Основным способом производства чугуна из железных руд является доменный процесс. Исходные материалы при производстве чугуна — железные руды, плавни (флюсы) и топливо
Железные руды содержат различные соединения железа, главным образом с кислородом, т. е. окислы железа. Кроме того, в рудах содержатся и другие минералы, не включающие соединений железа, пустая порода. Чаще всего железные руды представляют собой механическую смесь окислов железа с кремнеземистой и глиноземистой (содержащей SiO2 и А12О3) пустой породой.
Различают следующие виды руд:
Для производства чугуна из железных руд необходимо восстановить железо из окислов по следующей схеме: Fe2O3— Fe3O4 — FeO — Fe
Процесс получения чугуна из железных руд называют доменным
Пустая порода часто содержит вредные примеси S и Р. Кроме того, в топливе (в коксе) также имеется примесь серы. Поэтому необходимо не только восстановить железо, но и отделить его от пустой породы и освободить, по возможности, от вредных примесей. В природе встречается очень мало руд, пустая порода которых была бы сравнительно легкоплавкой. Для отделения пустой породы к руде добавляют вещества, способные образовать легкоплавкие соединения с пустой породой. Эти вещества носят общее название плавней (флюсов). Они служат также для удаления вредных примесей, так как вступают с ними в соединения, которые переходят в шлак.
К рудам, содержащим в качестве пустой породы кремнезем (SiO2) и глинозем (Аl2О3), добавляют известняк или доломитизированный известняк, содержащие в основном СаО и MgO. Кремнезем плавится лишь при очень высокой температуре—около 1700°, его соединения с глиноземом — при 1580—1780°. Известняк (СаСОз) разлагается уже при температуре около 900° на окись кальция (СаО) и углекислый газ (СО2). Однако температура плавления получающейся окиси кальция также очень высока—около 2000°. Соединения же окиси кальция с кремнеземом или глиноземом (силикаты и алюмосиликаты) плавятся при значительно более низкой температуре в пределах 1200— 1500°.
Эти соединения являются отходами доменного процесса и называются доменными шлаками. Их удаляют из домны в расплавленном состоянии, а затем используют в строительстве.
Топливо при выплавке чугуна необходимо и для восстановления железа, и для нагревания получающихся чугуна и шлаков до расплавления. При доменном процессе применяют преимущественно каменноугольный кокс, получаемый сухой перегонкой коксующихся видов каменного угля. При сгорании кокса сначала образуется СО2, а затем СО, которая является главным (реагентом в доменном процессе. Образуется СО по реакциям:
C+O2 — CO2 , СО2+С — 2СО.
Восстановление железа идет при высокой специальных печах, называемых доменными
Доменная печь состоит: из колошника 1, куда при опускании колошникового затвора 2 поступают руда, плавень и топливо, шахты 3, в которой протекают реакции восстановления железа, «распара» 4, где заканчивается шлакообразование, и «заплечиков» 5, по которым загруженные материалы постепенно опускаются в горн 6, превращаясь в расплавленный чугун и расплавленный шлак. Горн выкладывают из высококачественного шамотного кирпича; снаружи он покрыт стальными листании и охлаждается водой.
Доменная печь имеет стальной сварной кожух. Топливо сгорает у (воздушных фурм 7, к которым через кольцевую воздушную трубу 8 и отходящие от нее рукава подводится нагретый воздух. В нижней части горна имеется чугунная летка» 10 — отверстие для выпуска чугуна.
Выше расположена «шлаковая летка» 11 для выпуска шлака. Горячие газы, образующиеся в печи, отводят через газопроод 12, очищают их и используют для подогрева воздуха, подаваемого в печь, и для других нужд завода (для нагревания мартеновских печей, в которых идет передел чугуна на сталь).
Руду, плавень (флюс) и кокс загружают в доменную печь сверху чередующимися слоями. По мере сгорания кокса и расплавления слоев, находящихся внизу, вся масса в печи постепенно опускается, сверху же загружают все новые порции материалов. Горение в доменной печи поддерживается воздухом, который вдувают под давлением около 1,5 ати, предварительно нагревая до 800—900°. Подогревают воздух в особых воздухонагревателях (устаревшее название «каупер»), представляющих собой круглую башню со стальным кожухом и внутренней кладкой из огнеупорного кирпича с вертикальными каналами.
Отходящие из доменной печи газы содержат значительное количество окиси углерода (СО). При горении она выделяет большое количество тепла. Газы очищают от пыли в специальном устройстве и направляют в воздухонагреватель, где СО сгорает, нагревая огнеупорную кладку. Затем в воздухонагреватель нагнетают воздух. Проходя через нагретые каналы огнеупорной кладки, воздух подогревается, газы же из доменной печи в это время направляются в другой воздухонагреватель.
В доменных, сталеплавильных и других промышленных печах создаются высокие температуры (1580° и выше).
Материалы, из которых сооружена печь, должны выдерживать действие этих температур, не расплавляясь и не давая значительных деформаций. Внутренняя часть печи подвергается, кроме того, действию расплавленного чугуна и стали, а также расплавленных шлаков (основных или кислых). Материалы, футерующие (облицовывающие) желоба, по которым выпускают чугун, сталь или шлаки, а также ковши (в которых перевозят расплавленные шлаки, чугун и сталь), тигли для плавки, сифоны для разливки и т. п. должны выдерживать резкую смену температур. Поэтому для футеровки металлургических печей применяют специальные огнеупорные матeриалы.
Большое значение имеет химическая стойкость огнеупоров по отношению к разъедающему действию газов, шлаков и т. п., зависящая от химического состава и, отчасти, от их плотности.
Этo свойство настолько важно, что оно положено в основу классификации огнеупорных материалов (помимо деления по степени огнеупорности). Различают следующие виды огнеупоров:
Шамотный кирпич и шамотные изделия изготовляют из смеси шамота и огнеупорной глины, формуя и обжигая их. Шамотом называют предварительно обожженную огнеупорную глину. Огнеупорность шамотных изделий колеблется в пределах от 1580 до 1730°.
Динасовый кирпич и изделия получают путем обжига измельченных кварцевых или кварцитовых пород с известковой связкой; огнеупорность их не ниже 1690—1710°. Динас более прочен, чем шамот, но при нагреве заметно увеличивается в объеме, сохраняя его и после охлаждения материала. Динасовый кирпич применяется для кладки сводов металлургических печей.
Магнезитовые огнеупорные материалы магнезитовый кирпич, магнезитовый металлургический порошок изготовляют из обожженного магнезита, состоящего в основном из MgO. Магнезитовые материалы реагируют как основания. Огнеупорность магнезитового кирпича — около 2000°.
К этой же группе материалов относятся огнеупоры, изготовляемые из обожженных доломитов, также обладающие высокой огнеупорностью.
Доломит применяется в металлургии в виде кирпича или порошка для наварки пода сталеплавильных печей.
Материалы, загруженные в верхнюю часть доменной печи, высушиваются и постепенно прогреваются. В нижележащих зонах печи окись железа (Fe2O3 или Fe3O4), содержащаяся в руде, восстанавливается окисью углерода до закиси железа (FeO). Дальше закись железа восстанавливается до чистого железа: в средних и нижних зонах доменной печи появляются его первые губчатые комочки. Восстановление железа из руды идет постепенно по следующей схеме:
3Fe2O3+C0 —2Fe3O4+CO2,
2Fe3O4 + nCO — 6FeO+2CO2+(n -2)CO,
6FeO+nCO — 6Fe+6CO2+ (n—6)СО.
Попутно частично восстанавливаются: Si из SiO2, содержащегося в пустой породе, Мп из МпО, содержащейся в марганцевой руде, добавляемой в шихту, Р (из фосфорнокислых солей) и пр., которые затем входят в состав чугуна. Сера в виде FeS также будет находиться в составе чугуна. Однако СаО, содержащаяся в плавне, связывает часть серы по схеме
FeS+ CaO +C — CaS+ Fe+ CO;
получающийся же CaS нерастворим в чугуне, но растворим в основных шлаках. Поэтому CaS переходит в шлак.
Марганец также служит для удаления серы по схеме -
FeS + MnO+ C=MnS+ Fe+ CO;
образовавшийся MnS переходит в шлак.
Восстановленное железо, опускаясь в печи, постепенно насыщается углеродом, вступая с ним в химическое соединение по схеме:
3Fe+C — Fe3C
Получившийся карбид железа (Fe3C) растворяется в железе при высоких температурах и науглероживает его, понижая температуру плавления сплава. Поэтому в верхней части «заплечиков» при t = 1250—1300° появляются первые капли жидкого сплава, которые стекают вниз, еще больше насытившись углеродом и растворив часть кремния и марганца. Так образуется. чугун, содержащий до 3,5—4,0% углерода и стекающий в расплавленном состоянии на дно горна.
Одновременно идет реакция между пустой породой и плавнями, в результате которой образуется жидкий шлак, также стекающий вниз.
Удельный вес расплавленного шлака около 2,5, а чугуна -около 7. Поэтому шлак всплывает поверх чугуна, защищая его от окисления. Время от времени шлак сливают через шлаковую летку, чугун же периодически выпускают через нижнюю летку. Таким образом осуществляется непрерывный процесс выплавки чугуна. Кроме кремния и марганца в чугун переходят также фосфор (полностью) и сера (частично), если они содержались в материалах, загруженных в доменную печь (в руде, плавне и топливе).
Для получения 1 т чугуна (передельного) примерно расходуется: железной руды 1,6 г, известняка 0,4 т, марганцевой руды 0,1 т,кокса 0,9 т.
Чугуны, полученные при доменной плавке, подразделяются нa:
