ПРОЦЕСИ ПРИ ПОЛУЧАВАНЕ НА ЖЕЛЕЗНИ СПЛАВИ

Лабораторно упражнение № 2

Тема : ПРОЦЕСИ ПРИ ПОЛУЧАВАНЕ НА

ЖЕЛЕЗНИ СПЛАВИ

Повече от две хилядолетия добивът на желязо (нисковъглеродна стомана) е ставал
по директен път от богати железни руди (крично желязо, т.нар.”желязна гъба”). Развитието
на кричните (шахтови) пещи през късното средновековие води до получаване на по-
високовъглеродни железни сплави при по-ниска температура на топене – т.е., на чугун.
Така се поставя началото на доменното производство на чугун, а от него индиректно на
стомана, първоначално в пудлови пещи, а по-късно – в конвертори и Сименс-Мартенови
пещи.
Основен метод за добиване на чугун е чрез преработване на железни руди във
висока пещ. Другите такива (във висока или нискошахтова електропещ) се прилагат по-
рядко, при специални изисквания и условия. Методът на високата пещ е редукционно-
стопилен пирометалургичен, при който оксидни железни руди, смесени с прибавки
(шихта), се топят при изгаряне на кокс в предварително подгрят въздух, редуцират се и се
отделят от скалната маса. Получава се суров течен метал (високопещен чугун), който може
да се използува като изходна суровина при индиректно добиване на стомана, за чугунени
отливки, или за получаване на специални феросплави.
Класическите методи за добиване на стомана се базират на конверторна или пещна
обработка на чугуна. Първият конверторен процес е Бесемеровият. Той е кисел
конверторен процес, предназначен за пречистване на високопещен чугун с ниско
съдържание на фосфор и високо съдържание на силиций. Томас и Гилхрист патентоват
базичния конвертор, позволяващ добиването на стомана от богат на фосфор чугун. Общо
за двата метода е продухването на течния чугун в конвертора с въздух през дъното на съда.
Днес тези конверторни методи нямат практическо приложение.
Наред с конверторните методи се създават и други, при които преработката се
извършва в пламъчни пещи. В средата на ХІХ век е разработен Сименс-Мартеновият
процес, който се основава на претопяване на чугун и стоманени отпадъци в регенеративна
пламъчна пещ. Намерил най-широко приложение в продължение на около столетие, днес
този метод практически не се използува, поради сравнително ниската си ефективност и
производителност, както и поради сериозните проблеми със замърсяването на околната
среда.
Със създаването на LD кислородно-конверторния метод (в началото на 50-те години
на ХХ век) и на неговите разновидности старите методи постепенно излизат от употреба,
и днес LD процеса е най-широко използувания в производствената практика. Друг
съвременен високоефективен метод е добиването на стомана в електродъгови пещи.
Поради високото качество на получения метал електродъговият метод се прилага основно
за получаване на легирани стомани в тежкото, транспортното и специалното
машиностроене.

І. Процеси при получаване на високопещен чугун

1.1. Материали за високопещното производство

Изходните материали за добиване на високопещен чугун са рудите (железни и
манганови), горивото (металургичен кокс) и прибавките (флюси – кисели, или базични). В
подходящо подбрани масови съотношения те съставят металната и горивната шихта.

Руди
Основни суровини за чугунодобива са железните руди. Те се характеризират с
различен химичен състав, плътност, съдържание на желязо, редукционна способност и т.н.
В зависимост от съотношението на металната част и скалната маса те биват бедни, средно
богати и богати. Във високопещното производство се използуват следните железни руди:
- Магнетит (Fe
3O4). Най-богатата желязна руда (45 – 70 % Fe), с висока плътност
(4,5 – 5 g/cm
3
), наситен черен цвят, метален блясък и магнитни свойства.
Редуцира се най-трудно. Богатите руди съдържат > 60 % Fe;
- Хематит (Fe
2O3). Широко разпространена, чиста от фосфор и сяра, и
сравнително богата (40 – 60 % Fe) руда. Има характерен червен цвят и се
редуцира по-лесно от магнетита. Богатите руди съдържат > 50 % Fe;
- Лимонит (2Fe
2O3.3Н2О). Най-разпространената желязна руда, получена от
окислително изветряване на сидерит или пирит, както и чрез коагулация на
колоидни железни разтвори. Сравнително бедна (30 – 45 % Fe), силно порьозна
и с добра редукционна способност. Богатите руди съдържат около 45 % Fe;
- Сидерит (FeСO
3). Железен карбонат със съдържание на Fe 25 – 40 %. Бива
кристален (с характерния за карбонатните скали сиво-бял цвят) и глинест.
Сидеритът се редуцира лесно, но се използува рядко поради наличието на
вредни примеси. Обичайно преди поставянето си във високата пещ той се
подлага на пържене или агломерация, с цел дисоциация и отделяне на СО
2.
Богатите руди съдържат > 38 % Fe.
За обезсеряване на метала, за добиване на чугун с повишено съдържание на манган
(огледален чугун) и при получаване на феросплави във високопещната шихта се добавят
манганови руди: хаусманит (Мn
3O4), съдържащ до 70 % Мn; манганит (Мn 2O3),
съдържащ до 69,6 % Мn; пиролузит (МnO
2), съдържащ до 63,2 % Мn; родохрозит (Мn
СO
3). Обичайното съдържание на манган в тези руди е 25 – 50 %.
За добиване на природно легирани чугуни (желязо-въглеродни сплави с
допълнително съдържание на хром, никел, ванадий и др. елементи) се използуват
комплексни руди, съдържащи химични съединения на посочените елементи.

Гориво
Като гориво във високите пещи се използува металургичен кокс. Той се получава
чрез суха дестилация (коксуване) на каменни въглища при температура 550
о
С в отсъствие
на въздух. При коксуването се отделят част от въгленовите замърсявания (сяра, азот,
водород, кислород), повишава се въглеродното съдържание и съответно топлотворната
способност на горивото (до около 30 МJ/kg). Получава се як порест продукт, съдържащ
основно въглерод и около 10% пепел. За да издържа натиска на шихтовия материал,
якостта на натиск на металургичния кокс трябва да бъде над 10 МРа. Температурата му на

запалване е около 700
о
С, а съдържанието на сяра не бива да надвишава 1,5%. За да
пропуска пещния въздух порьозността на металургичния кокс е голяма – 40 – 60 об.%, а
реакционната му способност (способността му да редуцира СО
2 до СО) – висока (25 – 50
%). Тези му характеристики го отличават от леярския кокс.

Прибавки (флюси)
Прибавките имат за задача да свържат скалната част на желязната руда в
леснотопима и слабо вискозна шлака, която впоследствие разтваря и част от продуктите на
редукционните процеси, протичащи във високата пещ. В зависимост от вида и качеството
на рудата количеството на флюсите достига до 25 % от нейната маса, а вида на прибавките
се определя от химичния характер на скалната й част. Киселата скална маса изисква
базични (основни) прибавки, а основната скална част изисква кисели. В състава на
киселите флюси преобладават силициеви и фосфорни оксиди, а в състава на базичните –
калциеви, магнезиеви, манганови и др. оксиди.
Основните прибавки във високата пещ най често включват карбонатни минерали –
варовик (СаСО
3), мрамор (кристален варовик) и доломит (СаСО 3.МgСО 3). За получаване
на силно базична и високо тънколивка шлака се използува флусшпата (калциев флуорид
СаFe
2).
Най-разпространените кисели прибавки са кварцовият пясък (SiО
2), глинестите
шифъри (Аl
2О3 + SiО 2), кварцитът, гранитът и др.
Към амфотерните прибавки (проявяващи едновременно кисел и базичен характер)
спада глината (Аl
2О3.2SiО 2.2Н2О).

1.2. Устройство на високата пещ и допълнителни съоръжения

Съоръжения за високопещно производство
Високопещното производство включва както самата шахтова пещ, в която се
добива и стопява чугунът, така и широк комплекс от технологично и функционално
взаимосвързани металургични съоръжения, участващи в производствения цикъл.
Основните групи в него са:
- съоръжения за предварителна подготовка на рудата и прибавките (сортиране,
разтрошаване, смилане, смесване, синтероване, брикетиране и пелетизиране);
- съоръжения за коксуване на въглищата (коксодобивно производство);
- съоръжения за сортиране, съхраняване и смесване на шихтовите материали;
- висока пещ със снабдително-транспортиращи и зареждащи съоръжения;
- съоръжения за производство (каупери) и доставяне на подгрят въздух в пещта;
- почистващо-филтриращи съоръжения за високопещния газ;
- съоръжения за поемане и транстпортиране на течния метал и шлаката, в т.ч.
смесители за суровия чугун.
Основното съоръжение е високата пещ. Тя представлява шахтова пещ, работеща на
противотоков принцип (шихтовият материал се движи отгоре надолу, а газовият поток –
отдолу нагоре). Височината на пещта е 20-50 m, диаметърът – 6-15 m, а обемът й – 1300-
5000 m
3
. При средна производителност на съвременните пещи 2,5-3 t чугун на m
3
за
денонощие, годишното производство достига 1-6.10
6
t чугун. Конструкцията на пещта ще
бъде разгледана в следващия параграф.

Устройство на високата пещ
Конструктивната схема на високата пеш е показана на фиг. 1. Тя се състои от два
пресечени конуса, свързани в основите си с цилиндрична част (распер). По-малкият долен
конус, обърнат с основата си нагоре, завършва също с цилиндрична част (огнище). Горната
част на пещта, където се намират приспособленията за пълнене, се нарича гърло; горният
конус, заемащ 3/5 от височината на пещта, се нарича шахта; най-широката част
(междинния цилиндър) – распер; долната цилиндрична част – огнище.
Този профил на високата пещ осигурява правилно движение на шихтата и
равномерно разпределение на газовете по сечението й. При движение отгоре надолу
шихтовите материали се загряват и увеличават обема си, което се компенсира с
разширението на горния конус на пещта. След размекването и стопяването на рудата и
прибавките обемът отново намалява, поради което пещта в долния си конус се стеснява. В
най-долната част – цилиндричното огнище под долния конус, се събират стопения метал и
течната шлака. В горният край на огнището се вдухва подгретия въздух. Благодарение на
малкия диаметър той прониква лесно във вътрешността на шихтата. При движението си
нагоре (към основата на долния конус) въздухът и получените газове се разширяват и се
разпределят по-добре, отколкото при цилиндричен профил.
За изпускане на стопения чугун в долната част на огнището се намира изпускателен
отвор. От него по специален улей чугунът се излива в разливъчната кофа, или в открити
форми. На известна височина над него се се намират отворите за изпускане на шлаката
(най-често два). Вдухването на въздуха се извършва през 9-16 равномерно разпределени по
диаметъра на цилиндъра водоохлаждаеми въздушни форми, свързани с въздушния пояс.
Предвиждат се и резервни форми. Отвеждането на високопещните газове се извършва през
специални отвори в най-горната част на пещта.