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.