§ 82. Производство чугуна

При восстановлении железа в доменных печах образуется чугун. Но в машиностроении используют в основном сталь. Поэтому большую часть чугуна перерабатывают в сталь, производство которой, таким образом, осуществляется в две стадии.

Рассмотрим сначала химические реакции, посредством которых получают из железной руды чугун.

При восстановлении железа из окиси железа сначала образуется закись-окись железа, затем закись железа и, наконец, железо:

В качестве восстановителя используют окись углерода:

3Fe₂O₃ + CO 2Fe₃O₄ + CO₂ + Q

Fe₃O₄ + CO 3FeO + CO₂ - Q

FeO + CO Fe + CO₂ + Q

Она образуется в доменной печи из каменноугольного кокса. Кокс сгорает с образованием углекислого газа:

и углекислый газ взаимодействует с раскаленным коксом с образованием окиси углерода:

С + СO₂ 2СО - Q

Окислы железа реагируют также и непосредственно с твердым коксом. Но так как поверхность соприкосновения окислов железа с твердым восстановителем значительно меньше, чем с газом, то основную роль в восстановлении железа играет окись углерода.

При высокой температуре железо частично переходит в карбид:

Карбид железа, а также и углерод растворяются в железе.. Образуется относительно легкоплавкий сплав (температура плавления сплава, содержащего 4,3% углерода, 1140°С, тогда как чистого железa 1540°C).

Что происходит с примесями, содержащимися в железной руде и в каменноугольном коксе?

Кремний, марганец, фосфор и сера частично восстанавливаются из их окислов, растворяются и реагируют с железом. Образуется жидкий чугун - сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой.

Очень прочные и тугоплавкие окислы кальция, магния и алюминия в данных условиях не восстанавливаются и не плавятся, но взаимодействуют друг с другом, образуя легкоплавкие силикаты, алюминаты, алюмосиликаты: CaO*SiO₂, (CaO)₂*SiO₂, СаО*Аl₂O₃, (CaO)₂*Al₂O₃*SiO₂ и др. Большая часть серы превращается в сульфид кальция. Эти соединения не растворяются в жидком чугуне. Они образуют шлак. Для получения легкоплавкого шлака к руде добавляют флюсы: известь или известняк, разлагающийся в доменной печи с образованием извести. Температура начала шлакообразования - около 1000°С.

Перейдем теперь к рассмотрению условий, которые необходимо поддерживать для того, чтобы рассмотренные реакции протекали быстро и соответственно производительность доменной печи была высокой.

Мы знаем, что скорость химических реакций увеличивается при повышении концентрации реагирующих веществ, увеличении поверхности их соприкосновения и повышении температуры.

Как повысить концентрацию окислов железа?

Железные руды в большинстве случаев обогащают, т. е. разделяют на концентрат - продукт с повышенным содержанием окислов железа, и хвосты, состоящие из пустой породы.

Для увеличения поверхности соприкосновения реагирующих веществ плавильные материалы (руда, кокс, флюсы) должны состоять из кусков небольших размеров. Желательно, чтобы они не очень отличались друг от друга по крупности, так как только при соблюдении этого условия процесс протекает равномерно.

Поэтому концентраты, которые получаются в виде мелких зерен, мелкие руды и мелочь, образующиеся при измельчении крупных кусковых руд, предварительно спекают. Для этого их смешивают с углем, при сжигании которого создаются необходимые температурные условия (процесс спекания называется агломерацией).

В последние годы к спекаемой смеси стали добавлять также известняк. При нагревании он переходит в известь, и пустая порода частично ошлаковывается. Получается так называемый офлюсованный агломерат. При его использовании уменьшается расход дорогого металлургического кокса и повышается производительность доменной печи (почему?).

Для повышения концентрации окиси углерода воздух, подаваемый в печь, обогащают кислородом. Благодаря этому уменьшается концентрация азота в образующейся газовой смеси, а также увеличиваются скорости сгорания кокса и образования окиси углерода.

Концентрации реагирующих веществ увеличивают также посредством подачи в доменную печь природного газа, содержащего метан. Метан сгорает:

Углекислый газ и водяной пар реагируют с раскаленным коксом:

СO₂ + С 2СО - Q

H₂O + C H₂ + CO - Q

и доменный газ обогащается восстановителями: окисью углерода и водородом.

Таким образом, благодаря применению кислорода и природного газа увеличиваются скорость реакций и производительность доменной печи и экономится дорогой металлургический кокс.

Рассмотрим теперь вопрос об оптимальном температурном режиме.

Руководствуясь законом о зависимости скорости химических реакций от температуры, можно заключить, что каждую из многочисленных реакций, протекающих в домне, следует проводить при возможно более высокой температуре в соответствии с особенностями той или иной реакции.

Эта задача решается посредством подачи в домну воздуха, предварительно подогретого до 1000°С и выше. Большую роль играет также обогащение воздуха кислородом.

Чтобы уменьшить расход кокса, нужно возможно более полно использовать теплоту экзотермических реакций. Это достигается посредством теплообмена горячих и холодных материалов при противоточном их движении: горячие продукты горения кокса проходят снизу вверх через жидкие чугун и шлак и далее через плавильные материалы, перемещающиеся сверху вниз.

Температура плавильных материалов постепенно повышается, и создаются оптимальные условия для протекания восстановительных реакций, образования чугуна и шлака, а в нижней части печи - окиси углерода. Восстановление железа начинается при температуре около 300°С. Температура доменного газа на выходе из печи всего лишь около 200°С - благодаря противотоку теплота используется достаточно полно. В доменном газе содержится много окиси углерода. Поэтому он представляет собою газообразное топливо. Его используют для подогрева воздуха.

Доменная печь - аппарат непрерывного действия. Ей придают такую форму, чтобы образующиеся внизу газы равномерно распределялись как по горизонтальному сечению, так и по высоте печи, омывая непрерывно движущиеся сверху плавильные материалы.

Их загружают в печь порциями (колошами) через засыпной аппарат (рис. III). Он устроен так, чтобы доменные газы не могли вырваться при загрузке печи в атмосферу. Плавильные материалы поступают сначала в верхнюю воронку, из нее при опускании конуса - в нижнюю и затем уже в печь. В этот период сообщение с атмосферой закрыто конусом верхней воронки.

Подогретый воздух вдувается через фурмы в верхнюю часть горна печи (рис. 65), где встречается с раскаленным коксом. Благодаря развивающейся в горне высокой температуре горение кокса и образование окиси углерода протекает очень быстро.

Рис. 65. Доменная печь (схема)

Воздух подогревается продуктами горения доменного газа в аппаратах, называемых регенераторами. Это высокие башни, выложенные изнутри огнеупором и заполненные насадкой из уложенных с просветом кирпичей (рис. 66).

Рис. 66. Воздухонагреватели (схема)

Доменный газ и необходимый для его сжигания воздух поступают в камеру сжигания, расположенную внутри регенератора. Образовавшийся горячий газ проходит через насадку. После того как насадка нагреется до высокой температуры, впуск доменного газа и воздуха в регенератор прекращают и начинают пропускать в обратном направлении воздух. Когда насадка охладится, регенератор снова включается на разогрев. Для того чтобы горячий воздух поступал в домну непрерывно, необходимо иметь при каждой домне два и более регенератора (рис. III).

В современных домнах все операции по подготовке шихты, ее взвешиванию, загрузке домны, периодическому выпуску шлака и чугуна и другие механизированы.

В Советском Союзе построены самые крупные в мире доменные печи, полезный обмен которых (т. е. объем, заполненный плавильными материалами и продуктами плавки) доведен до 2700 м³. В год такая печь выплавляет 1,8 млн. т чугуна. Проектируются и строятся доменные печи объемом в 3200 м³. Увеличение объема печи и соответственно количества выплавляемой в сутки продукции приводит к повышению производительности труда.

Для того чтобы управлять таким сооружением, как крупный доменный цех, необходима полная, достоверная и своевременная информация о составе и количестве газов и твердых материалов, о температурах, давлении и т. д. Ее можно получить, только установив в цехе большое число автоматических контрольно-измерительных приборов. Их показания передают на пульт.

Для характеристики работы доменного цеха пользуются рядом показателей, из которых важнейшими являются коэффициент использования полезного объема (число кубических метров полезного объема печи, приходящегося на 1 т чугуна в сутки - "кипо") и удельный расход кокса.

1. Окислы каких элементов не восстанавливаются в доменной печи? Почему?
2. В результате каких реакций в домне образуются углекислый газ и окись углерода?
3. Какую роль в доменном процессе играет противоточное движение материалов?
4. Какие реакции протекают в домне: а) между газами и твердыми телами, б) между твердыми телами?
5. В чем преимущества офлюсованного агломерата по сравнению с ранее применявшейся шихтой?
6. От чего зависит температурный режим в доменной печи?
7. Перечислите все способы увеличения скорости реакций, протекающих в домне.
8. Какими средствами добиваются снижения удельного расхода кокса?
9. Почему нельзя загружать в домну сильно измельченные материалы?
10. Чем объясняется, что одну доменную печь одновременно обслуживают, как правило, три регенератора?
11. Полезный объем домны - 2700 м³, кипо - 0,80. Какова суточная производительность домны?
12. Какие из принципов, положенных в основу доменного производства, можно отнести к общим принципам химического производства, какие - к принципам производства вообще?