Принцип виробництва чавуну практично не змінився з найдавніших часів. Стародавні доменні печі були з глини і виробляли кілька кілограмів чавуну на добу. Сучасні доменні печі - найбільші печі в світі - здатні виробляти в добу до 6000 тонн чавуну.
Чавун виробляють шляхом проведення в доменній печі хімічних реакцій залізних і марганцевих руд з відновниками - окисом вуглецю і атомарним вуглецем. Ці відновники утворюються в результаті спалювання в печі палива - коксу, мазуту, природного газ і подрібненого кам'яного вугілля. Крім залізної руди і палива застосовують і інші матеріали, в першу чергу, флюси. Флюси необхідні для зниження температури плавлення пустої породи залізної руди, переведення в шлак сірки, фосфору, золи, палива, що спалюється і освіти легкоплавкого рідинних шлаку, який видаляється з печі.
Основні матеріали для доменної печі
1) Железняк - джерело заліза.
2) Кокс - паливо і відновник.
3) Вапняк - при високій температурі розкладається в утворенням СаО, який діє як флюс і переводить крем'янисті порожні породи в шлак CaSiO3.
4) Повітря - підтримує горіння коксу з виділенням тепла. Видаляє деякі неметалеві домішки (кремній, миш'як) у вигляді летючих оксидів. Окисляє окис заліза FeO в руді до Fe2 O3. що сприяє збереженню заліза в руді. Окис заліза FeO, основна за своєю природою, реагує з SiO2 c утворенням шлаку FeSiO3. Повітря робить руду пористої, що сприяє однорідному відновленню заліза.
залізні руди
У земній корі міститься близько 50% заліза у вигляді оксидів, сульфідів та інших з'єднань - всього близько 200 різних мінералів. Гірські породи, з яких технічно можливо і економічно доцільно видобувати метали називають рудами.
До залізних руд відносять червоний, бурий, магнітний та шпатовий железняки. Ці руди містять багато сполук заліза, з яких його витягають, і порожньої породи, яка відносно легко відділяється при переробці.
Мінерали в залізних рудах
Основними рудообразующего мінералами заліза є гематит, лимон і магнентіт.
Лимоніт - бурий залізняк. Містить залізо в формі водних оксидів типу nFe2 O3 × mH2 O. В буром залізняку - 25-50% заліза.
Магнетит - магнітний залізняк. Містить залізо в основному у вигляді закис-окису заліза Fe3 O4. володіє магнітними властивостями. Магнетити - найбагатші залізні руди - містять 40-70% заліза.
Підготовка руди для виробництва чавуну
Для нормальної роботи доменної печі вона повинна завантажуватися кусковим матеріалом оптимальних розмірів. Занадто великі шматки руди та інших матеріалів не встигнуть належним чином прореагувати, і частина матеріалу піде марно. Занадто дрібні шматки занадто щільно прилягають один до одного, не залишаючи необхідних проходів для проходження газів, що ускладнює роботу печі.
Оптимальними вважають розмір шматків шихти 30-80 мм. Більші шматки подрібнюють до оптимального розміру.
З іншого боку, при дробленні матеріалів і при видобутку руди поряд з великими шматками утворюється дрібниця, також не придатна до плавки. Такі матеріали окусковивают до потрібних розмірів методами агломерації і скочування.
Крім агломерації і скочування виробляють збагачення руди. Збагаченням називають попередню обробку руди без зміни хімічного складу основних мінералів і їх агрегатного стану. Збагачення руди виробляють для підвищення вмісту в ній заліза. При цьому з руди видаляється значна частина порожньої породи. При збагаченні руд застосовують різні методи: промивання руди, метод флотації, гравітаційний метод і магнітне збагачення.
Конструкція доменної печі
Доменна піч є піч шахтного типу. Типова доменна має внизу діаметр 6-8 м і висоту 20-36 м. Найбільша домна, японська, має діаметр 14,9 м. Профіль доменної печі і її температурні зони показані на малюнку 1.
Малюнок 1 - Профіль доменної печі. Матеріали на вході і виході.
Основні хімічні реакції
Доменна плавка
Доменна плавка полягає в роздільному завантаженні в верхню частину печі (ведучий) офлюсованного агломерату і коксу. Їх розташовують в печі шарами. Шихта нагрівається за рахунок тепла горіння коксу в гарячому повітрі, який вдувається в нижній частині домни. Шихта поступово опускається вниз. В результаті фізико-хімічної взаємодії компонентів шихти і піднімаються газів в нижній частині печі - горні - утворюються два змішуються рідких шару - чавун на поду горна і шлак - над чавуном.
Рідкий чавун випускають кожні 2-3 години, у великих печах - щогодини. Шлаки з печі випускають разом з чавуном. Їх поділяють за допомогою спеціальних затворів.
Доменна піч зазвичай працює безперервно протягом кількох років - до 10 років.
Фізико-хімічні процеси в доменній печі
У доменній печі одночасно відбуваються такі процеси:
1) горіння вуглецю палива і освіту восстановителей;
2) розкладання компонентів шихти;
3) відновлення оксидів;
4) коксування заліза і утворення чавуну;
5) утворення шлаку.
Горіння палива і освіту восстановителей
Горіння вуглецю палива відбувається в нижній частині печі при взаємодії повітря при температурі 1000-1300 ° С з коксом:
Утворений вуглекислий газ піднімається до розпеченого коксу і взаємодіє з ним по реакції з утворенням відновника СО:
Восстановитель СО в присутності заліза розкладається по реакції з утворенням атомарного сажистого відновника З:
Відновлення оксидів заліза
Головне завдання доменного процесу - відновлення заліза з його оксидів. Основну роль у відновленні заліза відіграють окис вуглецю і атомарний сажистий вуглець, які утворюються в результаті доменного процесу.
Зони реакцій відновлення і їх температури в доменній печі показані на малюнку 2.
Малюнок 2 - Схема відновлення оксидів заліза
при виробництві чавуну в доменній печі
Відновлення оксидів заліза йде в такій послідовності:
Основними реакціями відновлення є наступні:
У відновленні заліза також бере участь водень, який утворюється з води, яка міститься в шихті.
коксування заліза
Коксування заліза відбувається за рахунок взаємодії твердого губчастого заліза з вуглецем:
Сплав заліза з вуглецем має температуру плавлення нижче, ніж у чистого заліза. В результаті цього утворюються краплі рідкого чавуну, які стікають на дно горна (Лещадь) через шар розпеченого коксу, насичуючись при цьому вуглецем.
Освіта доменного шлаку
Основними реакціями утворення шлаку є наступні:
Побічні реакції відновлення домішок
В результаті побічних реакцій відбувається відновлення домішкових елементів - марганцю, кремнію та фосфору:
Таким чином, в доменній печі ми отримуємо свого роду забруднене домішками залізо, тобто чавун, який містить великих кількостях вільний вуглець, а також домішкові елементи - марганець, кремній і фосфор.
доменний чавун
Типовий хімічний склад доменного первинного чавуну:
Залізо (Fe) = 93,5-95,0%
Кремній (Si) = 0,30-0,90%
Сірка (S) = 0,025-0,050%
Марганець (Mn) = 0,55-0,75%
Фосфор (P) = 0,03-0,09%
Титан (Ti) = 0,02-0,06%
Вуглець (C) = 4,1-4,4%
З доменного первинного чавуну виплавляють сталь. Процес виплавки стали, грубо кажучи, полягає в зниженні в залозі вмісту вуглецю і очищення його від надмірного вмісту марганцю, кремнію, фосфору та інших домішок.