Производство чугуна

Задачей металлургии является получение металлов и их сплавов из руд и других исходных материалов. Эту смесь называют шихтой.

Металлургия стали осуществляется в две стадии. Сначала из руды получают чугун. Затем этот чугун, называемый передельным, используют для выплавки стали. Выплавка чугуна производится в доменных печах (домнах). Исходными (шихтовыми) материалами, которые загружаются в печь, являются железная руда; марганцевая руда, содержащая 25—50 % марганца в виде различных окислов; флюсы — известняк и доломит (куски размерами 30—80 мм); топливо — кокс и газ. Используют также подогретый воздух.

Руда — горная порода, которая содержит металл в количествах, обеспечивающих экономически выгодную ее переработку (железо 30—70 %, цветные металлы 0,01—5 %). Металлы находятся в руде в виде окислов, сульфидов, карбонатов и прочих соединений. В железных рудах минерал чаще всего содержат оксиды железа. В большом количестве присутствует в руде пустая порода, обычно состоящая из кварца и песчаников с примесью глины. В руде содержатся также вредные примеси — сера, фосфор и др.

Флюсы — материалы, образующие при плавке шлак (легкоплавкие соединения с пустой породой, золой топлива, окислами, сульфидами и другими неметаллическими включениями). Поскольку шлак имеет меньшую плотность, чем металл, он располагается над ним и может быть слит до выпуска расплавленного металла. В качестве флюсов используются главным образом известняк C₂СO₃ и доломит CaCO₃·MgCO₃.

Металлургическое топливо используется для получения высоких температур и для непосредственного участия в химических процессах восстановления железа. Топливо должно быть высококалорийным, с низким содержанием золы, влаги и вредных примесей. Главный вид доменного топлива — кокс (кусковое, прочное и высококалорийное топливо). Теплота сгорания кокса 27—29 МДж/кг (7—8 тыс. ккал/кг). В качестве жидкого топлива используют мазут, калорийность которого 40 МДж/кг. Газообразным топливом являются природный (40 МДж/м³), доменный (4 МДж/м³) и коксовальный (16 МДж/м³) газы.

Для повышения производительности доменных печей исходные материалы перед загрузкой проходят специальную подготовку. Так, руда подвергается обогащению (увеличению содержания в ней железа) на обогатительных фабриках рудников. Максимального количества железа достигают промывкой водой (отмывается легкая пустая порода) и магнитной сепарацией. Для улучшения процесса плавки мелкораздробленная руда и пыль проходят окускование. Окускование — окатывание тонко-измельченных увлажненных концентратов в цехе подготовки шихты. Получаемые окатыши — шарики диаметром 25—30 мм— высушивают и обжигают при 1200—1300 °С. Применяется также агломерация, заключающаяся в спекании мелкой (пылеподобной) руды (60 %), колошниковой пыли (20 %), известняка и кокса (20 %) при 1400 °С.

Домна представляет собой вертикальную шахтную печь, стальной корпус которой выложен внутри огнеупорным кирпичом (рис. 2.2). В верхней части домны расположен колошник с конусным затвором, через который загружают печь. У основания конуса находится кольцевой воздухопровод, из которого через отверстия (фурмы) в домну подают воздушное дутье. Нижняя часть печи имеет форму обратного конуса и служит для накопления жидкого чугуна и шлака. Через находящиеся в ней отверстия (летки) производят выпуск чугуна (нижняя летка) и шлака (верхняя летка). Полезная высота печи—расстояние от оси чугунной летки до максимального уровня завалки — у современных домен достигает 35 м, а полезный объем до 5000 м³. Общая высота домны может достигать 70 м. Вместе с вспомогательным оборудованием она представляет собой большое и сложное инженерное сооружение.

Рис. 2.2. Доменная печь в разрезе
1 — воздуховод; 2 — фурмы; 3 — летка для чугуна; 4 — летка для шлака