Виробництво чавуну. Марки чавуну. Технологія виробництва
В даний час основний спосіб отримання чавуну - плавка залізних руд в доменних печах. Для плавки необхідний ряд сирих матеріалів, таких як флюси, залізні або марганцеві руди, а також паливо. В якості палива використовується кокс, який, по суті, є кам'яним вугіллям. Роль коксу - забезпечити процес відновної енергією і певною кількістю тепла. Давайте розглянемо виробництво чавуну більш докладно. Так як це складний і тривалий процес, то його опис займе багато часу.
Паливо для плавки
Як було зазначено вище, в якості палива використовують кокс. Але, крім цього, допустимо використання мазуту, вугільного пилу і природного, а також коксового газів. Проте практично завжди в якості основного пального застосовують саме кокс. Це речовина, яка утворюється при видаленні летючих газів з вугілля при температурі від 900 до 1200 градусів. Сьогодні це єдиний вид твердого палива, який зберігає свою початкову форму під час руху від колошника до горна. В принципі, до цього матеріалу висуваються жорсткі вимоги, що стосуються механічної міцності і жорсткості, що потрібно для сприйняття великих навантажень в нижній частині доменної печі. Вкрай важливо витримувати фракцію коксу. Занадто дрібні частинки сприяють газопроницаемости шихти, а надто великі руйнуються і утворюють дрібну фракцію. Крім цього, необхідно дотримуватися певний відсоток вологості, що потрібно для підтримання теплового режиму.
Руди для плавки
У земній корі досить багато заліза, проте в чистому вигляді воно не зустрічається, його завжди добувають з гірськими породами у вигляді різних сполук. Залізною рудою можна називати тільки ті породи, з яких з економічної точки зору вигідно видобувати залізо допомогою плавлення в печі. У природі існують багаті і бідні залізні руди. Якщо говорити з точки зору металургійної промисловості, то в руді є ряд корисних добавок, які необхідні при отриманні чавуну, - це хром, нікель, марганець та інші. Є й шкідливі включення: сірка, фосфор, мідь і т.п. Крім того, залізна руда може ділитися на кілька груп залежно від мінералу:
- червоний залізняк - 70% заліза, 30% кисню;
- магнітний залізняк - 72,4% заліза, 27,6% кисню;
- бурий залізняк - до 60% заліза;
- Шпатовий залізняк - до 48,3% заліза.
Логічно було б зробити висновок, що доменне виробництво чавуну повинно передбачати використання руди з другої групи. Але найпоширенішою є перша, тому її частіше і застосовують.
Підготовка руди до плавки
Не можна добути залізну руду із землі і тут же закинути її в завантажувальний пристрій доменної печі. Спочатку необхідно дещо поліпшити техніко-економічні показники, що дозволить використовувати для отримання чавуну відносно бідні руди, яких в земній корі значно більше. Наприклад, збільшення заліза в руді всього на 1% призводить до економії коксу на 2% і до збільшення продуктивності ДП на 2,5%. На першому етапі руда дробиться на фракції, а далі проходить грохочение. Останній захід необхідно для розділення залізної руди по крупності. Далі йде усереднення, де вирівнюється хімічний склад. Один з найбільш важливих і складних етапів - збагачення. Суть процесу полягає у видаленні порожніх порід з метою збільшення вмісту в руді заліза. Зазвичай збагачення проходить у два етапи. Заключним етапом є окускование, яке потрібно для поліпшення протікання плавки в доменній печі.
Технологія виробництва
Доменний процес - це сукупність механічних, фізичних і хіміко-фізичних процесів, які протікають в функціонуючої ДП. Офлайн флюси, руди і кокс в процесі плавки перетворюються на чавун. З точки зору хімії, це окисно-відновний процес. По суті, з оксидів відновлюється залізо, а відновники окислюються. Але процес прийнято називати відновним, так як кінцева мета - отримати метал.
Основним агрегатом для реалізації процесу плавки служить піч (шахтна). Вкрай важливо забезпечити зустрічний рух шихтових матеріалів, а також їх взаємодію з газами, які утворюються під час плавки. Для поліпшення процесу горіння використовується додаткова подача кисню, природного газу і водяної пари, що в сукупності називається дуттям.
Ще про доменному процесі
Кокс, що надходить безпосередньо в горн, має температуру порядку 1500 градусів. В результаті в зоні горіння утворюється суміш газів температурою 2000 градусів. Він піднімається в верх доменної печі і нагріває опускаються до горна матеріали. При цьому температура газу кілька знижується, приблизно до 1700-1600 градусів.
Шихта вантажиться в колошник порційно. Поширення в ДП відбувається шарами. Зазвичай завантажують одну порцію в 5 хвилин. Перерва потрібна для звільнення місця в колошнике. Науглерожіваніе проходить ще в твердому стані заліза, після температура падає до 1100 градусів. У цей період закінчується відновлення заліза і починається окислення кремнію, марганцю і фосфору. У результаті ми маємо науглероженного залізо, яке містить не більше 4% вуглецю. Воно плавиться і стікає в горн. Туди ж потрапляє і шлак, але так як питомі маси матеріалів різні, то вони не з'єднуються. Через чавунну летку випускають чавун, а через шлакові льотки - шлак. В принципі, це і вся технологія виробництва, описана коротенько. Зараз розглянемо ще одне цікаве питання.
Основні марки чавуну
Чавун - сплав заліза з вуглецем. Зміст останнього елемента не повинно бути менше 2,14%. Крім цього, присутні й інші елементи, такі як кремній, фосфор, сірка та ін. Вуглець зазвичай знаходиться або у зв'язаному стані (цементит), або ж у вільному (графіт). Чавун можна поділити на такі види:
- Ливарний - має маркування Л1-Л6 і ЛР1-ЛР7.
- Переробний чавун - маркується як П1 і П2. Якщо матеріал призначається для виливків, то це ПЛ1 і ПЛ2. Метал з великим вмістом фосфору позначається як ПФ1, ПФ2, ПФ3. Крім цього, є і високоякісний переробний чавун - ПВК1, ПВК2 і ПВК3.
- Сірий - СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30 і СЧ35.
- Ковкий чавун - КЧ30-6, ЧК45-7, КЧ65-3 та ін. Якщо після букв стоять цифри, то вони позначають тимчасове зусилля на розрив.
- Легований чавун, що має спеціальні властивості, позначається буквою «Ч»;
- Антифрикційний (сірий) - АЧС.
Можна говорити про те, що будь-який вид чавуну має своє подальше призначення. Приміром, переробний використовується для переробки в сталь і для виробництва виливків. В цей же час марки ПЛ1 і ПЛ2 відправляться в ливарний цех, а П1 і П2 будуть використані в сталеплавильному виробництві.
Вплив різних сполук на властивості
Незалежно від виду і марки чавуну є ряд елементів, які значно впливають на його властивості і технічні характеристики. Як приклад візьмемо сірий чавун. Підвищений вміст кремнію сприяє зниженню температури плавлення і значно покращує його технологічні та ливарні властивості. З цієї простої причини в ливарний цех зазвичай відправляють чавун з великим вмістом цього елементу. А ось марганець - це свого роду противагу кремнію. Однак він є корисним хімічним елементом, так як збільшує міцність і твердість вироби.
Сірка - одне з найбільш шкідливих включень, яке істотно знижує вологотекучість і тугоплавкість чавуну. Фосфор може надавати як шкідливий вплив, так і корисне. У першому випадку виготовляють вироби складної форми, тонкостінні і не вимагають великої міцності. А ось марки чавуну з великим вмістом фосфору неприпустимо використовувати в машинобудуванні, де потрібно домогтися великої міцності виробу.
Про коксування заліза
Відновлене в ДП залізо поглинає в себе самі різні хімічні елементи і вуглець в тому числі. Як результат, утворюється повноцінний чавун. Як тільки він з'являється в твердій формі, відразу ж починається його науглерожіваніе. Сам процес помітний при відносно невисоких температурах в 400-500 градусів. Крім того, варто зазначити, що чим більше вуглецю в складі заліза, тим нижче температура плавлення. Однак коли метал знаходиться вже в рідкому стані, процес протікає кілька інтенсивніше. Потрібно розуміти, що після того, як в чавуні буде остаточна кількість вуглецю, змінити це вже буде неможливо. Такі елементи, як марганець і хром, сприяють збільшенню вмісту вуглецю, а кремній і фосфор зменшують його кількість.
Трохи про ливарному виробництві
Лиття відомо людині вже досить давно, приблизно кілька тисяч років. Це технологічний процес, що дозволяє отримати заготовку необхідної форми. Зазвичай таким способом виготовляють тільки фасонні деталі і заготовки. Суть методу полягає в тому, що розплавлений метал або інший матеріал (пластмаса) виливається в форму, порожнина якої має необхідну конфігурацію майбутньої деталі. Через деякий час метал застигає і виходить заготовка. Вона проходить механічну обробку, яка полягає в поліпшенні якості посадкових поверхонь, отриманні необхідної шорсткості і т.п. Цікаво те, що ливарне виробництво чавуну для промислового обладнання здійснюється в землі. Для цього виготовляється разова піщана форма і підбирається відповідне устаткування.
Ще дещо цікаве
Варто звернути вашу увагу на те, що ливарне виробництво використовує метал, який був отриманий в доменній печі. По суті, при вторинної плавці одержують вироби з необхідними властивостями, які змінюються в плавильній печі. В цей же час відливання, хімічний склад яких залишають незмінним у ливарному виробництві, виготовляють вкрай рідко. Зокрема це стосується чавуну. Коли потрібно отримати деталь з чорного металу, крім чавуну, в піч завантажують ряд модифікаторів, флюсів, раскислителей, а також сталевий брухт і багнетною чавун. Останній потрібен для отримання сталевих і чавунних виливків. Сам же процес виробництва чавуну мало чим відрізняється від доменного виробництва.
Висновок
Крім розглянутих нами, існують і інші способи виробництва чавуну. Наприклад, плавка в мартенівських печах. Але цей метод морально застарів, так як він занадто енерговитратний, хоча якість металу знаходиться на хорошому рівні. Зовсім інша справа - конвертерний спосіб, який, навпаки, тільки набирає популярність з кожним роком. Наприклад, виробництво чавуну в Росії в конвертерах займає близько 30-45% від усього виробництва. Конвертерний метод має ряд істотних переваг, одне з них - висока швидкість плавки. Крім того, з конвертера чавун переливається безпосередньо у форми і використовується за призначенням. Варто відзначити, що зупинити ДП неможливо, так як виробництво безперервно. В крайньому випадку має місце консервація, при якій кокс тліє в горні. Якщо ж доменна піч зупиняється, то простіше побудувати нову, ніж запустити стару.
