ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВИРОБНИЦТВО ЧАВУНУ

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВИРОБНИЦТВО ЧАВУНУ

 

Область технології металів, що займається вивченням способів виробництва металів і сплавів, називається металургією. Відповідно до загальної класифікації металів її можна розділити на металургію чорних металів і металургію кольорових металів.

Найбільш використовуються в промисловості чорні метали та сплави на їх основі, до яких, в першу чергу, відносять сплави заліза з вуглецем - сталі та чавуни, що мають цінні фізико-механічні властивості.

Для виплавки чавуну використовують шихту - суміш матеріалів, що підлягає переробці в доменних печах. Шихта для виробництва чавуну складається з підготовленої руди, палива і флюсів, взятих в певних співвідношеннях. 

Руда представлена різними оксидами заліза. Паливо забезпечує необхідну температуру для плавлення компонентів шихти, вуглець палива бере участь в процесах відновлення і входить до складу залізовуглецевих сплавів. Флюси знижують температуру плавлення пустої породи - з'єднань, що не містять елементів, необхідних для отримання чавуну.

Вихідні матеріали, що використовуються при виробництві чавуну

 

Руда - гірська порода, в якій залізо знаходиться у вигляді хімічних сполук з киснем, сіркою і іншими елементами. В руді знаходяться інші з'єднання, що не містять заліза, такі як кремнезем (SiO₂), глинозем (А1₂О₃) і ін. Вони практично повністю переходять в шлак.

В рудах присутні такі залізовмісні мінерали: магнітний залізняк, червоний залізняк, бурий залізняк, шпатовий залізняк.

Магнітний залізняк складається, головним чином, з мінералу магнетиту (Fe₃O₄). Ця руда містить 60-70% заліза і невелику кількість шкідливих домішок (сірки і фосфору), вона важка, майже чорного кольору, має високу щільність і володіє магнітними властивостями.

Червоний залізняк містить, в основному, мінерал гематит - безводний оксид заліза (Fе₂O₃). Руда червоного кольору з різними відтінками, рихла і пориста, внаслідок чого залізо легше відновлюється.

Бурий залізняк є водним оксидом заліза і зустрічається у вигляді лимоніту (2Fe₂О₃^.3Н₂О) і гетиту (Fе₂O₃^.Н₂О). Руда бурого кольору з відтінками.

Шпатовий залізняк - це вуглекислі з'єднання заліза - сидерити (FеСО₃), найбідніша руда. Вона сірого, жовтуватого або бурого кольору.

Виплавка чавуну відбувається при високій температурі. Джерелом тепла є паливо, яке бере участь в хімічних реакціях, що протікають при виробництві чавуну.

Паливо для виробництва чавуну повинно мати високу теплотворну здатність, міцність, пористість, невелику зольність і мінімальний вміст сірки. Цим вимогам відповідає кокс. Він добре горить, розвиває високу температуру і зберігає достатню міцність. Кокс є основним видом палива при виплавці чавуну.

Одержують кокс шляхом сухої перегонки кам'яного вугілля, що коксується, в коксівних печах. Процес коксування полягає в нагріванні вугілля без доступу повітря до температури 1000-1100 °С.

Для нормального ходу доменного процесу необхідно, щоб домішки плавилися при певній температурі після відновлення з руди заліза. Температури плавлення домішок і золи палива, що є в шихті, значно вище необхідних.

Для зниження температури плавлення пустої породи і золи в доменну піч вводять флюси, що сплавляються з порожньою породою руди і золою, утворюючи шлак. Флюсом при отриманні чавуну є вапняк.

 

Підготовка руди до плавки

 

Залежно від характеристики руди, що добувається, застосовують наступні стадії підготовки: 1) дроблення; 2) сортування за крупністю; 3) збагачення; 4) обпал; 5) усереднення; 6) окускування.

Машини, що застосовують для дроблення - дробарки, дозволяють зменшувати розмір кусків до 5-6 мм. Процес отримання менших фракцій називають подрібненням. Його здійснюють в млинах різних конструкцій.

Дроблення і подрібнення майже завжди супроводжується грохоченням і класифікацією - процесами, мета яких - розділення кусків і частинок руди за крупністю. Відмінність грохочення від класифікації полягає в тому, що при грохоченні проводять сортування кусків на ситах, а класифікацією розділяють дрібні кусочки і частинки (менше 1-3 мм) у водному або в повітряному середовищі.

Збагачення - розділення руди на концентрат з високим вмістом рудного мінералу і хвости з низьким його вмістом. Існують такі способи збагачення корисної копалини: 1) промивка; 2) гравітаційне збагачення; 3) магнітна сепарація; 4) флотація.

Промивка ефективна для матеріалів з м'якою, особливо глинистою порожньою породою і щільними мінералами металу. Гравітаційне збагачення засновано на відділенні корисних мінералів від порожньої породи за відмінністю їх питомої щільності. Магнітна сепарація ґрунтується на різній магнітній сприйнятливості залізовмісних мінералів і частинок порожньої породи. Флотація ґрунтується на різній змочуваності поверхні зерен рудних мінералів і пустої породи.

Окислювальне випалення (нагрів руди до високих температур 900-1000°С в атмосфері повітря) проводять для видалення СО₂ карбонатів і сірки (у вигляді SО₂). Мета відновлювального випалення (нагрів руди у відновлювальній атмосфері) полягає в перетворенні слабомагнітного оксиду Fе₂О₃ в сильномагнітний Fe₃O₄ за реакцією Fе₂О₃+СО(Н₂)=Fе₃О₄+СО₂(Н₂О).

Усереднювання полягає у перемішуванням великої маси рудного матеріалу для отримання постійного вмісту заліза.

Одержані після збагачення руд тонкоподрібнені концентрати (<0,1 мм) не можна використовувати в доменній печі, оскільки вони не забезпечують високої газопроникненості шихти. Перетворення дрібних частинок рудних концентратів і деяких інших матеріалів в крупніші куски складає основну мету процесів окускування. Агломерація - це термічний спосіб окускування дрібних матеріалів для поліпшення їх металургійних властивостей, що здійснюється шляхом спалювання дрібного палива в шарі матеріалу за рахунок безперервного проходження повітря. Способом окускування тонкоподрібнених концентратів (<0,1 мм) є отримання обкотишів (кульок діаметром 15-20 мм). Технологія виробництва залізорудних обкотишів складається із двох стадій:    1) отримання сирих обкотишів з концентрату; 2) зміцнюючого випалу.

 

 

Вогнетривкі матеріали

 

Металургійні процеси протікають при високих температурах. Тому металургійні агрегати футерують вогнетривкими матеріалами. Вони повинні бути механічно міцними, не розм'якшуватися і не розтріскуватися при високих температурах, не вступати в хімічні реакції з пічними газами, розплавленими шлаком та металом.

Вогнетриви - це матеріали, температура оплавлення яких не нижче 1500°С. Захисне внутрішнє облицьовування печей називається футеровкою.

Всі вогнетривкі матеріали розподіляються на кислі, основні і нейтральні. До кислих матеріалів відноситься динас, основу якого складає кремнезем       (90-96%). Його вогнетривкість 1670-1730 °С.

До основних вогнетривких матеріалів відносять магнезит, доломіт і хромомагнезит. Магнезит (MgO) - тугоплавкий матеріал (температура плавлення 2000-2200 °С), володіє хімічною стійкістю. Доломіт - містить в основному СаО і MgO. Його вогнетривкість 1800-1900 °С. Хромомагнезит містить оксид хрому (Сr₂О₃) і оксид магнію (MgO). Вогнетривкість хромомагнезиту 2000°С, він витримує коливання температури і не розтріскується при різких термозмінах.

Нейтральними вогнетривкими матеріалами є шамот і хромовий залізняк. Шамот відносно дешевий вогнетривкий матеріал, що містить 35-42% А1₂О₃,  45-64% SiO₂ і незначну кількість Fe₂O₃. Шамот має достатню вогнетривкість (температура плавлення 1600-1700 °С), трохи розтріскується при високих температурах. Хромовий залізняк є нейтральним вогнетривким матеріалом (вогнетривкість його 1850-1950 °С), міцний і не чутливий до змін температури.

Поди доменних печей футерують вуглецевими блоками, що складаються з суміші антрациту, коксу або графіту з маслопеком і високоглиноземистими вогнетривкими матеріалами.

 

Конструкція доменної печі

 

Виплавка чавуну здійснюється в доменній печі, що представляє шахтну піч безперервної дії. Зверху в піч завантажується шихта, що по ходу плавки опускається вниз. Назустріч шихті знизу підіймаються гази. Доменні печі мають висоту, в середньому, 30 м.

Верхня частина називається колошником. Через колошник в піч завантажується шихта і з печі відводяться колошникові гази. Для завантаження шихти використовується колошниковий пристрій. Нижче після колошника розташовується шахта. Щоб шихта, що нагрівається, опускалася в процесі плавки, шахта в нижній частині має більший діаметр. Найширша частина печі - розпар - має циліндричну форму. Нижній відсічений конус – заплечики - звужується донизу, для утримання шихти, що знаходиться в шахті і розпарі. В нижній частині доменної печі - горні - йде горіння коксу і накопичуються рідкий чавун і шлак. Нижня частина горна - під. У верхній частині горна рівномірно по колу розташовані 12-20 отворів - фурм, через які повітродувними машинами під тиском подається в піч підігріте до температури 900-1100 °С повітря, що забезпечує горіння палива.

Частина горна, яка розташована нижче фурм, називається металоприймачем. В ньому накопичуються чавун і шлак. В горні, нижче фурм, розташована шлакова льотка - отвір для випуску шлаку, а в нижній частині - чавунна льотка для випуску чавуну. 

Основними технологічними характеристиками доменної печі є її корисна висота і корисний об'єм. Корисною висотою називається відстань від осі чавунної льотки до рівня опускання великого конуса засипного апарата. Корисний об'єм - об'єм, заповнений шихтою і продуктами плавки. Доменні печі мають корисний об'єм до 5000 м³.

Доменний процес

 

В основі виробництва чавуну лежить процес відновлення заліза з його оксидів (в руді залізо може бути у вигляді Fe₂O₃, Fe₃O₄). Відновники - оксид вуглецю, вуглець коксу і водень, що вносяться та утворюються в ході доменного процесу. В результаті фізико-хімічних процесів залізняк втрачає кисень. Відновлене залізо має здатність поглинати вуглець. В результаті утворюється сплав заліза з вуглецем (чавун).

Чавун, що утворюється в доменній печі, накопичується в горні. Він випускається періодично 6-8 разів на добу через чавунну льотку. Для цього в льотці спеціальними бурильними машинами пробивається отвір, і рідкий чавун по жолобу прямує в чавуновозні ковші. Після випуску чавуну чавунна льотка закладається вогнетривкою масою.

Шлак накопичується в горні на поверхні чавуну і видаляється через шлакову льотку в шлаковозні ковші і далі на переробку або у відвал. На сучасних крупних доменних печах шлак випускають через чавунну льотку після випуску чавуну.

Киснево-конвертерна плавка

 

Для киснево-конвертерної плавки використовуються кисневі конвертери місткістю до 400 т. Вони футеруються доломітовою або магнезитовою цеглою. Кисневий конвертер має суцільне дно, і кисневе дуття подається зверху за допомогою кисневої фурми, що вводиться в конвертер через горловину.

Спочатку в конвертер завантажують тверду шихту (металевий лом, руду, окалину), потім заливають розплавлений чавун, додають флюси і починають продування киснем.

В результаті окислення домішок чавуну киснем температура досягає 2000°С, тому процес не потребує додаткового палива.

Після закінчення продувки одержана сталь розкислюється і зливається з конвертера через спеціальний отвір, а шлак - через горловину.

Одержана цим способом сталь за якістю не поступається мартенівській. При цьому зберігаються всі переваги конвертерного способу отримання сталі, з'являється можливість використовувати металеві відходи, регулювати процес за рахунок зміни складу твердої шихти.

Розливання сталі

 

При всіх способах виробництва рідка сталь випускається в розливний ківш, виконаний з листової сталі і футерований вогнетривкою цеглою. Місткість розливного ковша повинна вміщати всю плавку. В днищі ковша є отвори, які закриваються або вогнетривкими пробками, укріпленими на стрижнях, або шиберними затворами.

З ковша сталь розливають у виливниці - чавунні форми з гладкою внутрішньою поверхнею для полегшення витягання зливка і щоб уникнути утворення на ньому тріщин. Перед заповненням виливниці рідкою сталлю її стінки змащують кам'яновугільною смолою. При заливці металу смола згоряє і утворюються гази, що перешкоджають попаданню шлаку між тілом зливка і стінками виливниці.

Розливання рідкої сталі у виливниці може здійснюватися двома способами: розливанням зверху і сифоном.

Розливання зверху полягає в заливці сталі безпосередньо з ковша у виливниці. Сифонне розливання сталі полягає в тому, що рідкий метал з ковша поступає в центральний вертикальний канал, сполучений горизонтальними каналами з декількома виливницями. Рідкий метал, проходячи по каналам, одночасно заповнює знизу всі виливниці. Цей спосіб розливання застосовується для зливків невеликої ваги.

Зараз широко використовується безперервне розливання сталі. Сталь з ковша через проміжний розливний пристрій потрапляє в кристалізатор, що безперервно охолоджується водою. Перед заливкою металу в кристалізатор вводять металеву плиту, що замінює дно кристалізатора, на якій починає кристалізуватися рідкий метал.

Потім включається механізм витягання, і безперервний зливок витягується роликами з кристалізатора. В зоні охолодження зливок охолоджується дрібними краплями води і далі розрізається на заготовки необхідної довжини. 

Переваги безперервного розливання - підвищення якості зливка, зростання продуктивності, можливість механізації і автоматизації процесу.

Класифікація сталей

 

За хімічним складом сталь підрозділяється на вуглецеву і леговану.

Вуглецева сталь - сплав заліза з вуглецем (вміст вуглецю до 2%). Окрім заліза і вуглецю, до складу вуглецевої сталі входять також кремній, марганець, сірка і фосфор.

Вуглець в сталі знаходиться у вигляді цементіту. Із збільшенням вмісту вуглецю до 1,2% збільшуються твердість, міцність і пружність сталі, при цьому зменшуються пластичність і ударна в'язкість, погіршуються оброблювальні і зварювальні якості.

Кремній в невеликих кількостях (звичайний вміст його в сталі 0,05-0,35%) не дуже впливає на властивості сталі. При підвищенні вмісту кремнію підвищуються пружність, корозійна стійкість і жаростійкість сталі.

У звичайній сталі вміст марганцю складає 0,3-0,8%, що мало впливає на її властивості. При високому вмісті марганцю сталь набуває твердості та зносостійкості.

Сірка - шкідлива домішка, що додає сталі червоноламкість і знижує корозійну стійкість. Вміст сірки в сталі не повинен перевищувати 0,06%.

Фосфор (не більше 0,07%) додає сталі підвищену крихкість в холодному стані. Він трохи покращує оброблюваність сталі.

Кисень - шкідлива домішка, що утворює закис заліза, який додає сталі крихкість.

За використанням сталі діляться на сталі загального призначення, що йдуть на виготовлення деталей машин, і інструментальні, призначені для виготовлення інструментів.

Конструкційні сталі містять до 0,7% вуглецю. Ці сталі повинні мати достатню міцність і пластичність. Конструкційні сталі, в свою чергу, діляться на сталі звичайної якості і якісні.

Вуглецеві інструментальні сталі містять більше 0,7 % вуглецю. Порівняно великий вміст вуглецю додає цим сталям високу твердість і міцність.

Залежно від вмісту вуглецю сталі підрозділяються на три групи: низьковуглецеві (до 0,25% вуглецю), середньовуглецеві (0,25-0,6%) і високовуглецеві (0,6-2%).

Легованими називають сталі, до складу яких, окрім заліза, вуглецю і звичайних домішок, входять легуючі елементи, що підвищують їх фізичні, хімічні і механічні властивості.

 

Будова феросплавної печі

 

Феросплави отримують у спеціальних електричних печах - феросплавних або рудовідновних (руднотермічних) печах. За призначенням феросплавні печі можуть бути відновними або рафінувальними, по конструкції - відкритими або закритими. Ванни печей можуть бути стаціонарними або обертаючими; форма ванн може бути круглою, прямокутною або овальною.

Нагрів і плавлення шихти у феросплавній печі відбуваються під дією тепла електричних дуг, що виникають між вугільними електродами і металевою ванною. Металевий кожух печі в горизонтальному перетині зазвичай круглий (три електроди, розташовані трикутником) і іноді - прямокутний (електроди, розташовані в ряд). Електроди (так звані самоспікаючі) складаються з металевого кожуха великого діаметра (900-1500 мм), що заповнюється електродною масою. Маса складається з термоантрациту, коксу, кам'яновугільної смоли і пеку. По мірі опускання електродна маса нагрівається, розм'якшується і щільно заповнює кожух. В зоні високих температур відбувається спікання маси в щільний вугільний електрод. По мірі витрачання електрод поступово опускається, а верхню його частину нарощують (зваркою) черговою секцією без виключення струму. Самоспікаючі електроди значно дешевше вугільних.

Феросплавні печі є безперервно діючими агрегатами. З бункерів періодично зверху завантажують шихтові матеріали. З розвитком процесу рідкий метал накопичується на поді і періодично випускається з печі.

 

Виробництво феросиліцію

 

У електричних печах виплавляють переважно феросиліцій марок ФС45 і ФС75. Феросиліцій ФС45 містить 40-47 % Si, <0,8 % Мn, 0,05 % Р, 0,03 % S, решта заліза. Феросиліцій ФС75 містить 74-80 % Si, < 0,7 % Мn, 0,04 % Р,     0,03 % S. Феросиліцій застосовують для розкислювання і легування сталі, а також в якості відновника при виробництві інших феросплавів і кольорових металів, що одержують металотермічним (силікотермічним) способом.

Сировиною для виплавки феросиліцію є кварцити (крупністю 25-80 мм), що містять > 95 % SiO₂ і < 0,02 % Р₂О₅. В якості відновника використовують металургійний коксик (крупністю 10-25 мм). Для поліпшення умов відновлення і отримання сплаву з потрібною концентрацією кремнію в шихту вводять подрібнену стружку вуглецевих сталей.

В процесі плавки відбувається нагрів і плавлення шихти; при цьому кремнезем відновлюється твердим вуглецем за реакцією SiO₂ + 2С = Si + 2СО. Відновлений кремній розчиняється в рідкому залізі, утворюючи розплав з необхідною концентрацією кремнію. Окрім сплаву, утворюється невелика кількість шлаку (2-5 % від маси сплаву). Плавка ведеться безперервно, сплав випускають (12-15 разів на добу) в ківш і розливають в плоскі чавунні виливниці або в зливки на розливній машині.

 

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВИРОБНИЦТВО ЧАВУНУ

 

Область технології металів, що займається вивченням способів виробництва металів і сплавів, називається металургією. Відповідно до загальної класифікації металів її можна розділити на металургію чорних металів і металургію кольорових металів.

Найбільш використовуються в промисловості чорні метали та сплави на їх основі, до яких, в першу чергу, відносять сплави заліза з вуглецем - сталі та чавуни, що мають цінні фізико-механічні властивості.

Для виплавки чавуну використовують шихту - суміш матеріалів, що підлягає переробці в доменних печах. Шихта для виробництва чавуну складається з підготовленої руди, палива і флюсів, взятих в певних співвідношеннях. 

Руда представлена різними оксидами заліза. Паливо забезпечує необхідну температуру для плавлення компонентів шихти, вуглець палива бере участь в процесах відновлення і входить до складу залізовуглецевих сплавів. Флюси знижують температуру плавлення пустої породи - з'єднань, що не містять елементів, необхідних для отримання чавуну.

12345Следующая ⇒

Поделиться: