Флюсы (известняк СаС03) вводят в доменную печь для того, чтобы снизить температуру плавления пустых пород и образовать жидкотекучие шлаки, куда переходят также вредные примеси руды и кокса.

Внутренние стенка доменной печи выкладывают огнеупорными материалами — кислыми, основными и нейтральными.

Добытую из недр земли железную руду перед загрузкой в печь подвергают предварительной обработке и обогащению. Предварительная обработка заключается в дроблении и сортировке руды, обогащение преследует цель повышения содержания железа и снижения вредных примесей в руде. Обогащение руды выполняют различными способами, но чаще всего применяется магнитное, гравитационное и флотационное обогащение.

Подготовленные к плавке железную руду, топливо и флюсы (шихту) загружают в доменную печь. Доменные печи являются крупнейшими вертикальными шахтными печами, имеющими высоту до 35 м и производящими в сутки до 10—12 тыс. т. чугуна.

Горн, заплечики и распар печи расположены в зоне наиболее высоких температур (1400—950 °С), поэтому они охлаждаются замурованными трубами с проточной водой. Шахта выше заплечиков колоннами опирается на фундамент. На современных печах несущим является кожух и колонны обычно отсутствуют.

На колошнике установлен засыпной аппарат и газопровод для улавливания доменного газа, который затем подвергается очистке и используется в качестве топлива.

Сущность доменной плавки сводится к раздельной загрузке в колошник печш рудных материалов, кокса и флюсов, нагреву шихты за счет горения кокса и постепенному спусканию ее вниз навстречу горячим газам, в результате чего в горне образуются чугун и шлак. Протекающие при этом в доменной печи физико-химические процессы очень сложны и многообразны.

В целом процесс в доменной печи можно разделить на этапы: горение топлива и разложение шихты; восстановление железа, кремния, марганца из окислов; науглероживание железа и образование чугуна; шлакообразование. Эти этапы процесса проходят в печи одновременного на разных ее горизонтах и с разной интенсивностью.

Горение углерода топлива происходит в зоне возле Фурм, где основная масса кокса взаимодействует с кислородом воздуха. Образовавшийся при этом углекислый газ поднимается вверх, пРодолжая взаимодействовать с углеродом, и образует окись углерода СО. Одновременно вдуваемый через фурмы пар реагирует с раскаленным коксом, образуя водород Н2 и окись углерода СО.

Этот процесс длится приблизительно до температуры 950 °С и носит название косвенного восстановления; железа, а при более высоких температурах начинается прямое восстановление твердым углеродом (FeO + С = Fe + СО — Q). Начало и скорость этих реакций зависят от состояния руды, состава газов, давления и других факторов.

Науглероживание железа происходит в результате того, что восстановленное железо обладает способностью растворять углерод кокса и вступает в реакцию с печными газами, содержащими СО. Образуется сплав железа с углеродом, который, проходя через слой кокса, еще больше насыщается углеродом и растворяет в себе примеси — марганец, кремний, фосфор, серу и другие, в результате чего получается чугун.

Шлакообразование начинается при прохождении шихты через распар после окончания восстановления железа при температуре 1400—1500 °С. Образовавшийся шлак стекает в горн и располагается на поверхности чугуна. Состав шлака зависит от состава пустой породы в руде, золы кокса, добавляемых флюсов, а также от того, какой чугун получают в результате плавки.

В доменных печах получают литейный чугун, передельный чугун и ферросплавы, используемые в различных отраслях народного хозяйства, а шлак перерабатывают на цемент и другие строительные материалы.

—

Чугун представляет собой сплав железа с углеродом (более 2%) и другими примесями (марганец, кремний, сера, фосфор и др.). Сырьем для получения чугуна служит железная руда, а которой железо содержится в виде окислов. Чтобы получить чугун из руды, нужно нагреть ее и смеси с коксом до температуры 1350—1600 °С.

Кокс получают из -специальных (коксующихся) каменных углей, прокаливая их без доступа воздуха при температуре 950— 1000 °С. Сгорая в доменной печи при производстве чугуна, кокс

выделяет тепло, необходимое для плавки руды, и одновременно участвует в химической реакции восстановления железа из окислов. Углерод топлива отнимает от окислов железа кислород, образуя окись и двуокись углерода, в результате чего железо восстанавливается, образуя сплав с углеродом и примесями, содержащимися в руде (кремний, марганец и др.). Этот сплав называется чугуном.

Чтобы отделить от металла содержащуюся в руде пустую породу и золу, которая образуется при сгорании кокса, в доменную печь вместе с коксом добавляют флюсы. Флюсами (плавнями) называют вещества, переводящие пустую породу, окислы и золу в шлаки. Шлак, плотность которого меньше по сравнению с плотностью чугуна, всплывает на поверхность и может быть отделен (слит) от чугуна. В качестве флюса обычно применяют известняк.

Выплавку чугуна из руд осуществляют в доменных печах. В СССР в настоящее время построена крупнейшая в мире доменная печь полезным объемом 2000 м3. Кроме того, проектируют печь объемом 2700 м3.

Разрез доменной печи показан на рис. 1. Руду, топливо и флюсы подают в скипах по наклонному мосту к засыпному аппарату доменной печи.

Верхняя часть печи, через которую загружают сырые материалы, называется колошником. Ниже колошника расположена самая большая по объему часть печи — шахта. Для лучшего опускания загруженных материалов шахте придана форма усеченного конуса. В шахте происходит восстановление (т. е. потеря кислорода) значительной части окислов руды до железа. В нижней части шахты материал начинает плавиться. Самая широкая часть печи называется распаром. Здесь плавится и превращается в шлак пустая порода, содержащаяся в руде. Ниже распара расположены заплечики. В заплечиках в твердом состоянии остается лишь топливо и часть известняка; остальные загруженные материалы расплавлены и находятся в жидком состоянии.

Рис. 1. Разрез доменной печи

Самая нижняя часть печи называется горном. В верхней части горна происходит сгорание топлива, а в нижней накапливается чугун и шлак. Дно горна называется лещадью.

Для выпуска жидкого чугуна служит специальное отверстие, расположенное над лещадью. Это отверстие называется чугунной леткой. Для выпуска шлака служит шлаковая летка, расположенная в горне значительно выше чугунной летки.

Воздух, необходимый для сгорания топлива, подается в печь через специальные устройства — фурмы, расположенные в верхней части горна (выше шлаковых леток).

В целях повышения производительности доменной печи в нее подают воздух, подогретый до 700—1100 °С. Подогрев воздуха осуществляется в воздухонагревателях (кауперах), состоящих из камеры сгорания и кирпичной насадки. В качестве топлива в воздухонагревателях используют доменный газ. Горячие продукты сгорания, образующиеся после сжигания доменного газа в камере сгорания, проходят через кирпичную насадку и нагревают ее.

По истечении 2—3 ч с начала нагрева, когда кирпичная насадка достаточно нагреется, подачу газа в камеру сгорания прекращают, а через нагретую насадку пропускают холодный воздух, который нагревается от соприкосновения с горячей насадкой. Подогретый до 700—1100° С воздух подается в доменную печь.

В настоящее время с целью интенсификации (ускорения) доменного процесса применяют обогащенный кислородом воздух. С этой же целью в некоторых случаях вдувают в печь природный газ.

Чугун в зависимости от химического состава и назначения разделяют на литейный, передельный и специальный (ферросплавы).

Литейный чугун обладает хорошими литейными свойствами (малой усадкой, хорошим заполнением формы и т. д.) и применяется для отливки деталей машин.

Передельный чугун предназначен для передела его в сталь. Способ получения стали з значительной степени определяется свойствами и составом передельного чугуна.

Ферросплавами называют чугун особых видов, применяемый при производстве специальных сортов высококачественной стали и для раскисления 1 ее.

В зависимости от состояния углерода, входящего в состав чугуна, различают белый и серый чугун. Весь углерод белого чугуна содержится в виде твердого химического соединения — цементита, поэтому белый чугун очень тверд и хрупок. Серый чугун содержит углерод ib свободном состоянии в виде мягкого графита («углерода отжига»). Этим объясняется относительная мягкость и вязкость серого чугуна по сравнению с белым чугуном.

На свойства чугуна влияют содержащиеся в нем примеси. Так, например, кремний способствует выделению свободного графита из химических соединений, что уменьшает хрупкость чугуна. Марганец значительно повышает твердость чугуна, затрудняя его механическую обработку. Фосфор увеличивает хладноломкость, сильно повышает жидкотекучесть и уменьшает усадку чугуна при его застывании.

Весьма нежелательной примесью в чугуне является сера; она уменьшает жидкотекучесть, увеличивает усадку чугуна и придает ему красноломкость.

Газы, выделяющиеся при остывании чугуна с большим содержанием серы, образуют пузыри и раковины, ухудшающие качество отливок.

В процессе производства чугуна кремний, фосфор и марганец оставляют в чугуне и даже дополнительно вводят в количестве, обеспечивающем требуемые свойства чугуна. Содержание же серы стараются свести до минимума.