Основы производства чугуна и стали
Производство черных металлов из железной руды— сложный технологический процесс, который может быть условно разделен на две стадии. На первой стадии получают чугун, а на второй — его перерабатывают в сталь. Ниже будут рассмотрены только основные положения технологии производства чугуна и стали.
Чугун выплавляют в доменных печах. Исходными материалами для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы.
Железные руды — горные породы, содержащие железо в виде химических соединений с кислородом и другими элементами. В состав железных руд входят и другие соединения (объединяемые общим названием «пустая порода») в виде кремнезема, глинозема, известняка и т. п. Обычно для производства чугуна используют магнитный железняк Fe304 с содержанием железа до 70 %, красный железняк ?203, содержащий до 65 % железа, и бурый железняк 2?е203-2Н20, содержащий до 60 % железа. Топливом в доменном процессе служит кокс, получаемый при сухой перегонке (сжигание без доступа воздуха) коксующихся каменных углей. Флюсы (плавни) — известняки, доломиты и песчаники применяют для понижения температуры плавления пустой породы и перевода ее и золы топлива в шлак.
Доменная печь представляет собой шахту, снаружи покрытую металлическим кожухом и изнутри футерованную огнеупорным кирпичом. Печь через верхнюю часть, называемую колошником, непрерывно загружают шихтой, чередуя слои руды, флюса и топлива. Для поддержания горения топлива в нижнюю часть печи — горн через фурмы подают под давлением нагретый воздух.
Горение топлива — кокса происходит в верхней части горна за счет кислорода воздуха по реакции С+02=С02. Образующийся при этом углекислый газ поднимается вверх по печи и, встречая на своем пути раскаленный кокс, переходит в оксид углерода: С02+С = 2СО. Оксид углерода восстанавливает оксиды железа до чистого железа, а сам переходит в углекислый газ. Восстановление железа происходит по схеме: ?е203->-?ез04->-?еО—>-?е.
Процесс этот может быть представлен следующими химическими уравнениями:
3Fe203 + СО = 2Ре304 -4- С02: 2?е304 + 2СО = 6?еО -|- 2С02! 6?еО -I- 6СО = GFe -f 6С02.
Восстановление железа из его оксидов происходит во время движения шихты под действием собственной массы от верхней части печи к нижней. В нижней части печи при 900—1100 °С часть восстановленного железа соединяется с углеродом, в результате чего получается карбид железа ?е3С. Этот процесс называют науглероживанием. При температуре около 1150°С начинается плавление науглероженного железа, и образовавшийся жидкий чугун стекает в горн печи. Сюда же стекает расплавленный шлак, который как более легкий материал всплывает над чугуном. Расплавленные чугун и шлак периодически выпускают через специальные отверстия — чугунную и шлаковую летки, причем сначала выпускают шлак, а затем — чугун.
Чугун в расплавленном состоянии подают к разливочным машинам для отливки в «чушки» или в специальных ковшах доставляют в сталеплавильные цехи, где его перерабатывают в сталь. Жидкий шлак из доменной печи используют для производства шлаковой пемзы, гранулированного шлака, каменного литья или сливают в отвал. Побочным продуктом доменного производства является колошниковый газ, который применяют для нужд металлургической промышленности.
Процесс производства стали состоит в уменьшении содержания имеющихся в передельном чугуне примесей (углерода, кремния, марганца, серы, фосфора). Указанные примеси при выплавке стали выгорают либо переходят в шлак. Исходными материалами для выплавки стали являются передельные чугуны, стальной лом, ферросплавы, железная руда и флюсы.
Современными способами производства стали являются конвертерный, мартеновский и электроплавильный (в электропечах).
По конвертерному способу сталь получают в печах-конвертерах. Конвертер (рис. 35) —стальной футерованный сосуд грушевидной формы, поворачивающийся вокруг горизонтальной оси на двух цапфах. В нижней части конвертера имеются фурменные отверстия для подачи воздуха под давлением 0,2—0,25 МПа (изб.). Жидкий передельный чугун заливают из ковша в конвертер, после чего через фурменные отверстия пропускают воздух, обогащенный кислородом. Под воздействием воздуха в расплавленном чугуне образуется закись железа ГеО, которая реагирует с примесями (кремнием, марганцем, фосфором), образуя оксиды, которые переходят в шлак или выгорают, а закись железа при этом восстанавлива