Технічні науки > Виробництво чавуну і сталі

Виробництво чавуну і сталі

1.Виробництво чавуну і сталі

Залізо мало промислове застосування вже до нашої ери. У древні часи його одержували в пластичному стані в горнах. Шлак відокремлювали, видавлюючи його з губчатого заліза, ударами молота.

В міру розвитку техніки виробництва залоза поступово підвищувалася температура, при якій вівся процес. Метал і шлак сталі плавитися; стало можливим розділяти їх набагато повніше. Але одночасно в металі підвищувався зміст вуглецю й інших домішок, - метал ставав тендітним і нековким. Так з'явився чавун.

Пізніше навчилися переробляти чавун; зародився двоступінчастий спосіб виробництва заліза з руди. У принципі він зберігається дотепер: сучасна схема одержання сталі складається з доменного процесу, у ході якого з руди виходить чавун, і сталеплавильного переділу, що приводить до зменшення в металі кількості вуглецю й інших домішок.

Сучасний високий рівень металургійного виробництва заснований на теоретичних дослідженнях і відкриттях, зроблених у різних країнах, і на багатому практичному досвіді. Чимала частка в цьому процесі належить росіянином ученим. Наприклад, російські вчені першими широко застосували природний газ для доменної плавки.

2. Виробництво чавуну

2.1. Вихідні матеріали

Залізні руди. Головний вихідний матеріал для виробництва чавуна в доменних печах – залізні руди. До них відносять гірські породи, що містять залізо в такій кількості, при якому виплавка стає економічно вигідною.

Залізна руда складається з рудної речовини і порожньої породи. Рудною речовиною найчастіше є окисли, силікати і карбонати заліза. А порожня порода звичайно складається з чи кварциту піщанику з домішкою глинистих речовин і рідше – з чи доломіту вапняку.

У залежності від рудної речовини залізні руди бувають багатими, котрих використовують безпосередньо, і бідними, котрих піддають збагаченню.

У доменному виробництві застосовують різні залізні руди.

Червоний залізняк (гематит) містить залізо у виді безводного окису заліза. Вона має різне фарбування( від темно-червоної до темно-сірої). Руда містить багато заліза(45-65 %) і мало шкідливих домішок. Відновимо ость заліза з руди гарна.

Бурий залізняк містить залізо у виді водяних окислів. У ньому міститься 25- 50% залоза. Фарбування міняється від жовтої до буро-жовтої. Порожня порода залізняку глиниста іноді кременисто-глиноземиста.

Магнітний залізняк містить 40-70% заліза у виді закису-окису заліза.

руда має добре виражені магнітні властивості, має темно-сірий чи чорний з різними відтінками колір. Порожня порода руди кремнеземиста з домішками інших окислів. Залізо з магнітного залізняку відновлюється сутужніше, ніж з інших руд.

Шпатовий залізняк (сидерит) містить залізо у виді вуглекислої солі. У цьому залізняку міститься 30-37 % залоза. Сидерит має жовтувато-білий і грязно-сірий колір. Він легко окисляється і переходить у бурий залізняк. З усіх залізних руд він володіє найбільш високою відновлюваністю.

Марганцеві руди містять 25-45% марганцю у виді різних окислів марганцю. Їх додають у шихту для підвищення в чавуні кількості марганцю.

2.2. Виробництво чавуну в доменній печі

Виплавка чавуна виробляється у величезних доменних печах, викладених з вогнетривких цеглин сягаючих 30 м висоти при внутрішньому діаметрі близько 12 м.

Розріз доменної печі схематично зображений на малюнку.

Верхня її половина зветься шахти і закінчується нагорі отвором – калашником, що закривається рухливим стовпчиком – кколашниковим затвором. Сама широка частина печі називається распаром, а нижня частина – горном. Через спеціальні отвори в горні(фурми) до друку вдувається гаряче чи повітря кисень.

Доменну піч завантажують спочатку коксом, а потім послойно агломератом і коксом. Агломерат – це певним чином підготовлена руда, спеченная з флюсом. Горіння і необхідна для виплавки чавуна температура підтримуються вдмухуванням у горн підігрітого чи повітря кисню. Останній надходить у кільцеву трубу, розташовану навколо нижньої частини печі, а з її по вигнутих трубках через фурми в горн. У горні кокс згоряє, утворити З2, що, піднімаючи нагору і проходячи крізь шари наколінного коксу, взаємодіє з ним і утворить З. Оксид вуглецю, що утворився, і відновлює велику частину руди, переходячи знову в З2.

Процес відновлення руди відбувається головним чином у верхній частині шахти. Його можна виразити сумарним рівнянням:

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

Порожню породу в руді утворять, головним чином діоксид кремнію Si2.

Це – тугоплавка речовина. Для перетворення тугоплавких домішок у більш легкоплавкі з'єднання до руди додаються флюс . Звичайно як флюс використовують CaCo3. При взаємодії його з Si2 утвориться CaSi2, що легко відокремлюється у виді шлаку.

При відновленні руди залізо виходить у твердому стані. Поступово воно опускається в більш гарячу частину печі – распар - і розчиняє в собі вуглець; утвориться чавун. Останній плавиться і стікає в нижню частину горна, а рідкі шлаки збираються на поверхні чавуна, охороняючи його від окислювання. Чавун і шлаки випускають у міру нагромадження через особливі отвори, забиті в інший час глиною.

Вихідні з отвору печі гази містять до 25% З. Їх спалюють в особливих апаратах-кауперах, призначених для попереднього нагрівання, що вдмухується в піч повітря. Доменна піч працює безупинно. У міру того як верхні шари руди і коксу опускаються, у піч додають нові їхні порції. Суміш руди і коксу доставляється підйомниками на верхню площадку печі і завантажується в чавунну лійку, закриту знизу колошниковим затвором. При опусканні затвора суміш попадає в піч. Робота печі продовжується протягом декількох років, поки пекти не зажадає капітального ремонту.

Процес виплавки може бути прискорений шляхом застосування в доменних печах кисню. При вдмухуванні в доменну піч збагаченого киснем повітря попередній підігрів його стає зайвим, а виходить, відпадає необхідність у громіздких і складних кауперах і всьому процесі спрощується. Разом з тим продуктивність печі підвищується і зменшується витрата палива. Така доменна піч дає в 1,5 рази більше заліза і вимагає коксу на ¼ менше ніж звичайна.

3. Виробництво сталі

У сталі в порівнянні з чавуном міститься менше вуглецю, кремнію, сірки і фосфору. Для одержання сталі з чавуна необхідно знизити концентрацію речовин шляхом окисної плавки.

У сучасній металургійній промисловості сталь виплавляють в основному в трьох агрегатах: конвекторах, мартенівських і електричних печах.

3.1. Виробництво сталі в конверторах

Конвертор являє собою судину грушоподібної форми. Верхню частину називають чи козирком шоломом. Вона має горловину, через яку рідкий чавун і зливають сталь і шлак. Середня частина має циліндричну форму. У нижній частині є приставне днище, що у міру зносу заміняють новим. До днища приєднана повітряна коробка, у яку надходить стиснене повітря.

Ємність сучасних конвекторів дорівнює 60 – 100 т. і більш, а тиск повітряного дуття 0,3-1,35 Мн/м. Кількість повітря необхідного для переробки 1 т чавуна, складає 350 кубометрів.

Перед заливанням чавуна конвектор повертають до горизонтального положення, при якому отвору фурм виявляються вище рівня залитого чавуна. Потім його повільно повертають у вертикальне положення й одночасно подають дуття, що не дозволяє металу проникати через отвори фурм у повітряну коробку. У процесі продувки повітрям рідкого чавуна вигорають кремній, марганець, вуглець і частково залізо.

При досягненні необхідної концентрації вуглецю конвектор повертають у горизонтальне положення і припиняють подачу повітря. Готовий метал розкислють і виливають у ківш.

Бесемерівський процес. У конвертор заливають рідкий чавун з досить високим змістом кремнію (до 2,25% і вище), марганцю (0,6-0,9%), і мінімальною кількістю сірки і фосфору.

По характері реакції, що відбувається, бесемерівський процес можна розбити на три періоди. Перший період починається після пуску дуття в конвертор і продовжується 3-6 хв. З горловини конвертора разом з газами вилітають дрібні краплі рідкого чавуна з утворенням іскор. У цей період окисляються кремній, марганець і частково заліза по реакціях:

Si + O2 = SiO2,

2Mn + O2 = 2MnO,

2Fe + O2 = 2FeO.

Закис заліза, що утвориться, частково розчиняється в рідкому металі, сприяючи подальшому окислюванню кремнію і марганцю. Ці реакції протікають з виділенням великої кількості тепла, що викликає розігрів металу. Шлак виходить кислим (40-50% Si2).

Другий період починається після майже повного вигоряння кремнію і марганцю. Рідкий метал досить добре розігрітий, що створюються сприятливі умови для окислювання вуглецю по реакції C + Fe = Fe + CO, що протікає з поглинанням тепла. Горіння вуглецю продовжується 8-10 хв і супроводжується деяким зниженням температури рідкого металу. Окис вуглецю, що утвориться, згоряє на повітрі. Над горловиною конвектора з'являється яскраве полум'я.

В міру зниження змісту вуглецю в металі полум'я над горловиною зменшується і починається третій період. Він відрізняється від попередніх періодів появою над горловиною конвертора бурого диму. Це показує, що з чавуна майже цілком вигоріли кремній, марганець і вуглець і почалося дуже сильне окислювання заліза. Третій період продовжується не більш 2 – 3 хв, після чого конвектор перевертають у горизонтальне положення й у ванну вводять розкислювачі (феромарганець, ферросиліцій чи алюміній) для зниження змісту кисню в металі. У металі відбуваються реакції

1	2	3	4

Назва: Виробництво чавуну і сталі
Дата публікації: 2005-03-24 (6140 прочитано)