Сырьем для производства чугуна служат железные руды, подразделяющиеся на четыре группы:
Руды магнитной окиси железа или магнитные железняки, содержат 50-70% железа и состоят в основном из минерала магнетита Fе3О4. Руды магнитной окиси железа трудно восстановимы.
Руды безводной окиси железа (красный железняк) содержат 50-70% железа в виде минерала гематита Fе2О3. Красные железняки восстанавливаются легче, чем магнитные железняки и обычно содержат малые количества фосфора и серы
Руды водной окиси железа или бурые железняки содержат железо в виде химического соединения его окиси с водой Fе2О3*nН2О и переменного количества адсорбированной воды. Эти руды преимущественно бедные по содержанию железа (25 –50%). Руды загрязнены вредными примесями, и их целесообразно предварительно обогащать.
Руды углекислой соли железа или шпатовые железняки, содержат 30-37% железа в виде минерала сидерита FеСО3.
Подготовка железной руды к доменной плавке обычно включает процессы дробления, грохочения, сортировки по крупности, усреднения, обогащения. Подготовленная железная руда загружается в доменную печь вместе с углеродсодержащим материалом (коксом) и флюсом.
В н.в около 99% чугуна выплавляется на коксе. Кокс должен быть прочным, пористым и содержать ограниченное количество примесей.
Сгорая в горне доменной печи за счет кислорода дутья, кокс образует газ с высоким содержанием окиси углерода, являющейся восстановителем окислов железа. При сгорании кокса в доменной печи создаются высокие температуры, обеспечивающие необходимые физико-химические процессы и образование продуктов плавки. Флюсы загружают в доменную печь для образования с пустой породой руды и золой кокса легкоплавкого жидкотекучего и легко отделяемого от чугуна шлака, состоящего из силикатов и алюминатов кальция и магния. В качестве флюсов используют не содержащие серы и фосфора карбонат кальция и доломит СаСО3 * МgСО3
Доменная печь представляет собой шахтную печь круглого сечения. Железная руда, кокс и флюсы подаются в печь сверху при помощи наклонного подъемника. Образовавшиеся в процессе доменной плавки чугун и шлак, периодически выводятся из горна раздельно через соответствующие летки. Воздух поступает в печь через фурмы, расположенные в фурменной зоне горна. В этой зоне печи создается окислительная атмосфера, и углерод кокса сгорает по реакции:
С + О2 = СО2 + 409 кдж
Образовавшаяся двуокись углерода далее восстанавливается углеродом раскаленного кокса до окиси углерода
С + СО2 = 2СО – 165.8 кдж.
Образующийся в горне газ поднимается в верх печи, отдавая тепло шихтовым материалам и взаимодействуя с ними как восстановитель. Наивысшая температура в доменной печи достигает 18000С. По мере опускания шихты от колошника в более горячую зону доменной печи происходят следующие процессы: разложение компонентов шихты, восстановление оксидов железа и других соединений, образование чугуна (обуглероживание железа), шлакообразование и плавление.
Восстановление окислов железа–основная цель плавки. Твердые окислы железа восстанавливаются окисью углерода в следующем порядке: Fе2О3→ F3О4 → FеО → Fе
Восстановление возможно, если прочность связи кислорода с восстановителем больше, чем с металлом.
Восстановление окислов железа окисью углерода протекает по реакциям:
3Fе2О3 (тв) + СО = 2Fе3О4 (тв) + СО2 + 63.1 кдж
Fе3О4 (тв) + СО = 3FеО (тв) + СО2 – 22.4 кдж
FеО (тв) + СО = Fе (тв) + СО2 + 13.2 кдж.
Шлакообразование происходит одновременно с восстановлением железа из его окислов. Процесс шлакообразования влияет на состав и качество чугуна и на работу печи в целом. Температура плавления смеси пустой породы и флюсов должна быть 1250-13500С. Для достижения этой температуры необходимо иметь определенное соотношение СаО, МgО, Аl2О3 и SiО2 в шихте. Плотность расплавленного шлака меньше, чем чугуна, поэтому он накапливается в горне над расплавленным чугуном. Для предупреждения перехода FеО в шлак необходимо повышать основность шлака (избыток СаО). Повышенная основность шлака необходима также и для удаления серы, фосфора из металла.
Чугун делится по применению на литейный, передельный и специальный.
Литейный чугун предназначен для изготовления чугунных изделий методом литья. Он содержит 2-4% кремния и 0.3% фосфора. Чугуны, содержащие никель, ванадий, хром, называются легированными и применяют для специального литья.
Передельный чугун предназначается для производства стали. В зависимости от способа передела чугуна в сталь различают: бессемеровский, мартеновский, томасовский чугуны Мартеновский чугун перерабатывается на сталь в мартеновских печах, бессемеровский – путем продувки расплавленного чугуна воздухом в конверторе с кислой футеровкой, томасовский чугун переделывается в сталь в конверторах с основной футеровкой.
13.9.3. Производство стали.
Передел чугуна в сталь заключается в уменьшении количества углерода путем его окисления, в возможно более полном удалении серы и фосфора и в доведении в стали до нужных пределов содержания кремния, марганца и др. элементов.
Окисление углерода можно осуществлять двумя методами: продувкой кислорода через расплавленный чугун - конверторный способ и добавлением в расплавленный чугун твердых окислителей (железной руды, окалины и др.) – мартеновский способ.
В обоих способах углерод окисляется до окиси и двуокиси углерода, а такие примеси, как кремний и марганец в значительной степени переходят в шлак в виде SiО2 и МnО. Для удаления серы и фосфора необходимо держать в шлаке избыточное количество окиси кальция. Различают кислые и основные методы передела чугуна в сталь. Кислые методы применяют для чугунов, содержащих мало фосфора и серы. В мартеновском способе кислые и основные методы передела чугуна в сталь осуществляются в мартеновских печах. При конверторном способе кислый метод передела чугуна в сталь называется бессемеровским, основной же метод носит название томасовского. Жидкий чугун заливают в конвертор, представляющий собой сосуд, изготовленный из листовой стали, сюда же через сопло вдувается кислород под давлением. Конвертор имеет приспособление для его вращения. Заливка чугуна производится через горловину. После заливки чугуна включается дутье. При продувке кислорода через расплавленный чугун в первый период окисляется железо.
2Fе + О2 = 2FеО + 518.8кдж
Образовавшаяся закись железа взаимодействует с кремнием и марганцем по реакциям:
Si + 2 FеО = 2Fе + SiО2 + 369.6 кдж
Мn + FеО = Fе + МnО + 126.4 кдж
Окислы примесей всплывают и переходят в шлак. Металл при этом разогревается, и температура его достигает 16000С. Продолжительность этого периода 3-4 мин. Он называется периодом шлакообразования. Во втором периоде происходит взаимодействие закиси железа с углеродом:
С + FеО = Fе + СО – 75 кдж.
В третьем периоде в результате понижения концентрации углерода в металле окисление его замедляется, усиливается окисление кремния, марганца и железа. По окончании продувки сталь еще не готова, так как в ней присутствует FеО, что делает ее красноломкой и хладноломкой. Для восстановления FеО в конвертор или ковш при разливке стали добавляют раскислители – зеркальный чугун или ферросилиций. Фосфор, содержащийся в чугуне, переходит, в сталь. Недостатком бессемеровского способа является повышенная потеря металла вследствие окисления железа до FеО, переходящего в шлак. Однако высокая производительность конвертора, отсутствие расхода топлива и сравнительная простата обслуживания обусловили преимущественное развитие в производстве стали конверторного способа как более экономичного.
Томасовский способ отличается от бессемеровского в основном тем, что фосфор, содержащийся в чугуне, при продувке кислорода через расплавленный чугун вначале окисляется в Р2О5, которая взаимодействует далее с известью, добавляемой в конвертор, и материалом футеровки конвертора.
Мартеновский способ дает возможность передела чугуна различного состава. Потери металла незначительны. В н.в. около 80% стали выплавляется в мартеновских печах. Однако, мартеновский способ менее выгоден, чем конверторный; строительство мартенов обходится дороже, чем конверторов.
Выплавка стали в электрических печах применяется для получения высококачественных углеродистых и специальных сталей. Преобладающее количество электростали выплавляется в дуговых печах. В электрических печах легко достигается температура 20000С и выше, что позволяет выплавлять тугоплавкие стали и вести процесс на сильноосновных шлаках, позволяющих более полно удалять серу и фосфор из стали.
Свойства стали в значительной степени определяются ее составом, в частности, содержанием углерода. В технически чистом железе содержится до 0.02% углерода. Такое железо обладает высокой пластичностью. С увеличением содержания углерода повышается твердость и прочность стали и одновременно понижается ее пластичность. Марганец, содержание которого в сталях составляет от 0.2 до 1.0% и выше, повышает твердость и прочность стали и одновременно понижает пластические свойства. Кремний повышает предел прочности стали. Никель, хром, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан и некоторые другие металлы вводятся в сталь для придания ей особых свойств. По химическому составу сталь подразделяют на углеродистую и легированную. По назначению сталь делится на конструкционную, инструментальную и сталь с особыми свойствами (нержавеющая, кислотоупорная, жаропрочная и др.) Сера, фосфор и растворенные газы являются вредными примесями в сталях.
Процессами прямого получения железа называются способы получения губчатого железа, металлизированного сырья, литого железа или стали непосредственно из железорудного сырья, минуя доменный процесс. Существующие методы прямого получения железа подразделяются:
1) По физическому состоянию получаемого продукта, и соответственно по температуре процесса на:
- получение губчатого железа и металлизированных окатышей при температуре ниже температуры плавления пустой породы;
- получение крицы, т.е. слипшейся массы губчатого железа при температуре плавления пустой породы с образованием шлака;
- получение жидкой стали при температурах выше температуры плавления железа.
2) По природе используемого восстановителя на:
- использование твердых восстановителей;
- использование газообразных восстановителей (СО, Н2)
3) По состоянию слоя обрабатываемого сырья и, соответственно, по конструкции применяемого оборудования на:
- восстановление в плотном неподвижном слое;
- восстановление в плотном подвижном слое;
- восстановление во взвешенном слое;
- восстановление в кипящем слое.
Из этих методов наибольшее распространение получили процессы получения губчатого железа и металлизированных окатышей из высококачественных руд восстановлением в шахтных печах газообразными восстановителями.