Доменное производство чугуна

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

Чугун выплавляют в огромных доменных печах высотой до 30 м, а диаметром - до 12 м. Внутренняя часть домны выложена огнеупорным кирпичом, а внешняя облицована стальными письмами. Сырьем для производства чугуна в доменных печах есть железные руды, топливо и флюсы. Такую смесь сырьевых материалов называют шихтой. Важнейшие железные руды: магнетит Fe₃O₄, 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 СаСО₃ и доломит MgCO₃.

Восстановление 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 ºС воздуха. В нижней части печи сгорает кокс.

С + О₂ = СО₂↑ .

При высокой температуры карбон(IV) оксид взаимодействует с коксом. Продуктом реакции является карбон(ІІ) 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 ºС постепенно восстанавливает железную руду до образования железа:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + СО₂↑

Fe₃O₄ + СО = 3FeО + СО₂↑

FeО + СО = Fe + СО₂↑.

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

3Fe + 2CO = Fe₃C + СО₂↑

3Fe + С = Fe₃C.

За высокой температуры 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 (распар) 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 шлак выпускают из печи несколько раз в сутки через особые отверстия, забиты глиной. Чугун выливается огненным потоком при температуре 1500 ºС.

Из доменной печи выходят газы, которые содержат до 25 % карбон(II) оксида. Их сжигают в особых аппаратах - кауперах. Кауперы предназначены для предварительного нагрева воздуха, которое 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 по 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. Из литейного чугуна выливают самые разнообразные изделия: детали сложной конфигурации, скульптуры, предметы декора. Добавление магния и других металлов значительно улучшает механические свойства чугуна, уменьшает его хрупкость. Из передельного чугуна выплавляют сталь.

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