Способы производства чугуна технология производства

Производство чугуна. Марки чугуна. Технология производства

В настоящее время основной способ получения чугуна — плавка железных руд в доменных печах. Для плавки необходим ряд сырых материалов, таких как флюсы, железные или марганцовые руды, а также топливо. В качестве топлива используется кокс, который, по сути, является каменным углем. Роль кокса – обеспечить процесс восстановительной энергией и определенным количеством тепла. Давайте рассмотрим производство чугуна более подробно. Так как это сложный и длительный процесс, то его описание займет много времени.

Топливо для плавки

Как было отмечено выше, в качестве топлива используют кокс. Но, помимо этого, допустимо использование мазута, угольной пыли и природного, а также коксового газов. Тем не менее практически всегда в качестве основного горючего применяют именно кокс. Это вещество, которое образуется при удалении летучих газов из угля при температуре от 900 до 1 200 градусов. Сегодня это единственный вид твердого топлива, который сохраняет свою исходную форму во время движения от колошника к горну. В принципе, к этому материалу выдвигаются жесткие требования, которые касаются механической прочности и жесткости, что нужно для восприятия больших нагрузок в нижней части доменной печи. Крайне важно выдерживать фракцию кокса. Слишком мелкие частицы способствуют газопроницаемости шихты, а слишком большие разрушаются и образуют мелкую фракцию. Помимо этого, необходимо соблюдать определенный процент влажности, что нужно для поддержания теплового режима.

Руды для плавки

В земной коре довольно много железа, однако в чистом виде оно не встречается, его всегда добывают с горными породами в виде различных соединений. Железной рудой можно называть только те породы, из которых с экономической точки зрения выгодно добывать железо посредством плавления в печи. В природе существуют богатые и бедные железные руды. Если говорить с точки зрения металлургической промышленности, то в руде есть ряд полезных добавок, которые необходимы при получении чугуна, – это хром, никель, марганец и другие. Есть и вредные включения: сера, фосфор, медь и т.п. Кроме того, железная руда может делиться на несколько групп в зависимости от минерала:

• красный железняк – 70% железа, 30% кислорода;
• магнитный железняк – 72,4% железа, 27,6% кислорода;
• бурый железняк – до 60% железа;
• шпатовый железняк – до 48,3 % железа.

Логично было бы сделать вывод, что доменное производство чугуна должно предусматривать использование руды из второй группы. Но самой распространенной является первая, поэтому ее чаще и применяют.

Подготовка руды к плавке

Нельзя добыть железную руду из земли и тут же забросить ее в загрузочное устройство доменной печи. Сначала необходимо несколько улучшить технико-экономические показатели, что позволит использовать для получения чугуна относительно бедные руды, которых в земной коре значительно больше. К примеру, увеличение железа в руде всего на 1% приводит к экономии кокса на 2% и к увеличению производительности ДП на 2,5%. На первом этапе руда дробится на фракции, а дальше проходит грохочение. Последнее мероприятие необходимо для разделения железной руды по крупности. Дальше идет усреднение, где выравнивается химический состав. Один из самых важных и сложных этапов – обогащение. Суть процесса заключается в удалении пустых пород с целью увеличения содержания в руде железа. Обычно обогащение проходит в два этапа. Заключительным этапом является окускование, которое нужно для улучшения протекания плавки в доменной печи.

Технология производства

Доменный процесс – это совокупность механических, физических и химико-физических процессов, которые протекают в функционирующей ДП. Загружаемые флюсы, руды и кокс в процессе плавки превращаются в чугун. С точки зрения химии, это окислительно-восстановительный процесс. По сути, из оксидов восстанавливается железо, а восстановители окисляются. Но процесс принято называть восстановительным, так как конечная цель – получить металл.

Еще о доменном процессе

Кокс, поступающий непосредственно в горн, имеет температуру порядка 1 500 градусов. В результате в зоне горения образуется смесь газов температурой 2 000 градусов. Он поднимается в верх доменной печи и нагревает опускающиеся к горну материалы. При этом температура газа несколько понижается, примерно до 1700-1600 градусов.

Шихта грузится в колошник порционно. Распространение в ДП происходит слоями. Обычно загружают одну порцию в 5 минут. Перерыв нужен для освобождения места в колошнике. Науглероживание проходит еще в твердом состоянии железа, после температура падает до 1 100 градусов. В этот период заканчивается восстановление железа и начинается окисление кремния, марганца и фосфора. В результате мы имеем науглероженное железо, которое содержит не более 4% углерода. Оно плавится и стекает в горн. Туда же попадает и шлак, но так как удельные массы материалов различные, то они не соединяются. Через чугунную летку выпускают чугун, а через шлаковые летки – шлак. В принципе, это и вся технология производства, описанная вкратце. Сейчас рассмотрим еще один интересный вопрос.

Основные марки чугуна

Чугун – сплав железа с углеродом. Содержание последнего элемента не должно быть меньше 2,14%. Помимо этого, присутствуют и другие элементы, такие как кремний, фосфор, сера и др. Углерод обычно находится или в связанном состоянии (цементит), или же в свободном (графит). Чугун можно поделить на следующие виды:

• Литейный – имеет маркировку Л1-Л6 и ЛР1-ЛР7.
• Передельный чугун – маркируется как П1 и П2. Если материал предназначается для отливок, то это ПЛ1 и ПЛ2. Металл с большим содержанием фосфора обозначается как ПФ1,ПФ2, ПФ3. Помимо этого, есть и высококачественный передельный чугун – ПВК1, ПВК2 и ПВК3.
• Серый – СЧ10, СЧ15, СЧ20,СЧ25, СЧ30 и СЧ35.
• Ковкий чугун – КЧ30-6, ЧК45-7,КЧ65-3 и др. Если после букв стоят цифры, то они обозначают временное усилие на разрыв.
• Легированный чугун, имеющий специальные свойства, обозначается буквой «Ч»;
• Антифрикционный (серый) – АЧС.

Можно говорить о том, что любой вид чугуна имеет свое дальнейшее назначение. К примеру, передельный используется для переделки в сталь и для производства отливок. В это же время марки ПЛ1 и ПЛ2 отправятся в литейный цех, а П1 и П2 будут использованы в сталеплавильном производстве.

Влияние различных соединений на свойства

Независимо от вида и марки чугуна есть ряд элементов, которые значительно влияют на его свойства и технические характеристики. В качестве примера возьмем серый чугун. Повышенное содержание кремния способствует понижению температуры плавления и значительно улучшает его технологические и литейные свойства. По этой простой причине в литейный цех обычно отправляют чугун с большим содержанием этого элемента. А вот марганец – это своего рода противоположность кремнию. Однако он является полезным химическим элементом, так как увеличивает прочность и твердость изделия.

Про науглероживание железа

Восстановленное в ДП железо поглощает в себя самые различные химические элементы и углерод в том числе. Как результат, образуется полноценный чугун. Как только он появляется в твердой форме, сразу же начинается его науглероживание. Сам процесс заметен при относительно невысоких температурах в 400-500 градусов. Кроме того, стоит отметить, что чем больше углерода в составе железа, тем ниже температура плавления. Однако когда металл находится уже в жидком состоянии, процесс протекает несколько интенсивней. Нужно понимать, что после того, как в чугуне будет окончательное количество углерода, изменить это уже будет невозможно. Такие элементы, как марганец и хром, способствуют увеличению содержания углерода, а кремний и фосфор уменьшают его количество.

Немного о литейном производстве

Еще кое-что интересное

Стоит обратить ваше внимание на то, что литейное производство использует металл, который был получен в доменной печи. По сути, при вторичной плавке получают изделия с требуемыми свойствами, которые изменяются в плавильной печи. В это же время отливки, химический состав которых оставляют неизменным в литейном производстве, изготавливают крайне редко. В частности это касается чугуна. Когда нужно получить деталь из черного металла, помимо чугуна, в печь загружают ряд модификаторов, флюсов, раскислителей, а также стальной лом и штыковой чугун. Последний нужен для получения стальных и чугунных отливок. Сам же процесс производства чугуна мало чем отличается от доменного производства.

Заключение

Помимо рассмотренных нами, существуют и другие способы производства чугуна. К примеру, плавка в мартеновских печах. Но этот метод морально устарел, так как он слишком энергозатратный, хотя качество металла находится на хорошем уровне. Совсем другое дело – конвертерный способ, который, наоборот, только набирает популярность с каждым годом. К примеру, производство чугуна в России в конвертерах занимает около 30-45% от всего производства. Конвертерный метод обладает рядом существенных преимуществ, одно из них – высокая скорость плавки. Кроме того, из конвертера чугун переливается непосредственно в формы и используется по назначению. Стоит отметить, что остановить ДП невозможно, так как производство непрерывно. В крайнем случае имеет место консервация, при которой кокс тлеет в горне. Если же доменная печь останавливается, то проще построить новую, нежели запустить старую.

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