Строительные материалы и изделия

Сущность процессов получения чугуна и стали

Получение чугуна. Получение чугуна в доменной печи заключа­ется в восстановлении железа из оксидов железной руды, в каче­стве которой используют магнитный железняк (минерал магне­тит — Fe304); красный железняк (гематит — Fe203); бурый желез­няк (минералы лимонит — 2Fe203- ЗН20 и гетит — Fe203- Н20) и др.

Чтобы отделить примеси, содержащиеся в руде и коксе (про­дукте переработки каменного угля), их нужно расплавить, однако температура плавления у них намного выше, чем у чугуна. Ее по­нижают, вводя флюсы (плавни), чаще всего — известняк.

Загружаемая сверху в доменную печь шихта, содержащая же­лезную руду, кокс и флюсы, постепенно перемещается вниз и попадает в зоны все более высокого нагрева. В нижней части дом­ны (горне) температура возрастает до 1 600 °С. Сюда стекают жид­кие чугун и шлак. Более легкий шлак скапливается над чугуном. Периодически шлак и чугун выпускают и направляют для даль­нейшей переработки.

Вдуваемый в доменную печь воздух, нагретый до 700...800°С, обеспечивает горение кокса с образованием окиси углерода (СО), которая отнимает кислород у оксидов железа:

3Fe203 + СО = С02 + 2Fe304 -> Fe304 + СО = С02 + 3FeO -»

-> FeO + СО = С02 + Fe

При температуре около 1 000 °С имеет место науглероживание восстановленного железа и превращение его в чугун:

2СО + 3Fe = С02 + Fe3C

Пустая порода и флюсы также претерпевают определенные превращения и переходят в шлак. Азот воздуха, СО и С02 образу­ют доменный газ, удаляемый из домны через колошник по газо­проводам.

В материалах шихты имеются вещества, дающие чугуну полез­ные (марганец, кремний) и вредные (сера, фосфор) примеси. Сера может быть удалена из чугуна при сильнооснбвном шлаке и высокой температуре процесса. Фосфор же удалить из чугуна нельзя. Чтобы чугун не содержал фосфора, шихта должна быть свободна от Р205.

Получение стали. Получение стали заключается в удалении из чугуна углерода путем его окисления (выгорания). Попутно выго­рают и примеси: кремний, марганец, фосфор. Сера удаляется с трудом, поэтому для получения стали используется бессернистый чугун. В отличие от доменного процесса переработка чугуна в сталь происходит при более высокой температуре, так как сталь более тугоплавка, чем чугун. Повышение температуры достигается за счет теплоты, выделяющейся в основном при выгорании примесей. Горение углерода дает слишком мало теплоты и не может обеспе­чить повышение температуры. Теплота может дополнительно под­водиться извне.

Сталь получают в конверторах, мартеновских печах и электро­печах, агрегатах непрерывного действия. Вдуваемый в расплавлен­ный чугун кислород окисляет углерод и примеси, но в конце про­цесса, когда содержание углерода и примесей понижается, может начаться окисление железа. Оксиды железа переходят в шлак и частично растворяются в стали, делая ее хрупкой.

Для разрушения растворимой закиси железа FeO в расплав вво­дят раскислители — специальные сплавы марганца, кремния и алюминия с железом (ферросплавы). Входящие в раскислитель Мп, Si и А1 отнимают кислород от оксидов железа, образуя нелетучие продукты, переходящие в шлак. В конце плавки сталь кипит — из нее выделяются растворенные кислород, азот и водород. Введен­ные раскислители связывают кислород в оксиды, переходящие в шлак, и кипение уменьшается. Раскисление кремнием переводит кипящую сталь в полуспокойную, а совместно с кремнием и алю­минием — в спокойную. Кипящая сталь является наиболее хруп­кой, пористой и химически неоднородной. Азот и водород удаля­ют дегазацией (вакуумированием) ванны.