Обзор способов получения чугуна

Обзор современных способов получения чугуна и стали

Область технологии металлов, которая занимается изуче­нием способов производства металлов и сплавов, называется металлургией. В соответствии с общей классификацией металлов ее можно разделить на металлургию черных металлов и металлургию цветных металлов.

Для получения чугуна необходимо приготовить шихту — смесь сырых материалов, подлежащую переработке в металлурги­ческих печах. Шихта для производства чугуна состоит из желез­ной руды, топлива и флюсов, взятых в определенных соотношениях.

В качестве сырья в черной металлургии используются различные природные железные руды (окиси, гидроокиси, карбонаты), а также металлические отходы и лом. Топливо обеспечивает необходимую температуру для расплавления исходных материалов, углерод топлива входит также в состав железоуглеро­дистых сплавов. Флюсы служат для понижения температуры пла­вления пустой породы — соединений, не содержащих элементов, не­обходимых для получения чугуна.

Железная руда путем восстановления превращается либо в передельный чугун в доменных печах или электропечах, либо в губчатый металл (губчатое железо), или в кусковое железо при помощи различных процессов восстановления; если требуется железо исключительной чистоты для специальных целей (например, в химической промышленности), то оно получается путем электролиза или при помощи других химических процессов.
Большая часть чугуна, полученного из железной руды, все еще вырабатывается при помощи доменного процесса. Восстановители в доменных печах состоят преимущественно из твердого кокса, иногда в сочетании с небольшими количествами угля или жидкими или газообразными углеводородами.

Чугун, получаемый таким образом, является жидким передельным чугуном. Побочными продуктами являются шлак, доменный газ и колошниковая пыль.

Большая часть получаемого таким образом жидкого передельного чугуна перерабатывается непосредственно в сталь на металлургических заводах.

Некоторая часть чугуна может быть использована на литейных заводах (чугунолитейные заводы) для производства изложниц, чугунных труб и т.п. Оставшаяся часть может быть отлита в форме чушек или брусков.

Переработка железной руды в установках прямого восстановления

В отличие от описанного выше процесса, в данном случае восстановителями обычно являются газообразные или жидкие углеводороды или уголь, так что не возникает потребности в твердом коксе.

В данных процессах температура восстановления ниже, поэтому конечные продукты (обычно известные как губчатое железо) получаются, не проходя через расплавленное состояние, в форме губчатого металла, металлизованных окатышей или кусков. По этой причине содержание в них углерода бывает обычно ниже, чем в доменном чугуне (где расплавленный металл находится в тесном контакте с углеродом). Большинство этих черновых продуктов переплавляется на сталелитейных заводах и перерабатывается в сталь.

Передельный или литейный чугун в расплавленном или твердом виде и продукты из черных металлов, полученных путем прямого восстановления (губчатое железо), составляют вместе с металлическими отходами и ломом исходные материалы для производства стали. К этим материалам добавляются некоторые шлакообразующие добавки, такие как негашеная известь, флюорит, раскислители (например, ферромарганец, ферросилиций, алюминий) и различные легирующие элементы.

Процессы производства стали разделяются на две основные категории, а именно: конвертерные процессы, в которых расплавленный передельный чугун в конвертере проходит очистку от примесей продуваемым воздухом; и нагревательные процессы, для осуществления которых используются мартеновские и электрические печи.

Конвертерные процессы не требуют внешнего источника тепла. Они применяются в том случае, когда завалка состоит главным образом из расплавленного передельного чугуна. Окисление некоторых элементов, присутствующих в чугуне (например, углерода, фосфора, кремния и марганца), обеспечивает достаточно тепла, чтобы удерживать сталь в жидком состоянии.
Мартеновские процессы, однако, требуют внешнего источника тепла. Они применяются, когда исходным материалом служит твердая завалка (например, металлолом или скрап, губчатое железо и твердый передельный чугун).

Двумя основными процессами в этой категории являются мартеновский процесс, при котором нагревание осуществляется при помощи сжигания мазута или газа, и электросталеплавильные процессы в дуговых или индукционных печах, где нагревание осуществляется электричеством.

Возникло много новых процессов для производства сталей специального состава или со специальными свойствами. Эти новые процессы включают электродуговую плавку в вакууме, электронно-лучевую плавку или электрошлаковый процесс. Во всех этих процессах сталь получается из плавящегося электрода.

Стали, полученные в этих процессах, подразделяются согласно содержанию в них легирующих элементов на нелегированные стали и легированные стали (нержавеющая сталь или другие виды). Далее они классифицируются в соответствии с их особыми свойствами на автоматную сталь, кремнистую электросталь, быстрорежущую сталь или, например, марганцевокремнистую сталь.

Дата добавления: 2015-11-20 ; просмотров: 2611 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Производство чугуна — как получают чугун?

Производство чугуна

Производство чугуна и сама черная металурия своими истоками отходит ко II-ому тысячелетию до н. э., когда человек начал использовать эти процессы, чтобы получить сталь. Первая доменная печь появилась в Европе только в XIV — XV веках. В это время чугун получался как побочный продукт, не имеющий ценности.

Чугун — это металл, который широко используется в разнообразных отраслях промышленности и отличается хорошими рабочими характеристиками. Его получают с помощью относительно несложного процесса, который не включает в себя много шагов. Производство чугуна осуществляется в доменных печах, которые представляют собой что-то по типу большой пробирки. О процессе получения чугуна вы узнаете подробнее из этой статьи.

Горно-обогатительные комбинаты

Основное сырье, которое используется для производства чугуна, это железная руда. Добыча производится в открытых карьерах в разных областях Украины. В составе железной руда, как известно, есть много различных примесей, поэтому ее использование в сыром виде для получения чугуна невозможно. Добытая руда изначально транспортируется на предприятие, имеющее специальное назначение, которое называется горно-обогатительным комбинатом. На этом предприятии из руды удаляется пустая порода, а также происходит процесс дробления. Потом чистую (обогащенную) руду с помощью железнодорожного транспорта доставляют на металлургические комбинаты.

Процесс агломерации — производство чугуна

Непосредственно сам процесс получения чугуна мы рассмотрим чуть ниже. Перед этим рассмотрим процесс подготовки руды для выплавки чугуна.

Использование для переплавки обычного дробленного материала резко снижает производительность доменной печи из-за того, что такой материал будет иметь низкую степень газопроницаемости. Решить эту проблему можно с помощью процесса агломерации, который происходит перед загрузкой руды в доменную печь. Этот процесс производится на специальных участках (цехах) металлургического комбината. Агломерация – это спекание породы в куски определенного размера, который наиболее подходит для производства чугуна. Высокая температура обеспечивает слипание частиц шихты, которые образуют куски, но они, в свою очередь, могут легко плавиться. Железная руда предварительно смешивается с углем. Горение угля обеспечивает необходимую температуру для спекания кусков. Также происходит стимулирование процесса агломерации потоком воздуха (сверху вниз), который пропускается через слой руды с углем.

Агломерат можно получить не только с помощью руды. Его также можно получить из небольших кусков железа, т.е. обычный металлолом может служить сырьем для чугуна.

Что происходит в печи — как получают чугун

Теперь рассмотрим производство чугуна непосредственно в доменной печи. Доменная печь такой конструкции как на рисунке внутри облицована кирпичом. Также она имеет достаточно простой принцип работы. При производстве чугуна, используют не только агломерат, но и кокс, известь и флюс. Эти материалы смешиваются в заданной известной пропорции, и данная смесь называется доменной шихтой. С помощью специальных подъемников она поднимается на верх доменной печи. Возгорание кокса возможно только при наличии большого количества воздуха, который обогащен кислородом. Воздух подается под большим давлением с помощью специальных фурменных отверстий внизу печи для того, чтобы он проник через пласт шихты, подаваемой сверху. Поток воздуха подогревают до 600-800С, чтобы поддерживать нужную температуру внутри печи. Чугун, который образуется из расплавленной шихты, стекает вниз и с определенной периодичностью (1 раз в 40 мин) и выпускается наружу через специальное отверстие, которое называется летка. После этого с помощью чаш больших емкостей он транспортируется в сталеплавильные цеха.

Восстановление и науглероживание железа в печи

Доменные печи работают по принципу противотока. Вот основные химические процессы, которые происходят в печи поочередно:

Восстановление железа.

Этот последовательный процесс выглядит так: Fe2O3 — Fe3O4 — FeO — Fe. В этом случае восстановителем является оксид углерода (CO), который образуется при взаимодействии CO2 с раскаленным коксом.

Науглероживание железа

Химическая реакция в данном случае выглядит так: 3Fe + 2CO = Fe3C + CO2 + Q. Карбид Fe3C легко смешивается с твердым железом, в результате чего и образуется сплав последнего с углеродом. Когда он стекает вниз, омывая куски кокса, он науглероживается еще больше. Кроме этого, такие вещества, как марганец, сера, кремний и т. д., при этом растворяются. Теперь понятно, что металл из доменной печи — это сплав железа с углеродом.

Восстановление других элементов

Марганец, кремний, сера и фосфор попадают в доменную печь вместе с шихтой в виде различных химических соединений. Высшие оксиды марганца восстанавливаются до MnO примерно по тому же принципу, что и железо: MnO2 — Mn2O3 — Mn3O4 — MnO. Чистый марганец выделяется так: MnO + C = Mn + CO — Q. Кремний попадает в печь в виде кремнезема SiO2. Его восстановление происходит по реакции SiO2 + 2C = Si + 2CO — Q.

Фосфор восстанавливается водородом, твердым углеродом и CO и, к сожалению, практически полностью переходит в чугун. Этот элемент ухудшает доменный сплав железа. В то же время, кремнезем позволяет получать чугун хорошего качества, а также высшие оксиды марганца. Марганец в некоторых случаях добавляется в доменную печь специально. При этом получается особый вид чугуна — марганцевый.

Удаление серы

Получение чугуна хорошего качества, в основном сводится к его очистке от серы, которая является нежелательным элементом. Сера — это основная вредная примесь, значительно ухудшающая свойства конечного продукта выплавки. Самое большое количество серы содержится в коксе. Удаляют серу с помощью извести (CaO), которую вводят в состав шихты, и увеличения температуры. Химическая реакция в этом случае выглядит так: FeS + CaO = FeO + CaO + Q. Чтобы снизить процент серы в чугуне можно использовать и другие способы. Например, обрабатывать выплавленный материал в выпускном желобе или чаше с содой. При этом удаление серы происходит в химической реакции FeS + NaCO3 = FeO + Na2S + CO2.

Образование шлака

Из вышенаписанного теперь понятно как получают чугун. Но производство чугуна ведет к образованию еще одного продукта, который получил широкое использование – это шлак. При выплавке 1 тоны чугуна образуется 0,6 тоны шлака. Это происходит из-за того, что даже в очищенной железной руде содержится много глины. А в состав кокса входит зола. Поэтому для удаления этих ненужных элементов в шихте, используются флюсы (карбонат кальция и карбонат магния). При плавке они вступают в химическую реакцию с разного рода примесями, и в результате этого процесса образуется шлак. Шлак представляет собой алюмосиликатный или силикатный расплав.

Плотность жидкого чугуна выше, чем плотность шлака. Поэтому в процессе плавки шлак располагается сверху. Его периодически удаляют через шлаковую летку. Шлак является побочным продуктом чугунолитейного производства, но широко используется в строительной отрасли для изготовления цемента и строительных блоков. В данном применении шлак используется как наполнитель.

Поэтому данный вопрос — как получают чугун — не является слишком сложным. Но следует иметь ввиду, что в доменной печи можно получить чугун, который будет отличаться по химическому составу и физическим свойствам. Все чугуны делятся на два вида: передельный чугун (белый чугун) и литейный чугун (серый чугун). Первая разновидность используется в качестве сырья при производстве стали. Литейный чугун применяют для получения разнообразных чугунных отливок, которые могут использоваться как готовые изделия в различных отраслях промышленности.

Основные свойства чугуна зависят от количества примесей, которые входят в его состав: марганца, фосфора, кремния и серы.

Источник

Методы получения чугуна и стали

Производство чугуна из железосодержащих материалов производят путем выплавки в специальных шахтных печах (домнах) и называют доменным процессом.

Важная роль чугуна в ме­таллургии и вообще в экономике страны определяется тем, что он является первичным продуктом переработки железных руд. Свыше 80 % чугуна, выплавляемого в до­менных печах, в дальнейшем перерабатывается в сталь. Эти чугуны называются передельными.

Чугуны, предназначенные для получения фасонного литья в ма­шиностроительном производстве, называют литейными. Для повы­шения качества отливок применяют небольшие количества добавок для модифицирования и легирования (хром, никель и др.). Введение в расплавы модификаторов (например, магния, ферросилиция, силикокальция, алюминия, титана) способствует кристаллизации структурных составляющих в измельченной форме. Легирование так­же способствует улучшению механических свойств путем изменения строения и структуры сплавов.

Специальные чугуны (доменные ферросплавы) выплавляют в небольших количествах и применяют для раскисления и легиро­вания стали.

Для выплавки чугуна используют железную руду, а также марган­цевые, хромовые и комплексные руды, топливо и флюсы, которые в необходимой пропорции образуют шихту. Железные руды содержат железо в виде оксидов, например Fe₂0₃ (красный железняк), Fe₃0₄ (магнитный железняк). В 2002 г. в России добыто примерно 84,2 млн т железных руд.

Для повышения производительности доменной печи, экономии кокса, улучшения качества чугуна железные руды предварительно дробят, сортируют для получения кусков требуемой величины и обо­гащают, отделяя и устраняя пустую породу. Для удаления вредных примесей и улучшения металлургических свойств шихту, состоящую из железной руды и флюса, спекают в агломерационных машинах при температуре 1300. 1500° С, подвергают окатыванию и обжигу при температуре 1200. 1 350 °С. Результатом такой обработки явля­ются прочные, пористые окатыши диаметром до 30 мм.

Флюсы — это материалы преимущественно минерального про­исхождения, вводимые в шихту для образования шлака и для регу­лирования его состава, в частности для связывания пустой породы, продуктов раскисления металла, а также уменьшения процентного содержания вредных примесей. По химическому составу флюсы подразделяют на основные (известняк СаС0₃), кислые (кремнезем) и нейтральные (глинозем).

Шлаком называют расплав, покрывающий поверхность жидкого металла, который после затвердевания представляет собой камневидное или стекловидное вещество.

В качестве основного топлива для доменной плавки служит кокс. Кокс представляет собой твердый углеродистый остаток, образую­щийся при нагревании каменного угля без доступа воздуха до тем­пературы 950. 1 050º С. Содержание углерода в коксе — 96. 98 %. Теплота сгорания кокса — 29 МДж/кг.

Доменная печь (рис. 2.1) — шахтная печь для выплавки чугуна из железной руды. Она устанавливается на бетонном фунда­менте, имеет стальной кожух, выложенный внутри огнеупорным кирпичом.

Рис. 2.1. Схема доменной печи: 1 — горн; 2 — фурма; 3 — заплечики; 4 — распар; 5 — шахта; 6 — колошник; 7,8 — шлаковая и чугунная летка соответственно; H — высота.

В верхней части печи, называемой колошником, находится за­сыпной аппарат, предназначенный для загрузки шихты. Под (дно) доменной печи расположен над бетонным фундаментом и называется лещадь. Поскольку на лещади скапливается расплавленный чугун, ее выкладывают углеродистым кирпичом и блоками, содержащими до 92 % углерода в виде графита и обладающими высокой огнеупор­ностью.

В нижней части печи — горне — имеются отверстия для выпуска расплавленного чугуна (чугунная летка) и шлака (шлаковая лет­ка). Чугун выпускают из печи через каждые 3. 4 ч, а шлак — через 1. 1,5 ч и сливают в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши. Чугунную летку открывают бурильной машиной. После каждого вы­пуска чугунную летку заделывают огнеупорной массой, а шлаковую летку обычно закрывают металлической пробкой.

В верхней части горна находятся устройства — фурмы, через ко­торые в печь поступает воздух, необходимый для горения топлива. Вблизи фурм кокс, взаимодействуя с кислородом нагретого воздуха, сгорает, образуя газовый поток, содержащий угарный газ (оксид углерода) СО, углекислый газ (диоксид углерода) С0₂, азот N₂, ме­тан СН₄и др. Следует иметь в виду, что некоторые из образующихся газов — вредные и опасные. Так, например, в производственных помещениях не допускается содержание угарного газа более чем 0,03 мг/л. Наличие метана в воздухе в пределах 5. 15 об. % и более приводит к образованию взрывчатой смеси.

Воздух поступает в доменную печь из воздухонагревателей. По­догрев воздуха снижает расход топлива. Внутри воздухонагревателей имеются насадки из огнеупорных кирпичей и камеры сгорания.

В камеру сгорания подают доменный газ, который, сгорая, про­ходит через насадку и нагревает ее. Затем подача газа прекращается и через нагретую насадку пропускается воздух, который при этом нагревается до 1 200 «С. Наличие нескольких воздухонагревателей, работающих попеременно, обеспечивает непрерывную подачу в ра­бочее пространство печи нагретого воздуха.

Температура рабочего пространства печи выше зоны подачи воздуха (выше уровня фурм) составляет 2 000 °С. Эта часть печи вы­полняется наиболее широкой и называется распаром. Ниже распара расположены заплечики с сужающимся книзу поперечным сечением. Они замедляют опускание шихты. Выше распара поперечное сечение шахты также уменьшается, что способствует свободному опусканию шихты.

Производство стали представляет собой передел чугуна в сталь и состоит в снижении содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления (табл. 2.6).

Окисление железа, кремния, фосфора и марганца в сталепла­вильной печи происходит с вьщелением теплоты Q (экзотермическая реакция) при этом окис­ление кремния, фосфора и марганца происходит в начале плавки:

2FeO + Si = Si0₂ + 2Fe + Q

FeO + Mn = MnO + Fe + Q

1.6. Сопоставление содержания, %, углерода и примесей

Источник