Сущность и особенности производства чугуна. Основные пути и направления совершенствования и повышения экономической эффективности технологий подготовительно-обогатительного и металлургического производства

материалов  при  помощи  конуса  и  воронки.  Шихтовые  материалы  –   кокс,

железосодержащие  компоненты и флюс – загружают  в  доменную  печь  отдельными

порциями,  называемыми  подачами.  Количественное  соотношение   компонентов

шихты в каждой подаче строго постоянное. Оно  определяется  расчетом  шихты.

Материалы   на   колошник   подают   специальными   тележками   –   скипами,

перемещающимися по рельсам наклонного моста. Объем  материалов  одной  подачи

соответствует   объему  нескольких  скипов,  поэтому  подача   на   колошник

подается по частям несколькими скипами. При этом одну  часть  скипов  подачи

загружают коксом, а другую – железосодержащими  компонентами  и  флюсом.  При

полностью  офлюсованном  агломерате  подача  состоит  только  из  скипов   с

агломератом и  коксом. 
 

Движение шихты  в доменной печи 
 

   В  доменной  печи  шихта  опускается  под   действием   своей   массы   в

пространство,  освобождающееся  в  результате  уменьшения  ее   объема   при

протекании  различных  процессов,  основными  из  которых  являются  горение

углерода  кокса  в  фурменных  очагах,  расход  углерода  кокса  на   прямое

восстановление, образование  и плавление чугуна и шлака, а  также  уплотнение

шихты при движении. 44 – 52 % общего уменьшения объема шихты  приходится  на

горение углерода, 11 – 16 % - на прямое восстановление,  25  –  35  %  -  на

плавление чугуна и шлака и 5 – 15 % - на  уплотнение  материалов.  Из  этого

следует, что уменьшение объема шихты происходит  главным  образом  в  очагах

горения перед  фурмами,  а  фурменные  очаги  можно  уподобить  своеобразным

воронкам, через  которые движется основная масса  шихты.

   Периферийное  расположение  зон  горения   приводит  к   преимущественному

движению шихты  на периферии печи. Скорость  движения  шихты  в  периферийном

кольце колошника  составляет  90  –  140,  а  в  центре  70  –  120  мм/мин.

Длительность  пребывания шихты в печи изменяется в пределах от 5,5 до  7  ч.

Активизация работы центра печи всегда приводит  к  существенному  увеличению

скоростей опускания  шихты в осевой  зоне  и  уменьшению  разности  скоростей

движения шихты  на периферии и в центре.

   Повышение  скорости схода  шихты  на  периферии  колошника  объясняется   и

другими причинами, главной из которых  являются  расширение  шахты  книзу  и

более интенсивное  по сравнению с коксом движение  железорудных  компонентов,

располагающихся в большом количестве на периферии.

   В результате  неодинаковой скорости движения  шихты в рабочем  пространстве

печи  одновременно  загруженные   в   печь   материалы   приходят   в   горн

неодновременно.  Это  явление  называется  опережением,  которое  необходимо

учитывать при  изменении условий  работы,  печи,  связанных  с  переходом  на

выплавку другого  вида чугуна, изменением качества материалов. 
 
 

                     2.3 Восстановление оксидов металлов 
 
 

Физико-химические основы восстановительных процессов 
 

   Одним из  условий получения  чугуна  в  доменной  печи  является  удаление

кислорода из оксидов,  металлы  которых  входят  в  состав  чугуна.  Процесс

отнятия кислорода  от оксида и  получения  из  него  элемента  или  оксида  с

меньшим  содержанием  кислорода   называется   восстановлением.   Наряду   с

восстановлением   протекает  окисление  вещества,   к   которому   переходит

кислород оксида. Это вещество называется восстановителем.

   Восстановительные   процессы  сопровождаются  выделением  или  поглощением

тепла. Химическая прочность  оксида  определяется  силами  химической  связи

данного элемента с кислородом. 
 

Восстановление  оксидов железа оксидом углерода 
 

   По степени  убывания кислорода оксиды железа  располагаются в  ряд:  Fe2O3,

Fe3O4 и FeO, содержащие  соответственно  30,06; 27,64 и  22,28  %  кислорода.

Из трех оксидов  железа, взятых в свободном  состоянии,  наиболее  прочным  в

условиях рабочего пространства доменной печи, а точнее при температуре  выше

570( С,  является  FeO.  Восстановление  железа  из  его  оксидов  протекает

ступенчато путем  последовательного удаления кислорода  и  в  зависимости  от

температуры может  быть изображено двумя схемами: 

   при температуре  выше 570( С

   Fe2O3  ( Fe3O4 ( FeO ( F 

   при температуре  ниже 570( С

   Fe2O3  ( Fe3O4 ( Fe. 

   Ниже 570( С   прочность  FeO  становится  меньше  прочности  Fe3O4  и  она

превращается в Fe3O4 и Fe.

   В доменной  печи восстановление железа из  его оксидов протекает в основном

по  первой  схеме,  так  как  уже  через  несколько  минут  после   загрузки

материалов на колошник они нагреваются до температуры  выше 570(  С.  Большая

половина  кислорода,  связанного  в  оксиды   железа,   отбирается   оксидом

углерода, поэтому  основным восстановителем в доменной  печи  является  оксид

углерода.

   Восстановление  оксидов железа оксидом углерода  при температуре выше  570(

С идет по реакциям:

   3Fe2O3 + СО ( 2Fe3O4 + СО2 + 37,137 МДж,

   Fe2O3 + mCO ( 3FeO + (m – 1)CO + СО2 – 20,892 МДж,

   FeO + nCO ( Fe + (n – 1)CO + СО2 + 13,607 МДж. 
 

                       2.4 Образование чугуна и шлака 
 
 

Науглераживание железа 
 

   Восстановленное  в доменной печи из руды  железо поглощает углерод и  другие

элементы,  образуя  чугун.  Процесс  науглераживания  железа  начинается   с

момента его появления  в виде твердой  губки  в  зоне  умеренных  температур.

Механизм науглераживания  железа сводится к следующему.  Свежевосстановленное

железо служит катализатором реакций разложения оксида углерода  на  сажистый

углерод и диоксид  углерода. Эта  реакция  протекает  на  поверхности  губки.

Обладая повышенной химической активностью, сажистый углерод  взаимодействует

с атомами  железа  и  образует  карбиды  железа.  Науглераживание  губчатого

железа уже заметно  протекает при 400  –  500(  С.  По  мере  науглераживания

железа температура  плавления его понижается.  Если  чистое  железо  плавится

при 1539( С, то сплав  железа с углеродом, содержащий 4,3 % С,  плавится  при

1135( С. Однако  науглераживание железа в   твердом  состоянии  является  лишь

начальной  стадией  этого  процесса,  способствующей  понижению  температуры

плавления  металла.  Более  интенсивно   науглераживание   протекает   после

перехода металла  в жидкое состояние. Капли  металла,  стекая  в  горн  печи,

контактируют  на  поверхности  кусков  раскаленного  кокса  с  углеродом,  в

результате чего содержание углерода в сплаве резко  возрастает. На  горизонте

фурм за пределами  зон горения содержание углерода в чугуне достигает  3,8  –

4,0%. Окончательное  науглераживание металла происходит  в горне печи.

   Переход  других элементов в чугун  (марганца,  кремния,  фосфора  и  серы)

осуществляется  по мере их восстановления на  различных  горизонтах  рабочего

пространства  печи.  Марганец  при  выплавке  передельного  чугуна   заметно

переходит в металл уже в  распаре,  однако  наиболее  интенсивное  насыщение

чугуна  марганцем  происходит  в  заплечиках  и  горне  при   восстановлении

марганца.  Основная  масса  кремния  переходит  в  чугун  в   нижней   части

заплечиков и  в горне. Содержание фосфора в  пробах металла из  распара  почти

такое же, как и  в конечном чугуне, а иногда и  выше.  Это  объясняется  тем,

что в металл из распара, попадает не только  фосфор,  который  восстановился

здесь и выше, но и фосфор, возгоняющийся из нижних горизонтов  печи.  Фосфор

начинает переходить в металл уже в нижней части  шахты.

   Окончательное  содержание углерода в чугуне  не поддается  регулированию   и

зависит от элементов  в сплаве. Марганец и хром,  являясь  корбидообразующими

элементами, способствуют увеличению содержания углерода в чугуне. Кремний  и

фосфор, образуя  более  прочные  с  железом  соединения,  разрушают  карбиды

железа  и  понижают  содержание  углерода  в  чугуне.  Если  в   передельном

маломарганцовистом  чугуне содержится 4 –  4,6%  углерода,  то  в  зеркальном

чугуне, содержащем 10 – 25 % марганца, углерода содержится 5 – 5,5  %,  а  в

75 %-ом ферромарганце  содержание углерода достигает  7 – 7,5 %.  Наоборот,  в

литейном чугуне, содержащем 2,5% кремния, содержание углерода  не  превышает

3,5 %, а в ферросилиции  содержание углерода понижается  до 2 % и ниже.

   Содержание  марганца и кремния сильно  влияет  на  структуру  чугуна,  что

имеет   очень   важное   значение   при   производстве   литейного   чугуна,

используемого  в  машиностроении.  Известно,  что  углерод  в  чугуне  может

находиться в  химически связанном состоянии  в  виде  карбида  и  в  свободном

состоянии  в  виде  графита.  В  литейном   чугуне   благодаря   повышенному

содержанию кремния  значительная часть углерода  находится  в  виде  графита,

что способствует повышению прочности отливок. В  изломе  такой  чугун  имеет

серый цвет. Увеличение содержания карбидов  железа  в  чугуне  повышает  его

хрупкость. В изломе такой  чугун  имеет  белый  цвет.  Качество  чугуна  для

отливок также  зависит и от условий выплавки чугуна в доменной печи. 
 

Образование шлака 
 

   В доменной  печи  шлак  образуется  под   действием  высоких  температур  в

результате плавления  пустой породы железосодержащих материалов  и  флюса,  к

которым в  горне  присоединяется  зола  сгоревшего  кокса.  Шлакообразующими

оксидами являются  SiO2,  CaO,  MgO,  Al2O3,  FeO,  MnO,  а  также  сульфиды

металлов, преобладающим  из которых является CaS.

   Образованию  шлака предшествуют процессы  размягчения  и  спекания  пустой

породы и флюса, сопровождающиеся образованием твердых  растворов и  различных

химических соединений. Эти процессы представляют собой  промежуточное  звено

при  переходе  вещества  из  твердого  состояния  в   жидкое.   Чем   больше

температурный интервал,  в  котором  протекает  превращение  шлакообразующих