В цементном производстве и выплавке чугуна используют

Обновлено: 28.04.2024

Железо в чистом виде в природе почти не встречается. Основное его количество находится в железной руде.

Железная руда – горная порода, содержащая железо в виде химических соединений с кислородом и другими элементами (окислов). В состав железных руд входят и другие соединения (примеси) в виде кремнезема, глинозема, известняка, не содержащие железо и объединяемые общим понятием – пустая порода.

Железные руды являются исходным сырьем для производства чугуна, который в свою очередь является сырьем для получения стали.

Агрегатом для выплавки чугуна служит доменная печь шахтного типа непрерывно действующая.

Кроме железных руд исходными материалами для доменной плавки являются:

Марганцевые руды используют для введения марганца в состав чугуна.

Топливо, употребляемое для доменного процесса, должно иметь высокую теплотворную способность и малую зольность, обладать пористостью, прочностью при высоких температурах, а также содержать как меньше серы, которая частично переходит из топлива в чугун и ухудшает его свойства.

В качестве топлива при доменном производстве используется каменноугольный кокс, которыйполучают нагревом измельченных каменных углей без доступа воздуха. Для интенсификации выплавки чугуна применяют природный газ и нагретый воздух, содержащий кислород. Нагрев производят в специальных нагревательных аппаратах – воздухонагревателях.

Для отделения пустой породы и золы в доменную печь вводят шлакообразующие материалы – флюсы. При сплавлении с тугоплавкой пустой породой и золой топлива они образуют легкоплавкие химические соединения - шлак. Шлак накапливается поверх жидкого чугуна. В качестве флюсов применяют основные материалы известняк, доломит, кварц, песчаник.

Рассчитанное в определенном соотношении количество загружаемых в доменную печь исходных материалов называется шихтой.

Цель доменного производства – получение чугуна из железных руд в результате их переработки в доменной печи.

Под действием высокой температуры в результате химических процессов образуется сплав железа с различными элементами, который постепенно насыщается углеродом и превращается в чугун.

Чугун– это сплав железа с углеродом, который содержит углерода от 2,14 до 6,67 %. Чугун – это первичный продукт, получаемый из железной руды. Он используется, как исходный материал при выплавке стали, а также для получения чугунных отливок.

Одним из эффективных направлений в улучшении показателей доменного

производства является подготовка железных руд и включает в себя следующие операции:

дробление – для нормальной работы доменной печи куски руды должны быть средних размеров; сортировка руды по размерам; обогащение – это отделение пустой породы, так как в природе богатые руды встречаются редко; окускование мелкой и пылевидной руды - агломерацияили получение окатышей.

Доменная печь – плавильный агрегат шахтного типа с вытянутым в высоту рабочим пространством. Она состоит из следующих частей:

В колошнике находится засыпной аппарат, с помощью которого загружается в определенной последовательности сырье.

В шахте происходит процесс восстановления железа и примесей из окислов руды .

В районе распара производится плавление пустой породы и флюсов с образованием шлака.

В горне на лещади собирается чугун и шлак, которые периодически спускаются через специальные отверстия.

Доменный процесс – совокупность механических, физических и физико-химических процессов.

Основные процессы доменный печи:

1. горение топлива, от которого зависят теплообменные, восстановительные и плавильные процессы определяющие весь ход плавки;

2. восстановление железа из его окислов в результате последовательного отщепления кислорода от окислов руды;

3. науглероживание железа – процесс поглощения железом углерода и других элементов (Mn, Si, S, P) с образованием сложного сплава – чугуна;

4. образование шлака – оплавление пустой породы.

Шихтовые материалы, загружаемые в доменную печь, в результате доменного процесса превращаются в чугун и шлак; чугун - сырье для производства стали и для получения чугунных отливок, шлак используется для получения строительных материалов. Конечными продуктами доменной плавки кроме чугуна и шлака являются: доменный газ – используется после очистки от пыли в качестве топлива; колошниковая пыль - используется при производстве агломерата.

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:

Марганцевую примесь.
Серную примесь.
Фосфорную 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:

Высокопрочные. Высокопрочный чугун получают путем введения в серый чугун (состояние жидкое) специальных добавок. Его используют для очень ответственных деталей. Высокопрочным чугуном часто заменяют сталь.
Ковкие. Ковкий чугун получают из белого. Для производства применяют термообработку. Ковкий чугун обладает хорошей вязкостью, высокой пластичностью, повышенным сопротивлениям к ударам и растяжением.
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.
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:

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.
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.
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.
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.

В процессе производства чугуна используются марганцевые руды. Их закладывают в шихту для увеличения в чугуне количества марганца.

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:

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.
Подготовка топлива. Кокс подвергают грохочению. В результате этого процесса удаляется ненужная мелочь, которая может привести к потери тепла в процессе плавки.
Подготовка флюсов. Флюс так же измельчают и отсеивают мелочь. После этого все материалы загружаются в печь.
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.

Доменная печь работает в непрерывном режиме. Одновременно с производством чугуна восстанавливается марганец, кремний и другие примеси.

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).

Чугун прочно вошел в нашу жизнь много лет назад. Он относительно легко производится и широко применяется в различных областях. Чтобы иметь четкое представление об этом материале необходимо знать его особенности, минусы, плюсы, химический состав, свойства, структуру чугуна и его сплавов, их производство и область применения.

Что такое чугун

Итак, давайте узнаем, какие железоуглеродистые сплавы называют чугунами.

Понятие

Чугуном называется железоуглеродистый сплав с содержанием углерода, то есть под ним понимается материал, который состоит из сплава железа и углерода. Процентное содержание углерода в чугуне составляет более 2,14%. Последний элемент может входить в чугун в виде графита или цементита.

Данное видео рассказывает об особенностях чугуна:

Разновидности

Различают белый и серый чугун.

Углерод в белом чугуне представлен в виде карбида железа. Если переломить его, то можно увидеть белый отлив. В чистом виде белый чугун не используют. Его добавляют к процессу производства ковкого чугуна.
На изломе серый чугун имеет серебристый отлив. У этого вида чугуна большая сфера использования. Он хорошо поддается обработке резцами.

Кроме этого, чугуны бывают высокопрочные, ковкие и со специальными свойствами.

Высокопрочный чугун используют в целях повышения прочности изделия. Механические свойства такого чугуна позволяют это сделать на отлично. Высокопрочный чугун получают из серого в результате добавление к массе примеси магния.
Ковкий чугун — это разновидность серого. Название не означает, что этот чугун легко подвергают ковке. Он обладает повышенными свойствами пластичности. Его получают помощью отжига из белого чугуна.
Различают так же половинчатый чугун. В нем некоторая часть углерода находится виде графита, а оставшиеся часть в форме цементита.

Особенные черты

Особенность чугуна кроется в процессе его производства. Средняя температура плавления разных видов чугуна составляет 1200ºС. Это значение на 300 градусов меньше, чем у стали. Связано это с очень высоким содержанием углерода. Углерод и атомы железа имеют между собой не очень тесную связь.

Когда идет процесс выплавки, углерод не может полностью внедриться в решетку железа. В результате чугун принимает свойство хрупкости. Его нельзя использовать для изготовления деталей, на которых будет постоянно действовать нагрузка.

Чугун относится к материалам черной металлургии. Его характеристики часто сравнивают со сталью. Изделия из стали или чугуна широко используются в нашей жизни. Их применение является оправданным. Проведя сравнение характеристик, можно сказать следующее об этих двух материалах:

Стоимость чугунных изделий ниже стоимости стальных.
Материалы отличаются по цвету. Чугун – это темный матовый материал, а сталь – светлый и блестящий.
Чугун легче, чем сталь поддается литью. Но сталь легче сваривается и куется.
Чугун менее прочный, чем сталь.
По весу чугун легче стали.
В стали содержание углерода, выше чем в стали.

Плюсы и минусы

Чугун, как и любой материал, имеет положительные и отрицательные стороны.

К плюсам чугуна относят:

Углерод в чугуне может находиться в разном состоянии. Поэтому этот материал может быть двух видов (серый и белый).
Определенные виды чугуна обладают повышенной прочностью, поэтому чугун иногда ставят на одну линию со сталью.
Чугун может достаточно долго сохранять температуру. То есть при нагреве тепло равномерно распределяется по материалу и остается в нем длительное время.
По экологичности чугун является чистым материалом. Поэтому его часто используют для изготовления посуды, в которой впоследствии готовится пища.
Чугун стоек в кислотно-щелочной среде.
Чугун обладает хорошей гигиеничностью.
Материал отличается достаточно долгим сроком службы. Замечено, что чем продолжительнее используется чугун, тем его качество лучше.
Чугун – долговечный материал.
Чугун – это безвредный материал. Он не способен нанести организму даже маленького вреда.

К минусам чугуна относят:

Чугун покроется ржавчиной, если на нем непродолжительное время будет находиться вода.
Чугун – дорогостоящий материал. Однако этот минус оправдан. Чугун очень качественный, практичный и надежный. Предметы, изготовленные из него, так же получаются качественными и долговечными.
Для серого чугуна характерна маленькая пластичность.
Для белого чугуна характерна хрупкость. Он в основном идет на переплавку.

Свойства и характеристики

Физическими. К этим характеристикам относятся: удельный вес, коэффициент линейного расширения, действительная усадка. Удельный вес меняется в зависимости от содержания в материале углерода.
Тепловыми. Теплопроводность материала принята рассчитывать по правилу смещения. Для твердого чугуна объемная теплоемкость равна 1 кал/см 3* о С. Если чугун жидкий, то она равна примерно 1,5 кал/см 3 * о С.
Механическими. Эти свойства зависят от самой основы, а так же от размеров и формы графита. Самым прочным считается серый чугун с перлитной основой, а самым пластичным — с ферритной основой. Максимальное снижение прочности наблюдается при форме графита «пластинка», а минимальное – при форме «шар».
Гидродинамическими. Вязкость в чугуне меняется в зависимости от наличия марганца и серы. Так же она резко возрастает когда температура чугуна переходит точку начала затвердевания.
Технологическими. Чугун обладает отличными литейными свойствами, стойкости к износу и вибрации.
Химическими. По электродному потенциалу (по мере убывания) структурные составляющие чугуна располагаются в следующем виде: цементит — фосфидная эвтектика — феррит.

Отличия чугуна от стали по химическому составу и свойствам

На свойства чугуна влияют специальные примеси.

Так добавление серы позволяет существенно уменьшить жидкотекучесть и снизить тугоплавкость.
Добавление фосфора одновременно дает возможность создать изделие сложной формы, но не дает ему повышенной прочности.
Примесь в виде кремния делает температуру плавления не такой высокой и значительно улучшает свойства литья. Различное процентное содержания кремния позволяет создать разный чугун: от чисто-белого до ферритного.
Марганец ухудшает литейные и технологические свойства, но повышает прочность и твердость.

Помимо названных примесей в состав чугуна могут входить и другие компоненты. Тогда такие материалы будут называться легированными. Наиболее часто в чугун примешивают титан, хром, алюминий, никель и медь.

Далее вы узнаете, какие элементы входят в хим.состав чугуна.

О том, как сварить чугун электросваркой, расскажет видеоролик ниже:

Структура и состав

Если рассматривать чугун как структурный материал, то он представляет собой металлическую полость с графитными включениями. Структура чугуна это в основном перлит, ледебурит и пластичный графит. При этом у каждого вида чугуна эти элементы преобладают в разных пропорциях или отсутствуют совсем.

По структуре чугуны бывают:

перлитные,
ферритные и
ферритно-перлитный.

Графит присутствует в этом материале в одной из форм:

Шаровидная. Графит приобретает такую форму при добавлении присадки магния. Шаровидная форма графита характерна для высокопрочных чугунов.
Пластичная. Графит похож на форму лепестков. В такой виде графит присутствует в обычном чугуне. Этот чугун обладает повышенными свойствами пластичности.
Хлопьевидный. Графит приобретает такую форму в результате отжига белого чугуна. Графит в хлопьевидном виде находится у ковкого чугуна.
Вермикулярный. Графит названной форма находится у серого чугуна. Она была разработана специально для улучшения пластичных и прочих свойств.

Производство металла

Чугун производят в специальных доменных печах. Основное сырье для получения чугуна – это железная руда. Технологический процесс заключается в восстановлении оксидов железа руды и получении на выходе другого материала – чугуна. Для изготовления чугуна используются следующее топливо: кокс, природный газ и термоантрацит.

После восстановления руды железо имеет твердую форму. Далее его опускают в специальную часть печи (распар), где происходит растворение в железе углерода. На выходе получается жидкий чугун, который опускается в нижнюю часть печи.

Цена на чугун (за 1 кг) зависит от количества углерода в нем, от наличия дополнительных примесей и легирующих компонентов. Примерно цена тонны чугуна будет составлять 8000 рублей.

Области применения

Чугун распространен во многих сферах.

Его используют для производства деталей в машиностроении. В основном из чугуна делают блоки для двигателей и коленчатые валы. Для последних требуется усовершенственный чугун, в который добавляют специальные добавки из графита. Благодаря устойчивости чугуна к трению из него делают тормозные колодки отличного качества.
Чугун может бесперебойно работать даже при сильно низких температурах. Поэтому его часто используют в производстве деталей машин, которым придется работать в жестких климатических условиях.
Хорошо зарекомендовал себя чугун в металлургической области. Его ценят за относительно небольшую цену и отличные литейные свойства. Изготовленные из чугуна изделия характеризуются отличной прочностью и износостойкостью.
Из чугуна делают большое множество сантехнических изделий. К ним можно отнести раковины, батареи, мойки и различные трубы. Особо славятся чугунные ванны и радиаторы отопления. Некоторые из них служат в квартирах по настоящее время, хотя приобретены были много лет назад. Чугунные изделия сохраняют свой первоначальный вид и не нуждаются в реставрации.
Благодаря хорошим литейным свойствам из чугуна получают настоящие произведения искусства. Его часто применяют в изготовлении художественных изделий. Например, таких как красивые ажурные ворота или памятники архитектуры.

Выбираете ванну? Не знаете, что лучше, чугунная или стальная? Тогда это видео поможет вам:

Для производства чугуна необходимы руда, флюсы и огнеупорные материалы.

Руда – горная порода, содержащая металлы в виде химических соединений (оксидов, силикатов, карбонатов и сернистых соединений), входящих в состав различных минералов. Руда состоит из минералов, содержащих металл, и пустой породы, в состав которой входят различные примеси. В зависимости от содержания добываемого материала, руды бывают богатые и бедные. Промышленная руда – горная порода, из которой при данном уровне развития техники экономически выгодно извлекать металл. Для железа упомянутый уровень составляет 30…50 %, а для молибдена 0,002…0,05 %.

В природе встречаются следующие железные руды:

а) Красный железняк. Цвет руды может изменяться от темно-красного до темно-серого. Содержит железо в составе гематита – оксида Fe₂O₃. Термин «гематит» происходит от греческого слова «гема», что означает «кровь». Минерал назван так по цвету вишнево-красной черты, которую он оставляет на белой неглазурованной фарфоровой пластине. Содержание железа в руде – 46…65 %. Пустая порода - в основном кварцит. Содержит мало вредных примесей (S и P). Восстанавливаемость железа из руды хорошая.

б) Бурый железняк. Окраска руды варьируется от желтой до буро-желтой. Содержит желез в составе гидрата оксидов железа 2Fe₂O₃·3H₂O, называемого лимонитом. Слово «лимонит» происходит от греческого слова «леймон», что означает «луг» (по местонахождению лимонита в сырых местах, болотах). Содержание железа в руде 37-55 %. Выделение гидратной воды из руды при высоких температурах делает руду пористой, что способствует хорошему восстановлению железа.

в) Магнитный железняк содержит магнетит – магнитный оксид Fe₃O₄ (FeO·Fe₂O₃). Количество железа в руде 55…60 %. Пустая порода – кремнезем с примесями других оксидов. Цвет – темно-серый или черный. Железо восстанавливается из этой руды труднее, чем из других руд.

г) Шпатовый железняк (сидерит) содержит соединение FeСO₃. Количество железа в руде – 30…40 %. Пустая порода в основном содержит оксиды SiO₂, Al₂O₃ и MgO. Цвет руды – желтовато-белый или грязно-серый. Перед загрузкой в доменную печь сидерит подвергают обычно обжигу, в результате которого удаляется влага и СО₂. Восстанавливаемость железа из сидерита самая высокая из всех железных руд.

Железные руды содержат мало марганца, необходимого для получения чугуна. Поэтому в шихту добавляют марганцевые руды. В природе марганцевые руды встречаются значительно реже, чем железные. Содержание марганца в них колеблется от 25 до 48 %. Руда состоит из различных оксидов марганца (MnO, Mn₂O₃ и Mn₃O₄) и глинистого песчаника (пустой породы), поэтому марганцевые руды непрочные и имеют рыхлое строение.

Флюс – материал, загружаемый в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды и золой топлива. Это легкоплавкое соединение называется шлаком. В качестве флюсов для доменной плавки применяют известняк CaCO₃ или (реже) доломит CaCO₃·MgCO₃. При плавке известняк распадается на оксид CaO и углекислый газ CO₂. Во флюсах должно быть минимальное количество серы и фосфора. Нежелательный компонент флюса – кремнезем (SiO₂), который уменьшает флюсующую способность известняка и увеличивает количество шлака в доменной печи.

Расход флюсов при выплавке чугуна в зависимости от состава руды, топлива и от характера их подготовки к плавке колеблется в пределах 0,2…0,5 т флюса на 1 т чугуна.

Так как плотность шлака меньше плотности металла, то он располагается в печи над металлом и может быть удален в процессе плавки. В шлак переходят соединения вредных примесей, содержащихся в расплавленном металле. Периодически скачивая шлак и наводя новый добавкой флюса в плавильное пространство, снижают содержание нежелательных примесей в металле дот необходимых значений. Шлак служит также защитой расславленного металлов от печных газов и воздуха.

Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислые оксиды (SiO₂, P₂O₅), и основным, если в его составе преобладают основные оксиды (СаО, MgO, FeO). Кислые и основные оксиды реагируют друг с другом при высоких температурах. Поэтому во избежание взаимодействия шлака и огнеупорного материала футеровки (защитной облицовки) печи при плавке в печах с кислой футеровкой используют флюсы, образующие кислые шлаки, а в печах с основной футеровкой – материалы, образующие основные шлаки. В противном случае огнеупорная футеровка печи может разрушиться.

При выплавке чугуна для лучшего удаления серы из металла, в который она может переходить из кокса и железной руды, рекомендуется, чтобы в шлаке выполнялось отношение .

Топливо для выплавки чугуна должно удовлетворять следующим требованиям:

1) Куски топлива должны быть надлежащих размеров (25…60 мм).

2) Иметь достаточную прочность.

3) Иметь хорошее сопротивление изнашиванию.

4) Должно содержать минимальное количество вредных примесей, переходящих в чугун.

5) Куски топлива не должны растрескиваться и спекаться при высоких температурах.

6) Должно иметь высокую теплотворную способность.

7) Должно быть сравнительно дешевым.

В современном металлургическом производстве чугуна в качестве топлива применяют кокс, удовлетворяющий перечисленным требованиям. Кокс получают в кокосовых печах сухой перегонкой, т.е. нагревом до 1000 о С без доступа воздуха, каменного угля коксующихся сортов. Кокс представляет собой спекшуюся пористую массу серо-черного или матово-серого цвета. Пористость кокса способствует лучшему протеканию химических реакций в печи.

Огнеупорные материалы применяют для защитной облицовки (футеровки) рабочего пространства плавильных и нагревательных устройств. Огнеупорные материалы делятся на кислые, основные и нейтральные. В кислых огнеупорных материалах высокое содержание кислых оксидов (SiO₂), в основных – основных оксидов (СаО, MgO). Нейтральные огнеупорные материалы состоят из оксидов Al₂O₃, Cr₂O₃ и др. Футеровку доменных печей, т.е. печей, используемых для выплавки чугуна, полностью выкладывают из шамотного кирпича. Шамот относится к нейтральным огнеупорным материалам, и получают шамот обжигом огнеупорной глины, главная составляющая которой – минерал каолинит (Al₂O₃· 2SiO₂·Н₂О).

Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы в виде специально подготовленной смеси (шихты). При доменной плавке могут использоваться также отходы производства, содержащие Fe, Mn, CaO, MgO. К ним относят колошниковую пыль, окалину, сварочный и мартеновский шлаки.

Железные руды

Железные руды представляют собой горные породы, из которых при данном уровне развития техники, экономически целесообразно извлекать железо. Верхняя зона земной коры мощностью около 16 км содержит в среднем 4,9% Fe, входящего в состав более 350 минералов горных пород. Такие широко распространенные горные породы как гранит, базальт содержат 3 – 9% Fe. Однако, в настоящее время столь бедные железом породы, пока не используются. Железо в земной коре в чистом виде не встречается, а находится обычно в соединениях с кислородом, так как обладает сравнительно большим сродством к кислороду.

В природе в большинстве случаев, железо встречается в виде:

магнитной окиси железа Fe3 О4 (магнитный железняк или магнетит);
безводной окиси железа Fe2 O3 (красный железняк или гематит);
водной окиси железа Fe2 O3 ⋅ nH2 O (бурый железняк или гетит);
соединения железа с двуокисью углерода FeСO3 .

Магнитная окись железа

Магнитная окись железа в рудах представлена минералом магнетитом. Руду, содержащую в основном магнетит, называют магнитным железняком. Магнетит можно рассматривать как закись-окись железа FeO ⋅ Fe2 О3. Под действием влаги и кислорода атмосферы закись железа в молекуле FeO ⋅ Fe2 О3 реагирует с кислородом воздуха, переходя в безводную окись железа Fe2 О3.

Образовавшийся минерал по составу является гематитом, но отличается кристаллической решеткой и называется мартитом. Поэтому магнетит в природных условиях всегда окислен. Для характеристики окисленности магнетита принято пользоваться отношением Feобщ / FeFeO . В чистом магнетите это отношение равно 3,0. Обычно к магнитным железнякам относят руды, в которых это отношение меньше 3,5. При отношении равном 3,5 – 7,0, руды относят к полумартитам, а при отношении, большим 7 – к мартитам.

Магнитный железняк встречается обычно в виде крепких кусковых руд. Он содержит: 55 – 60 % Fe, 0,02 – 2,5 % S, 0,02 – 0,7 % Р и обычно кислую пустую породу (SiO2 , Al2 О3). Магнетит характеризуется высокой магнитной восприимчивостью, и поэтому магнитные железняки можно обогащать электро-магнитным способом.

Безводная окись железа

Безводная окись железа в рудах представлена минералом гематитом. Руду, содержащую в основном гематит называют красным железняком, являющимся продуктом выветривания магнитных железняков или в значительной степени окисленным магнетитом. Руды бывают кусковатые, иногда пылевидные. В плотных породах цвет гематита меняется от стального до стально-черного. Для пылевидных руд характерен красный цвет. Красный железняк содержит 50 – 60% Fe, и обычно в таких рудах содержится мало серы и фосфора. Пустая порода таких руд обычно состоит из SiO2 и Al2 O3.

Водная окись железа

Водная окись железа представлена в рудах обычно минералами лимонитом или гетитом. Руды, содержащие эти минералы называются бурыми железняками (общая формула Fe2 O3 ⋅ nH2 O). Бурый железняк образуется при окислении железных руд других типов. Он наиболее распространен в земной коре, но используется сравнительно в небольшом количестве, так как трудно поддается обогащению. В добываемых рудах обычно содержится 25 – 50% Fe и повышенное количество фосфора (0,5 – 1,5% Р). Состав руды бывает разнообразен не только в различных, но и в пределах одного месторождения.

Бурые железняки, наиболее легко восстанавливаемые руды, благодаря малой плотности и большой пористости. В большинстве случаев руды загрязнены вредными примесями – фосфором, серой, мышьяком. Пустая порода глинистая, иногда кремнисто-глинистая.

Карбонат железа

Карбонат железа представлен в руде минералом сидеритом или углекислым железом FeCO3 , и руды, содержащие в основном сидерит, называются шпатовыми железняками. В рудах содержится 30 – 40% Fe. Часто сидериты содержат серу.

Кроме указанных соединений железа, в рудах присутствуют различные соединения пустой породы и примеси, которые в зависимости от вида плавки могут быть полезными и вредными.

Полезные примеси

Полезными примесями являются марганец, никель, хром, ванадий.

Марганец улучшает механические свойства чугуна и стали, способствует удалению серы при десульфурации жидкого металла. Никель и хром повышают коррозионную стойкость стали. Благоприятное воздействие на качество стали оказывают ванадий и титан.

Вредные примеси

Вредными примесями являются сера, фосфор, мышьяк, цинк, свинец, медь. Сера придает металлу красноломкость, снижая его механические свойства. Фосфор вызывает в металле хладноломкость, ухудшая свойства металла при низких температурах. Мышьяк понижает свариваемость металла, ухудшает механические свойства. Кроме того, является сильным ядом и присутствие его недопустимо в металлоизделиях, применяемых в пищевой промышленности (емкости для варки пищи, консервные банки). Цинк и свинец не растворяются в чугуне, поэтому они не могут влиять на его качество. Однако, цинк при плавке возгоняется и пары его, проникая в швы кладки, приводят к увеличению ее объема и разрушению кожуха печи. Свинец также способствует разрушению футеровки печи. Медь понижает свариваемость металла и придает ему красноломкость.

Однако, в некоторых случаях, фосфор и медь могут являться полезными примесями. Например, при выплавке некоторых марок стали.

Пустая порода руд преимущественно состоит из SiO2 , Al2O3, СаО и MgО, которые находятся в виде различных соединений. Для доменной плавки желательно, чтобы отношение (СаО + MgО) / (SiO2 + Al2O3) ≈ 1. В этом случае снижается или отпадает совсем потребность во флюсе, увеличивается подвижность доменных шлаков. В природе такие руды встречаются очень редко и называются самоплавкими.

Читайте также: