Марганец - постоянная примесь железных руд. При выплавке чугунов с повышенным содержанием марганца в доменную печь загружается марганцовая руда. Высшие окислы марганца восстанавливаются до закиси марганца MnO окисью углерода, аналогично окислам железа: MnО2 à Mn2О3 à Mn3О4 à MnО. Закись марганца восстанавливается твердым углеродом по реакция Mn + CO - Q.
Эта реакция протекает при температурах выше 1000оС с поглощением тепла. Поэтому для восстановления марганца требуется увеличивать расход кокса и температуру дутья.
Кремний находится в пустой породе руды и в золе кокса в виде свободного кремнезема SiO2 или в виде силикатов. Восстановление кремния происходит по реакции SiO2 + 2C = Si + 2CO - Q
Другие полезные примеси - никель, ванадий, хром и т. д. - попадают в доменную печь в виде примесей железной руды. При доменной плавке никель восстанавливается и переходит в чугун полностью, хром на 85-95%, ванадий - на 70-80% и т. д.
Фосфор - вредная примесь железных руд находится в них главным образом в виде Р2О5·3СаО. Восстановление фосфора происходит окисью углерода СО, водородом, а также твердым углеродом. Весь фосфор, внесенный шихтой, восстанавливается и переходит в чугун практически полностью.
Сера - особенно вредная примесь в чугуне (и в стали). Основное количество серы вносит кокс, часть железная руда, агломерат, окатыши. В доменной печи 10-20% серы удаляется в виде газообразных соединений (SO2 H2S и др.). Остальная часть серы переходит в чугун и в шлак в виде сульфидов FeS, CaS и др. Сульфид железа хорошо растворяется в чугуне. В условиях доменной плавки основным способом десульфурации, т. е. удаления серы из металла, является образование сульфида кальция CaS по реакции FeS + CaO = FeO + CaS +Q. Сульфид кальция CaS нерастворим в чугуне и находится в шлаке.
Шлакообразование начинается примерно в распаре печи. Первичный шлак образуется в результате сплавления CaO, SiO2, AI2О3 и других окислов, находящихся в составе флюса и пустой породы. При определенных соотношениях по массе эти тугоплавкие окислы могут образовывать легкоплавкие смеси - сплавы с Тпл= 1150-1200°С. Стекая вниз и накапливаясь в горне, шлак существенно изменяет свой состав. В результате взаимодействия с расплавленным чугуном и остатками несгоревшего кокса в шлаке восстанавливаются окислы железа и марганца, в нем растворяются FeS, MnS, зола кокса и т.д. Химический состав шлака определяет состав чугуна и поэтому при выплавке передельных, литейных и других чугунов всегда подбирают шлак соответствующего состава. Типовой состав шлака: 40-50% СаО; 38-40% SiO2; 7-10%AI2O3).
Одна из важнейших характеристик шлака - его основность, т.е., отношение содержания основных окислов к содержанию кислотных окислов. В заводской практике основность нередко определяется упрощенно, как О = %(СаО)/%(SiO2).
ПРОДУКТЫ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
Расплавленный чугун выпускают через чугунные летки по 10-18 раз в сутки. В ковшах - чугуновозах емкостью 80-100 т его по железнодорожным путям подают либо в сталеплавильный цех для передела в сталь, либо на разливочную машину. В первом случае чугун сливают в миксеры (копильники) емкостью до 2000 т, отапливаемые газом. При выдержке в миксере выравниваются химический состав и температура чугуна, происходит дополнительное удаление серы.
Разливочная машина представляет собой конвейер с укрепленными на нем формами (мульдами); в них получают небольшие слитки - чугунные чушки (до 55 кг) которые направляют на другие заводы.
Чугуны и ферросплавы. В доменных печах выплавляют передельные и литейные чугуны, а также некоторые ферросплавы.
Передельные чугуны выплавляют трех видов: 1 - коксовый М1, М2, М3, Б1, Б2 -фосфористый - высококачественный
По содержанию вредных примесей - фосфора и серы - чугуны делятся на классы А, Б и т. д. по фосфору на категории I, II и т. д. по сере.
Наиболее распространенные чугуны М1, М2, М3 применяют для выплавки стали мартеновским и кислородно-конверторным способами. Чугуны марок Б1, Б2, используют для передела на сталь бессемеровским способом. Фосфористые чугуны МФ1, МФ2 и МФ3 переделывают в сталь в мартеновских качающихся печах. Высококачественные чугуны ПВК1, ПВК2, ПВК3 имеют минимальное содержание вредных примесей и используются для выплавки качественных сталей в электродуговых и других печах.
Литейные чугуны применяют для получения литых деталей. Обычные литейные чугуны содержат 0,1-0,3% Р, для художественного литья применяют фосфористые чугуны, содержащие до 1,2% Р.
Доменные ферросплавы, зеркальные чугуны ЗЧ1, ЗЧ2, ЗЧ3 применяют при выплавке сталей для раскисления и легирования.
В доменных печах из руд некоторых месторождений выплавляют также природнолегированные чугуны, содержащие хром, ванадий, никель и т. н.
Доменный шлак - побочный продукт плавки - по мере его накопления выпускают в расплавленном состоянии через шлаковые летки в ковши-шлаковозы. В настоящее время шлак все шире используют для получения строительных материалов.
Доменный или колошниковый газ непрерывно удаляется через газоотводы в колошнике из доменной печи.
После очистки от пыли (частиц руды, топлива, флюсов) доменный газ используют как топливо для нагрева воздухонагревателей доменных печей, водяных и паровых котлов. В смеси с более высококалорийными коксовым или природным газами его применяют также для отопления мартеновских и нагревательных печей.
ТОПЛИВО
Топливом в металлургических печах являются кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ.
Кокс получают на коксохимических заводах в коксовых печах сухой перегонкой при температуре 1000 °С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80—88 % углерода, 8—12% золы, 2—5% влаги, 0,5—1,8% серы, 0,02— 0,2 % фосфора и до 1—2 % летучих продуктов. Для доменной плавки кокс должен содержать минимальное количество серы и золы. Куски кокса должны иметь размеры 25—60 мм. Кокс должен обладать достаточной прочностью, чтобы не разрушаться под действием шихтовых материалов.
Природный газ содержит 90—98 % углеводородов (СН4 и С2Н6) и 1 % азота.
Мазут содержит 84—88 % углерода, 10—12 % водорода, небольшое количество серы и кислорода. Кроме того, используют доменный или колошниковый газ, побочный продукт доменного процесса.
ПРОДУКТЫ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
Основным продуктом доменной плавки является чугун.
Передельный чугун предназначается для дальнейшего передела в сталь. На его долю приходится 90 % общего производства чугуна. Обычно такой чугун содержит 3,8…4,4 % углерода, 0,3…1,2 % кремния, 0,2…1 % марганца, 0,15…0,20 % фосфора, 0,03…0,07 % серы.
Литейный чугун применяется после переплава на машиностроительных заводах для получения фасонных отливок.
Кроме чугуна в доменных печах выплавляют
Ферросплавы – сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Их применяют для раскисления и легирования стали.
Побочными продуктами доменной плавки являются шлак и доменный газ.
Из шлака изготовляют шлаковату, цемент, удобрения (стараются получить гранулированный шлак, для этого его выливают на струю воды).
Доменный газ после очистки используется как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в печь.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЧУГУНОВ
Чугун отличается от стали: по составу – более высокое содержание углерода и примесей; по технологическим свойствам – более высокие литейные свойства, малая способность к пластической деформации, почти не используется в сварных конструкциях.
В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:
· белый чугун – углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск;
· серый чугун – весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии находится не более 0,8 % углерода. Из-за большого количества графита его излом имеет серый цвет;
· половинчатый – часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не менее 2 % углерода находится в форме цементита. Мало используется в технике.
