием трещин при нагреве и охлаждении, а также из-за неоднородности структуры, образующейся в месте сварки.

Ковкий чугун

Ковкий чугун обычно получают из отливок белого чугуна путем длительного томления их в печах при температуре 800—950°С, Существуют два способа получения ковкого чугуна: американский и европейский.

При американском способе томление производится в песке при температуре 800—850°С. При этом углерод из химически связанного состояния переходит в свободное состояние в виде графита, располагаясь между зёрнами чистого железа. Чугун приобретает вязкость, почему и называется ковким.

При европейском способе томление отливок производится в железной руде при температуре 850—950°. При этом углерод из химически связанного состояния с поверхности отливок переходит в железную руду и таким путём поверхность отливок обезуглероживается и становится мягкой, почему и чугун называется ковким, хотя сердцевина остается хрупкой.

В обозначениях марок ковкого чугуна после букв пишется число, показывающее среднюю величину предела прочности при разрыве в кг/мм2, а затем число, показывающее удлинение в %. Например КЧ37—12 обозначает ковкий чугун, с пределом прочности, равным 37 кг/мм2, и удлинением 12%. Сварка ковкого чугуна сопряжена с затруднениями в связи с отбеливанием чугуна в зоне шва.

Модифицированный чугун

Модифицированный чугун отличается от обычного серого чугуна тем, что в нем большее количество углерода находится в виде графита, чем в сером чугуне.

Модифицирование заключается в том, что при плавлении чугуна в жидкий металл добавляется некоторое количество присадок, способствующих выделению углерода в виде графита при затвердевании и охлаждении. Этот процесс модификации при одинаковом химическом составе чугуна значительно повышает механические свойства чугуна и является весьма важным. Обозначение марок модифицированного чугуна подобно обозначению марок серого чугуна.

 

Шлак доменный

 

Шлак доменный - побочный продукт, образующийся при производстве чугуна. В процессе выплавки чугуна при взаимодействии окислов кремния и алюминия из пустой породы железосодержащей руды с окисью кальция и окисью магния флюса образуется огненно-жидкий сплав - доменный шлак.

Чугун, восстановившийся из руды, собирается в самой глубокой зоне доменной печи, где температура достигает 1400-1500°С. Расплавленный шлак, имеющий в 2,5-3 раза меньшую плотность, чем чугун, скапливается над ним и периодически выпускается из домны через шлаковую летку. Часть шлака выпускается вместе с чугуном. Выпущенный из шлаковой летки шлак обычно называют "верхним", а из чугунной - "нижним".

Выпускаемый с температурой 1300-1500°С доменный шлак в зависимости от путей дальнейшего его использования может подвергаться грануляции (с получением гранулированного доменного шлака), разливаться по формам для изготовления дорожных плит, брусчатки или направляться в отвал. В цементной промышленности, как правило, используются доменные гранулированные шлаки, образующиеся при выплавке литейного и передельного чугунов.

Химический состав доменных шлаков зависит от вида и свойств железных руд, качества кокса и вида выплавляемого чугуна. В доменных шлаках присутствуют CaO, SiO2, Al2O3, MgO, FeO и некоторые другие окислы. Химический состав доменных шлаков, %, колеблется в широких пределах: CaO 30-49; Al2O3 4,5-20; Fe2O3 0,3-0,8; SiO2 33-44; MgO 1,5-15; MnO 0,3-3,0.

Окись кальция связана в различные соединения (двухкальциевый силикат, геленит, диопсид и др.) и в свободном виде отсутствует. Гидравлическая активность доменных шлаков возрастает с повышением содержания окиси кальция. Кремнезем, содержащийся в избытке по отношению к глинозему и окиси кальция, замедляет процессы кристаллизации и гидратации соединений доменного шлака, снижает его гидравлическую активность.

Окись алюминия в целом оказывает большое влияние на гидравлическую активность шлака. Однако в шлаке образуются и такие минералы, содержащие окислы алюминия, которые характеризуются слабой гидравлической активностью или совсем не обладают ею (геленит, магнезиальная шпинель и др.).

Большая часть окиси магния входит в состав стекла шлака. При значительном ее содержании (более 8%) образуется ряд соединений (монтичеллит, окерманит, диопсид), которые характеризуются отсутствием или наличием слабой гидравлической активности. Гидравлическая активность доменных шлаков с различным содержанием окиси магния связана также с содержанием окиси алюминия. Так, шлаки, содержащие 5-6% MgO, характеризуются достаточно высокой активностью при 5-7% Al2O3, а шлаки с 10-12% MgO - при 15-18% Al2O3.

Закись марганца содержится в основном в виде сульфида MnS и твердого раствора MnO в других минералах. Присутствие закиси марганца в количестве более 3% приводит к уменьшению гидравлической активности.

Сера присутствует в составе доменных шлаков в виде сульфидов различных металлов, в основном в виде сульфида кальция. Этот минерал в количестве 2-7% оказывает положительное влияние на гидравлическую активность.

Соотношение кристаллической и стекловидной фаз в доменных шлаках колеблется в широких пределах.

В цементной промышленности доменные гранулированные шлаки применяются в качестве активной гидравлической добавки при помоле цемента и одного из компонентов сырьевой смеси.

Качество гранулированных доменных шлаков определяется коэффициентом качества (К), который рассчитывается по формулам:

К = (CaO + Al2O3 + MgO) / (SiO2 + TiO2) (14)

при содержании окиси магния до 10%

К = (CaO + Al2O3 + 10) / (SiO2 + TiO2+ 10∙MgO) (15)

при содержании окиси магния более 10%

В начале 20 века производители чугуна начали искать возможные сферы применения доменного шлака - продукта, полученного вместе с чугуном в доменной печи в виде расплава. В 1908 году компания «Карнеги Стал» начала исследование возможных областей применения доменного шлака.

В 1911 году в отчете компании «Карнеги Стил» - «Использование доменного шлака в производстве бетона» впервые обосновано говорилось о возможности использовать доменный шлак в производстве бетона.

К 1917 году стало очевидно, что шлак является ценным продуктом, и что компаниям - производителям шлака стоит объединиться для более эффективного продвижения нового продукта. В 1918 году в США была создана Национальная Шлаковая Ассоциация. В 1919 году в США существовало 14 компаний - производителей шлака, которым принадлежало 32 завода.

За все время существования человечества доменный шлак прошел путь от использования в дорожном строительстве (в качестве агрегата) в Античном Риме до ценного строительного материала с разнообразными сферами применения в наше время.

Сейчас шлак находит широкое применение в строительной индустрии, включая: производство гранулированного доменного шлака, смешанного (многокомпонентного цемента), гидравлических закладок, монолитного и конструкционного бетона, асфальтобетона, гранулированного заполнителя, минеральной ваты, кровельного материала, стекла, проведения оструктуривания почвы и много другого.