Доменне виробництво чавуну

Чавун – залізовуглецевих сплав, що містить більше 2% вуглецю. Крім вуглецю, в ньому завжди присутні кремній (до 4%), марганець (до 2%), а також фосфор і сірка. Чавун є основним вихідним матеріалом для одержання сталі, на що витрачається приблизно 80-85% всього чавуну.
Залізні руди – основний вихідний матеріал для виплавки чавуну.
За типом рудного мінералу руди бувають наступних основних видів.
Червоний залізняк. Рудний мінерал – гематит, безводна окис заліза Fe2O3 (70% Fe). Руда зазвичай містить 50-60% Fe. Це найбільш поширений вид руди в усьому світі.
Магнітний залізняк. Рудний мінерал – магнетит, магнітний окисел заліза Fe3O4 (72,4% Fe), в руді 55-60% Fe.
Бурий залізняк. Рудний мінерал – водні оксиди заліза nFe2O3 · mH2O (52-66% Fe). У руді зазвичай міститься 30-50% Fe.
Шпатовий залізняк. Рудний мінерал – сидерит, карбонат заліза FeCO3 (48,3% Fe), в руді зазвичай 30-40% Fe.
Доменні флюси необхідні для видалення з доменної печі тугоплавкої порожньої породи руди і золи палива. Сплавляючись з флюсом, вони утворюють легкоплавкий сплав – доменний шлак; в розплавленому стані він видаляється з печі через шлакову летку. Крім того, флюс повинен забезпечити отримання шлаку з необхідним хімічним складом і фізичними властивостями, що значною мірою визначає склад чавуну.
Флюси вибирають залежно від порожньої породи руди. У вітчизняних залізних рудах порожня порода, як правило, містить надлишок SiO2. Тому в якості флюсу використовують сильноосновні матеріали, головним чином вапняк CaCO3.
Доменна піч – вертикальна піч шахтного типу. Її висота (до 35 м) приблизно в 2,5-3 рази більше діаметра.
Стінки печі викладають з вогнетривких матеріалів – в основному з шамоту. Нижню частину горна і його підстава (Лещадь) виконують з особливо вогнетривких матеріалів – вуглецевих (графітизованих) блоків. Для підвищення стійкості вогнетривкої кладки в ній встановлюють (приблизно на 3/4 висоти печі) металеві холодильники, по яких циркулює вода. Для зменшення витрати води (для великих печей до 70000 м3 на добу) застосовують випарне охолодження, засноване на тому, що поглинається тепло використовується для пароутворення.
Кладка печі зовні укладена в сталевий кожух товщиною до 40 мм. Для зменшення навантаження на нижню частину печі її верхню частину (шахту) споруджують на сталевому кільці, опирающемся на колони.

Хімічні процеси в доменній печі.
Доменна піч працює за принципом протитечії. Шихтові матеріали – агломерат, кокс і ін. – Завантажують зверху за допомогою засипного (завантажувального) апарату. Назустріч опускається матеріалами знизу вгору рухається потік гарячих газів, що утворюються при згорянні палива (коксу), а також природного газу.
У доменній печі протікають такі основні процеси:
Відновлення заліза. Цей процес відбувається послідовно від вищих оксидів до нижчих і далі до чистого металу: Fe2O3 – Fe3O4 – FeO – Fe
Головними відновниками заліза в доменній печі є оксид вуглецю (I) і твердий вуглець коксу. Оксид вуглецю (I) утворюється при взаємодії вуглекислого газу з розпеченим коксом:
C + CO2 = 2CO
Відновлення оксидом вуглецю називається непрямим (непрямим) відновленням і відбувається по реакціях
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + Q;
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 – Q;
FeO + CO = Fe + CO2 + Q.
Відновлення Fe2O3 починається при порівняно низьких температурах (400-5000С) у верхній частині шахти печі. У міру опускання рудних матеріалів підвищуються температура і вміст СО у доменних газах; при цьому створюються умови для остаточного відновлення заліза. Ці процеси закінчуються в нижній частині шахти печі при температурах близько 900-9500 С.
Значення непрямого відновлення дуже велике. Залежно від умов роботи печі оксидом вуглецю СО відновлюється 60-80% всього заліза. Інша частина заліза відновлюється твердим вуглецем.
Відновлення твердим вуглецем називається прямим відновленням. Воно відбувається при температурах вище 950-10000 С (зона распара печі) по реакції
FeO + C = Fe + CO – Q.
Слід зазначити, що ця реакція відображає лише кінцевий результат процесу прямого відновлення, який протікає в дві стадії:
FeO + CO = Fe + CO2 + Q
CO2 + C = 2CO- Q
FeO + C = Fe + CO2 – Q
Таким чином, при прямому відновленні витрачається тільки вуглець коксу, хоча реагентом, взаємодіє з FeO, є оксид вуглецю СО. Безпосереднє відновлення оксидів заліза при контакті з вуглецем коксу практично не відбувається.
Вже в шахті доменної печі при температурах вище 400-5000 З поряд з відновленням заліза відбувається і його науглерожіваніе за рахунок оксиду вуглецю СО по реакції:
3Fe + 2CO = Fe3 C + CO2 + Q.
Карбід заліза Fe3С добре розчиняється у твердому залозі і поступово утворюється сплав заліза з вуглецем. Зі збільшенням вмісту вуглецю температура плавлення сплаву значно знижується і досягає мінімального значення 11470С при 4,3%. У зонах печі з високими температурами – зазвичай в нижній частині шахти – починається плавлення сплаву. Рідкий сплав – чавун, стікаючи вниз, омиває шматки розпеченого коксу і додатково інтенсивно науглероживается. У ньому також розчиняються відновлений марганець, кремній, сірка та інші домішки. Кінцевий склад чавуну встановлюється в горні. При цьому велике значення мають склад, властивості і кількість шлаку.
Відновлення інших елементів. У доменну піч з шихтовими матеріалами потрапляють марганець, кремній, сірка та інші елементи у вигляді різних хімічних сполук. Ці елементи частково або повністю відновлюються і входять до складу чавуну, покращуючи або погіршуючи його властивості.
Постійними корисними домішками чавуна є марганець і кремній, шкідливими – сірка і фосфор.
Марганець – постійна домішка залізних руд. При виплавці чавунів з підвищеним вмістом марганцю в доменну піч завантажується марганцовая руда.
Вищі оксиди марганцю відновлюються до оксиду марганцю MnO окисом вуглецю, аналогічно окислам заліза: MnO2 – Mn2O3 – Mn3O4- MnO. Закис марганцю відновлюється твердим вуглецем по реакції:
MnO + C = Mn + CO – Q.
Ця реакція протікає при температурах вище 11000 С з поглинанням тепла. Тому для відновлення марганцю потрібно збільшити витрату коксу і температуру дуття. Наприклад, при виплавці дзеркального чавуну з 10-25% Mn витрата коксу збільшується в 2-2,5 рази. Значна частина MnO знаходиться у вигляді силікатів, з яких може бути виділена вапном.
Таким чином, додатковою умовою для збільшення ступеня відновлення марганцю є достатня кількість вапна CaO в шлаку, тобто його підвищена основність.
Кремній знаходиться в пустій ​​породі руди і в золі коксу в виді вільного кремнезему SiO2 або у вигляді силікатів (SiO2 · 2СaO та ін.).
Відновлення кремнію відбувається з кремнезему SiO2 по реакції:
SiO2 + 2С = Si + 2СО – Q.
Мабуть, кремній відновлюється з SiO2 і карбідом заліза Fe3C.
Ця реакція протікає з поглинанням тепла при температурах не нижче 14500 С. Тому для виплавки чавуну з підвищеним вмістом кремнію необхідно значно збільшувати витрату коксу і застосовувати високотемпературне дуття, збагачене киснем. Для збільшення кількості вільного кремнезему в шлаку необхідно зменшувати в ньому вміст вапна CaО, тобто знижувати його основність.
Інші корисні домішки – нікель, ванадій, титан і т.д. – Потрапляють в доменну піч у вигляді домішок залізної руди. При доменній плавці нікель відновлюється і переходить в чавун повністю, хром – на 85-95%, ванадій – на 70-80%.
Фосфор – шкідлива домішка залізних руд знаходиться в них головним чином у вигляді P2O5 · 3СaO. Відновлення фосфору відбувається окисом вуглецю СО, воднем, а також твердим вуглецем. Весь фосфор, внесений шихтою, відновлюється і переходить в чавун практично повністю.
Сірка – особливо шкідлива домішка в чавуні (а також в сталі). Основна кількість сірки вносить кокс, частина – залізна руда. У доменній печі 10-20% сірки видаляється у вигляді сполук. Інша частина сірки переходить у чавун і в шлак у вигляді сульфідів FeS, CaS та ін. Сульфід заліза FeS добре розчиняється в чавуні.
В умовах доменної плавки основним способом десульфурації, тобто видалення сірки з металу, є утворення сульфіду кальцію CaS по реакції FeS + CaO = FeO + CaO + Q.
Сульфід кальцію CaS розчиняється у чавуні і знаходиться в шлаку. Найбільш інтенсивно ця реакція протікає при проходженні крапель чавуну через шар шлаку.
З цієї реакції випливає, що однією з основних умов видалення сірки з металу є достатня кількість вапна CaO в шлаку. Видаленню сірки сприяє висока температура в горні; з нагріванням зменшується в’язкість шлаку, що покращує дифузію сульфідів і сприяє відновленню FeO.
Частина сірки віддаляється за допомогою MgO (завжди міститься в шлаку), а також марганцю по реакціях FeS + MgO = FeO + MgS і FeS + Mn = Fe + MnS.
Сульфід магнію MgS розчиняється у металі, а сульфід марганцю MnS розчиняється незначно. Широке поширення одержало Позадоменна видалення сірки з чавуну. При витримці його в ковшах-Чугуновоз і в міксері частина сірки може переходити з металу в шлак у вигляді сульфіду марганцю MnS, оскільки розчинність цієї сполуки в металі при зниженні температури зменшується. Такий спосіб дає гарні результати при вмісті в чавуні більше 2% Mn.
Одним з випробуваних в промислових масштабах способів Позадоменна видалення сірки є обробка чавуну у випускному жолобі або в Чугуновоз содою NaCO3 (1% від маси чавуну). Сірка видаляється по реакції:
FeS + NaCO3 = FeO + Na2S + CO2.
Утворений при цьому сірчистий натрій Na2S переходить в шлак. В даний час проводять дослідження роботи з вишукування інших недефіцитних і дешевих реагентів. Шлакообразованіе починається приблизно в розпарити печі.
Первинний шлак утворюється в результаті сплаву CaO, SiO2, Al2O3 та інших оксидів, що перебувають у складі флюсу і порожньої породи руди. При певних співвідношеннях по масі ці тугоплавкі окисли можуть утворювати легкоплавкі суміші – сплави з Т пл = 1150-12000 С. Стікаючи вниз і накопичуючись в горні, шлак істотно змінює свій склад. У результаті взаємодії з розплавленим чавуном і залишками незгорілого коксу в шлаку відновлюються оксиди заліза і марганцю, в ньому розчиняються FeS, MnS, зола коксу і т.д. Хімічний склад шлаку визначає склад чавуну і тому при виплавці передільних, ливарних та інших чавунів завжди підбирають шлак відповідного складу. Типовий склад шлаку: 40-50% CaO; 38-40% SiO2; 7-10% Al2O3.

Посилання на основну публікацію