Производство чугуна в доменной печи

Для выплавки чугуна нужны руда, флюсы, топливо и воздух. Основным способом получения чугуна является доменный процесс, протекающий в специальных (доменных) печах, работающих непрерывно до капитального ремонта в течение нескольких лет. Выплавка чугуна производится в огромных доменных печах, выложенных из огнеупорных кирпичей достигающих 30 м высоты при внутреннем диаметре около 12 м. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива.

Верхняя половина доменной печи носит название шахты и заканчивается наверху отверстием колошником, которая закрывается подвижной колонкой колошниковым затвором. Самая широкая часть печи называется распаром, а нижняя часть горном. Через специальные отверстия в горне(фурмы) в печать вдувается горячий воздух или кислород. Доменную печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом и коксом. Агломерат это определенным образом подготовленная руда, спеченная с флюсом. Горение и необходимая для выплавки чугуна температура поддерживаются вдуванием в горн подогретого воздуха или кислорода. Последний поступает в кольцевую трубу, расположенную вокруг нижней части печи, а из нее по изогнутым трубкам через фурмы в горн. В горне кокс сгорает, образуя СО2, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои наколенного кокса, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся оксид углерода и восстанавливает большую часть руды, переходя снова в СО2. Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части шахты. Его можно выразить суммарным уравнением: Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 Пустую породу в руде образуют, главным образом диоксид кремния SiO2. Это тугоплавкое вещество. Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляются флюс. Обычно в качестве флюса используют CaCo3. При взаимодействии его с SiO2 образуется CaSiO2, легко отделяющийся в виде шлака. При восстановлении руды железо получается в твердом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи распар - и растворяет в себе углерод; образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки выпускают по мере накопления через особые отверстия, забитые в остальное время глиной. Выходящие из отверстия печи газы содержат до 25% СО. Их сжигают в особых аппаратах-кауперах, предназначенных для предварительного нагревания вдуваемого в печь воздуха.

При выплавке чугуна решаются задачи:

1. Восстановление железа из окислов руды, науглероживание его и удаление в виде жидкого чугуна определенного химического состава.

2. Оплавление пустой породы руды, образование шлака, растворение в нем золы кокса и удаление его из печи.

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 твердое 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 C 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). Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши.

Чугун поступает в кислородно-конвертерные (см. Кислородный конвертер) или мартеновские цехи (см. Мартеновская печь), или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

Доменная печь работает непрерывно. По мере того как верхние слои руды и кокса опускаются, в печь добавляют новые их порции. Смесь руды и кокса доставляется подъемниками на верхнюю площадку печи и загружается в чугунную воронку, закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает в печь.

Работа печи продолжается в течение нескольких лет, пока печь не потребует капитального ремонта. Процесс выплавки может быть ускорен путем применения в доменных печах кислорода. При вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха предварительный подогрев его становится излишним, а значит, отпадает необходимость в громоздких и сложных кауперах и весь процесс упрощается. Вместе с тем производительность печи повышается и уменьшается расход топлива. Такая доменная печь дает в 1,5 раза больше железа и требует кокса на ј меньше чем обычная.