Выплавка чугуна
Способ получения железа из руд в принципе очень прост и основан на восстановлении окислов железа углем. Но так как расплавленное железо обладает способностью растворять уголь, то при выплавке получается не чистое железо, а сплав, содержащий до 5% углерода и некоторые другие примеси, называемый чугуном.
Выплавка чугуна производится в огромных доменных печах, или домнах, выложенных из огнеупорных кирпичей и достигающих 25 м высоты при внутреннем диаметре около 6 м.
Разрез доменной печи схематически изображен на рис. 152. Верхняя ее половина носит название шахты и заканчивается наверху отверстием — колошником, которое закрывается подвижной воронкой — колошниковым затвором. Самая широкая часть домны называется распаром, а нижняя часть — горном. Через специальные отверстия в горне (фурмы) в печь вдувается горячий воздух.
Доменную печь загружают сперва коксом, а затем послойно смесью руды с коксом и флюсами и одним коксом. Горение и необходимая для выплавки чугуна температура поддерживаются вдуванием в горн подогретого воздуха. Последний поступает в кольцевую трубу, расположенную вокруг нижней части печи, а из нее по изогнутым трубкам через фурмы в горн. В горне уголь сгорает в углекислый газ, который, поднимаясь кверху и проходя сквозь слой накаленного кокса, превращается в окись углерода. Эта окись углерода и восстанавливает большую часть руды, переходя снова в углекислый газ.
Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части шахты и суммарно может быть выражен следующим уравнением:
Fe2О3 + 3СО = 2Fe + 3СО2
Отдельные стадии этого процесса показаны в виде уравнений на рис. 153.
Содержащаяся в руде пустая порода вступает во взаимодействие с прибавленными флюсами, образуя шлаки.
Выделяющееся железо опускается еще в твердом виде в более горячую часть печи — распар и здесь при температуре 1200° плавится в соприкосновении с углем, отчасти растворяя его и превращаясь в чугун . Расплавленный чугун стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки выпускаются по мере накопления через особые отверстия, забитые, в остальное время глиной.
Образующийся при восстановлении руды углекислый газ, поднимаясь в верхнюю часть шахты, отчасти снова превращается в окись углерода. Поэтому выходящие из отверстия домны газы содержат до 25% окиси углерода. Их сжигают в особых аппаратах — кауперах, предназначенных для предварительного нагревания вдуваемого в печь воздуха.
Кауперы представляют собой высокие цилиндрические башни, сложенные из кирпичей и имеющие внутри вертикальные каналы (рис. 154). Поступающие в каупер доменные газы, сгорая в нем, накаливают стенки каналов. Одновременно через другой каупер, предварительно накаленный таким же путем, проходит вдуваемый в домну воздух. Через некоторое время воздух направляют в первый каупер, а второй каупер нагревают доменными газами и т. д.
Доменная печь работает непрерывно. По мере того как верхние слои руды и кокса опускаются, в печь добавляют новые порции смеси руды с флюсами и коксом. Эта смесь, называемая шихтой, доставляется подъемниками на верхнюю площадку печи и сваливается в чугунную воронку, закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает в печь. Работа печи, продолжается днем и ночью в течение нескольких лет, пока печь не потребует капитального ремонта.
Для оценки работы доменных печей служит так называемый «коэффициент использования полезного объема печи», который получают делением объема печи в кубических метрах на суточную выплавку печи в тоннах. Например, если объем печи 900 м3, а суточная выплавка 500 т, то коэффициент использования полезного объема равняется 900/500 = 1,8. Таким образом, чем меньше коэффициент использования полезного объема, тем больше производительность печи.
До революции на заводах России коэффициент использования полезного объема доменных печей равнялся 2,30. Советская металлургия на основе широкого развития передовых методов работы резко увеличила производительность доменного процесса, снизив коэффициент использования примерно в 3 раза.
Большие перспективы открывает применение кислорода для ускорения процесса выплавки чугуна в доменных печах. При вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха предварительный подогрев его становится излишним, благодаря чему отпадает необходимость в сложных и громоздких кауперах и весь металлургический процесс значительно упрощается. Вместе с тем резко повышается производительность домны и уменьшается расход топлива. Доменная печь, работающая на кислородном дутье, дает в полтора раза больше металла, а кокса требует на одну четверть меньше, чем при обыкновенном воздушном дутье.
Получаемый из доменных печей чугун содержит в среднем около 93% железа, до 5% углерода и небольшие количества кремния, марганца, фосфора и серы.
1 — домна; 2 — каупер, нагреваемый пламенем; 3 — каупер, нагревающий воздух; 4 — воздуходувка; 5 — дымовая труба; 6 — газовый канал; 7 — дымовой канал; 8 — воздушная труба.
Содержащийся в чугуне углерод может выделиться из пего при затвердевании в свободном состоянии в виде графита или вступить в соединение с железом с образованием карбида железа Fe3C, называемого цементитом. В отличие от графита, самой мягкой составной части чугуна, цементит представляет собой самую твердую составную часть этого сплава. При продолжительном нагревании, до 900° или выше, цементит разлагается на железо и графит, что особенно легко происходит в присутствии кремния. Поэтому чугун, содержащий значительное количество кремния (от 2 до 3,5%), имеет благодаря выделившемуся графиту серый цвет. Такой чугун называется серым чугуном; он не очень тверд, хорошо отливается в формы, но хрупок и при ударе легко раскалывается. Серый чугун идет для отливки машинных станин, маховых колес, канализационных труб, плит и т. п.
Чугун, в котором почти весь углерод содержится в виде цементита, тверже и белее серого чугуна, почему и получил название белого чугуна; он характеризуется незначительным содержанием кремния (меньше 1%) и повышенным содержанием марганца (1—1,5%). Белый чугун непосредственного применения не имеет и идет в передел на сталь и железо, отличающиеся от чугуна меньшим содержанием углерода и отсутствием других примесей (кремний, фосфор, марганец). Продукт, содержащий от 0>3 до 2% углерода, называется твердой сталью, а содержащий меньше 0,3% углерода — мягкой сталью или железом.
Вы читаете, статья на тему Выплавка чугуна