Доменное производство чугуна

Добыча чугуна базируется на восстановлении железа из оксидов железа и переводе пустой породы в шлак. Главной технологией производства чугуна является выплавка в доменных печах.

Чугун выплавляют в огромных доменных печах высотой в 30 м, а диаметром — до 12 м. Внутренняя часть домны изложена огнеупорным кирпичом, а внешняя облицована стальными листами. Сырьем для производства чугуна в доменных печах являются железные руды, топливо и флюсы. Такую смесь сырьевых материалов называют шихтой. Важнейшие железные руды: магнетит Fе3О4, гематит Fe2О3, пирит FеS2, сидерит FеСО3. В качестве топлива используют кокс, который является продуктом переработки каменного угля. Иногда вместо кокса используют природный газ или мазут. С помощью флюсов тугоплавкие примеси и пустую породу превращают в легкоплавкие соединения, шлак. В качестве флюсов используют известняк СaCO3 и доломит MgCO3.

Восстановления оксидов железа проходит по схеме:

Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe.

Сверху в доменную печь загружают руду, кокс и флюсы. Снизу через фурмы вдувают обогащенный кислородом и подогретый до 600-800 º С воздуха. В нижней части печи сгорает кокс.

С + О2 = СО2 ↑.

При высокой температуре карбон (IV) оксид взаимодействует с коксом. Продуктом реакции является карбон (II) оксид (угарный газ), который выполняет роль восстановителя в доменном процессе:

СО2 + С = 2СО.

Шихта постепенно опускается вниз, а навстречу движутся нагретые газы. Тем самым осуществляется принцип теплообмена и противотока реагентов.

Образован карбон (II) оксид при температуре 700 º С постепенно восстанавливает железную руду до образования железа:

3Fe2O3 + СО = 2Fe3O4 + СО2 ↑

Fe3O4 + СО = 3FeО + СО2 ↑

FeО + СО = Fe + СО2 ↑.

Восстановленное в доменной печи железо частично реагирует с углеродом и угарным газом. Продуктом реакции является цементит Fe3C:

3Fe + 2CO = Fe3C + СО2 ↑

3Fe + С = Fe3C.

При высокой температуре известняк разлагается:

CaCO3 = CaO + CO2.

Образован кальций оксид реагирует с тугоплавкими примесями — кислотными оксидами пустой породы. Образуются легкоплавкие вещества — шлаки:

СаО + SiO2 = CaSiO3.

Железо постепенно опускается в более горячую часть печи (распарьте) и растворяет в себе до 4% углерода и другие примеси. Образуется чугун — сплав железа с углеродом, карбидом железа, S, P, Si. Примеси ухудшают качество чугуна.

Чугун плавится и стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности. Они предотвращают окисление чугуна. Чугун и шлаки выпускают из печи несколько раз в сутки через особые отверстия, забитые глиной. Чугун выливается огненным потоком при температуре 1500 º С.

С доменной печи выходят газы, содержащие до 25% карбон (II) оксида. Их сжигают в особых аппаратах — кауперах. Каупер предназначены для предварительного нагрева воздуха, вдувают в печь.

Доменная печь работает непрерывно. Высокая температура в печи поддерживается благодаря экзотермическим реакциям. Периодически в печь добавляют новые порции шихты. В одной доменной печи за сутки можно сварить более 2000 т чугуна. Работа печи продолжается в течение нескольких лет, вплоть до капитального ремонта.

По применению чугун делится на три группы: литейный, специальный, передельный. С литейного чугуна отливают самые разнообразные изделия: детали сложной конфигурации, скульптуры, предметы декора. Добавление магния и других металлов значительно улучшает механические свойства чугуна, уменьшает его хрупкость. С передельного чугуна выплавляют сталь.

Доменный шлак используют для изготовления шлакобетона, гравия, щебня и т.п.