Продукты доменного производства

Продуктами доменной плавки являются чугун, шлак и доменный (колошниковый) газ. В зависимости от назначения, рода применяемого топлива и химического состава различают несколько сортов чугуна.

Литейный чугун (ГОСТ 4832—58) идет на производство чугунных отливок после его переплавки. Литейный чугун мягок, серого цвета. Углерод, входящий в его состав, находится преимущественно в свободном состоянии в виде графита.

Передельные чугуны (ГОСТ 805—69) выплавляются для передела на сталь. Углерод в них химически связан в Fe₃C. Структурно это белые чугуны.

Специальные чугуны (ферросплавы) с большим содержанием кремния, марганца и других элементов предназначены для добавки в шихту в качестве раскислителей или присадок при выплавке стали. К доменным ферросплавам относятся: ферросилиций (содержащий 9—13% Si и более); ферромарганец (70—75% Мn и более); зеркальный чугун (10—25% Мn и до 2% Si).

Природно-легированные чугуны (получаются при выплавке руд, содержащих легирующие примеси) употребляются в качестве присадки к литейным чугунам и для получения природно-легированных сталей.

Доменные шлаки используются для получения строительных материалов: цемента, кирпича, пористых и плотных блоков, щебенки и т.п.

Путем заливки огненно-жидкого шлака в металлические формы могут быть получены литые изделия — брусчатка для мощения улиц, плиты и др. При распылении струи расплавленного шлака сжатым воздухом или газом получается шлаковата — волокнистый материал, используемый непосредственно для термоизоляции или для производства термоизоляционных плит. Однако большое количество доменных шлаков еще направляется в отвал

Колошниковый (доменный) газ содержит до 30% СО и до 3% Н₂ и является, следовательно, горючим газом. Колошниковый газ используется для нагрева кладки воздухонагревателей, для сжигания в топках различных нагревательных печей, в котельных топках и т. д.

4.2 Металлургия стали

Сталь — это сплав железа с углеродом, который содержит менее 2,14 % С. Постоянными примесями в стали являются марганец, кремний, фосфор и сера.

В настоящее время около 80% чугуна, выплавляемого в доменных печах, перерабатывается в сталь. Кроме жидкого чугуна, в качестве шихты для выплавки стали применяются чугунный и стальной лом, отходы производства, железная и марганцевая руда, ферросплавы и др. Чугун по сравнению со сталью содержит большее количество углерода и примесей. Поэтому для получения стали необходимо удалить избыток углерода и примесей с помощью окислительных процессов. Основными способами производства стали являются кислородно-конвертерный, мартеновский и электроплавка.

Все виды передела чугуна на жидкую сталь являются процессами рафинирования, заключающимися в том, что находящиеся в чугуне в качестве примесей элементы (углерод, кремний, марганец и др.) подвергаются окислению кислородом воздуха или соединениями, легко отдающими кислород. При этом получаются газообразные или жидкие окислы, не растворяющиеся в металле или растворяющиеся в очень ограниченном количестве. Газообразные соединения уходят в атмосферу, а жидкие образуют шлаки, всплывающие благодаря меньшему удельному весу на поверхность металла и таким образом отделяющиеся от него.

Процесс передела чугуна в сталь происходит по следующим реакциям:

Окисление кремния и марганца кислородом - первичные реакции (4.5) (одновременно окисляется железо) и закисью железа - вторичные реакции (4.6)

2Fe + 0₂ = 2FeO

Si + 0₂ = Si0₂ (4.5)

2 Мn + 0₂ = 2 МnО

Si + 2FeO = 2Fe + Si0₂ (4.6)

Мn + FeO = Fe + МnО

Вторичные реакции имеют большее значение, чем первичные. Продукты окисления кремния и марганца не растворяются в металле и уходят в шлак.

Окисление углерода также происходит по прямым (4.7) и косвенным (4.8) реакциям.

С + 0₂ = С0₂ (4.7)

2С + 0₂ = 2С0

C+ 2FeO = 2Fe + C0₂ (4.8)

С + FeO = Fe +CO

По окончании любого процесса выплавки стали производится раскисление. Раскисление - процесс удаления из расплавленной стали растворенного кислорода и максимально возможного удаления оксидов - продуктов реакций раскисления. Для раскисления применяют элементы (или их сплавы, например ферросплавы), характеризующиеся большим сродством к кислороду, чем основной металл.

Раскисление протекает по реакциям (4.9)

FeO + Mn = Fe + MnO.

2FeO + Si = 2Fe + Si0₂; (4.9)

3FeO + 2Al=3Fe + Al₂0₃.

Чем лучше раскислен металл, тем выше его механические качества.

Расплавленная сталь способна поглощать газы. Наличие в металле растворенных газов СО, N₂ и Н₂ способствует образованию газовых пузырей. Присадкой алюминия и кремния можно достигнуть получения совершенно беспузыристой стали.

Хорошим раскислителем стали является титан, вводимый в виде сильно углеродистого ферротитана, содержащего около 15% Ti. Сталь, раскисленная титаном, обладает наилучшими механиче­скими качествами. А1 и Тi являются не только хорошими раскислителями, они также размельчают зерно основного металла.

Марганцевая присадка, кроме действия ее в качестве раскислителя, способствует также удалению серы (4.10). MnS почти не растворяется в жидком ме­талле и уходит в шлак.

FeS+Mn = Fe + MnS (4.10)