Файл: Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие.pdf

3.Выделение сажистого углерода (вследствие понижения те

пературы) при 400—550°: 2С0 = С 02 + С (сажистый углерод). По­ лучающийся сажистый углерод проникает через поры и трещины внутрь кусков руды, а также оседает на их наружной поверхности и при температуре свыше 1000° восстанавливает закись железа.

В шихте, опускающейся сверху вниз, протекают следующие процессы.

1. Испарение влаги и гидратной воды (при ^ = 100—500°). Пол­ ное удаление гигроскопической и химически связанной воды про­ исходит при температурах до 500° (а иногда и до 800°), потому что теплопроводность шихтовых материалов низка.

2. Разложение углекислых солей (при / = 300—900°);

MgC03-»M g0 + C02;

CaC03—>СаО + С02;

3 FeC03->Fe30 4 + 2 С02 + СО.

В связи с низкой теплопроводностью известняка его разложе­ ние в больших кусках заканчивается при температурах, превышаю­ щих 1000° (поэтому куски размером больше 100 мм необходимо дро­ бить) .

3.Удаление летучих веществ'- (при / = 400—900°).

4.Восстановление окислов железа (при/ = 500—1100°).

Вдоменной печи твердые окислы железа могут восстанавли­ ваться окисью углерода (косвенное восстановление) или твердым углеродом (прямое восстановление). При этом из-за различной про­ чности связей атомов кислорода высший окисел железа превращает­ ся в металлическое железо в следующем порядке:

Fe20 3 —»■Fe80 4 —» FeO —*■Fe.

Восстановление окислов железа происходит по двум группам реакций:

Восстановление закиси железа в области температур 900— 1000° и выше происходит исключительно прямым путем. При вы­ плавке обычных сортов чугуна от 40 до 60% железа восстанавли­ вается прямым путем. Наилучшие технико-экономические показате­ ли получаются при оптимальном соотношении прямого и косвенно­ го процессов восстановления.

5. Науглероживание железа и образование чугуна (/> 1200°):

3Fe 4-2СО = Fe3C + С 02;

3Fe + C = Fe3C.

Карбид железа Fe3C, растворяясь в металлической массе, по­ нижает точку плавления науглероженного железа, которое перехо­ дит в жидкое состояние.

В условиях доменного процесса восстановленное железо рас­ творяет до 3,5—4%, а в некоторых случаях до 6% углерода и, сле­ довательно, превращается в чугун, который плавится и стекает на дно горна.

6. Восстановление окислов Мп, Si, Р. Одновременно с плавле­ нием чугуна в доменной печи происходит воздействие углерода на окислы Мп, Si, Р и других элементов.

Марганец восстанавливается из окислов М п02 и Мп30 4 до МпО окисью углерода:

2Мп0 2 + СО = Мп20 3 + С 02; ЗМп20 3 + СО = 2Мп30 4 + С 02;

М п 3СГ4+ СО = ЗМпО + с о 2.

Из закиси МпО марганец восстанавливается твердым углеродом при температуре >1000° по реакции МпО + С = Мп + СО.

Около 70% общего количества марганца восстанавливается и растворяется в чугуне, остальная часть не восстанавливается и пе­ реходит в шлак.

Марганец, восстанавливаясь, способствует обессериванию чу­ гуна, что значительно повышает качество последнего.

Кремний восстанавливается твердым углеродом при темпера­ туре >1450°: Si02 + 2C = Si + 2C0.

Восстановленный кремний переходит в чугун, способствуя рас­ паду карбида железа Fe3C и выделению углерода в виде графита. Высококремнистые чугуны (как и высокомарганцовистые) требуют при выплавке большого расхода горючего, высокой температуры дутья, а также тугоплавких шлаков.

Фосфор восстанавливается по реакции: P2Os + 5C = 2P + 5CO и почти полностью переходит в чугун.

Фосфорный ангидрид P2Os не может перейти в шлак, так как его оттуда вытесняет более сильная кислота Si02. Содержание фос­ фора в чугуне регулируется соответствующим составом шихты. Та­ ким образом, восстановление окислов Si, Mn, Р позволяет получить чугун с определенным содержанием этих элементов.

7.Удаление серы. Сера попадает в доменную печь в основном

скоксом и Частично с рудой и известью. Для удаления ее (десуль­ фурации) требуются основные шлаки, содержащие в свободном ви­ де СаО. Сера находится в металле в виде FeS и MnS. Реакция по­

глощения шлаком серы идет по уравнению: FeS + CaO = CaS + FeO. В условиях восстановительной среды (в присутствии свободного уг­ лерода) реакция проіекает так: FeS + CaO + C = CaS + Fe + CO.

36

Сернистый кальций CaS растворим в шлаке и совершенно не­ растворим в чугуне, в то время как соединение FeS хорошо раство­ римо в чугуне.

При наличии основного шлака в нем может растворяться до 5,5—6% CaS. Следовательно, для перевода серы в шлак необходим избыток извести. Так как при избытке извести получается больше шлака (основного), имеющего высокую теплоту плавления, то де­ сульфурация чугуна протекает тем полнее, чем выше температура гор-на.

Приведенные выше схемы химических процессов, происходя­ щих в доменной печи, показывают, что доменный процесс по харак­ теру протекающих реакций является восстановительным.

§ 8. Шлакообразование

Пустая порода с флюсом начинает плавиться после расплав­ ления железа в верхней части заплечиков при /=1200°. Расплавлен­ ная масса пустой породы и флюсов образует,шлак, который, стекая вниз, растворяет золу и, соприкасаясь с чугуном, поглощает из не­ го серу. При правильно идущей плавке окончательное расплавление пустой породы должно заканчиваться в нижней части заплечиков, в области самой высокой температуры, после того как все железо руды обогатится углеродом и расплавится.

Высокие температуры в верхних областях печи нежелательны, так как при этом расплавление руды может начаться раньше полно­ го восстановления железа из окислов и невосстановленные окислы железа могут образовать с кремнеземистой частью руды жидкоплав­ кие силикаты, стекающие вниз в виде шлака. Из такого шлака очень трудно извлечь железо. Поэтому во избежание перехода железа а шлак необходимо на возможно большей части высоты печи обеспе­ чивать умеренную температуру, а переход от умеренных температур к высоким должен происходить как можно быстрее (см. рис. 17, б).

Количество окислов железа, остающихся нерасплавленными к момюнту начала шлакообразования, зависит от свойства руды— ее восстановимости и степени тугоплавкости пустой породы. Так, паилучшими условиями будут такие, при которых руда отличается лег­ кой восстановимостью, а пустая порода — высокой тугоплавкостью. Ясно, что в этом случае к началу шлакообразования железо успе­ вает восстановиться и расплавиться. Наихудшие условия будут в том случае, если пустая порода будет легкоплавкой, а окислы же­ леза — трудновосстановимыми: при нагреве кусков руды до срав­ нительно невысокой температуры пустая порода начнет расплав­ ляться и образовывать шлак, в котором будут растворяться еще не восстановленные окислы железа.

Одним из основных свойств шлака является его текучесть в расплавленном состоянии, зависящая от вязкости (с увеличением вязкости текучесть уменьшается). Для нормального хода доменной плавки необходимо иметь достаточно жидкотекучий шлак в области температур 1450—1500° (вязкость от 2 до 10 пз).

37

§ 9. Р а зл и в к а чугун а

Шлак и чугун выпускаются по мере накопления: шлак через 40—50 мин, а чугун через 4—6 ч. Чугун заливается в чугуновозный ковш (емкостью до 100 т). Последний представляет собой сосуд ци­ линдрической формы, футерованный внутри огнеупорным кирпичом и опирающийся через цапфы на раму, установленную на двух же­ лезнодорожных тележках. В ковше чугун отвозится в сталепла­ вильный цех или для разливки на разливочную машину.

Рис. 20. Миксер

Жидкий чугун, предназначенный для передела в сталь, слива­ ется в особые ковши, называемые миксерами (рис. 20). Миксер де­ лается из листовой стали и футеруется внутри огнеупорным мате­ риалом. Емкость его 600—2000 т. В миксерах чугун остывает весьма медленно. Для поддержания его в жидком состоянии миксеры иногда подогреваются с помощью доменного газа или газа коксо­ вальных печей.

Выдержка в миксерах обеспечивает смешивание чугуна, вы­ пускаемого в разное время или различными доменными печами, и позволяет получить чугун усредненного химического состава, что очень важно для проведения последующих процессов передела чу­ гуна в сталь. Кроме того, при наличии в чугуне некоторого количе­ ства Мп во время длительной выдержки в миксере чугун теряет часть серы. Это улучшает его качество. Марганец, вступая в реак­ цию с серой, образует сернистый марганец MnS, который вследствие плохой растворимости в жидком чугуне уходит в шлак.

Если чугун предназначен для получения из него чугунных слит­ ков (чушек), то он транспортируется в ковше к разливочной машине.

Разливочная ленточная машина состоит из двух бесконечных цепей, к которым прикреплены специальные формы для чугуна — мульды. Движение форм происходит по окружности или по прямой

38

линии по принципу конвейера. Залитый в формы чугун охлажда­ ется, формы опрокидываются, и чугунные чушки попадают непо­ средственно в вагоны. Все эти операции механизированы и авто­ матизированы. Порожние мульды обрызгиваются изнутри известко­ вым молоком. Вода, испаряясь, охлаждает форму, а оставшаяся на внутренней части известь предохраняет ее от прилипания расплав­ ленного чугуна.

В состав шлаков коксовых доменных печей входят: 33—40% Si02; 42—48% (CaO + MgO); 10—20% А120 3. Шлак из доменной пе­ чи выпускают в ковш, в котором он отвозится в отвал или в бассейн с водой. При быстром охлаждении шлак превращается в мелкие зер на (гранулы). Соприкасаясь с водой, он гранулируется, затем из­ влекается из бассейна грейфером мостового крана и отправляется для дальнейшей переработки.

§ 10. Продукты доменного производства

Продуктами доменной плавки являются чугун, шлак и домен­ ный (колошниковый) газ. В зависимости от назначения, рода при­ меняемого топлива и химического состава различают несколько,, сортов чугуна.

Литейный чугун (ГОСТ 4832—58) идет на производство чугун­ ных отливок после его переплавки. Литейный чугун мягок, серого цвета. Углерод, входящий в его состав, находится преимущественно в свободном состоянии в виде графита. В связи с тем что кремний способствует выделению углерода в виде графита, в литейном чугу­ не содержание кремния доходит до 3,7%, а количество марганца, способствующего выделению углерода в форме цементита Fe3C, до­ пускается до 1,3%.

Литейные чугуньі делятся на 4 класса в зависимости от содер­ жания в них фосфора и на 3 категории по содержанию серы. Литей­ ные чугуны, содержащие мало фосфора (до 0,1%), называются

гематитами.

Передельные чугуны (ГОСТ 805—69) выплавляются для пере­ дела на сталь. Углерод в них химически связан в Fe3C. Структурно это белые чугуны.

Специальные чугуны (ферросплавы) с большим содержание^ кремния, марганца и других элементов предназначены для добавки в шихту в качестве раскислителей или присадок при выплавке ста­ ли. К доменным ферросплавам относятся: ферросилиций (содержа­ щий 9—13% Si и более); ферромарганец (70—75% Мп и более); зеркальный чугун (10—25% Мп и до 2% Si). Выплавка ферроспла­ вов требует «горячего» хода доменной плавки, так как восстановле­ ние марганца и кремния происходит при повышенном расходе тепла.

Природно-легированные чугуны (получаются при выплавке руд. содержащих легирующие примеси) употребляются в качестве при­ садки к литейным чугунам и для получения природно-легированных сталей.

39