Производство чугуна

Чугуном называется сплав железа с углеродом от 2, 14 % до 6, 67 %. Кроме того, в чугане имеются постоянные примеси: Si, Mn, S и P.

Чугун получается из железных руд или железоуглеродистых материалов которые подвергают плавке в доменных печах.

В зависимости от состава исходных материалов и условий плавки выплавляют чугун различного состава и назначения:

– передельный чугун, предназначенный для переработки в сталь;

– литейный чугун, используемый на машиностроительных заводах для производства отливок;

– доменные ферросплавы, служащие добавками и раскислителями при производстве отливок и слитков.

§ 1. Материалы, применяемые в доменном производстве

Основными материалами, необходимыми в производстве чугуна, являются руда, топливо и флюсы.

1. Железные руды

Для получения чугуна используют четыре вида железных руд, содержащих железо в различных соединениях.

· Красный железняк – содержит Fe₂O₃. Руда кусковая, пористая, легковосстановимая, чаще всего красного цвета. Добывается на Криворожье, Курском, Ангаро-Питском и др. месторождениях.

· Бурый железняк – содержит Fe₂O₃ · Н₂О. Руда желто-бурого цвета, кусковая, мягкая, порошковая. Добывается: Керченское, Лисаковское, Байкальское.

· Магнитный железняк содержит Fe₃O₄. Руда в виде плотных пород серого цвета. Добывается в Магнитогорском, Курском, Качканарском и др. месторождениях.

· Шпатовый железняк – содержит FeCO₃. Встречается в виде плотных пород серого цвета – Байкальское месторождение.

Содержание железа в рудах колеблется от 15...16% (Качканарское) до 55…65% (Криворожское и Курское).

Криворожское месторождение занимает площадь около 300 км². Разработка ведется как закрытым (25 %) так и открытым способами (75 %).

Пустая порода криворожских руд состоит в основном из кремнезема. Содержание серы не превышает 0, 05 %, фосфора – не более 0, 02…0, 04 %.

2. Марганцевые руды.

Железные руды содержат мало марганца, который необходим для выплавки чугуна. Поэтому в шихту добавляют марганцевые руды. Заводы Украины обеспечиваются марганцевыми рудами Никопольского и Чиатурского (Грузия) месторождений.

3. Флюсы.

Флюсы бывают основные – известняк, доломитизированный известняк и доломит, кислые – кварцит, и нейтральные – бокситы.

Так как пустая порода железных и марганцевых руд содержат в основном кремнезем, то и флюсы, применяемые в черной металлургии, в большинстве – основные (известняк).

4. Топливо.

Топливо в доменной печи служит одновременно носителем тепла, восстановителем и разрыхлителем шихты.

В этой связи к нему предъявляются следующие требования:

· высокая механическая прочность, сохраняющаяся при нагревании до высоких температур;

· отсутствие мелких, а тем более пылевидных фракций;

· высокая пористость, обеспечивающая интенсивное горение;

· высокая теплота сгорания;

· низкое содержание золы, серы и фосфора;

· низкое содержание летучих веществ;

· небольшая стоимость.

Основным видом топлива в доменной печи является каменноугольный кокс. Используются также природный газ и мазут.

§ 2. Подготовка руд к плавке

Исходные материалы (шихта) перед загрузкой в печь специально подготавливают. В последнее время подготовке шихты к плавке уделяют большое внимание, так как от ее качества зависит производительность доменных печей.

Затраты на подготовку шихты значительно возросли и составляют 26 – 28 % всех расходов, при затратах на добычу – 25 – 27 %.

Наиболее просто подготавливают кокс. Отсеивают мелочь на роликовых или дисковых грохотах.

Флюсы дробят в дробилках, а затем отсеивают мелочь на грохотах.

Подготовка руд к плавке состоит из следующих операций:

· дробление;

· сортировка на классы по крупности;

· обогащение – для повышения содержания полезного окисла металла и снижение вредных примесей;

· окускование мелочи, получившейся в результате дробления или обогащения;

· усреднение химического состава.

Дробление руды.

Дробление руды может быть как самостоятельной операцией, так и подготовительной для дальнейшего обогащения и окускования. Для обеспечения нормального хода доменной печи руда и концентрат должны иметь пористость и определенные размеры кусков от 30 до 80 мм. Поэтому богатые руды с кусками больших размеров (более 100 мм) дробят, затем сортируют.

Процесс дробления заключается в разрушении кусков руды раздавливанием, раскалыванием, ударом, истиранием или комбинацией этих видов дробления.

Применяются щековые, конусные, грибовидные и валковые дробилки. Мягкие и хрупкие материалы дробят на молотковых дробилках.

Измельчение руды происходит в шаровых или стержневых мельницах.

Процессы дробления чередуются с рассевом – грохочением в стационарных или передвижных грохотах.

Обогащение руды.

В практике известно несколько процессов обогащения:

1. Промывка – перетирание комьев и отмывка глинистых частиц. Применяется для бурых железняков с песчано-глинистой пустой породой.

2. Гравитационное обогащение основано на разделении минералов по удельному весу в какой - либо среде. Например, отделение руды от другой более мелкой породы путем пропускания струи воды через дно вибрационного сита, на котором лежит руда. При каждом колебании сита пульсирующая струя отделяет более легкую пустую породу от более тяжелой руды и уносит ее.

3. Магнитное обогащение основано на различии магнитных свойств разделяемых компонентов. Оно заключается в том, что тонко измельченную бедную руду подвергают действию магнита, который притягивает к себе частицы руды, содержащие окислы железа, отделяя их от пустой породы. Применяют для этого сепараторы барабанного типа.

4. Магнетизирующий обжиг руд состоит в нагреве руды до 600 – 800°С в печах с целью перевода слабомагнитной окиси железа Fе₂О₃ в сильно магнитную закись железа Fе₃О₄. Руду после обжига направляют на магнитное обогащение.

Окускование железных руд.

При добыче железных и марганцевых руд, а также при дроблении и отсеве руд образуется много мелочи. Рудная мелочь в доменной печи препятствует движению газового потока и плавному сходу шихтовых материалов. Поэтому в доменную печь можно загружать только кусковой материал.

Способы окускования мелких руд и концентратов делятся на три группы:

· брикетирование;

· спекание;

· окатывание.

Брикетирование – прессование руд в куски одинаковой формы. За прессованием следует термическая или химическая обработка брикетов, улучшающая их прочность.

Однако низкая производительность, невозможность удаления вредных примесей, снижение содержания железа и низкая прочность брикетов препятствует широкому применению брикетирования.