2.1.2. Доменная плавка и ее продукты

Процесс получения чугуна осуществляется в доменных печах. Сырые материалы доменной плавки, взятые в необходимых соотношениях, составляют шихту. Чугун является первичным продуктом, получаемым из исходного сырья. Получение чугуна основано на извлечении железа из руд с помощью различных окислительно-восстановительных реакций. В дальнейшем чугун используется как исходное сырье для получения стали.

Доменный процесс до настоящего времени является практически единственным промышленным способом получения железоуглеродистых сплавов из железных руд. Работа доменной печи после ее пуска продолжается непрерывно от 6 до 10 лет.

Доменная печь представляет собой вертикальную плавильную печь шахтного типа (рис.4). Объем печи, занятый шихтовыми материалами и продуктами плавки, называется полезным объемом. Современные доменные печи имеют высоту до 35 м и полезный объем от 3000 до 5000 м3. Производительность печей составляет более 5000 т чугуна в сутки. С увеличением полезного объема экономичность работы печи повышается.

Исходные материалы доменной плавки (шихту) загружают в печь сверху через колошник 1.

В нижнюю часть печи через фурмы 3 под давлением 150…200 кН/м2 (1,5…2,0 атм.) вдувается подогретый до 900…1000оС воздух. Топливо, встретившись с горячим воздухом, начинает гореть, при этом в зоне горения развивается температура до 1800…1900оС. Образовавшийся в результате реакции горения углекислый газ СО2 поднимается вверх и при температуре 800…900оС восстанавливается углеродом кокса до оксида углерода СО:

СО2 + Скокс = 2СО.

Образовавшийся оксид СО является основным восстановителем железа из его руд. Процесс восстановления проходит последовательно от высших оксидов к низшим и далее к чистому металлу:

Fe2O3 > Fe3O4 > FeO > Fe

Восстановление оксидом углерода СО называется косвенным (т.е. непрямым) восстановлением и происходит по реакциям:

В верхних частях печи вследствие понижения температуры до 400…550оС оксид углерода СО распадается с выделением сажистого углерода Ссаж:

2СО = СО2 + Ссаж.

Образовавшийся сажистый углерод проникает через поры и трещины внутрь кусков руды, оседает на их наружной поверхности и в интервале температур 1000…1100оС также восстанавливает железо:

FeO + Ссаж = Fe +СО

В этом случае имеет место так называемое прямое восстановление руд. Одновременно при температурах выше 400…500оС происходит науглераживание восстановленного железа по реакциям:

Образовавшийся карбид железа Fe3С растворяется в металле и постепенно образует сплав железа с углеродом, называемый чугуном. Полученный сплав стекает вниз и накапливается в нижней части печи-горне. В обычных условиях в чугуне растворяется до 4% углерода. Расплавленный чугун выпускается через нижнюю летку примерно 10…15 раз в сутки.

Одновременно с восстановлением железа в ходе доменный плавки за счет взаимодействия флюсов и пустой породы происходит процесс шлакообразования. Стекая вниз, шлак растворяет золу топлива и поглощает из чугуна серу. Шлак выпускается в расплавленном состоянии по мере его накопления через шлаковую летку 4. Шлак затем используют для получения различных строительных материалов.

Образующаяся в ходе плавки смесь различных газообразных продуктов (26…32% СО, до 4% Н2), содержащая также пылевидные частицы руды, топлива и флюсов, называется колошниковым газом. При сгорании 1 т кокса образуется около 5000 м3 газа. Он удаляется из доменной печи через газоотводы 2 в колошнике. После очистки от пыли доменный газ используется как топливо для различных производственных целей.

Основными продуктами доменной плавки являются передельные, литейные чугуны и ферросплавы.

Передельный чугун выплавляется для передела в сталь. Его производство составляет около 90%. Углерод в этих чугунах химически связан в Fe3C.

Литейный чугун используется после его переплавки для производства различных чугунных отливок. Этот чугун содержит повышенное количество кремния (до 3,7%), улучшающего литейные свойства чугуна. Литейный чугун мягок, на изломе имеет серый цвет. Углерод, входящий в его состав, находится преимущественно в свободном состоянии, в виде графита.

Ферросплавы отличаются от передельных чугунов повышенным содержанием кремния, марганца и некоторых других элементов. Они предназначены для добавки в шихту в качестве раскислителей при выплавке стали.

Основными технико-экономическими показателями работы доменных печей являются производительность и расход кокса на 1 т выплавляемого чугуна.

Для оценки производительности пользуются коэффициентом использования полезного объема печи, равным отношению полезного объема печи (м3) к суточной выплавке чугуна (т). Чем меньше этот коэффициент, тем выше производительность печи. В настоящее время при выплавке 1 т передельного чугуна расходуется около 500…600 кг кокса.

Развитие доменного производства осуществляется главным образом в направлении совершенствования подготовки исходных материалов к доменной плавке, интенсификации доменных процессов и увеличения полезного объема доменных печей.

Интенсивность доменных процессов может быть существенно увеличена за счет повышения температуры воздушного дутья до 1300…1400оС, обогащения воздуха кислородом, использования газообразных и жидких топлив для поддержания высокой температуры, а также повышения давления в рабочем пространстве доменной печи.

Большое значение имеет также совершенствование систем комплексной механизации всех производственных процессов и автоматического управления работой доменной печи.

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008