История производства чугуна и стали

1.Производство  чугуна и стали.    

Железо имело  промышленное применение уже до нашей  эры. В древние времена его  получали в пластичном состоянии  в горнах. Шлак отделяли, выдавливая его из губчатого железа, ударами  молота.     По мере развития техники производства железа постепенно повышалась температура, при которой  велся процесс. Металл  и шлак стали плавиться; стало возможным  разделять их гораздо полнее. Но одновременно в металле  повышалось содержание углерода  и других примесей, - металл становился хрупким и нековким. Так появился чугун.     Позднее  научились перерабатывать чугун; зародился  двухступенчатый способ производства  железа из руды. В принципе  он сохраняется  до настоящего времени: современная  схема получения стали состоит  из доменного процесса, в ходе которого из руды получается чугун, и  сталеплавильного передела, приводящего к уменьшению в металле количества углерода и  других примесей. Современный высокий  уровень металлургического производства основан на теоретических исследованиях  и открытиях, сделанных в различных  странах, и на богатом практическом опыте. Немалая доля в этом процессе принадлежит русским ученым. Например, российские ученые первыми широко применили  природный газ для доменной плавки. 

2. Производство чугуна.          

2.1. Исходные материалы. 

     Железные руды. Главный исходный материал для производства чугуна в доменных печах – железные руды. К ним относят горные породы, содержащие железо в таком количестве, при котором выплавка становится экономически выгодной.

     Железная  руда состоит из рудного вещества  и пустой породы. Рудным веществом  чаще всего являются окислы, силикаты  и карбонаты железа. А пустая  порода обычно состоит из кварцита  или песчаника с примесью глинистых  веществ и реже – из доломита  или известняка.

     В  зависимости от рудного вещества  железные руды бывают богатыми, которых используют непосредственно,  и бедными, которых подвергают  обогащению.

     В  доменном производстве применяют  разные железные руды. 

     Красный железняк (гематит) содержит железо в виде безводной окиси железа. Она имеет разную окраску( от темно-красной до темно-серой). Руда содержит много железа(45-65 %) и мало вредных примесей. Восстановим ость железа из руды хорошая. 

     Бурый железняк содержит железо в виде водных окислов. В нем содержится  25- 50% железа. Окраска меняется от желтой до буро-желтой. Пустая порода железняка глинистая иногда кремнисто-глиноземистая.  

     Магнитный железняк содержит 40-70% железа в виде закиси-окиси железа.

руда обладает хорошо выраженными магнитными свойствами, имеет темно-серый или черный с различными оттенками цвет. Пустая порода руды кремнеземистая с примесями  других окислов. Железо из магнитного железняка восстанавливается труднее, чем из других руд.

     Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли. В этом железняке содержится 30-37 % железа. Сидерит имеет желтовато-белый и грязно-серый цвет. Он легко окисляется и переходит в бурый железняк. Из всех железных руд он обладает наиболее высокой восстановимостью. 

     Марганцевые руды содержат 25-45% марганца в виде различных окислов марганца. Их добавляют в шихту для повышения в чугуне количества марганца.

2.2. Производство чугуна  в доменной печи. 

    Выплавка  чугуна производится в огромных  доменных печах, выложенных из  огнеупорных кирпичей достигающих  30 м высоты при внутреннем диаметре  около 12 м. 

    Верхняя  ее половина носит название  шахты и заканчивается наверху отверстием – калашником, которая закрывается подвижной колонкой – кколашниковым затвором. Самая широкая часть печи называется распаром, а нижняя часть – горном. Через специальные отверстия в горне (фурмы) в печать вдувается горячий воздух или кислород.

     Доменную  печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом  и коксом. Агломерат – это определенным  образом подготовленная руда, спеченная  с флюсом. Горение и необходимая  для выплавки чугуна температура  поддерживаются вдуванием в горн  подогретого воздуха или кислорода.  Последний поступает в кольцевую  трубу, расположенную вокруг нижней  части печи, а из нее по изогнутым  трубкам через фурмы в горн. В горне кокс сгорает, образуя  СО₂ , который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои наколенного кокса, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся оксид углерода и восстанавливает большую часть руды, переходя снова в СО₂.

     Процесс  восстановления руды происходит  главным образом в верхней  части шахты. Его можно выразить  суммарным уравнением:

Fe₂O3 + 3CO = 2Fe + 3CO₂

     Пустую  породу в руде образуют, главным  образом диоксид кремния SiO₂.

Это – тугоплавкое  вещество. Для превращения тугоплавких  примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляются флюс. Обычно в качестве флюса используют  CaCo₃.  При взаимодействии его с SiO₂  образуется  CaSiO₂, легко отделяющийся в виде шлака.

     При  восстановлении руды железо получается  в твердом состоянии. Постепенно  оно опускается в более горячую  часть печи – распар - и растворяет  в себе углерод; образуется  чугун. Последний плавится и  стекает в нижнюю часть горна,  а жидкие шлаки собираются  на поверхности чугуна, предохраняя  его от окисления. Чугун и  шлаки выпускают по мере накопления  через особые отверстия, забитые  в остальное время глиной. 

     Выходящие  из отверстия печи газы содержат  до 25% СО. Их сжигают в особых  аппаратах-кауперах, предназначенных для предварительного нагревания,  вдуваемого в печь воздуха. Доменная печь работает непрерывно. По мере того  как верхние слои руды и кокса опускаются, в печь добавляют новые их порции. Смесь руды и кокса доставляется подъемниками  на верхнюю площадку печи и загружается в чугунную воронку, закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает в печь. Работа печи продолжается в течение нескольких лет, пока печь не потребует капитального ремонта.

     Процесс  выплавки может быть ускорен  путем применения в доменных  печах кислорода. При вдувании  в доменную печь обогащенного  кислородом воздуха предварительный  подогрев его становится излишним, а значит, отпадает необходимость  в громоздких и сложных кауперах  и весь процесс упрощается. Вместе  с тем производительность печи  повышается и уменьшается расход  топлива. Такая доменная печь  дает в 1,5 раза больше железа  и требует кокса на ¼ меньше  чем обычная.       

3 .Производство  стали. 

В стали по сравнению  с чугуном содержится меньше углерода, кремния, серы и фосфора. Для получения  стали из чугуна необходимо снизить  концентрацию веществ путем окислительной  плавки.

В современной  металлургической промышленности сталь  выплавляют в основном в трех агрегатах: конвекторах, мартеновских  и электрических  печах.   

    3.1. Производство стали в конверторах.

Конвертор представляет собой сосуд грушевидной формы. Верхнюю часть называют козырьком  или шлемом. Она имеет горловину, через которую жидкий чугун и  сливают сталь и шлак. Средняя  часть имеет цилиндрическую форму. В нижней части есть приставное днище,  которое по мере износа заменяют новым. К днищу присоединена воздушная  коробка, в которую поступает  сжатый воздух.

Емкость современных  конвекторов равна 60 – 100 т. и более, а давление воздушного дутья 0,3-1,35 Мн/м. Количество воздуха необходимого для  переработки 1 т чугуна, составляет 350 кубометров.

Перед заливкой чугуна конвектор поворачивают до горизонтального  положения, при котором отверстия  фурм оказываются выше уровня залитого чугуна. Затем его медленно возвращают в вертикальное положение и одновременно подают дутье, не позволяющее металлу  проникать через отверстия фурм в воздушную коробку. В процессе продувки воздухом жидкого чугуна  выгорают кремний, марганец, углерод  и частично железо.

При достижении необходимой концентрации углерода конвектор возвращают в горизонтальное положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл раскисляют и выливают в ковш. 

3.2.Производство  стали в мартеновских  печах. 

В мартеновских печах сжигают мазут или предварительно подогретые газы с использованием горячего дутья.

Печь имеет  рабочее (плавильное) пространство и  две пары регенераторов (воздушный и газовый) для подогрева воздуха и газа. Газы и воздух проходят через нагретую до 1200°С огнеупорную насадку соответствующих регенераторов и нагреваются до 1000-1200° С. Затем по вертикальным каналам направляются в головку печи, где смешиваются и сгорают, в результате чего температура под сводом достигает 1680-1750° С. Продукты горения направляются из рабочего пространства печи в левую пару регенераторов и нагревают их огнеупорную насадку, затем поступают в котлы-утилизаторы и дымовую трубу. Когда огнеупорная насадка правой пары регенераторов остынет, остынет так что не сможет нагревать проходящие через них газы и воздух до 1100°С, левая пара регенераторов нагревается примерно до 1200-1300° С. В этот момент переключают направление движения газов и воздуха. Это обеспечивает непрерывное поступление в печь подогретых газов и воздуха. 

Большинство мартеновских печей отапливают смесью доменного, коксовального и генераторного  газов. Также применяют и природный  газ. Мартеновская печь, работающая на мазуте, имеет генераторы только для  нагрева воздуха.

 Шихтовые  материалы (скрапы, чугун, флюсы)  загружают в печь наполненной  машиной через завалочные окна. Разогрев шихты, рас плавление  металла и шлака в печи происходит  в плавильном пространстве при  контакте материалов с факелом  раскаленных газов. Готовый металл  выпускают из печи через отверстия,  расположенные в самой низкой  части подины. На время плавки  выпускное отверстие забивают  огнеупорной глиной. 

 Процесс плавки  в мартеновских печах может  быть кислым или основным. При  кислом процессе огнеупорная  кладка печи выполнена  из  динасов ого кирпича. Верхние  части подины наваривают кварцевым  песком и ремонтируют после  каждой плавки. В процессе плавке  получают кислый шлак  с большим  содержанием кремнезема (42-58%).

При основном процессе плавки подину и стенки печи выкладывают  из магнезитового кирпича, а свод – из динасов ого или хромомагнезитового кирпича. Верхние слои подины наваривают магнезитовым или доломитовым порошком и ремонтируют после каждой плавки. В процессе плавки получают кислый шлак с большим содержанием  54 – 56% СаО.

3.3. Производство стали  в электрических  печах. 

Для выплавки стали  используют электрические печи двух типов: дуговые и индукционные (высокочастотные). Первые из них получили более широкое  применение в металлургической промышленности.

Дуговые печи имеют  емкость 3 - 80 т и более. На металлургических заводах устанавливают печи емкостью 30 –80 тонн. В электрических печах  можно получать очень высокие  температуры (до 2000° С), расплавлять металл с высокой концентрацией тугоплавких компонентов иметь, иметь основной шлак, хорошо очищать металл от вредных примесей, создавать восстановительную атмосферу или вакуум (индукционные печи) и достигать высокого раскисления и дегазации металла.

Нагревание и  расплавление шихты осуществляется за счет тепла, излучаемого тремя  электрическими дугами. Электрические  дуги образуются в плавильном пространстве печи между вертикально подвешенными электродами и металлической  шихтой.

Дуговая печь имеет  следующие основные части: сварной  или клепаный кожух цилиндрической формы, со сфероидальным днищем; подины и стенок; съемный арочный свод с отверстиями для электродов; механизм для закрепления вертикального перемещения электродов; две опорные станины; механизм наклона печи, позволяющий поворачивать печь при выпуске стали по желобу и в сторону загрузочного окна для скачивания шлака.