Производство чугуна: химия и физика

Первичный чугун получают в доменных печах путем восстановления окислов железа в металлическое железо. Условия в этих печах таковы, что железо чрезмерно насыщается углеродом и выходит из домны в виде чугуна. Этот чугун, кроме того, содержит повышенное содержание различных примесей кремния, марганца, фосфора и других.

Принцип производства чугуна практически не изменился с самых древних времен. Древние доменные печи были из глины и производили несколько килограммов чугуна в сутки. Современные доменные печи — самые большие печи в мире — способны производить в сутки до 6000 тонн чугуна.

Чугун производят путем проведения в доменной печи химических реакций железных и марганцевых руд с восстановителями – окисью углерода и атомарным углеродом. Эти восстановители образуются в результате сжигания в печи топлива — кокса, мазута, природного газ и измельченного каменного угля. Кроме железной руды и топлива применяют и другие материалы, в первую очередь, флюсы. Флюсы необходимы для понижения температуры плавления пустой породы железной руды, перевода в шлак серы, фосфора, золы, сжигаемого топлива и образования легкоплавкого жидкотекучего шлака, который удаляется из печи.

Основные материалы для доменной печи

1) Железняки – источник железа.
2) Кокс – топливо и восстановитель.
3) Известняк – при высокой температуре разлагается в образованием СаО, который действует как флюс и переводит кремнистые пустые породы в шлак CaSiO3.
4) Воздух – поддерживает горение кокса с выделением тепла. Удаляет некоторые неметаллические примеси (кремний, мышьяк) в виде летучих оксидов. Окисляет окись железа FeO в руде до Fe2O3, что способствует сохранению железа в руде. Окись железа FeO, основная по природе, реагирует с SiO2 c образованием шлака FeSiO3. Воздух делает руду пористой, что способствует однородному восстановлению железа.

Железные руды

В земной коре содержится около 50 % железа в виде окислов, сульфидов и других соединений – всего около 200 различных минералов. Горные породы, из которых технически возможно и экономически целесообразно извлекать металлы называют рудами.

К железным рудам относят красный, бурый, магнитный и шпатовый железняки. Эти руды содержат много соединений железа, из которых его извлекают, и пустой породы, которая относительно легко отделяется при переработке.

Минералы в железных рудах

Основными рудообразующими минералами железа являются гематит, лимонит и магнентит.

Гематит – красный железняк. Содержит железо  в виде безводной окиси железа Fe2O3. Содержание железа в красных железняках составляет 45-65 % при небольшом количестве вредных примесей.

Лимонит – бурый железняк. Содержит железо в форме водных окислов типа nFe2O3×mH2O. В буром железняке – 25-50 % железа.

Магнетит – магнитный железняк. Содержит железо  в основном в виде закись-окиси железа Fe3O4, обладающего магнитными свойствами. Магнетиты – самые богатые железные руды – содержат 40-70 % железа.

Подготовка руды для производства чугуна

Для нормальной работы доменной печи она должна загружаться кусковым материалом оптимальных размеров. Слишком крупные куски руды и других материалов не успеют должным образом прореагировать, и часть материала уйдет бесполезно. Слишком мелкие куски слишком плотно прилегают друг к другу, не оставляя необходимых проходов для прохождения газов, что затрудняет работу печи.

Оптимальными считают размер кусков шихты 30-80 мм. Более крупные куски измельчают до оптимального размера.

С другой стороны, при дроблении материалов и при добыче руды наряду с крупными кусками образуется мелочь, также не пригодная к плавке. Такие материалы окусковывают до нужных размеров методами агломерации и скатывания.

Кроме агломерации и скатывания производят обогащение руды. Обогащением называют предварительную обработку руды без изменения химического состава основных минералов и их агрегатного состояния. Обогащение руды производят для повышения содержания в ней железа. При этом из руды удаляется значительная часть пустой породы. При обогащении руд применяют различные методы: промывание руды, метод флотации, гравитационный метод и магнитное обогащение.

Конструкция доменной печи

Доменная печь представляет собой печь шахтного типа. Типичная доменная имеет внизу диаметр 6-8 м и высоту 20-36 м. Самая большая домна, японская, имеет диаметр 14,9 м. Профиль доменной печи и ее температурные зоны показаны на рисунке 1.

sxema-domnyРисунок 1 – Профиль доменной печи. Материалы на входе и выходе.
Основные химические реакции

Доменная плавка

Доменная плавка заключается в раздельной загрузке в верхнюю часть печи (колошник) офлюсованного агломерата и кокса. Их располагают в печи слоями. Шихта нагревается за счет тепла горения кокса в горячем воздухе, который вдувается в нижней части домны. Шихта постепенно опускается вниз. В результате физико-химического взаимодействия компонентов шихты и поднимающихся газов в нижней части печи – горне – образуются два несмешивающихся жидких слоя – чугун на лещади горна и шлак – над чугуном.

Жидкий чугун выпускают каждые 2-3 часа, в больших печах – каждый час. Шлак из печи выпускают вместе с чугуном. Их разделяют с помощью специальных затворов.

Доменная печь обычно работает непрерывно в течение нескольких лет — до 10 лет.

Физико-химические процессы в доменной печи

В доменной печи одновременно происходят следующие процессы:

1) горение углерода топлива и образование восстановителей;
2) разложение компонентов шихты;
3) восстановление окислов;
4) науглероживание железа и образование чугуна;
5) образование шлака.

Горение топлива и образование восстановителей

Горение углерода топлива происходит в нижней части печи при взаимодействии воздуха при температуре 1000-1300 ºС с коксом:

С + О2 = СО2 .

Образующийся углекислый газ поднимается к раскаленному коксу и взаимодействует с ним по реакции с образованием восстановителя СО:

СО2 + С = 2СО.

Восстановитель СО в присутствии железа разлагается по реакции с образованием атомарного сажистого восстановителя С:

2СО = С + СО2.

Восстановление окислов железа

Главная задача доменного процесса – восстановление железа из его оксидов. Основную роль в восстановлении железа играют окись углерода и атомарный сажистый углерод, которые образуются в результате доменного процесса.

Зоны реакций восстановления и их температуры в доменной печи показаны на рисунке 2.

vosstanovlenie-zhelezaРисунок 2 – Схема восстановления окислов железа
при производстве чугуна в доменной печи

Восстановление окислов железа идет в следующей последовательности:

Fe2O3 → Fe3O4 →  FeO → Fe

Основными реакциями восстановления являются следующие:

Fe2O3 + 3C = 2Fe + CO
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2
FeO + CO = Fe +CO2

В восстановлении железа также участвует водород, который образуется из воды, которая содержится в шихте.

Науглероживание железа

Науглероживание железа происходит за счет взаимодействия твердого губчатого железа с углеродом:

3Fe + 2CO = Fe3C + CO2.

Сплав железа с углеродом имеет температуру плавления ниже, чем у чистого железа. В результате этого образуются капли жидкого чугуна, которые стекают на дно горна (лещадь) через слой раскаленного кокса, насыщаясь при этом углеродом.

Образование доменного шлака

Основными реакциями образования шлака являются следующие:

CaCO3 → CaO + CO2
CaO + SiO2 = CaSiO3

Побочные реакции восстановления примесей

В результате побочных реакций происходит восстановление примесных элементов – марганца, кремния и фосфора:

MnO2 + 2C = Mn + 2CO
SiO2 + 2C = Si + 2CO
Ca3(PO4)2 + 3SiO2 = 3CaSiO3 + P2O5
P2O5 + 5C + 2P + 5CO

Таким образом, в доменной печи мы получаем своего рода загрязненное примесями железо, то есть чугун, который содержит больших количествах свободный углерод, а также примесные элементы — марганец, кремний и фосфор.

Доменный чугун

Типичный химический состав доменного первичного чугуна:
Железо (Fe) = 93,5-95,0%
Кремний (Si) = 0,30-0,90%
Сера (S) = 0,025-0,050%
Марганец (Mn) = 0,55-0,75%
Фосфор (P) = 0,03-0,09%
Титан (Ti) = 0,02-0,06%
Углерод (C) = 4,1-4,4%

Из доменного первичного чугуна выплавляют сталь. Процесс выплавки стали, грубо говоря, заключается в снижении в железе содержания углерода и очистке его от чрезмерного содержания марганца, кремния, фосфора и других примесей.