Загальні відомості про Виробництво чавуну

Область технології металів, яка займається вивченням способів виробництва металів і сплавів, називається металургією. Відповідно до загальної класифікації металів її можна розділити на металургію чорних металів і металургію кольорових металів.

Найбільше використовуються в промисловості чорні метали, до яких в першу чергу відносять сплави заліза з вуглецем - сталі і чавуни, які мають цінні фізико-механічні властивості.

Для виплавки чавуну використовують шихту - суміш матеріалів, що підлягає переробці в доменних печах. Шихта для виробництва чавуну складається з підготовленої руди, палива і флюсів, взятих в певних співвідношеннях.

Руда представлена різними оксидами заліза. Паливо забезпечує необхідну температуру для плавлення компонентів шихти, вуглець палива бере участь в процесах відновлення і входить до складу залізовуглецевих сплавів. Флюси знижують температуру плавлення пустої породи - з'єднань, що не містять елементів, необхідних для отримання чавуну.

Вихідні матеріали, що використовуються при виробництві чавуну

Руда - гірська порода, в якій залізо знаходиться у вигляді хімічних сполук з киснем, сіркою і іншими елементами. В руді знаходяться інші з'єднання, що не містять заліза, такі як кремнезем (SiO₂), глинозем (А1₂О₃) і ін. Вони практично повністю переходять в шлак.

У рудах присутні такі залізовмісні мінерали: магнітний залізняк, червоний залізняк, бурий залізняк, шпатовий залізняк.

Магнітний залізняк складається головним чином з мінералу магнетиту (Fe₃O₄). Ця руда містить 60-70% заліза і невелику кількість шкідливих домішок (сірки і фосфору), вона важка, майже чорного кольору, має високу щільність і володіє магнітними властивостями.

Червоний залізняк містить в основному мінерал гематит - безводний оксид заліза (Fе₂O₃). Руда червоного кольору з різними відтінками, пориста, внаслідок чого залізо легше відновлюється.

Бурий залізняк є водним оксидом заліза і зустрічається у вигляді лимоніту (2Fe₂О₃^.ЗН₂О) і гетиту (Fе₂O₃^.Н₂О). Руда бурого кольору з відтінками.

Шпатовий залізняк - це вуглекислі з'єднання заліза - сидерити (FеСО₃), найбідніша руда. Вона сірого, жовтуватого або бурого кольору.

Виплавка чавуну відбувається при високій температурі. Джерелом тепла є паливо, яке бере участь у хімічних реакціях, що протікають при виробництві чавуну.

Паливо для виробництва чавуну повинно мати високу теплотворну здатність, міцність, пористість, невелику зольність і мінімальний вміст сірки. Цим вимогам відповідає кокс. Він добре горить, розвиває високу температуру і зберігає достатню міцність. Кокс є основним видом палива при виплавці чавуну.

Одержують кокс шляхом сухої перегонки кам'яного вугілля, що коксується, в коксівних печах. Процес коксування полягає в нагріванні вугілля без доступу повітря до температури 1000-1100 °С.

Для нормального ходу доменного процесу необхідно, щоб домішки плавилися при певній температурі після відновлення з руди заліза. Температури плавлення домішок і золи палива, що є в шихті, значно вище необхідних.

Для зниження температури плавлення пустої породи і золи в доменну піч вводять флюси, які сплавляються з порожньою породою руди і золою, утворюючи шлак. Флюсом при отриманні чавуну є вапняк.

Підготовка руди до плавки

Залежно від характеристики руди, що добувається, застосовують наступні стадії підготовки: 1) дроблення; 2) сортування по класах крупності;
3) збагачення; 4) обпал; 5) усереднення; 6) окускування.

Машини, що застосовують для дроблення - дробарки, можуть зменшувати розмір кусків до 5-6 мм. Отримання менших фракцій називають подрібненням. Його здійснюють в млинах різних конструкцій.

Дроблення і подрібнення майже завжди супроводжується грохоченням і класифікацією - процесами, мета яких - розділення кусків і частинок руди по крупності. Відмінність грохочення від класифікації полягає в тому, що при грохоченні проводять сортування кусків на ситах, а класифікацією розділяють дрібні куски і частинки (менше 1-3 мм) у водному або в повітряному середовищі.

Збагачення - розділення руди на концентрат з високим вмістом рудного мінералу і хвости з низьким його вмістом. Існують такі способи збагачення корисної копалини: 1) промивка; 2) гравітаційне збагачення; 3) магнітна сепарація; 4) флотація.

Промивка ефективна для матеріалів з м'якою, особливо глинистою порожньою породою і щільними мінералами металу. Гравітаційне збагачення засновано на відділенні корисних мінералів від порожньої породи по відмінності їх питомої щільності. Магнітна сепарація заснована на різній магнітній сприйнятливості залізовмісних мінералів і частинок порожньої породи. Флотація заснована на різній змочуваності поверхні зерен рудних мінералів і пустої породи.

Окислювальне випалення (нагрів руди до високих температур 900-1000°С в атмосфері повітря) проводять для видалення СО₂ карбонатів і сірки (у вигляді SО₂). Мета відновлювального випалення (нагрів руди у відновлювальній атмосфері) полягає в перетворенні слабомагнітного оксиду Fе₂О₃ в сильномагнітний Fe₃O₄ по реакції Fе₂О₃+СО(Н₂)=Fе₃О₄+СО₂(Н₂О).

Усереднення полягає у перемішуванні великої маси рудного матеріалу для отримання постійного вмісту заліза.

Одержані після збагачення руд тонкоподрібнені концентрати (<0,1 мм) не можна використовувати в доменній печі, оскільки вони не забезпечують високої газопроникненості шихти. Перетворення дрібних частинок рудних концентратів і деяких інших матеріалів в крупніші куски складає основну мету процесів окускування. Агломерація - це термічний спосіб окускування дрібних матеріалів для поліпшення їх металургійних властивостей, що здійснюється шляхом спалювання дрібного палива в шарі матеріалу за рахунок безперервного проходження повітря. Способом окускування тонкоподрібнених концентратів (<0,1 мм) є отримання обкотишів (кульок діаметром 15-20 мм). Технологія виробництва залізорудних обкотишів складається із двох стадій:
1) отримання сирих обкотишів з концентрату; 2) зміцнюючого випалення.

Вогнетривкі матеріали

Металургійні процеси відбуваються при високих температурах. Тому металургійні агрегати футерують вогнетривкими матеріалами. Вони повинні бути механічно міцними, не розм'якшуватися і не розтріскуватися при високих температурах, не вступати в хімічні реакції з пічними газами, розплавленими шлаком та металом.

Вогнетриви - це матеріали, температура оплавлення яких не нижче 1500°С. Захисне внутрішнє облицьовування печей називається футеровкою.

Всі вогнетривкі матеріали розподіляються на кислі, основні і нейтральні. До кислих матеріалів відноситься динас, основу якого складає кремнезем (90-96%). Його вогнетривкість 1670-1730 °С.

До основних вогнетривких матеріалів відносять магнезит, доломіт і хромомагнезит. Магнезит (MgO) - тугоплавкий матеріал (температура плавлення 2000-2200 °С), володіє хімічною стійкістю. Доломіт - містить в основному СаО і MgO. Його вогнетривкість 1800-1900 °С. Хромомагнезит містить оксид хрому (Сг₂О₃) і оксид магнію (MgO). Вогнетривкість хромомагнезиту 2000 °С, він витримує коливання температури і не розтріскується при різких термозмінах.

Нейтральними вогнетривкими матеріалами є шамот і хромовий залізняк. Шамот відносно дешевий вогнетривкий матеріал, що містить 35-42% (А1₂О₃), 45-64% (SiO₂) і трохи (Fe₂O₃). Шамот має достатню вогнетривкість (температура плавлення 1600-1700 °С), трохи розтріскується при високих температурах. Хромовий залізняк є нейтральним вогнетривким матеріалом (вогнетривкість його 1850-1950 °С), міцний і не чутливий до змін температури.

Під доменних печей футерують вуглецевими блоками, що складаються з суміші антрациту, коксу або графіту з маслопеком, і високоглиноземистими вогнетривкими матеріалами.

Конструкція доменної печі

Виплавка чавуну здійснюється в доменній печі, що представляє шахтну піч безперервної дії. Зверху в піч завантажується шихта, яка по ходу плавки опускається вниз. Назустріч шихті знизу підіймаються гази. Доменні печі мають висоту в середньому 30 м.

Верхня частина називається колошником. Через колошник в піч завантажується шихта і з печі відводяться колошникові гази. Для завантаження шихти використовується колошниковий пристрій. Нижче після колошника розташовується шахта. Щоб шихта, що нагрівається, опускалася в процесі плавки, шахта в нижній частині має більший діаметр. Найширша частина печі - розпар - має циліндричну форму. Нижній усічений конус - заплечики - звужується донизу, для утримання шихти, що знаходиться в шахті і розпарі. В нижній частині доменної печі - горні - йде горіння коксу і накопичуються рідкий чавун і шлак. Нижня частина горна - під. У верхній частині горна рівномірно по колу розташовані 12-20 отворів - фурм, через які повітродувними машинами під тиском подається в піч підігріте до температури 900-1100°С повітря, що забезпечує горіння палива.

Частина горна, що розташована нижче фурм, називається металоприймачем. У ньому накопичуються чавун і шлак. В горні, нижче фурм, розташована шлакова льотка - отвір для випуску шлаку, а в нижній частині - чавунна льотка для випуску чавуну.

Основними технологічними характеристиками доменної печі є її корисна висота і корисний об'єм. Корисною висотою називається відстань від осі чавунної льотки до рівня опускання великого конуса засипного апарата. Корисний об'єм - об'єм, заповнений шихтою і продуктами плавки. Доменні печі мають корисний об'єм до 5000 м³.