Способ получения чугуна химия

Состав и структура, а также особенности производства чугуна

Чугун – это важный продукт черной металлургии, от которого зависит эффективность работы многих отраслей промышленности. Основные особенности и способы его производства рассмотрим в этой статье.

Состав и структура металла

Производство чугуна и стали — важная отрасль в жизни страны. И для начала мы поговорим про состав первого металла.

Чугун делают из железосодержащей руды. После производства чугун имеет следующий состав:

• Железо, в состав которого входит углерод.
• Марганцевую примесь.
• Серную примесь.
• Фосфорную примесь.
• Кремневую примесь.

Чугун бывает несколько видов: белый и серый. Каждый вид имеет индивидуальный состав и структуру.

Данное видео расскажет о составе чугуна и стали, а также нюансах их производства:

Белый вид

Благодаря особенностям состава белый чугун имеет светлый оттенок. Рассмотрим состав белого чугуна:

• Цементит (в этом состоянии здесь находится углерод).
• Перлит.
• Ледебурит.
• Кремний.
• Фосфор.
• Марганец.
• Сера.

Серый вид

В составе серого чугуна отсутствует один компонент (ледебурит). Серый чугун состоит из:

• Графита (в этом виде здесь представлена некоторая часть углерода).
• Перлита.
• Кремния.
• Фосфора.
• Марганца.
• Серы.

Углерод и иные компоненты

• Самый главный элемент в чугуне, конечно же, углерод. В зависимости от его количественного содержания получается материал различного сорта.
• После углерода, на втором месте стоит кремний. Его процентное содержание влияет на мягкость, текучесть и литейный свойства материала.
• Благодаря такому элементу, как марганец, чугун приобретает прочность.
• Наличие фосфора в материале делает его способным быстро образовывать трещины в холодных отливках. Кроме этого, эта примесь существенно снижает механические свойства чугуна. Из-за фосфора чугун получается твердым и очень прочным. Но такой чугун не используют для производства деталей, от которых требуется повышенная прочность.
• Самое вредная примесь – это сера. Ее наличие отрицательно влияет на тугоплавкость и жидкотекучесть материала.

Если разломить белый и серый чугун, то можно увидеть совершенно разные структуры. Визуально структуру серого чугуна можно представить в виде металлической матрицы с кристаллами графита. Матрица может иметь совершенно разный вид. Различают:

• Ферритный вид (в составе структуры нет связанного углерода).
• Феррито-перлитный вид (есть связанный углерод в количестве до 0,8%).
• Перлитный вид (количество углерода 0,8%).

На структуры влияет температура. В случае быстрого охлаждения получается перлитная структура, а в случае медленного – ферритная.

Графит

В зависимости от формы графита различают:

• Ковкий чугун (кристаллы графита имеют хлопьевидную форму).
• Высокопрочный чугун (кристаллы графита имеют сферическую форму).
• Обыкновенный серый чугун (графит имеет пластинчатую форму).

Графит может включаться в структуру серого чугуна различным способом. В зависимости от этого чугун бывает:

• С гнездообразной структурой.
• С игольчатой структурой.
• С пластинчатой прямолинейной структурой.
• С пластинчатой завихренной структурой.

Если сравнивать между собой белый и серый чугун, то наиболее применяемым является серый. Белый чугун проблематично порезать, он трудно отливается. К тому же ему свойственны твердость и хрупкость.

Химический состав

Чугуны могут изготавливаться по назначению. В зависимости от назначения и определенного химического состава, чугуны бывают:

1. Высокопрочные. Высокопрочный чугун получают путем введения в серый чугун (состояние жидкое) специальных добавок. Его используют для очень ответственных деталей. Высокопрочным чугуном часто заменяют сталь.
2. Ковкие. Ковкий чугун получают из белого. Для производства применяют термообработку. Ковкий чугун обладает хорошей вязкостью, высокой пластичностью, повышенным сопротивлениям к ударам и растяжением.
3. Легированные. Легированный чугун содержит практически все элементы. То есть в его состав входит титан, хром, никель, сера. Материал отличается износостойкостью, твердостью и прочностью. Такой вид чугунов преимущественно используют для производства деталей машин с высокими механическими свойствами. В зависимости от преобладающего элемента чугуны бывают никелевые, хромистые и титановые.
4. Специальные (ферросплавы). В специальном чугуне присутствует высокое содержание нескольких элементов: это кремний и марганец. Такие чугуны в основном идут для плавки стали и позволяют удалить из стали вредную примесь (кислород).

Далее рассмотрены литейное, доменное и иные процессы в производстве чугуна, а также указаны исходные материалы для этого.

О производстве чугуна и стали расскажет данный видеоролик:

Производство чугуна

Необходимое оборудование

Для производства чугуна необходима огромная доменная печь. Габаритные размеры такой печи впечатляют: высота 30 метров, внутренний диаметр 12 метров.

• Самая широкая часть доменной печи носит название – распар.
• Нижнюю часть называют горном (через нее в печь попадает горячий воздух).
• Самая верхняя часть доменный печи называется шахта. Она имеет верхнее отверстие, которое носит название калашник. Калашник закрывается специальным затвором.

В основе работы доменной печи лежит противоток. Воздух подается снизу, а материалы (кокс, флюсы и руда) заправляются сверху. Кокс необходим для нагрева, расплавления и восстановления руды. Без флюса не сможет образоваться шлак. А руда – это основное сырье для производства чугуна.

Кроме доменной печи для производства чугуна обязательно потребуются:

• вагонетки,
• специальный кран,
• бункеры,
• транспортеры
• и другое, в условиях металлургического завода.

Сырье

Совокупность веществ

В состав железной руды входит рудное вещество и пустая порода, которая состоит: из песчаника с примесью глинистых веществ, из кварцита, из известняка и из доломита. Под рудным веществом подразумевают карбонаты железа, окислы и силикаты.

В руде может присутствовать разное количество рудного вещества. В зависимости от этого она бывает богатая и бедная. Бедную руду отправляют на обогащение, а богатую сразу используют в производстве.

Железные руды бывают нескольких видов:

1. Бурый железняк. В состав входит железо в форме водных окислов. Общее процентное содержание железа составляет 25-50%. Пустая порода такого железняка может быть кремнисто-глиноземной и отличаться глинистостью.
2. Красный железняк. Материал имеет второе название – гематит. Железо в структуре этого железняка представлено в форме безводной окиси. В таком железняке очень мало вредных примесей, а самого железа содержится 45-55%. Цвет руды располагается в диапазоне от темно-красного до темно-серого.
3. Магнитный железняк. Железо представлено в форме закиси-окиси и составляет от общего количества 30-37%. У такой руды черный или темно-серый цвет. Пустая порода представляет собой кремнеземистую массу с другими окислами.
4. Шпатовый железняк. Имеет второе название сидерит. Цвет у этого вещества грязно-серый или желтовато-белый. Этот материал легко поддается восстановлению. Железняк достаточно легко окисляется и переходит в форму бурого известняка. Железо в шпатовом железняке представлено в форме углекислой соли.

О том, какие вещества являются сырьем для производства чугуна, читайте ниже.

Расчет

Для производства чугуна в количестве одной тонны потребуется:

• Три тонны железистой руды.
• Одна тонна топливного кокса.
• Флюс (количество зависит в зависимости от типа руды).
• Двадцать тонн воды.

Далее рассмотрена технология производства чугуна.

Технологии

Технология производства чугуна состоит из следующих стадий:

1. Подготовка руды. Суть ее заключается в пересортировке руды по размеру кусков и химическому составу. Руду крупных размеров дробят на более мелкие части, а фракции в виде пыли или мелких частиц, наоборот, окусковывают. В основе процессе окускования лежит агломерация, в процессе которой происходит спекание шихты и образование пористого продукта. Так же на этом этапе проводят процедуру обогащения бедных руд. В процессе переработки большая часть пустой породы удаляется, содержание железа увеличивается.
2. Подготовка топлива. Кокс подвергают грохочению. В результате этого процесса удаляется ненужная мелочь, которая может привести к потери тепла в процессе плавки.
3. Подготовка флюсов. Флюс так же измельчают и отсеивают мелочь. После этого все материалы загружаются в печь.
4. Доменный процесс производства. Доменную печь заправляют коксом, затем агломератором (руда спеченная с флюсом) и снова коксом. Температура для выплавки поддерживается благодаря вдуванию подогретого воздуха. В горне сгорает кокс и образуется углекислый газ. СО2 проходит через кокс и образует СО. Окись углерода восстанавливает основную часть руды. При восстановлении железо становится твердым. Оно постепенно переходит в более горячую часть доменной печи, где растворяет внутри себя углерод. В результате образуется чугун. Жидкий чугун вытекает в специальные ковши, откуда его выливают в предназначенные для него формы или сборники-смесители.

Кратко о производстве и производителях (изготовителях) чугуна в России и странах мира расскажет заключительный раздел статьи.

Доменное производство чугуна

Известные производители

На долю мировых производителей чугуна приходится около 900 млн. тонн продукции в год. Если сравнивать объемы производства, то лидирует: Китай (550 млн. тонн чугуна за год), затем Япония (уже 69 млн. тонн), после Россия (45 млн. тонн), Индия (29 млн. тонн в год) и Южная Корея (27 млн. тонн).

• В Китае чугун и сталь производят на пяти комбинатах: Баотоусский, Баошанский, Шунганский, Аньшанский и Уханьский.
• Самыми крупными предприятиями России в области переработки чугуна считаются Магнитогорский, Челябинский комбинат, ООО «Уральская сталь», Череповецкий металлургический комбинат, Новокузнецком металлургическим комбинатом и другие.

Доменное изготовление чугуна подробно рассмотрено в этом видео:

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