Виробництво чавуну

4.1.1. Поняття про металургійний завод і комбінат

Чорна металургія – це галузь важкої промисловості, що складається з ряду взаємозалежних підгалузей: видобуток, підготовка залізоруд­ної сировини, безпосередньо металургійне виробництво (доменне, сталеплавильне, прокатне, ферросплавне), трубне, метизне, коксохімічне, виробництво, виробництво вогнетривів і ряд інших підгалузей.

Чавун, сталеві зливки, прокат (рейки, балки, швелери, кутки, труби, плити, листова і рулонна сталь, сталеві канати, дріт), метизи – ось стислий перелік продукції металургійного виробництва.

Сучасний металургійний завод – складне розгалужене господарство з великою концентрацією виробництва. Його основна продукція – чавун, металеві сплави. Металургійний комбінат працює за повним замкнутим циклом, тобто має у своєму складі усі види металургійного виробництва, включаючи прокатне. Його виробнича потужність – від 6 до 15 млн тонн сталі на рік. У той же час існують заводи неповного металургійного циклу, у складі яких відсутні цехи підготовки рудної шихти, доменні цехи (наприклад, московські заводи “Серп і молот”, “Електросталь”, а в Україні – “Істіл” (м. Донецьк)).

4.1.2. Вихідні матеріали для виплавки чавуну

Вихідними матеріалами для виробництва чавуну є руди, паливо і флюси. Основним видом сировини служать залізні руди, що містять хімічні сполуки заліза з киснем і порожні породи з глинозему (Al2O3), оксидів кальцію і магнію (СаО, MgО) та ін.

Цінність залізної руди визначається вмістом у ній заліза. Наявність шкідливих домішок (сірки, фосфору й ін.) обумовлює погіршення якості одержуваного чавуну і необхідність додаткових витрат на їхнє видалення.

Джерелом тепла для розплавлювання руди служить паливо – кокс, який одержують із коксівного вугілля шляхом його нагрівання в спеці­альних печах до 1000-1100ºС без доступу повітря. Кокс також бере участь у хімічних реакціях виробництва чавуну.

У число сирих матеріалів при виплавці чавуну входять флюси – мінеральні речовини, що додаються в шихту для зниження температури плавлення порожньої породи і видалення у виді шлаку непотріб­них компонентів (золи, сірки, порожньої породи).

Руда, паливо і флюси, взяті у визначених дозах (за масою), називаються шихтою.

4.1.3. Технологія виплавки чавуну

Доменна піч (рис. 4.1) являє собою шахтну піч круглого перетину, укладену в металевий суцільнозварний корпус товщиною 25-30 мм у верхній і 35-50 мм у нижній частині. Зсередини піч обкладена (футерована) вогнетривкою цеглою.

Сучасна доменна піч складається з колошника, шахти, розпару, заплічників і горна. У верхній частині печі на колошнику встановлений засипний апарат 1, що служить для засипання шихтових матеріалів, і газовідводні труби 2, через які відводиться доменний газ.

Нижня частина – горн має циліндричну форму. У верхній частині горна розташовані фурми 3, через які в піч подаються підігріте до 1000-1200ºС повітря і природний газ. Нижня частина горна, в якому збирається чавун і шлак, називають лещаддю. Вище неї розташований ливник 5 для випускання чавуну, а на висоті 3-3,5 м – шлаковий ливник 4. Обидва ливники забиваються вогнетривкою масою, а перед випусканням чавуну пробиваються.

Сутність доменного процесу полягає у відновленні оксидів заліза, яке забезпечується безупинною взаємодією шихтових матеріалів, що опускаються, і висхідного потоку пальних газів, що утворюються при горінні коксу в горні.

При нагріванні шихти відбувається видалення вологи і розкладання карбонатів, а оксиди заліза під дією газів СО, Н2і твердого вуглецю коксу поступово перетворюються в залізо за схемою
F2O3 F3O4 FeO Fe.

Основний і найважливіший процес у горні доменної печі – спалювання вуглецю коксу. У результаті горіння коксу виділяється необхідне для процесу тепло, утворюються відновні гази і звільняється об’єм, що сприяє руху шихти згори вниз. У доменній печі залізо відновлюється майже цілком. Постійно контактуючи з доменним газом і розпеченим коксом, губчате залізо, відновлене зі шматків агломерату, окатишів або руди, поступово насичується вуглецем. При 1135ºС у залізі може розчинятися 4,3% вуглецю.

Навуглецювання заліза, тобто насичення його вуглецем, в основному, відбувається в зоні заплічників печі. Тут утворюються краплі сплаву FeС, що цівками стікають у горн печі. При русі вниз рідкий метал стикається зі шматками розпеченого коксу, відбувається розчинення вуглецю в залізі, концентрація вуглецю підвищується до 3,5-4,5%. Крім вуглецю в розплав заліза переходять частково відновлені кремній, марганець, фосфор і сірка. Цей багатокомпонентний сплав заліза називають чавуном. Залежно від складу шихти в чавуні можуть бути також хром, нікель, ванадій, титан, мідь і миш’як.

Випускання продуктів плавки здійснюється роздільно: чавуну – через кожні 1,5-2 години, шлаку – через 1 годину. Чавун випускається в чавуновозні ковші й транспортується для розливу в чушки або для подальшої переробки в сталеплавильні цехи. Доменна піч працює безупинно протягом 10-12 років, після чого піддається капітальному ремонту.

4.1.4. Продукція доменного виробництва

Основним продуктом доменного виробництва є чавун – сплав заліза з вуглецем (2-4,5%) та іншими елементами (марганцем, кремнієм, фосфором, сіркою й ін.). Всі види чавуну, що виплавляються в доменних печах, за призначенням поділяються на передільний, ливарний і спеці­альний.

Біля 85% усього чавуну, що виплавляється, припадає на передільний (білий) чавун, у якому міститься 3,2-4,5% С, 0,3-1,2% Si, 0,2-1% Mn, 0,15-0,2% P і 0,02-0,07% S. Такий чавун визначається підвищеною твердістю, крихкістю, тому використовується для виробництва сталі.

Ливарний (сірий) чавун характеризується підвищеним вмістом кремнію (до 4%), має гарні ливарні властивості і застосовується для виготовлення різноманітних деталей. Різновидом ливарних чавунів є природно-леговані чавуни, одержувані з руд, що містять ванадій, хром, нікель та ін. Такі чавуни є гарним конструкційним матеріалом.

Спеціальні чавуни – це сплави з високим вмістом одного або двох неосновних їхніх компонентів. Так, феросиліцій містить більш 13% кремнію, феромарганець – до 75% марганцю. Ці доменні феросплави застосовують для розкислення і легування сталей.

У результаті плавки, крім чавуну утворюються деякі побічні продукти: шлак, доменний газ і колошникова пилюка. Доменний шлак – це сплав порожньої породи, флюсів і золи коксу, він використовується як будівельний матеріал. З нього виготовляють шлакобетонні блоки, шлаковату. Велика частина шлаку гранулюється і служить сировиною для виготовлення цементу. Доменний газ після очищення його від пилюки використовується в доменному цеху в повітронагрівачах і для роботи повітродувних машин. Колошникова пилюка вловлювається і використовується при виробництві агломерату.

4.1.5.Основні напрямки удосконалення доменного виробництва

Найважливішими техніко-економічними показниками роботи доменних печей служать коефіцієнт використання корисного об’єму і питома витрата коксу. Перший показник визначається відношенням корисного об’єму печі (м3) до її середньодобової продуктивності (т). Чим вище продуктивність печі, тим нижче коефіцієнт використання корисного об’єму.

Цей показник дорівнює в середньому 0,5...0,7, а на деяких печах доведений до 0,4. Другий показник – питома витрата коксу – також характеризує економічність доменного процесу.

Один із шляхів підвищення економічності виробництва чавуну – поліпшення підготовки шихтових матеріалів та інтенсифікація процесу плавки. Так, застосування офлюсованого агломерату дозволяє підвищити продуктивність праці на 10...30%, зменшити витрати коксу приблизно на 20%. Заміна агломерату окатишами додатково збільшує виплавку чавуну на 5...8% і дещо зменшує витрати коксу.

4.2. Виробництво сталі

Чавун і металобрухт – основна сировина для виробництва сталі. Передільний чавун, як правило, містить 3,8...4,4% С, 0,2...2,0% Si, 0,6...3,5% Mn, 0,07...1,6% P, 0,03... 0,08% S. Сталь одержують окислюванням надлишку C, Si, Mn, S і Р.

Сталь – це сплав заліза з вуглецем, у якому вміст вуглецю коливається від 0,01 до 2%. Крім вуглецю, вона вміщує марганець, кремній, сірку і фосфор у незначних кількостях. Внаслідок цього сталі мають високу механічну міцність, порівняно легко обробляються тиском, різанням, добре зварюються і є основним конструкційним матеріалом у машинобудуванні.

Для виплавки сталі використовуються такі шихтові матеріали: чавун (рідкий або твердий), сталевий і чавунний брухт, залізна руда, металізовані окатиші, феросплави, флюси. Основу шихти складають чавун (55%) і металобрухт (45%). Як флюси використовуються вапняк, вапно, боксит, плавіковий шпат; окислювачами служать залізна руда, окалина, кисень, агломерат та ін. Застосовується газоподібне паливо – доменний, коксовий, природний газ; рідке – мазут, смола; тверде паливо – кам’яновугільна пилюка.

Сталь одержують у результаті окислювання і видалення більшої частини домішок чавуну – вуглецю, кремнію, марганцю, фосфору, сірки за рахунок кисню, що міститься в атмосфері, в оксидах заліза і марганцю або спеціально введеного в розплавлену ванну.

Киснево-конвертерний засіб.Сутність його полягає в продуванні рідкого чавуну в конвертері технічно чистим киснем.

Під впливом кисневого дуття домішки чавуну окислюються, при цьому виділяється велика кількість тепла. Це сприяє розплавлюванню всіх шихтових матеріалів, підтримці металів у рідкому стані, швидкому розчиненню вапна й утворенню активного шлаку. На відміну від інших сталеплавильних процесів у кисневому конвертері виплавка сталі відбувається без підводу тепла ззовні.

Загальна тривалість конвертерної плавки складає 35-60 хвилин. Річна продуктивність конвертера місткістю 250 тонн складає понад 1,5 млн тонн.

У кисневих конвертерах в основному виплавляють вуглецеві, низьколеговані й леговані сталі, з яких виготовляють катанку, дріт, лист, труби, рейки і широкий сортамент інших виробів.

Мартенівський процес. Сутність мартенівського процесу полягає в переробці чавуну і металобрухту у відбивній печі. На відміну від конвертерного процесу тут недостатньо тепла хімічних реакцій і фізичного тепла шихтових матеріалів. Тому в піч підводиться додаткове тепло, одержуване при спалюванні в робочому просторі газоподібного або рідкого палива в струмені повітря, нагрітого до 1100-1200°С. Місткість мартенівських печей 600-900 тонн.

Тривалість плавки сталі в мартенівській печі складає 8-16 годин, піч працює безупинно. Тривалість функціонування печі залежить від стійкості її склепіння. Для динасового склепіння вона складає 200-350 плавок, а для магнезиту хромового – 300-1000 плавок.

Електросталеплавильний процес.Виплавка сталі в електричних печах має ряд переваг у порівнянні з іншими сталеплавильними процесами. Основні переваги – це можливість створення високої температури в плавильному просторі печі (більш 2000°С) і виплавки сталі і сплавів будь-якого складу, використання вапняного шлаку, що сприяє доброму очищенню металу від шкідливих домішок сірки і фосфору.

Джерелом тепла в дуговій печі є електрична дуга, що виникає між електродами і рідким матеріалом або шихтою при подачі на електроди необхідної напруги.

Плавка в електропечі починається з заправки поду і завалки шихти. Після завантаження печі електроди опускають до зіткнення з металом, включають напругу і починають плавку.

Перший період плавки завершується зниженням вмісту в сталі фос­фору до 0,01-0,012% і окислюванням домішок, проте в сталі ще залишається кисень і сірка.

Протягом другого періоду плавки здійснюється розкислення, десуль­фурація і рафінування сталі (остаточне доведення хімічного складу). З цією метою додають вапно, плавиковий шпат і мелений кокс. Після цього сталь розкислюють феромарганцем і феросиліцієм. Сірка переходить у шлаки. Знову беруть проби сталі і за необхідності вводять легуючі елементи. Тривалість плавки становить 2-4 години залежно від міст­кості печі і сорту сталі, який виплавляється. Місткість дугових печей – до 200 тонн.

Застосовуються також індукційні печі, що являють собою тигель із вогнетривкого матеріалу, оточений мідною трубчастою спіраллю (індук­тором), через яку пропускається струм високої частоти. Ємність печей – від десятків кілограмів до 30 т. Ці печі застосовуються для виплавки найякісніших високолегованих сталей і сплавів особливого призна­чення.

Електричні печі споживають багато електроенергії, тому вони використовуються, як правило, для одержання тільки високоякісної сталі.

Пряме відновлення заліза з руд. Велика увага приділяється розробці процесів прямого відновлення заліза з руд. Виключення з виробництва сталі проміжного процесу – одержання чавуну – економічно вигідне. Але це важка задача, і, хоча випробувано більш 70 різноманітних способів, лише мала кількість із них знайшла промислове застосування.

Найбільше поширення одержало виробництво губчатого заліза. Це пористий напівпродукт (95% заліза, 5% оксидів заліза, 0,01...0,016% S і ~0,01% Р, домішків породи та ін.), що переплавляється в сталеплавильних агрегатах на сталь. Існують способи виробництва губчатого заліза в шахтних печах, у киплячому прошарку, в обертових трубчастих печах. Вихідний продукт – металізована шихта, чиста від сірки і фосфору, що містить 71...72% Fе. Відновлення шихти в невеличких по висоті шахтних печах (ретортних) відбувається в суміші газів СО+Н2, іноді СО+Н2+N2.

Схема такого виробництва реалізована на Оскольському електрометалургійному комбінаті (недалеко від Харкова).