Производство чугуна

 
Усреднение

Железные руды по условиям залегания и добычи всегда имеют непостоянный химический состав. Значительные и частые колебания содержания железа и пустой породы в рудах вызывают нарушение теплового состояния доменной печи и химического состава шлака. Это приводит к нарушению ровного хода печи, при котором неизбежны повышение расхода кокса, снижение производительности печи и ухудшение качества выплавляемого чугуна.

Чтобы уменьшить отрицательное влияние непостоянства химического состава руд на показатели доменной плавки, руды подвергают усреднению. Усреднением называют перемешивание железорудных материалов с целью выравнивания химического и гранулометрического составов. В связи с тем, что почти все добываемые руды подвергают окуксованию, основное назначение усреднения состоит прежде всего в уменьшении колебаний содержания железа и кремнезема в рудах. Необходимо добиться такого усреднения руд, при котором колебания содержания железа и кремнезема в руде не превышали бы (0,5 % от среднего значения.

 
Обогащение

Обогащением называется процесс разделения рудного минерала и пустой породы с целью повышения содержания металла в руде и уменьшения содержания пустой породы, а в некоторых случаях и вредных примесей. Все способы обогащения основаны на различии физических свойств рудных минералов и пустой породы. В результате обогащения руды получают:

1. концентрат – продукт, в котором  содержится большая часть извлекаемого металла.

2. хвосты – отходы при обогащении  руды, в которых содержится незначительное  количество металла;

3. промежуточный продукт, в котором  содержание металла больше, чем  в хвостах и меньше, чем в  концентрате.

Промежуточный продукт подвергают повторному обогащению.

В зависимости от метода обогащения и устройства аппарата степень извлечения железа при обогащении железных руд может изменяться от 60 до 95 
%. Различают пять основных методов обогащения руд:

1. рудоотборка, основанная на различии  цвета и блеска кусков рудного  минерала и пустой породы;

2. промывка, основанная на разной  размываемости кусков рудного  минерала и пустой породы;

3. гравитационное обогащение –  разделение в жидкой среде  рудных минералов и пустой  породы в зависимости от плотности  зерен;

4. флотация – метод обогащения, основанный на различии физико- механических свойств поверхности  частиц рудного минерала и  пустой породы;

5. магнитная сепарация (самый распространенный  метод обогащения), основанная на  различии магнитных свойств минерала  и пустой породы.

1.4 Окуксование руд

Окуксованием железных руд называются процессы превращения мелких руд и концентратов в кусковые материалы с целью улучшения хода металлургических процессов в печах различного типа для получения металлов из руд. 
Окуксование руд широко применяется в металлургии черных и цветных металлов. 
В металлургии черных металлов окуксованию подлежат все мелкие руды и концентраты, из которых получают металл в доменном, сталеплавильном и электрометаллургическом производствах.

В доменном производстве окуксованием железорудного сырья достигают:

1. уменьшения выноса газовым потоком  мелких фракций руды из доменной  печи;

                                                    

2. повышения газопроницаемости столба  шихтовых материалов;

3. улучшения использования тепловой  энергии и восстановительной  способности газового потока;

4. улучшения протекания процессов  восстановления, шлакообразования  и перевода серы в шлак.

В итоге окуксование сырья позволяет значительно увеличить производительность доменных печей, сократить расход кокса и повысить качество чугуна.

Существует три метода окуксования руд и концентратов:

1. агломерация (процесс спекания мелких  руд и концентратов путем сжигания  топлива в слое спекаемого  материала или подвода высокотемпературного  тепла извне);

2. окатывание (процесс получения из  концентрата сырых шаров диаметром 10

– 25 мм и последующего их обжига при температуре 1200 – 1350( С);

3. брикетирование (процесс прессования  пылеватых руд и концентратов  в куски одинаковой формы с  добавкой или без добавки связующих  веществ).

В черной металлургии наибольшее распространение получила агломерация и окатывание руд.

2. ДОМЕННЫЙ ПРОЦЕСС

 

    Доменная печь работает по  принципу противотока. Шихтовые  материалы – агломерат, кокс и  др. – загружают сверху при  помощи засыпного (загрузочного) аппарата. Навстречу опускающимся материалам  снизу вверх движется поток  горячих газов, образующихся при  сгорании топлива (кокса), а также  природного газа.   

  В доменной печи протекают  следующие основные процессы.   

  Восстановление железа. Этот процесс  происходит последовательно от  высших окислов к низшим и  далее к чистому металлу (принцип  А.А. Байкова): Fe2O3 – Fe3O4 – FeO – Fe *.   

  Главными восстановителями железа  в доменной печи являются окись  углерода и твердый углерод  кокса. Некоторое количество железа  восстанавливается водородом.

                                                    

*   Восстановление в две стадии Fe2O3 – Fe3O4 – Fe происходит при температурах ниже 570º С и в доменной печи не получает развития.    

  Восстановление окисью углерода  называется косвенным (непрямым) восстановлением  и происходит по реакциям   

  3Fe2O3  + CO  =  2Fe3O4 + CO2 + Q;          

Fe3O4  + CO  =  3FeO + CO2  - Q;   

FeO + CO  =  Fe  + CO2  + Q.   

  Восстановление Fe2O3 начинается при сравнительно низких температурах (400-500º С) в верхней части шахты печи. По мере опускания рудных материалов повышаются температура и содержание СО в доменных газах; при этом создаются условия для окончательного восстановления железа. Эти процессы заканчиваются в нижней части шахты печи при температурах около 900-950º С.   

  Одновременно в шахте печи  происходит также косвенное восстановление  окислов железа водородом по  реакциям, аналогичным реакциям  восстановления окисью углерода   (например, 3Fe2O3  + Н2  = 2Fe3O4  + Н2О  и т. д.).    

  Значение косвенного восстановления  очень велико. В зависимости от  условий работы печи окисью  углерода СО и водородом восстанавливается 60-80% всего железа. Остальная часть  железа восстанавливается твердым  углеродом.   

  Восстановление твердым углеродом  называется прямым восстановлением. Оно происходит при температурах  выше 950-1000º С (зона распара печи) по реакции FeO + C = Fe + CO – Q.    

  Следует отметить, что эта реакция  отражает лишь конечный результат  процесса прямого восстановления, который протекает в две стадии:     

  FeO + CO = Fe + CO2 + Q    

CO2 + Cкокса = 2CO2 – Q        

  FeO + Cкокса = Fe + CO2 – Q

 

 

     Таким образом, при прямом  восстановлении расходуется только  углерод кокса, хотя реагентом, взаимодействующим  с FeO, является окись углерода  СО. Непосредственное восстановление  окислов железа при контакте  с углеродом кокса практически  не происходит. В прямом восстановлении  могут также участвовать водород  и сажистый углерод.    

  Значение прямого восстановления  обосновал акад. М.А. Павлов, доказавший  ошибочность ранее общепризнанной  теории французского металлурга  Грюнера. По Грюнеру, восстановление  железа должно происходить только  косвенно (так называемый идеальный  ход). М.А. Павлов установил, что наиболее  экономичная работа печи (с наименьшим  расходом кокса) может быть обеспечена, когда происходит как косвенное, так и прямое восстановление  железа. Оптимальное соотношение  между прямым  и косвенным восстановлением зависит от температуры воздушного дутья, количества используемого природного газа и других факторов.     

  Науглероживание железа. Восстановление  железа начинается при 400-500

º С и заканчивается при 1300-1400ºС (в распаре печи). При этих температурах железо (T пл. = 1539º С) находится в твердом состоянии в виде пористой губчатой массы.    

  Уже в шахте доменной печи  при температурах выше 400-500º С  наряду с восстановлением железа  происходит и его науглероживание  за счет окиси углерода СО  по реакции  3Fe + 2CO = Fe3 C + CO2  + Q*.   

  Карбид железа Fe3С хорошо растворяется в твердом железе и постепенно образуется сплав железа с углеродом. С увеличением содержания углерода температура плавления сплава значительно понижается и достигает минимального значения 1147º С при 4,3%. В зонах печи с высокими температурами – обычно в нижней части шахты – начинается плавление сплава. Жидкий сплав – чугун, стекая вниз, омывает куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. В нем также растворяются восстановленный марганец, кремний, сера и другие примеси. Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение имеют состав, свойства и количество шлака.   

  Восстановление других элементов. В доменную печь  с шихтовыми материалами попадают марганец, кремний, сера и другие элементы в виде различных химических соединений. Эти элементы частично или полностью восстанавливаются и входят в состав чугуна, улучшая или ухудшая его свойства.   

  Постоянными полезными примесями  чугуна являются марганец и  кремний, вредными – сера и  фосфор.   

  Марганец – постоянная примесь  железных руд. При выплавке чугунов  с повышенным содержанием марганца  в доменную печь загружается  марганцовая руда.

Высшие окислы марганца восстанавливаются до закиси марганца MnO окисью углерода, аналогично окислам железа: MnO2 → Mn2O3 → Mn3O4  → MnO. Закись марганца восстанавливается твердым углеродом по реакции MnO + C = Mn + CO – Q.   

  Эта реакция протекает при  температурах выше 1100º С с поглощением  тепла. Поэтому для восстановления  марганца требуется увеличить  расход кокса и температуру  дутья. Например, при выплавке зеркального  чугуна с 10-25% Mn расход кокса увеличивается  в 2-2,5 раза. Значительная часть MnO находится  в виде силикатов, из которых  может быть выделена известью.     

  Таким образом, дополнительным условием  для увеличения степени восстановления  марганца является достаточное  количество извести CaO в шлаке, т.е. его повышенная основность.    

  Кремний находится в пустой  породе руды и в золе кокса  в виде свободного кремнезема SiO2  или в виде силикатов (SiO2· 2СaO и др.).   

  Восстановление кремния происходит  из кремнезема SiO2  по реакции SiO2  + 2С = Si + 2СО – Q **.

____________________

* Конечная (итоговая) реакция процесса  науглероживания, протекающего в  две стадии.

** Итоговая реакция. Восстановление  кремния происходит в две стадии: SiO2 → SiO → Si.

По-видимому, кремний восстанавливается из SiO2 и карбидом железа Fe3C.    

  Эта реакция протекает с поглощением  тепла при температурах не  ниже 1450 С. Поэтому для выплавки  чугуна с повышенным содержанием  кремния необходимо значительно увеличивать расход кокса и применять высокотемпературное дутье, обогащенное кислородом. Для увеличения количества свободного кремнезема в шлаке необходимо уменьшать в нем содержание извести CaО, т.е. понижать его основность.

Другие полезные примеси – никель, ванадий, титан и т.д. – попадают в доменную печь в виде примесей железной руды. При доменной плавке никель восстанавливается и переходит в чугун полностью, хром – на 85-95%, ванадий – на 70-80%.   

  Фосфор – вредная примесь железных  руд находится в них главным  образом в виде P2O5 · 3СaO. Восстановление фосфора происходит окисью углерода СО, водородом, а также твердым углеродом. Весь фосфор, внесенный шихтой, восстанавливается и переходит в чугун практически полностью.   

  Сера – особенно вредная примесь  в чугуне (а также в стали). Основное  количество серы вносит кокс, часть – железная руда, агломерат, окатыши. В доменной печи 10-20% серы  удаляется в виде соединений. Остальная часть серы переходит  в чугун и в шлак в виде  сульфидов FeS, CaS и др. Сульфид железа FeS хорошо растворяется в чугуне.    

  В условиях доменной плавки  основным способом десульфурации, т.е. удаления серы из металла, является образование сульфида  кальция CaS по реакции FeS + CaO = FeO + CaO + Q.   

  Сульфид кальция CaS нерастворим в  чугуне и находится в шлаке. Наиболее интенсивно эта реакция  протекает при прохождении капель  чугуна через слой шлака.   

  Из этой реакции следует, что  одним из основных условий  удаления серы из металла является  достаточное количество извести CaO в шлаке. Удалению серы способствует  высокая температура в горне; с нагревом уменьшается вязкость  шлака, что улучшает диффузию  сульфидов и способствует восстановлению FeO.   

  Часть серы удаляется с помощью  магнезии MgO (всегда содержащейся  в шлаке), а также марганца по  реакциям FeS + MgO = FeO + MgS и FeS + Mn = Fe + MnS.   

  Сульфид магния MgS нерастворим в  металле, а сульфид марганца MnS растворяется  незначительно. Широкое распространение  получило внедоменное удаление  серы из чугуна. При выдержке  его в ковшах-чугуновозах и  в миксере часть серы может  переходить из металла в шлак  в виде сульфида марганца MnS, так  как растворимость этого соединения  в металле при понижении температуры уменьшается. Такой способ дает хорошие результаты при содержании в чугуне более 2% Mn.    

  Одним из опробованных в промышленных  масштабах способов внедоменного  удаления серы является обработка  чугуна в выпускном желобе  или в чугуновозе содой NaCO3 (1% от массы чугуна).    

Сера удаляется по реакции FeS + NaCO3  = FeO + Na2S + CO2. Образующийся  при этом сернистый натрий Na2S переходит в шлак. В настоящее время проводят исследование работы по изысканию других недефицитных и дешевых реагентов.    

  Шлакообразование начинается примерно  в распаре печи. Первичный шлак  образуется в результате сплавления CaO, SiO2,  Al2O3  и других окислов, находящихся в составе флюса и пустой породы руды. При определенных соотношениях по массе эти тугоплавкие окислы могут образовывать легкоплавкие смеси  – сплавы с Т пл = 1150-1200˚ С. Стекая вниз и накапливаясь в горне, шлак существенно изменяет свой состав. В результате взаимодействия с расплавленным чугуном и остатками несгоревшего кокса в шлаке восстанавливаются окислы железа и марганца, в нем растворяются FeS, MnS, зола кокса и т.д. Химический состав шлака определяет состав чугуна и поэтому при выплавке передельных, литейных и других чугунов всегда подбирают шлак соответствующего состава. Типовой состав шлака: 40-50% CaO; 38-40% SiO2; 7-10% Al2O3.