Залізні руди – це гірська порода, яка складається із хімічних з’єднань заліза (Fе2O3; Fe3O4; 2Fe2O3×3Н2O; Fe3CO3) і пустої породи (пісковику, глини, вапняку чи доломіту). До руд ставляться такі вимоги: високий вміст заліза (в межах ЗО – 70%); добра відновлюваність; склад і стан пустої породи, що забезпечує легкість її видалення у вигляді шлаку; задовільна кусковатість; низька вартість.
Магнітний залізняк (магнетит) включає 40…65% заліза у вигляді магнетиту Fe3O4; червоний залізняк (гематит) – 58…60% заліза у вигляді окисла Fе2O3; бурий залізняк – 50…60% заліза у вигляді сполуки 2Fe2O3×3Н2O і шпатовий залізняк (сидерит) – 30…45% заліза у вигляді карбонату Fe3CO3. Також в доменній плавці використовують комплексні руди: хроміти, які включають крім заліза 37,5% окисла хрому, хромонікелеві залізні руди (1,5% хрому і 0,5% нікелю), титаномагнетити (0,4% ванадію і до 13% двуокисла титану).
Крім руд, в доменній плавці застосовують відходи металургійного виробництва: скрап, залізні і марганцеві шлаки, спечений рудний пил, окалина, огарки і т. ін. Марганцеві руди використовують для введення марганцю в склад чавуна. Вони містять 25…50% марганцю у вигляді окислів МnО; Мn2О3; Мn3O4.
Поряд з рудами вихідним матеріалом для отримання чавуну є паливо, флюс і повітря. Паливом є кокс. В природі він не існує, а отримують його з кам’яного вугілля, яке може коксуватись і спікатись. Такого вугілля в природі не дуже багато, тому воно з кожним роком дорожчає. Це вугілля не треба перетворювати в кокс. Процес цей складний, трудомісткий і супроводжується виділенням шкідливих побічних продуктів. Щоб по можливості не дати проникнути їм в атмосферу, воду і грунт, будуються дорогі очисні споруди.
Також в якості палива для доменних печей може застосовуватися природний газ.
Флюси використовуються для оплавлення тугоплавкої пустої породи руди і попелу палива з утворенням низькоплавкого шлаку визначеного складу, який легко витікає з доменної печі, а також для часткового переведення сірки в шлак. Так як частіше за все пуста порода має кислотний характер, то в якості флюсів застосовують основні матеріали – вапняк СаСО3, доломіт СаСО3×МgСО3, основний марганцевий шлак. Якщо склад породи має основний характер, то в якості флюсу застосовують кварц, пісковик і т. ін. Флюси не повинні вміщувати значної кількості сірки і фосфору і не більше 2…4% кремнезему і глинозему, які збільшують витрати флюсів і кількість шлаку, який отримується. Вміст кальцію повинен бути не менш 50…52%. Флюси перед плавленням подрібнюються на куски розміром 30…80 мм.
Повітря забезпечує горіння палива і отримання високих температур в доменній печі. Вдувають його нагрітим до температури 980…1200°С. Разом з повітрям частково подається до 32% кисню, який забезпечує підвищення температури і різко прискорює хід плавлення.
Вихідні матеріали для отримання чавуну, які беруться в певних пропорціях, називають шихтою. Всі шихтові матеріали перед завантаженням в домну проходять певну підготовку. В першу чергу це стосується руд. Їх сортують по вмісту заліза, по величині шматків; хімічному складу і т. ін. Потім руди збагачують і отримують концентрат, який вміщує підвищену кількість металу. Збагачення виконується миттям, гравітаційними методами, магнітними і т.ін. Миття руди сильним струменем води дозволяє частково видалити піщано-глиняну пусту породу від мінералів, багатих на залізо.
Гравітаційний метод (мокре відсадження) представляє собою розділення тяжких, багатих металом кусків руди від більш легкої, пустої породи в струменях води, яка піднімається чи тяжких суспензіях. Магнетити збагачують електромагнітними сепараторами після їх подрібнення.
Після збагачення руди виконується окусковування концентратів (брикетування, агломерація або отримання окатишів). Найбільш поширеним є агломерація (спікання) на потужних машинах безперервної дії продуктивністю до 3000 тон за добу. В результаті спікання шихти при температурі 1200…1500°С утворюється пористий агломерат, який має певну міцність, добре відновлюється і має знижений вміст сірки.
Окусковування можна проводити методом отримання окатишів (розміром 10…30 мм) в барабанах, які обертаються. Для отримання окатишів дрібний концентрат змішують з вапном чи глиною і зволожують до 8…10%. В барабанах шихта пересипається і скатується в окатиші.
Доменна піч – це вертикальна плавильна піч шахтного типу. Свою назву вона отримала від домниці, яка застосовувалась в Росії в ХVІІІ – IX сторіччі.
Сучасна доменна піч – це потужний і високопродуктивний агрегат з об’ємом, який займає шихтний матеріал (корисний об’єм) 3000…5000 м3, продуктивністю більше 5000 т. чавуна за добу.
В 1975 році в Кривому Розі почала працювати найбільша домна в світі об’ємом 5000 м3, яка була побудована за два роки. Кожен рік ця піч дає більше 4 млн. т. чавуну. Домні "зразка 1800 року" "необхідно працювати" 24 роки, щоб виплавити стільки чавуну, скільки дає криворізька домна за добу.
Корисна висота таких печей досягає 30 м і більше. Доменна піч (рис. 2.6) зовні заключна в сталевий кожух, а всередині футерована вогнетривкою (шамотною) цеглою. Внутрішня будова печі включає колошник 1, шахту 2, розпар 3, заплечики 4 і горн 5.
Колошник обладнаний литими сталевими сегментами, які захищають вогнетривку футерівку від руйнування при ударах шихти, яка завантажується в піч.
В верхній частині печі є завантажувальний пристрій, який включає воронку 6, малий конус 7, великий конус 8 з воронкою 9. Шихта подається на колошник по похилому мосту стрічковим транспортером 10. З нього шихта спочатку попадає на малий конус, який повертається навколо осі, для більш рівномірного завантаження. Далі шихта попадає на великий конус. Малий і великий конус опускаються не одночасно, для того, щоб запобігти викиданню доменних газів із печі в атмосферу. У великий конус через малий конус засипають певну кількість шихтових матеріалів, які утворюють, так звану колошу. В процесі опускання великого конуса колоша падає в піч. Рудну частину шихти і коксу завантажують роздільно, тому в печі утворюються два шари – коксу і рудної частини.
Для подавання визначеної кількості шихти служать бункери-дозатори 11, які подають останню на стрічковий транспортер.
В нижній частині домни знаходяться фурми 12, через які вдувається в піч нагріте повітря, або повітря збагачене киснем, а інколи – газоподібне, рідке чи пилоподібне паливо для економії коксу. Чавун і шлак безперервно стікають вниз і періодично випускаються через чавунний льоток 13 в чавуновоз 14 і шлаковий льоток 15 в шлаковоз 16.
Процес доменної плавки неперервний, а завантаження шихтових матеріалів і випуск чавуна і шлаку виконується періодично за встановленим режимом. Вихідні матеріали поступають в доменну піч зверху, а в нижню частину печі через фурми 12 подається нагріте повітря 17, яке отримується із холодного дуття 18. Нагрів холодного повітря виконується в повітронагрівачі (каупері) 19. Каупер працює завдяки згорянню колошникового газу, який поступає з верхньої частини домни. Через фурми 12 також може подаватись повітря, збагачене киснем, або газоподібне паливо. Гази, які утворюються при згорянні палива, піднімаються назустріч шихтним матеріалам, які опускаються, нагріваючи їх, відновлюють і плавлять. Таким чином, піч працює за принципом протипотоку, що дозволяє повніше використовувати тепло. Монтується доменна піч на бетонному фундаменті 20, а між фундаментом і горном знаходиться лещадь (холодильник) 21.
Як правило, біля кожної доменної печі є три – чотири повітронагрівачі, які працюють поперемінно. В результаті взаємодії кисню повітря і окислів руди з вуглецем утворюється доменний газ, який піднімається вверх зі швидкістю 20…60 м/сек. Враховуючи опір матеріалів шихти тиск газів при підході до колошника знижується до 1,5…3,7 атм. (0,15…0,37 МПа). Після очищення від пилу газ використовується для нагрівання повітронагрівачів, мартенівських, кузнечних, термічних печей, опалення адміністративних приміщень і як паливо для двигунів внутрішнього згоряння. Колошниковий пил, який отримується при очищенні доменного газу застосовується в процесі агломерації.
2.4 Фізико-хімічні процеси плавлення чавуна в доменній печі. Продукти доменного виробництва
Під час плавлення чавуна в печі виконується два основних процеси: відновлення заліза з окислів руди, навуглецьовування його і видалення у вигляді рідкого чавуна визначеного хімічного складу; оплавлення пустої породи руди, утворення шлаку, розчинення в ньому золи коксу і видалення його із печі.
Шихтні матеріали при завантаженні в колошник зустрічаються з температурою 200…300°С, при переміщенні вниз на рівні фурм зустрічають температуру 1800…1900 °С і понижуються в горні до 1450 °С. Повітря, яке вдувається через фурми, обумовлює горіння коксу по реакції:
C + CO2 = CO2 + 94052 кал (394 кДж)
Зустрічаючи розкалений кокс при високій температурі, вуглекислий газ відновлюється: СО2 + С = 2СО – 42012 кал (176 кДж)
Також, окис вуглецю утворюється в результаті взаємодії водяної пари і вуглецю коксу: Н2О + С = СО + Н2 – 31382 кал (132 кДж)
У верхніх горизонтах доменної печі при температурі 100…200°С випаровується волога, а при 300…350 °С видаляється гідридна вода. З палива видаляються летучі речовини. При вищих температурах (до 900°С) розкладається вапняк з виділенням вуглекислоти:
СаСО3 =СаО + СО2 – 42490 кал (Г78 кДж)
Відновлення заліза проходить послідовно за схемою: