Материаловед

Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах.

Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твёрдым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива.

При выплавке чугуна решаются следующие задачи:

• восстановление железа из окислов руды, науглероживание его и удаление в виде жидкого чугуна определённого химического состава;
• оплавление пустой породы руды, образование шлака, растворение в нём золы кокса и удаление его из печи.

Процесс доменной плавки непрерывный. Сверху в печь загружают сырые материалы, а в нижнюю часть через фурмы подают нагретый воздух и топливо (жидкое или газообразное). Полученные от сжигания топлива газы проходят через столб шихты и отдают ей свою энергию. Опускающаяся шихта нагревается, восстанавливается и плавится. Часть кокса расходуется в печи на восстановление железа и других элементов, большее его количество достигает фурм, где сгорает.

Устройство и работа доменной печи

Доменная печь (рис. 1)  имеет стальной кожух, выложенный огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15, выполненную из углеродистых блоков.

Рис. 1. Устройство доменной печи

В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту. Шихту подают в вагонетки 9 подъемника, которые, передвигаясь по мосту 12 к засыпному аппарату, и опрокидываются и высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 – в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу.

При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство подаютса новые порции шихты, чтобы весь полезный объём был заполнен.

Полезный объем печи – объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании.

Полезная высота доменной печи (Н) достигает 35 м, а полезный объем – 2000…5000 м³.

В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух поступает из воздухонагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка из огнеупорного кирпича, в которой имеются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный доменный газ, который, сгорая, образует горячие газы. Проходя через насадку, газы нагревают ее и удаляются через дымовую трубу. Через насадку пропускается воздух, он нагревается до температуры 1000…1200 ⁰С и поступает к фурменному устройству, а оттуда через фурмы 2 – в рабочее пространство печи. После охлаждения насадок нагреватели переключаются.

Горение топлива. Вблизи фурм природный газ и углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорают:

С+O₂=CO₂+Q;

CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O_(пар)+Q.

В результате горения выделяется большое количество теплоты, в печи выше уровня фурм развивается температура выше 2000 ⁰С.

Продукты сгорания  взаимодействуют с раскаленным коксом по реакциям:

CO₂+C=2CO-Q;

H₂O+C=CO+H₂-Q.

Образуется смесь восстановительных газов, в которой окись углерода CO является главным восстановителем железа из его оксидов. Для увеличения производительности подаваемый в доменную печь воздух увлажняется, что приводит к увеличению содержания восстановителя.

Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до 300…400 ⁰С  у колошника.

Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре около 570 ⁰С начинается восстановление оксидов железа.

Восстановление железа в доменной печи.

Закономерности восстановления железа выявлены академиком А.А. Байковым.

Восстановление железа происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте и повышения температуры от высшего оксида к низшему, в несколько стадий:

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe.

Температура определяет характер протекания химических реакций.

Восстановителями окcидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород.

Восстановление твердым  углеродом (коксом) называется прямым восстановлением, протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры, по реакции

FeO+C=Fe+CO— Q.

Восстановление газами (CO и H₂) называется  косвенным восстановлением,  протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах по реакциям

3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂+Q;

Fe₃O₄+CO=3FeO+CO₂-Q;

FeO+CO=Fe+CO₂+Q.

За счет CO и H₂ восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40…60 % металлического железа.

При температуре 1000…1100 ⁰C восстановленное из руды твёрдое железо, взаимодействуя с оксидом  углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод. При насыщении углеродом температура плавления понижается и на уровне распара и заплечиков железо расплавляется (при температуре около 1300 ⁰С).

Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4%), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1200 ⁰C восстанавливаются из руды, и серой, содержащейся в коксе.

В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. Шлаки содержат Al₂O₃, CaO, MgO, SiO₂, MnO, FeO, CaS.  Шлак образуется постепенно, его состав меняется по мере стекания в горн, где он скапливается на поверхности жидкого чугуна благодаря меньшей плотности. Состав шлака зависит от состава применяемых шихтовых материалов и выплавляемого чугуна.

Чугун выпускают из печи каждые 3…4 часа через чугунную летку 16, а шлак – каждые 1…1,5 часа через шлаковую летку 17 (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади).

Отверстие чугунной летки в огнеупорной кладке заделывают огнеупорной массой. Летку открывают бурильной машиной, после выпуска чугуна закрывают огнеупорной массой.

Чугунная летка находится на некотором расстоянии от кладки лещади, поэтому создается «мертвый слой» чугуна высотой 500…1000 мм. Это делается для предохранения верхних слоев лещади от разъедания шлаками.

Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши.

Чугун поступает в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде чушек — слитков массой 45 кг.