Основные физико-химические процессы в доменной плавки

 

В зависимости от того, через какую температурную зону доменной печи проходит загруженный материал, он претерпевает те или иные физико-химические процессы:

 

- разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид,

- восстановление железа и других элементов,

- науглероживание железа,

- плавление металла,

- образование и плавление шлаков,

- горение топлива и др.

 

Топливо, опустившись до уровня фурм, сгорает в струе поступающего нагретого воздуха по реакции

 

С + О₂ = СО₂ + 97 650 кал.

 

Температура в фокусе горения кокса достигает 1800—1900°.

 

СО₂, в присутствии раскаленного углерода кокса восстанавливается по реакции

 

СО₂ + С → 2СО - 37 100 кал

 

и увеличивает содержание окиси углерода в газовой смеси. При более низких температурах окись углерода снова распадается по реакции

 

2СО→СО₂ + С + 37 100 кал

 

и образует сажистый углерод, который участвует в процессах восстановления и науглероживания железа.

Для снижения расхода кокса в доменных печах применяют природный газ. Для получения лучших технико-экономических показателей дутье, подаваемое в доменную печь, обогащают кислородом до 30 35%. Чем выше содержание кислорода в воздухе, тем больше кокса может быть заменено природным газом. Соотношение природного газа и кислорода, подаваемых в доменную печь, регулируется автоматически.

Процесс выделения гидратной воды бурых железняков начинается при 250° и заканчивается при 450÷500°. Выделение летучих веществ из кокса заканчивается при более высоких температурах.

Углекислые соли, содержащиеся в рудах и флюсах, при нагреве разлагаются с поглощением значительного количества тепла. Поэтому считают более целесообразным флюсы добавлять к руде перед обжигом ее на агломерат.

Восстановление железа в доменной печи происходит за счет последовательного отщепления кислорода от окислов железа. Bосстановление железа из окиси Fe2О3 окисью углерода проходит следующие стадии:

 

3Fe2O₃ + СО→2Fe₃O₄ + СO₂ + 8870 кал;

2Fe₃O₄ + 2СО→6FeO + 2СO₂ — 9980 кал;

6FeO + 6CO→6Fe + 6CO₂ + 19500 кал.

 

Степень восстановления железа окисью углерода зависит от качества руды — ее естественных свойств и характера предварительной обработки; температуры, при которой идет восстановление; состава газа восстановителя.

 

При более высоких температурах в нижней части доменной печи железо из окислов может восстанавливаться углеродом (сажистым и коксом):

 

FeO + С→Fe + СО - 34 460 кал.

 

Восстановленное железо науглероживается по реакции

 

3Fe + 2СО → Fe₃С + СО₂.

 

Карбид железа Fe₃C растворяется в железе. При содержании в железе более 2% углерода полученные сплавы начинают плавиться при 1145° и называются чугунами. Обычно чугун в доменной печи науглероживается до эвтектического (4,3%) и даже заэвтектического состава (выше 4,3%).

Восстановление окислов марганца до закиси марганца происходит в зоне температур до 700°. Закись марганца восстанавливается углеродом при температуре 1100° и выше и идет с поч глощением тепла по реакции

 

МnО + С→Мn + СО — 61 830 кал.

 

Восстановление кремния из кремнезема углеродом требует большого расхода тепла, высокой температуры:

 

SiO2 + 2C→Si + 2CO

 

Для восстановления марганца, кремния и других элементов — хрома, титана, никеля, ванадия — затрачивается дополнительное количество топлива, требуются специальные шлаки и форсированный режим плавки. Фосфор в доменной печи восстанавливается полностью. Реакции восстановления фосфора идут с поглощением большого количества тепла. Восстановившиеся Cr, Ni, V, Ti и другие элементы переходят в состав чугуна, что приводит к получению природно-легированных чугунов.

Сера в шихту доменной печи попадает с материалами — рудой, топливом и флюсами. В составе чугуна и стали она растворена в виде сульфида FeS и является вредной примесью. Поэтому при плавке стремятся связать ее с компонентами флюсов и перевести в шлак при помощи окиси кальция по реакцииFeS + СаО + С→Fe + CaS + CO.

Для более полного удаления серы необходимо применять более основные известковые шлаки и создавать более высокую температуру в горне.

Шлак в доменной печи образуется в результате сплавления пустой породы руды, золы топлива и добавляемых флюсов. При плавке в доменной печи на 1 кг выплавленного чугуна получается 0,5—0,7 кг шлака.

Главной продукцией доменного производства являются чугуны. Чугуны разделяются на передельные, литейные и специальные. Передельные чугуны выпускаются трех видов: для сталеплавильного (марки П1 и П2) и литейного (ПЛ1 и ПЛ2) производств; фосфористый (ПФ1, ПФ2 и ПФЗ); высоко-качественный (ПВК1, ПВК2 и ПВКЗ). Доля углерода в этих чугунах составляет в среднем 4 %.

Для производства фасонных чугунных отливок выпускаются литейные чушковые чугуны: обычные (маркировка Л) и рафинированные.

Специальные чугуны, или ферросплавы, применяются для раскисления и легирования сталей. К ним относятся сплавы железа с кремнием и марганцем: зеркальные чугуны, ферросилиции и ферромарганцы.

Побочными продуктами доменной плавки являются шлак и колошниковый газ. Из доменного шлака изготовляют шлаковые блоки, цемент, кирпичи, шлаковату, шлакоситаллы и др., для чего его подвергают мокрой грануляции (быстрому охлаждению в воде).

Колошниковый газ в больших объемах используется в качестве газообразного топлива для нагрева воздухонагревателей доменных печей, водяных и паровых котлов, для отопления мартеновских и нагревательных печей.

Выплавка чугуна в доменных печах является самым распространенным и производительным процессом по сравнению с другими процессами получения чугуна. Доменный процесс широко механизирован и автоматизирован.

 

Продукты доменной плавки

 

Конечными продуктами доменной плавки являются чугун, шлак, колошниковый газ и колошниковая пыль.

Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой. В чугуне также содержится незначительные количества водорода, азота и кислорода. В легированном чугуне могут быть хром, никель, ванадий, вольфрам и титан, количество которых зависит от состава проплавляемых руд.

В зависимости от назначения выплавляемые в доменных печах чугуны разделяют на три основных вида: передельный, идущий на передел в сталь; литейный, предназначенный для получения отливок из чугуна в машиностроении; доменные ферросплавы, используемые для раскисления стали в сталеплавильном производстве.

Передельный чугун - первичный сплав железа, выплавленный в доменной печи и идущий (в жидком или твёрдом виде) в переработку (передел) на сталь главным образом в мартеновских печах или кислородных конвертерах. От других видов металла, получаемого в доменных печах (литейных и зеркального чугунов, ферросилиция и ферромарганца), передельный чугун отличается низким содержанием Si и Mn (не более 1,75% каждого). передельный чугун, предназначенный для кислородно-конвертерного передела, имеет более узкие пределы колебаний химического состава по Si, Mn и S. Выплавляется также высококачественный передельный чугун, который характеризуется низким содержанием Р (0,020-0,060%) и S (0,015-0,025%). Передельный чугун - основная продукция доменного производства.

Передельный чугун подразделяют на три вида:

1. Передельный коксовый (марки М1, М2, М3, Б1, Б2).

2. Передельный коксовый фосфористый (МФ1, МФ2, МФ3).

3. Передельный коксовый высококачественный (ПВК1, ПВК2, ПВК3).

Для отливки используют так называемые литейные чугуны, которым предъявляются следующие требования: легкоплавкость, давать плотные и беспузыристые отливки, и незначительное изменение объема при затвердевании изделия. Чугун должен давать отливки, обладающие необходимой твердости, прочности и упругости.

Для этого используют шихту из различных сортов чугуна и переплавляют их в специальной пламенной печи. В редких случаях используют чугун из доменной печи. В составе чугуна есть множество примесей таких как: кремний, фосфор, марганец, сера и т. п. Эти все примеси влияют на свойство отливок, поэтому специалисты этого профиля (литейщики), для составления шихты должны иметь представления о химическом составе используемого чугуна. Особенно большое влияние оказывает содержание углерода, который содержится в виде графита, углерода закала или карбида, и все они вызывают различные свойства. Углерод в виде графита, отлагается в качестве постороннего рыхлого вещества, который придает чугуну мягкость, рыхлость и дает возможность довольно легко обрабатываться резцом, но если содержание графита более 2,5 процентов следует понижение прочности и вязкости чугуна, вследствие чего чугун становиться непригодным для отливки. В расплавленном состоянии чугун способен выделить графит, который всплывает на поверхность совместно с частичками железа, образуя при этом так называемую спель (Gaarschaum). Это довольно сильно затрудняет процесс отливки, так как нарушает однородность и чистоту поверхности. Что касается углерода закала, то его присутствие сильно увеличивает твердость и прочность чугуна, но если его количество будет свыше 0,7 процентов, то он влечет за собою уменьшение прочности, а хрупкость наоборот повышается. Зависимость углерода в виде карбида в чугуне пропорциональна количеству углерода закала, поэтому и влияние этого, последнего, понижается, что приводить к смягчению и вязкости чугуна.

В зависимости от содержания химических элементов и включая вышеупомянутых элементов, литейные чугуны можно разделить на серые и белые. В литейном деле в основном используется только серый чугун, а белый служит как прибавка к сильнокремнистым чугунам или же идет на передел.

Литейный коксовый чугун выплавляют семи марок: ЛК1 ЛК7. Каждую марку подразделяют на три группы по содержанию марганца, пять классов по содержанию фосфора и на пять категорий по содержанию серы. Литейный чугун после выпуска из доменной печи разливают в чушки и в холодном виде направляют на машиностроительные заводы, где для отливки деталей машин его вторично подвергают расплавлению в специальных печах-вагранках.

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 эле-ментами. 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.