Подготовка руд к плавке

Перед плавкой железные руды подвергают специальной обработке с целью увеличения содержания железа в шихте, повышения ее однород­ности по крупности кусков и химическому составу.

1. Обогащение руды. Увеличение содержания железа в руде дости-
гается различными способами обогащения. Так, например, промывка
руды водой позволяет отделить часть песчано-глинистой породы. Этой же
цели достигают гравитацией (отсадкой), основанной на отделении руды
от легкой пустой породы при пропускании под напором воды через дно
вибрирующего сита, на котором слоем лежит руда. Магнетитовые руды
обогащают способом магнитной сепарации, основанной на различии маг-
нитных свойств железосодержащих минералов и частиц пустой породы.

Для улучшения процесса плавки обогащенную руду (концентрат) перерабатывают в кусковые материалы агломерацией или окатыванием.

2. Агломерация заключается в спекании руды (40—50 %), известняка (15—20 %), возврата мелкого агломерата и кокса при температуре 1300— 1500 °С в специальных агломерационных машинах. При этом из руды удаляется часть примесей, разлагаются карбонаты и образуется порис­тый офлюсованный материал — агломерат. Применение офлюсованного агломерата позволяет повысить производительность доменных печей на 10—25 % и уменьшить расход кокса на 10—20 %.

3. Окатывание заключается в окусковании тонко измельченных кон­центратов. Для этого концентрат^, флюсы и топливо увлажняют и загру­жают во вращающуюся наклонную чашу (гранулятор) или в пустотелый барабан, где и образуются окатыши-шарики диаметром 25—30 мм. Гото­вые окатыши высушивают и обжигают при 1200—1350 °С. Использование окатышей, как и агломерата, улучшает доменную плавку, повышает про­изводительность доменной печи, уменьшает расход топлива.

Выплавка чугуна

Чугун выплавляют в доменных шахтных печах, выложенных из огне­упорного кирпича и заключенных в кожух из листовой стали толщиной до 35 мм.

Современная доменная печь высотой до 35 м с полезным объемом до 5000 т⁸ вместе со вспомогательным оборудованием представляет сложней­шее инженерное сооружение.

1. Устройство и работа доменной печи. Для выплавки чугуна в домну загружают шихту — смесь определенного соотношения руды, топлива и флюсов. Отдельные порции шихты называются колошами. Колоши из бункера / (рис. 11.1) подаются вагонетками 2 по скиповому подъемнику 8 (на вновь строящихся печах — по конвейеру) в приемную воронку 9 засыпного аппарата. При опускании малого конуса 10 шихта попадает в чашу // и при опускании большого конуса 12 — в колошник 13 и дальше в шахту 14 печи. Поочередное открытие конусов предотвращает выход газов из печи в атмосферу. Шихта загружается в домну периодически по мере сгорания топлива и выпуска чугуна и шлака.

Самая широкая цилиндрическая часть домны называется распаром 7. Ниже его находятся суживающиеся заплечики 6 и горн 4, ограниченный лещадью 19. В нижней части горна расположены летки для выпуска чу­гуна 3 и шлака 18.

Для поддержания горения топлива в доменную печь через ряд распо­ложенных по окружности фурм 5 вдувается под давлением до 0,25 МПа воздух. Расход воздуха на выплавку 1 т чугуна в современных доменных печах составляет около 3000 м³/мин и достигает на крупных печах 7000 м³/мин.

Для интенсификации процесса плавки и более экономного расхода топлива вдуваемый воздух предварительно нагревают до 1000—1200 °С в воздухонагревателях регенеративного типа. Воздухонагреватель пред­ставляет собой футерованный кирпичом стальной цилиндр диаметром б—8 и высотой 30—40 м, имеющий внутри камеру сгорания 15 и насадку 20 из огнеупорного кирпича. При каждой домне обычно имеется 3—4 воздухонагревателя, которые работают попеременно следующим образом.

В воздухонагреватель Б подается через отверстие 17 очищенный колош­никовый газ и через отверстие 16 необходимый для сгорания газа воздух. Продукты горения газа из камеры 15 проходят по вертикальным каналам насадки 20, нагревают ее и уходят через отверстие 21 в дымовую трубу 22. Когда насадка воздухонагревателя Б достигнет определенной температу­ры, подачу газа в него прекращают и в обратном направлении подают воздух, который, проходя через насадку, нагревается и затем вдувается в доменную печь. Пока один из воздухонагревателей нагревается, ра­ботает другой, предварительно нагретый воздухонагреватель.

Крупным усовершенствованием доменного процесса является обога­щение воздушного дутья кислородом (до 30 %), а также использование в качестве топлива природного газа.

2. Доменныйпроцесс. Доменная печь работает по принципу проти-
вотока: шихтовые материалы движутся сверху вниз, а навстречу им под-
нимается поток горячих газов — продуктов сгорания топлива. При этом
протекают следующие процессы: горение топлива, восстановление и на-
углероживание железа, восстановление других элементов, образование
шлака.

В районе воздушных фурм углерод кокса, взаимодействуя с кисло­родом дутья, сгорает, в результате чего температура в этой зоне печи достигает 1800—2000 °С. В этих условиях углекислый газ С0₂ взаимодей­ствует с углеродом кокса и образуется оксид углерода СО, являющийся главным восстановителем железа. Несколько выше, в зоне печи с темпе­ратурой 700—450°, часть оксида углерода разлагается с образованием сажистого углерода.

Шихтовые материалы, опускаясь навстречу потоку раскаленных газов, нагреваются, из них испаряется влага, выделяются летучие вещества. При достижении температуры 750—900 °С в шихте восстанавливается железо:

ЗРе₂0₃ + СО = 2Ре₃0₄ + С0₂; Ре₃0₄ + СО = ЗРеО + С0₂; РеО + СО = Ре + С0₂.

Часть закиси железа опускается до распара и заплечиков и восстанав­ливается углеродом кокса.

В восстановлении железа участвуют также сажистый углерод и водород.

В результате этих реакций образуется твердое губчатое железо. При 1000—1100 °С губчатое железо науглероживается:

ЗРе + 2СО = Ре₃С + С0₂; ЗРе + С = Ре₃С.

Углерод понижает температуру плавления железоуглеродистого спла­ва, поэтому, опускаясь в нижнюю, часть шахты, сплав начинает плавить­ся, дополнительно насыщается углеродом и другими элементами, восста­навливаемыми из руды,— марганцем, кремнием, фосфором, серой.

Марганец содержится в руде в виде оксидов, легко восстанавливаемых до оксида МпО, который затем частично восстанавливается твердым уг­леродом.

Кремний содержится в пустой породе руды в виде кремнезема 8Ю₂, также восстанавливается твердым углеродом. Невосстановленные оксиды марганца и кремния переходят в шлак.

Фосфор находится в руде главным образом в виде соединения Р₂0₆ х X ЗСаО, восстанавливается оксидом углерода и твердым углеродом и почти полностью переходит в сплав,

Сера вносится в доменную печь в составе руды и кокса в виде соеди­нений Ре3₂, Ре8, Са80₂, СаЗ. Значительная часть серы удаляется в виде летучих соединений (30₂, Н_а3 и др.), другая переходит в сплав (Ре8) или шлак (СаЗ).

Таким образом, в результате восстановления железа, марганца, крем­ния, фосфора и серы и их растворения в железе в горне печи образуется чугун.

Одновременно с чугуном в нижней части печи собирается шлак — сплав пустой породы, флюсов, золы топлива, а также части невосстановив-шихся оксидов.

По мере образования и накопления чугун и шлак выпускают из печи: чугун через 3—4 ч по летке 3 (рис. 11.1), а шлак — через 1—1,5 чпо лет­ке 18.

3. Продукты доменного производства.

Основным продуктом доменного производства является чугун,

побочными - шлак и колошниковый газ.

В зависимости от химического состава и назначения получаемые в' доменной печи чугуны подразделяют на следующие виды:

передельный чугун — основной вид чугуна, предназначен для передела в сталь. Обычный его состав: 4—4,5 % С; 0,6—0,8 % 31; 0,25—1 % Мп; до 0,3 % Р и 0,07 % 8;

литейный чугун предназначен для переплава и получения фасонных отливок, отличается повышенным содержанием кремния (2,75—3,25 %);

ферросплавы — сплавы железа с повышенным содержанием других элементов, например ферросилиций (9—13 % 31), ферромарганец (70—75 % Мп) и др., предназначенные для раскисления и легирования стали.

Шлак используется для производства шлаковаты, шлакоблоков, цементаТ.

Образующиеся в печи газы (СО, С0₂, Н₂, СН₄, Ы₂ и др.) поднимаются вверх и в зоне колошника отводятся по трубам из печи. Эти газы, называ­емые колошниковыми, используют в качестве топлива для нагрева возду­хонагревателей.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сущность процесса

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода, кремния, марганца, примесей серы и фосфора. Исходными материалами для полу­чения стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Сле­довательно, сущностью передела чугуна в сталь является уменьшение содержания углерода и других элементов и перевода их в шлак или газы.

В настоящее время сталь получают в кислородных конвертерах, мар­теновских и электрических печах.

Производство стали в кислородных конвертерах

Кислородно-конвертерный процесс заключается в продувке жидкого чугуна кислородом.

Кислородный конвертер (рис. 11.2) представляет собой сосуд 1 гру­шевидной формы из стального листа, футерованный внутри основным кирпичом 2. Рабочее положение конвертера вертикальное. Кислород подается в него под давлением 1-г-1,5 МПа с помощью водоохлаждаемой фурмы 3, вводимой в конвертер через горловину 4 и располагаемой над уровнем жидкого металла на расстоянии 0,7—3 м.

Конвертеры изготовляют емкостью 100—350 т жидкого чугуна

Материалами для получения стали в кислородном конвертере служат жидкий передельный чугун и сталь­ной лом. Для наводки шлака в конвертер 'добавляют

железную руду и известь и для его разжижения — боксит и плавиковый шпат.

Рис.2 – Кислородный конвертер

Перед началом работы конвертер поворачивают на цапфах 5 вокруг горизонтальной оси и с помощью за­валочной машины загружают до 30 % металлолома, затем заливают жидкий чугун при температуре 1250— 1400 °С, возвращают конвертер в исходное вертикальное положение, вводят кислородную фурму, подают кислород и добавляют шлакообразующие материалы.

В момент, когда содержание углерода достигает заданного для выплав­ляемой марки стали, подачу кислорода прекращают, конвертер повора­чивают и выливают вначале сталь, а затем шлак.

Для уменьшения содержания кислорода сталь при выпуске из конвер­тера раскисляют, Мn, Si, А1, которые взаимодействуют с оксидами железа, переходящие в шлак.

Производительность кислородного конвертера емкостью 300 т дости­гает 400—500 т/ч, в то время как производительность мартеновских и электропечей не превышает 80 т/ч. Благодаря высокой производитель­ности и малой металлоемкости кислородно-конвертерный способ становит­ся основным способом производства стали.

Производство стали в мартеновских печах

1. Мартеновская печь (рис. 11.4) представляет собой регенеративную пламенную печь, высокая температура в которой (1750—1800 °С) дости­гается за счет сгорания газа над плавильным пространством. Газ и воз­дух подогреваются в регенераторах.

Подаваемые в печь газ и воздух проходят через предварительно на­гретые до температуры 1200—1250 °С регенераторы, нагреваются в них и поступают в плавильное пространство печи, где сгорают, образуя пламя высокой температуры. Продукты сгорания по каналам 3 и 4 поступают в регенераторы 1 и 2, нагревают их, охлаждаясь до 500—600 °С, и уходят в дымовую трубу 13. По мере охлаждения регенераторов 10 и 11 направление газа и воздуха в печи меняют на обратное путем переключения клапанов 12 и 14. Тогда газ и воздух поступают в плавильное пространство по каналам 3 и 4, пройдя нагретые регенераторы / и 2, а продукты сгорания выходят по каналам 8 и 9, нагревают насадку регенераторов 10 а 11 и уходят в трубу 13. Таким образом, газ и воздух при работе печи переходят через поперемен­но нагреваемые то левые, то правые регенераторы.

Мартеновские печи, работающие на мазуте, имеют с каждой стороны по одному регенератору для нагрева только воздуха.

В нашей стране эксплуатируются мартеновские печи емкостью от 20 до 900 т жидкой стали. Важной характеристикой этих печей является так­же площадь пода. Для печи емкостью 900 т она составляет около 120 м².

2.Мартеновский процесс. Материалами для выплавки стали в марте­новской печи могут быть: стальной лом (скрап), жидкий и твердый чугуны, железная руда. В зависимости от их соотношения в шихте различают

1) скрап-рудный процесс на шихте из жидкого чугуна с добавкой 25—30 % стального скрапа и железной руды;

2) скрап-процесс на шихте из стального лома и 25—45 % чушкового передельного чугуна.

Флюсом в обоих процессах обычно служит известняк СаС0₃ (8—12 % от массы металла).

Более широкое применение в металлургии получил скрап-рудный процесс выплавки стали в основной мартеновской печи. Вначале в печь загружают и прогревают железную руду и известняк, затем добавляют стальной скрап и заливают жидкий чугун. В процессе плавки примеси в чугуне окисляются за счет оксидов железа руды и скрапа.

Сера удаляется в результате взаимодействия сернистого железа с известью.

Оксиды 5Ю₂, МпО, Р₂0₅, СаО, а также сульфид СаЗ образуют шлак, периодически выпускаемый из печи.

Для интенсификации процесса плавления и окисления примесей ванну продувают кислородом, подаваемым через водоохлаждаемые фурмы. Продувка кислородом позволяет в 2—3 раза сократить длительность процесса, уменьшить расход топлива и железной руды.

После плавления шихты начинается период кипения ванны. В это время интенсивно окисляется углерод в металле. В момент, когда содер­жание его достигает заданного, а количество серы и фосфора уменьшается до минимума, кипение прекращают и начинают раскисление стали в ван­не печи. Окончательно сталь раскисляют алюминием и ферросилицием в сталеразливочном ковше при выпуске стали из печи.

Скрап-процесс применяют на машиностроительных заводах, не распо­лагающих жидким чугуном. От скрап-рудного процесса он несколько. Отличается завалкой и плавлением шихты.

Основной скрап-процесс применяется для выплавки углеродистых и легированных сталей.