Продукты доменной плавки

Конечные продукты доменной плавки – выпускаемые из печи в огненно-жидком виде чугун и шлак, а также доменный (колошниковый) газ.

В зависимости от назначения чугуна и состава шихтовых материалов в нем может содержаться хром, никель, ванадий, титан, медь и мышьяк. Содержание этих элементов регламентируется соответствующим ГОСТом или техническими условиями и определяется при анализе проб, отбираемых в ходе плавки и при выпуске металла из печи.

Все доменные чугуны по своему назначению подразделяют на три основных вида:

· передельный, предназначенный для дальнейшего передела в сталь;

· литейный, используемый после переплава в чугуноплавильных цехах для отливки чугунных изделий;

· доменные ферросплавы, используемые в качестве раскисителей или присадки в сталеплавильном и чугунолитейном производствах.

Передельный чугун является преобладающим видом продукции доменного производства. На его долю приходится около 90 % общего производства чугуна. Он предназначен для производства стали в конвертерах или мартеновских печах и обычно содержит 0,3-1,2 % Si; 0,2-1,0 % Mn; 0,15-0,2 % P и 0,02-0,07 % S.

Литейный чугун по содержанию фосфора делят на четыре класса: А – до 0,1 % Р (малофосфористый), Б – 0,1-0,3 % Р (обычный) и высокофосфористые чугуны классов В и Г с содержанием фосфора соответственно 0,31-0,7 и 0,71-1,2 %. Для изготовления высокопрочных изделий применяют чугуны с низким содержанием фосфора, а для художественного литья – высокофосфористые чугуны.

К доменным ферросплавам относятся: ферромарганец (70-75 % Mn и более, до 2 % Si, 0,33-0,45 % P, до 0,03 % S); ферросилиций (9-13 % Si и иногда до 18 % Si, до 3 % Mn, до 0,2 % P, до 0,04 % S) и зеркальный чугун (15-25 % Mn, до 2 % Si, до 0,22 % P и до 0,03 % S).

В последние годы выплавка ферросплавов в доменных печах сократилась, а ферросилиция прекращена полностью вследствие неэкономичности передела. Более выгодно выплавлять ферросплавы в электропечах, где одновременно обеспечивается их более высокое качество.

Выплавка чугуна в доменных печах неизбежно сопровождается получением значительного количества доменного шлака. Шлак образуется в доменной печи из флюсов, золы, кокса, пустой породы руды и агломерата. Обычно при выплавке передельного и литейного чугунов выход шлака составляет 0,3 - 0,6 т на 1 т чугуна.

Основными составляющими шлака являются окислы кремния (SiO₂), кальция (CaO), алюминия (Al₂O₃), магния (MgO), а также небольшое количество закиси железа (FeO), закиси марганца (MnO) и сульфидов металлов (FeS, MnS, CaS, MgS).

До недавнего времени доменный шлак почти не находил применения. Значительные его количества вывозились в шлаковых ковшах в отвал. Разработку шлаковых отвалов вели лишь с целью утилизации попавших в шлак корольков чугуна. В настоящее время в связи с развитием техники переработки доменные шлаки широко применяют в качестве сырья для производства различных строительных материалов: цемента, вяжущих веществ, растворов и бетонов, шлаковой пемзы и ваты, стеновых материалов, дорожной брусчатки и др. Ежегодно перерабатывают и используют около 80% всех шлаков.

Переход металлургических предприятий на работу без шлаковых отвалов высвобождает земельные площади и снижает загрязнение окружающей среды. В перспективе должна быть полная переработка шлаков и постоянное использование старых шлаковых отвалов.

Газы, выходящие из печи через ее верхнюю часть – колошник, называют колошниковыми. Они состоят из СО, СН₄, Н₂, СО₂ и N₂. После очистки от пыли газы используют как топливо для нагрева насадок воздухонагревателей, стальных слитков, коксовых батарей, отопления котлов и др. Горючие компоненты в газе: СО, Н₂ и СН₄.

В процессе очистки колошникового газа получают колошниковую пыль, содержащую 45-55 % Fe в виде окислов и 5-10 % С. Вынос пыли составляет от 10 до 80 кг/т чугуна. Основная масса пыли поступает на агломерационную фабрику. Можно также использовать колошниковую пыль в качестве наполнителя для асфальтных покрытий и дорог.

1.2.1. СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И НАЗНАЧЕНИЕ ЧУГУНА

Из чугуна можно изготовлять изделия практически любого размера и сложности: от сковородок, до коленчатых валов, великолепных изделий искусства. Из всех литых конструкционных материалов он остается главным. О технологичности чугуна можно судить по данным таблицы 6.

За многие сотни лет до появления стали чугун использовали прежде всего в земледелии (серпы, мотыги), а также в быту и для ритуальных целей. На Востоке в древности из чугуна отливали колокола, огромные скульптуры и мелкие монеты.

Чугуны обладают широким диапазоном свойств и структур. В отличие от стали они обладают высокими литейными свойствами и низкой способностью к пластической деформации. Их технологические свойства зависят от структурных составляющих.

Таблица 6

Технологические свойства литых сплавов

Структура чугуна может быть из смеси феррита (Ф) – твердого раствора углерода в железе, цементита (Ц) – химического соединения железа и углерода, перлита (П) – механической смеси цементита (Ц) и феррита (Ф), а также графита (Гр). Причем в перлите всегда содержится 0,8 % углерода. Особенность чугуна и заключается в том, что углерод в нем может находиться в различном состоянии: в свободном (С_гр), образуя включения графита, залегающего в металлической основе; в химическом связанном (С_св) – в виде зерен цементита. В структуру чугуна может одновременно входить как графит, так и цементит в различном соотношении.

В зависимости от состояния углерода различают белые, серые и половинчатые чугуны. В табл. 7 приведена характеристика чугунов с различной степенью графитизации, из которой также видно, что для деталей ответственного назначения наилучшим является перлитный: он занимает среди других чугунов первое место по прочности и вязкости и среднее – по твердости. Кроме того, такой чугун обладает повышенными износостойкостью и термической выносливостью, что делает его наиболее приемлемым конструкционным материалом машиностроения. Форма графитных включений может быть различной: пластинчатая, точечная, хлопьевидная, шаровидная, стручкообразная (вермикулярная).

Таблица 7

Распределение чугунов по их структуре и свойствам

Белый чугун твердый, хрупкий, износостойкий, поэтому его используют, в основном, как полуфабрикат для производства ковкого чугуна, а также для деталей, работающих на износ (прокатные валки, тормозные колодки, рабочие органы дробилок и мельниц) и подвергающихся воздействию высоких температур (колосники, футеровки классификаторов и т. п.).

Большинство отливок производится из серого чугуна – конструкционного материала для производства деталей машин. Структура серого чугуна – это металлическая основа, аналогичная стальной, в которой залегают неметаллические графитные зерна, резко ее ослабляющие. Поэтому иногда говорят, что чугун – это «сталь, испорченная графитом». Но графит в чугуне, хотя и снижает его механические свойства, зато придает сплаву ряд иных, весьма важных характеристик (например, более высокие технологические свойства).

В ковком чугуне графит находится в хлопьевидной форме. Название ковких чугунов условное, т.к. изделия из них получают литьем, и пластической деформации они не подвергаются. Такой чугун получают из белого при специальной термической обработке (отжиге). Отливки из ковких чугунов применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках (картеры, редукторов, фланцы, муфты).

Структура и свойства чугуна определяются не только химическим составом, но и скоростью охлаждения отливки. Заливая чугун одного и того же состава в формы с различной скоростью охлаждения, можно получать разные по структуре чугуны.

Pig-iron (англ.), Sohweineeisen (нем.) – “свиное железо”, в русском закрепилось слово “чушка”, обозначающее брусок металла, обычно цветного, отлитого в открытую сверху форму. Первоначально “pig-iron” называли получавшийся одновременно с железной крицей нежелательный хрупкий чугун. Затем чушками начали называть чугунные слитки, которые использовали для переплава на сталь. Из-за хрупкости чугун считали отходом производства и выбрасывали. Позже заметили, что он обладает хорошими литейными свойствам, и из него стали отливать пушки, ядра, архитектурные украшения.

В 1948 - 1949 гг. почти одновременно в США, Англии и СССР был создан новый чугун – высокопрочный с шаровидным графитом. Он имеет большую пластичность, прочность и вязкость, его даже можно ковать почти как сталь. По механическим свойствам значительно превосходит серый чугун.

Отличие химических составов чугуна с шаровидным графитом и серого чугуна с пластинчатым графитом – в ничтожно малом количестве (сотые доли процента) глобуляризующей добавки, обеспечивающей графиту шаровидную форму. Именно потому, что новый материал мало отличается от серого чугуна по строению и составу, его отнесли к чугунам, но к чугунам с особо высокими свойствами. Вначале его даже называли «сверпрочным чугуном».

Высокопрочный чугун превосходит сталь по таким свойствам, как: износостойкость, термическая выносливость (хорошо сопротивляется действию циклических нагревов), теплоустойчивость (сохраняет свойства при повышенных температурах), коррозионностойкость в агрессивных средах.

Каким же образом удается получать вместо обычного хрупкого, малопрочного и непластичного сплава новый конструкционный материал, обладающий технологическими свойствами, приближающимися к характеристикам серого чугуна, по служебным же свойствам превосходящий сталь?

В качестве глобуляризирующей добавки (модификатора) используют, в основном, магний, реже – церий, хотя такими свойствами обладают кальций, литий, иттрий. Большое значение имеет способ ввода магния. Существует большое количество таких способов, предложены сотни глобуляризирующих лигатур. Например, магний вводится в металл, в "стаканчике", прикрепленном к штанге, или прямо в литейную форму.

Из высокопрочного чугуна изготавливают поршни, поршневые кольца, распределительные валы, головки и блоки цилиндров, трубы грузовых систем танкеров и др.

У чугуна с вермикулярным графитом средние между свойствами серого и высокопрочного показатели прочности вязкости, пластичности, но меньше, чем у серого чугуна, склонность к скорости охлаждения, и более высокие, чем у высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, стойкость против термических ударов, теплопроводность, циклическая вязкость, более низкий коэффициент термического расширения. А главное – у него ряд преимуществ перед высокопрочным чугуном с шаровидным графитом по технологическим свойствам.

Чугун с вермиулярным графитом успешно можно применять для деталей сложной конструкции, работающих при повышенных нагрузках, испытывающих большие ударные нагрузки, требующих повышенных износостойкости, демпфирующей способности, термической выносливости. Благодаря хорошим литейным свойствам и обрабатываемости производство деталей из такого чугуна более экономично, чем из чугуна с шаровидным графитом.

Наиболее широкое распространение получили износостойкие чугуны. Износ, т.е. процесс истирания, разрушения поверхности детали при трении о другую поверхность, встречается в большинстве изделий.

Немагнитные чугуны, относящиеся к группе высоколегированных, широко используют в электропромышленности и приборостроении.

Большинство деталей современных машин работает в условиях значительных повторно-переменных нагружений, что требует хорошей выносливости, ибо сплавы, как и человек, устают. Пожалуй, нет сплава, который бы работал в условиях повторно-переменных нагрузок более надежно, чем чугун.

Научившись лить чугунные изделия в песчаных формах в начале XV в., русские мастера раньше других в Европе использовали его для сложных отливок: пушечных ядер, пушек. Впервые в мире отлили пушку невиданной массы – более 65 т (Царь-пушка).

Использовав интересную инженерную находку – специальное водяное охлаждение песчаного стержня, заполнившего полость ствола, они добились почти двойного повышения прочности сплава в наиболее ответственной части пушки. И Царь-пушка при испытании выявила прекрасные свойства, не уступая бронзовым пушкам, которые в то время использовались в мире.

В заключение нельзя не отметить роль чугуна в художественном литье. Начиная с 18 века, он завоевывает внимание архитекторов и скульпторов. Больше всех в мире изготовлением чугунных художественных отливок прославился Урал (г. Касли). В уральских художественных отливках каждый узор, каждая деталь передается искусно и тонко, порой даже не верится, что они сделаны из металлического сплава.

Литые ансамбли Санкт-Петербурга, Москвы, знаменитых усадеб никого не могут оставить равнодушными, так как они отличаются ажурностью, высокой художественностью и прекрасным исполнением.

1.2.2. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА

1. Производительность печи оценивается в тоннах передельного чугуна, выплавляемого на печи в сутки. Если выплавляют чугун других марок, то при помощи определенных коэффициентов их пересчитывают на передельный. Например, для литейного чугуна коэффициенты пересчета равны 1,15 - 1,40. Для сравнения работы печей различного объема служит коэффициент использования полезного объема (к. и. п. о.). Он равен отношению полезного объема печи в м³ к суточной производительности печи в тоннах, т.е. показывает, сколько чугуна в сутки производится одним кубическим метром полезного объема. Так, при к. и. п. о. равном 0,5, с каждого кубического метра получают в сутки 2 т чугуна. Чем меньше этот показатель, тем лучше работает доменная печь.

Производительность доменных печей зависит от сорта выплавляемого чугуна. Для сопоставления работы печей в формулу к.и.п.о. вносят выплавку передельного чугуна в тоннах в сутки. А при выплавке других марок чугуна вводятся переводные коэффициенты, которые равны:

передельный мартеновский чугун…….1,00,

передельный высококачественный…...1,34,

литейный чугун………………………...1,26,

доменный ферросилиций……………….2,5,

доменный ферромарганец………………2,5.

2. Удельный расход кокса. Поскольку кокс является дорогим топливом и в настоящее время дефицитным, то его расход является одним из важнейших показателей процесса получения чугуна. Удельный расход кокса непосредственно влияет на производительность печи. При одной и той же интенсивности плавки производительность возрастает по мере снижения расхода кокса. Средний расход кокса в России составляет около 540 кг/т чугуна. На лучших доменных печах мира 360 кг/т.

1.2.3. СПОСОБЫ ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА

1. Улучшение подготовки и качества сырых материалов: повышение прочности агломератов, отсев мелких фракций, обеспечение однородности и химического состава сырья.

Повышение содержания железа в сырье на 1 % сопровождается повышением производительности печи на 2,5 % и снижением расхода кокса на 1,5 - 2,0 %. Замена обычного агломерата офлюсованным позволяет исключить из шихты доменной печи известняк. Снижение расхода известняка на 100 кг/т чугуна приводит к снижению расхода кокса на 3 %.

Понижение содержания мелочи в шихте улучшает газопроницаемость столба шихтовых материалов и обеспечивает более равномерный ход газов в шахте печи. Уменьшение содержания мелочи в агломерате на 10 % приводит к увеличению производительности доменной печи на 10 %.

Каждый килограмм серы, выведенный из состава шихты, дает экономию 17 - 20 кг кокса, а снижение содержания серы в коксе на 1 % приводит к уменьшению его расхода на 2,5 % и на столько же повышает производительность печи.

2. Применение высоконагретого дутья. Дутье создает воздушную подушку, на которой держится вся масса сырья, заполняющего внутреннее пространство печи.

Дутье – столь важный фактор, что доменщики ввод печи в эксплуатацию называют задувкой. На каждый м³ полезного объема печи воздуходувка подает более 2000 м³ воздуха в минуту. Этот ураган обеспечивает горение огромной массы кокса.

Впервые нагрев дутья до 150 ^оС применили в 1829 г. По мере развития конструкций воздухонагревателей температура дутья постепенно повышалась и в настоящее время достигла 1350 ^оС. Повышение температуры дутья является одним из самых действенных факторов по снижению расхода кокса. С горячим дутьем в доменную печь поступает большое количество физического тепла. Это заменяет тепло, которое получают от сжигания кокса.

При повышении температуры дутья от 1000 до 1200 ^оС расход кокса снижается на 4,5 %. В ближайшее время температура дутья может достичь 1250 – 1400 ^оС, что потребует разработки новых конструкций воздухонагревателей и более стойких огнеупоров.

3. Вдувание топлива в печь для замены кокса. Самой дорогой составляющей шихты доменного процесса является кокс. На долю кокса приходится 40-50 % себестоимости передельного чугуна. Поскольку заменить полностью кокс в доменном процессе пока невозможно, ученые и металлурги всего мира постоянно ищут топливно-восстановительные добавки, позволяющие снизить расход кокса (так называемое комбинированное дутье). В настоящее время такими добавками являются кислород, природный газ, мазут, пылеугольное топливо.

При увеличении содержания кислорода в дутье до 30 % производительность печи повышается на 10 %, а расход кокса уменьшается на 9 %. Расход природного газа на дутье обогащенным кислородом до 30 % составляет 150 - 200 м³/т чугуна.

Практически применение природного газа является сейчас эффективным только в Северной Америке и России (причем используется газ собственных месторождений), а использование мазута экономически целесообразно для условий Западной Европы. В остальных регионах мира, где производятся черные металлы, основным заменителем кокса служит пылеугольное топливо (табл. 8).

Пылеугольное топливо (ПУТ) нашло широкое применение в 1993 - 1996 гг. в связи с необходимостью реконструкции большого числа коксовых батарей.

Таблица 8

Затраты основных энергоносителей на производство чугуна в главных регионах мира (по данным 1998 – первой половины 1999 гг.)

Расход мазута составляет 60 кг/т чугуна. Это топливо вызывает в доменном процессе те же изменения, что и природный газ. Использование мазута повышает производительность доменных печей на 2 % и снижает расход кокса на 8-16 %.

Количество пыли, вводимой в печь, составляет 60-80 кг/т чугуна, что понижает расход кокса примерно на такое же количество. Вдувание угольной пыли требует разработки процессов ее подготовки: измельчения, осушения, транспортировки. Еще более эффективным является совместное применение природного газа и угольной пыли.

Во многих странах мира (Японии, Германии, Южной Корее, Бразилии, Китае и др.) в настоящее время ведутся активные исследования по применению в агломерационном и доменном производствах техногенных энергоносителей: пластмасс, древесных опилок, отработанных технических масел, спиртов, пищевых отходов производства сахара, риса, муки и т. п. Наиболее перспективным большинством специалистов признается применение в качестве заменителя кокса отходов пластмасс, как производственных, так и в виде ТБО. Пластмассы по энерго-металлургическим характеристикам не уступают либо превосходят известные топливно-восстановительные материалы (табл. 9).

Впервые пластмассы начала использовать в доменной печи немецкая фирма «Штальверке Бремен ГмбХ» в 1993 г. Для подачи пластмасс в фурмы была использована модернизированная система вдувания ПУТ. Предварительная подготовка пластмассовых ТБО включала сортировку, после которой пленочные материалы плавят и гранулируют, а твердые пластмассы дробят. Затем оба компонента смешивают и вдувают в доменную печь.

Таблица 9

Сопоставление химического состава пластмасс с другими видами топлив, %

4. Повышение давления газов в печи значительно увеличивает производительность печи и несколько снижает расход кокса.

Для повышения давления газа в доменной печи используется специальное дроссельное устройство на газопроводе очищенного колошникового газа. Это позволяет увеличить количество воздуха, подаваемого в печь. Расход кокса снижается потому, что улучшается использование газов в печи.

Кроме повышения производительности печи на 5-7 % и снижения расхода кокса, повышение давления способствует уменьшению выноса пыли из-за снижения скорости газов на колошнике на 20-50 %.