+7(499) 136 06 90

+7(495) 704-31-86

[email protected]

Получение чугуна


Производство чугуна

Производство чугуна сосредоточено в домнах, где при высоких температурах происходит выплавка продукта из исходного сырья. Технология впервые использовалась в Китае, затем постепенно осваивалась в европейских государствах, России.

Содержание

  1. Процесс производства чугуна
  2. Классификация чугуна
  3. Сфера применения
  4. Заключение

Процесс производства чугуна

Доменная печь – это сооружение сложной формы с высотой до 80 м. Внутренние стены выложены огнестойким кирпичом, наружная поверхность покрыта стальным кожухом. Части домны имеют специальные названия:

  • верхняя половина – это шахта;
  • отверстие сверху – колошник;
  • широкая средняя часть – распар;
  • нижняя – горн.

Исходными материалами в производстве чугуна служат:

  • руда с высокой концентрацией оксида железа,
  • коксовое сырье,
  • флюсы.

Кокс – это хорошее топливо. При его сжигании интенсивно выделяется тепловая энергия, необходимая для получения конечного продукта. Помимо энергии кокс необходим как источник монооксида углерода – восстановителя для руды. Флюсы способствуют образованию из бесполезной породы легкоплавких шлаков.

Исходную смесь для производства чугуна послойно подают в домну через колошники. Для поддержания горения в горн нагнетают горячий воздушный поток. В результате химических процессов из кокса получается монооксид углерода. Он вместе с углеродом восстанавливает железо из руды. Расплавленная железная масса стекает вниз, где некоторое ее количество, соприкасаясь с горячим коксом, образует цементит (карбид железа). Остальной расплав растворяет в себе цементит, кремниевые, марганцевые, фосфорные компоненты, образует жидкий чугун.

Порода вместе с продуктом прокаливания флюса образует шлак. Горячий поток из чугуна и шлака стекает в горн. Сплав выпускают из печи через нижнее отверстие, а шлак – по каналу, расположенному немного выше.

Классификация чугуна

Существуют разные принципы, согласно которым классифицируют чугун. Для понимания некоторой информации нужна специальная подготовка в области металлургии. Остальное понятно всем. Главный показатель основной классификации – это содержание и состояние углерода в сплаве.

  • В белом чугуне этот элемент находится в виде карбида. Массовая доля железа превышает 3 %.Сплав характеризуется высокой хрупкостью, используется в основном после легирования.
  • Серая модификация содержит углеродные пластины. Продукт имеет высокую стойкость к трению.
  • Ковкая модификация включает в себя углеродные хлопья. Производство чугуна этого вида отличается сложностью, поэтому сплав стоит дороже, используется для изготовления особо важных деталей.

Эксплуатационные возможности металлического продукта определяются его специфическими качествами:

  • стойкостью к износу;
  • устойчивостью к трению;
  • инертностью к коррозии;
  • жаростойкостью;
  • отсутствием реакции на магнит.

Согласно приведенным признакам чугун подразделяется на группы. Помимо этого сплавы классифицируются по твердости, сопротивлению к растяжению, другим физическим параметрам.

Сфера применения

Большие объемы чугуна, который называется передельным, используются для получения сталей. Литейные чугуны применяются при производстве декоративных и других различных чугунных изделий:

  • сантехники;
  • деталей машин;
  • двигателей;
  • гомогенизаторов;
  • труб;
  • запорной арматуры;
  • радиаторов;
  • электротехники;
  • изоляторов.

Несмотря на обилие новых материалов, чугунные сплавы остаются неизменно востребованными во многих отраслях.

Заключение

Производство чугуна – технологически сложный процесс. Качественный продукт, изготовленный специалистами, обладает полезными эксплуатационными свойствами. Из чугуна производится как массовая, так и эксклюзивная продукция, пользующаяся спросом у потребителей.

2.3. Методы получения чугуна и стали.

Производство чугуна из железосодержащих материалов производят путем выплавки в специальных шахтных печах (домнах) и называют доменным процессом.

Важная роль чугуна в ме­таллургии и вообще в экономике страны определяется тем, что он является первичным продуктом переработки железных руд. Свыше 80 % чугуна, выплавляемого в до­менных печах, в дальнейшем перерабатывается в сталь. Эти чугуны называются передельными.

Чугуны, предназначенные для получения фасонного литья в ма­шиностроительном производстве, называют литейными. Для повы­шения качества отливок применяют небольшие количества добавок для модифицирования и легирования (хром, никель и др.). Введение в расплавы модификаторов (например, магния, ферросилиция, силикокальция, алюминия, титана) способствует кристаллизации структурных составляющих в измельченной форме. Легирование так­же способствует улучшению механических свойств путем изменения строения и структуры сплавов.

Специальные чугуны (доменные ферросплавы) выплавляют в небольших количествах и применяют для раскисления и легиро­вания стали.

Для выплавки чугуна используют железную руду, а также марган­цевые, хромовые и комплексные руды, топливо и флюсы, которые в необходимой пропорции образуют шихту. Железные руды содержат железо в виде оксидов, например Fe203 (красный железняк), Fe304 (магнитный железняк). В 2002 г. в России добыто примерно 84,2 млн т железных руд.

Для повышения производительности доменной печи, экономии кокса, улучшения качества чугуна железные руды предварительно дробят, сортируют для получения кусков требуемой величины и обо­гащают, отделяя и устраняя пустую породу. Для удаления вредных примесей и улучшения металлургических свойств шихту, состоящую из железной руды и флюса, спекают в агломерационных машинах при температуре 1300... 1500° С, подвергают окатыванию и обжигу при температуре 1200... 1 350 °С. Результатом такой обработки явля­ются прочные, пористые окатыши диаметром до 30 мм.

Флюсы — это материалы преимущественно минерального про­исхождения, вводимые в шихту для образования шлака и для регу­лирования его состава, в частности для связывания пустой породы, продуктов раскисления металла, а также уменьшения процентного содержания вредных примесей. По химическому составу флюсы подразделяют на основные (известняк СаС03), кислые (кремнезем) и нейтральные (глинозем).

Шлаком называют расплав, покрывающий поверхность жидкого металла, который после затвердевания представляет собой камневидное или стекловидное вещество.

В качестве основного топлива для доменной плавки служит кокс. Кокс представляет собой твердый углеродистый остаток, образую­щийся при нагревании каменного угля без доступа воздуха до тем­пературы 950... 1 050º С. Содержание углерода в коксе — 96... 98 %. Теплота сгорания кокса — 29 МДж/кг.

Доменная печь (рис. 2.1) — шахтная печь для выплавки чугуна из железной руды. Она устанавливается на бетонном фунда­менте, имеет стальной кожух, выложенный внутри огнеупорным кирпичом.

Рис. 2.1. Схема доменной печи: 1 - горн; 2 - фурма; 3 - заплечики; 4 - распар; 5 - шахта; 6 - колошник; 7,8 - шлаковая и чугунная летка соответственно; H- высота.

В верхней части печи, называемой колошником, находится за­сыпной аппарат, предназначенный для загрузки шихты. Под (дно) доменной печи расположен над бетонным фундаментом и называется лещадь. Поскольку на лещади скапливается расплавленный чугун, ее выкладывают углеродистым кирпичом и блоками, содержащими до 92 % углерода в виде графита и обладающими высокой огнеупор­ностью.

В нижней части печи — горне — имеются отверстия для выпуска расплавленного чугуна (чугунная летка) и шлака (шлаковая лет­ка). Чугун выпускают из печи через каждые 3...4 ч, а шлак — через 1... 1,5 ч и сливают в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши. Чугунную летку открывают бурильной машиной. После каждого вы­пуска чугунную летку заделывают огнеупорной массой, а шлаковую летку обычно закрывают металлической пробкой.

В верхней части горна находятся устройства — фурмы, через ко­торые в печь поступает воздух, необходимый для горения топлива. Вблизи фурм кокс, взаимодействуя с кислородом нагретого воздуха, сгорает, образуя газовый поток, содержащий угарный газ (оксид углерода) СО, углекислый газ (диоксид углерода) С02, азот N2, ме­тан СН4и др. Следует иметь в виду, что некоторые из образующихся газов — вредные и опасные. Так, например, в производственных помещениях не допускается содержание угарного газа более чем 0,03 мг/л. Наличие метана в воздухе в пределах 5... 15 об. % и более приводит к образованию взрывчатой смеси.

Воздух поступает в доменную печь из воздухонагревателей. По­догрев воздуха снижает расход топлива. Внутри воздухонагревателей имеются насадки из огнеупорных кирпичей и камеры сгорания.

В камеру сгорания подают доменный газ, который, сгорая, про­ходит через насадку и нагревает ее. Затем подача газа прекращается и через нагретую насадку пропускается воздух, который при этом нагревается до 1 200 "С. Наличие нескольких воздухонагревателей, работающих попеременно, обеспечивает непрерывную подачу в ра­бочее пространство печи нагретого воздуха.

Температура рабочего пространства печи выше зоны подачи воздуха (выше уровня фурм) составляет 2 000 °С. Эта часть печи вы­полняется наиболее широкой и называется распаром. Ниже распара расположены заплечики с сужающимся книзу поперечным сечением. Они замедляют опускание шихты. Выше распара поперечное сечение шахты также уменьшается, что способствует свободному опусканию шихты.

Производство сталипредставляет собой передел чугуна в сталь и состоит в снижении содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления (табл. 2.6).

Окисление железа, кремния, фосфора и марганца в сталепла­вильной печи происходит с вьщелением теплоты Q (экзотермическая реакция) при этом окис­ление кремния, фосфора и марганца происходит в начале плавки:

Fe + 1/202 = FeO + Q

2FeO + Si = Si02 + 2Fe + Q

5FeO + 2P = P205 + 5Fe + Q

FeO + Mn = MnO + Fe + Q

Производство железа - Химия LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    649
  • Производство железа из руды включает окислительно-восстановительную реакцию, проводимую в доменной печи. Железная руда обычно представляет собой смесь железа и большого количества примесей, таких как песок и глина, называемых жильной породой. Железо в железных рудах встречается в виде оксидов железа. В результате этих примесей железо должно быть сначала отделено от пустой породы, а затем превращено в чистое железо. Это достигается методом пирометаллургия , высокотемпературный процесс. Высокие температуры необходимы для восстановления железа и окисления известняка, что будет показано ниже.

    Введение

    Производство железа из руды включает окислительно-восстановительную реакцию, проводимую в доменной печи. Печь заполнена сверху оксидом железной руды, чаще всего гематитом (\(Fe_2O_3\)), но также может быть магнетитом (\(Fe_3O_4\)), углеродом, называемым коксом, и известняком (\(CaCO_3\)). Для целей данного обсуждения будет показан оксид железной руды гематит (\(Fe_2O_3\)). Кстати, гематит получил свое название от греческого слова, означающего кровь, из-за цвета одной формы его порошка. Древние греки считали, что большие залежи гематита образовались в результате сражений, которые велись, и кровь от этих сражений стекала в землю.

    Чтобы начать процесс, поток горячего воздуха нагнетается в нижнюю часть печи, что помогает создать большие колебания температуры: нижняя температура составляет 2273 К, а верхняя 473 К. Количество кислорода строго контролируется, чтобы угарный газ является основным продуктом, как показано:

    \[2C (s) + O_2 \; (g) \longrightarrow 2CO (g) + \rm{heat}\]

    Точно так же углерод и монооксид углерода способствуют восстановлению оксида железа (III) с получением нечистого металла, как показано:

    \[Fe_2O_3\; (т) + 3C \, (т) \longrightarrow 2Fe (ж) + 3CO_2 (ж)\]

    \[Fe_2O_3 \; (т) + 3CO_2 (ж) \longrightarrow 2Fe (л) + 3CO_2 \; (g)\]

    Одним из наиболее интересных моментов этой окислительно-восстановительной реакции является то, что большая часть образовавшегося диоксида углерода сама восстанавливается, когда он вступает в контакт с несгоревшим коксом и производит больше восстановителя. По мере продолжения процесса расплавленный чугун стекает вниз по печи и собирается на дне, откуда удаляется через отверстие в боковой стенке. При охлаждении нечистое железо становится хрупким и в некоторых случаях мягким из-за присутствия мелких примесей, таких как сера и фосфор.

    Таким образом, нечистое железо, поступающее со дна печи, подвергается дальнейшей очистке. Наиболее распространенным методом является основная кислородная печь. В печи кислород вдувается в нечистое железо. Это жизненно важно, потому что кислород окисляет фосфор и серу, проявляющиеся в следующих окислительно-восстановительных реакциях:

    \[P_4 (s) + 5O_2 \;(g) \longrightarrow P_4O_{10} \; (ж)\]

    \[S_8(s)+8O_2\; (ж) \longrightarrow 8SO_2 \; (g)\]

    Оксиды либо выделяются в виде газов, либо реагируют с основными оксидами, которые добавляют или используют для футеровки печи. На этом заключительном этапе очистки удаляется большая часть примесей, и в результате получается обычная углеродистая сталь. Таким образом железо получают в процессе окисления-восстановления.

    Внешние ссылки

    • Видео, демонстрирующее производство стали: http://www.youtube.com/watch?v=Yov7Z0rMyHI&feature=related
    • Видео, демонстрирующее химию железа: video.google.com/videoplay? do...ron+production

    Ссылки

    1. Kotz, John C. Treichel, Paul Jr. Химия и химическая реактивность: Четвертое издание. Saunders College Publishing, 1999.
    2. Хаускрофт, Кэтрин Э. Шарп, Алан Г. Неорганическая химия: второе издание. Пирсон Прентис Холл, 2005.

    Iron Production распространяется по незадекларированной лицензии, автором, ремиксом и/или куратором является LibreTexts.

    1. Наверх
    • Была ли эта статья полезной?
    1. Тип изделия
      Раздел или страница
      Показать страницу TOC
      № на стр.
    2. Теги
      1. доменная печь
      2. кокс
      3. гематит
      4. примеси
      5. Железо
      6. Производство чугуна
      7. известняк
      8. магнетит
      9. окислительно-восстановительный
      10. пирометаллургия

    Обработка железа | Определение, история, шаги, использование и факты

    доменная печь и воздухонагреватель

    Смотреть все СМИ

    Ключевые люди:
    Абрам Стивенс Хьюитт Джон Фриц
    Похожие темы:
    кованое железо чугун вагранка цветочный процесс процесс украшения

    Просмотреть весь связанный контент →

    обработка железа , использование процесса плавки для превращения руды в форму, из которой можно изготавливать изделия. В эту статью также включено обсуждение добычи железа и его подготовки к выплавке.

    Железо (Fe) представляет собой относительно плотный металл серебристо-белого цвета с характерными магнитными свойствами. Он составляет 5% массы земной коры и является четвертым по распространенности элементом после кислорода, кремния и алюминия. Он плавится при температуре 1538°C (2800°F).

    Изучение производства и структурных форм железа от феррита и аустенита до легированной стали

    Посмотреть все видео к этой статье

    Железо аллотропно, то есть существует в различных формах. Его кристаллическая структура может быть объемно-центрированной кубической (ОЦК) или гранецентрированной кубической (ГЦК) в зависимости от температуры. В обеих кристаллографических модификациях основная конфигурация представляет собой куб с атомами железа, расположенными по углам. В центре каждого куба в ОЦК-модификации и в центре каждой грани в ГЦК-модификации есть лишний атом. При комнатной температуре чистое железо имеет ОЦК-структуру, называемую альфа-ферритом; это продолжается до тех пор, пока температура не поднимется до 912 ° C (1674 ° F), когда он превращается в структуру ГЦК, известную как аустенит. При дальнейшем нагреве аустенит остается до тех пор, пока температура не достигнет 1394 °C (2541 °F), после чего снова появляется ОЦК-структура. Эта форма железа, называемая дельта-ферритом, сохраняется до тех пор, пока не будет достигнута точка плавления.

    Чистый металл податлив и легко поддается обработке ковкой, но, за исключением специализированных электротехнических применений, он редко используется без добавления других элементов для улучшения его свойств. В основном он появляется в сплавах железа с углеродом, таких как стали, которые содержат от 0,003 до примерно 2 процентов углерода (большинство лежит в диапазоне от 0,01 до 1,2 процента), и чугуны с содержанием углерода от 2 до 4 процентов. При содержании углерода, характерном для сталей, карбид железа (Fe 3 C), также известный как цементит; это приводит к образованию перлита, который в микроскоп состоит из чередующихся реек альфа-феррита и цементита. Цементит тверже и прочнее феррита, но гораздо менее пластичен, так что за счет изменения количества углерода получаются совершенно разные механические свойства. При более высоком содержании углерода, характерном для чугуна, углерод может выделяться либо в виде цементита, либо в виде графита, в зависимости от условий производства. Опять же, получается широкий спектр свойств. Эта универсальность сплавов железа с углеродом приводит к их широкому использованию в технике и объясняет, почему железо является самым важным из всех промышленных металлов.

    Имеются свидетельства того, что метеориты использовались в качестве источника железа до 3000 г. до н.э., но извлечение металла из руд датируется примерно 2000 г. до н.э. Производство, по-видимому, началось в медедобывающих регионах Анатолии и Персии, где использование соединений железа в качестве флюсов для облегчения плавки могло случайно вызвать накопление металлического железа на дне медеплавильных печей. Когда производство железа было налажено должным образом, стали использовать два типа печей. Чашевые печи были построены путем рытья небольшого отверстия в земле и обеспечения подачи воздуха из мехов через трубу или фурму. С другой стороны, каменные шахтные печи полагались на естественную тягу, хотя иногда в них также использовались фурмы. В обоих случаях плавка включала создание слоя раскаленного древесного угля, в который добавлялась железная руда, смешанная с большим количеством древесного угля. Затем произошло химическое восстановление руды, но, поскольку примитивные печи не могли достигать температуры выше 1150 ° C (2100 ° F), обычным продуктом был твердый кусок металла, известный как блюм. Он мог весить до 5 кг (11 фунтов) и состоял из почти чистого железа с небольшим количеством захваченного шлака и кусков древесного угля. Затем изготовление железных артефактов требовало операции формовки, которая включала нагревание цветков в огне и удары молотком по раскаленному докрасна металлу для изготовления желаемых предметов. Железо, изготовленное таким образом, известно как кованое железо. Иногда кажется, что было использовано слишком много древесного угля, и сплавы железа с углеродом, которые имеют более низкую температуру плавления и могут быть отлиты в простые формы, были сделаны непреднамеренно. Применение этого чугуна было ограничено из-за его хрупкости, и в раннем железном веке, похоже, его использовали только китайцы. В других местах предпочтительным материалом было кованое железо.

    Хотя римляне строили печи с ямой, в которую можно было сливать шлак, до средневековья мало что изменилось в методах производства железа. К 15 веку многие цветочные печи использовали печи с низким валом с приводом от воды для привода мехов, а цвет, который мог весить более 100 кг, извлекался через верхнюю часть вала. Окончательным вариантом такого рода горнила была каталонская кузница, просуществовавшая в Испании до 19 века. Другая конструкция, высокая горная печь, имела более высокий вал и превратилась в печь высотой 3 метра (10 футов).0024 Stückofen , который давал такие большие блюмы, что их приходилось удалять через переднее отверстие в печи.

    Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

    Доменная печь появилась в Европе в 15 веке, когда стало понятно, что чугун можно использовать для изготовления цельных пушек с хорошими свойствами удержания давления, но было ли ее появление связано с китайским влиянием или было независимым развитие неизвестно. Во-первых, различия между доменной печью и Stückofen были незначительными. Оба имели квадратное поперечное сечение, и основными изменениями, необходимыми для работы доменной печи, были увеличение соотношения древесного угля и руды в шихте и летка для удаления жидкого железа. Продукт доменной печи стал известен как чугун из-за метода литья, при котором жидкость направлялась в основной канал, соединенный под прямым углом с несколькими более короткими каналами. Вся конструкция напоминала свиноматку, кормящую свой помет, поэтому куски твердого железа из более коротких каналов были известны как свиньи.

    Несмотря на военную потребность в чугуне, для большинства гражданских применений требовался ковкий чугун, который до этого производился непосредственно в блочном заводе. Однако появление доменных печей открыло альтернативный путь производства; это включало преобразование чугуна в кованое железо с помощью процесса, известного как рафинирование. Куски чугуна были помещены на убранный очаг, на котором сжигался древесный уголь с обильной подачей воздуха, так что углерод в железе удалялся путем окисления, оставляя полутвердое ковкое железо. Начиная с 15 века, этот двухстадийный процесс постепенно вытеснил прямое производство железа, которое, тем не менее, сохранилось до 19 века.век.

    К середине 16 века в юго-восточной Англии доменные печи работали более или менее непрерывно. Увеличение производства железа привело к нехватке древесины для производства древесного угля и к его последующей замене углем в виде кокса - открытие, которое обычно приписывают Абрахаму Дарби в 1709 году. Поскольку более высокая прочность кокса позволяла ему поддерживать большую загрузку, стали возможными печи гораздо большего размера, и была достигнута производительность от 5 до 10 тонн чугуна в неделю.

    Затем, появление паровой машины для привода продувочных цилиндров означало, что доменная печь могла быть снабжена большим количеством воздуха. Это создало потенциальную проблему, заключающуюся в том, что производство чугуна будет намного превышать возможности процесса очистки. Ряд изобретателей пытались ускорить преобразование чугуна в ковкий, но наиболее успешным был англичанин Генри Корт, который запатентовал свою пудлинговую печь в 1784 году. Корт использовал угольную отражательную печь для плавления шихты чугуна. к которому добавляли оксид железа для получения шлака. Встряхивание образовавшейся «лужи» металла приводило к удалению углерода путем окисления (вместе с кремнием, фосфором и марганцем). В результате температура плавления металла повысилась настолько, что он стал полутвердым, хотя шлак оставался достаточно жидким. Затем из металла формовали шарики и освобождали от как можно большего количества шлака, прежде чем вынуть из печи и отжать молотком. В течение короткого времени пудлинговые печи могли производить достаточное количество железа для удовлетворения потребностей машинного оборудования, но в результате изобретения шотландцем Джеймсом Бомонтом Нильсеном в 1828 году доменной печи для предварительного нагрева дутья производительность доменных печей снова увеличилась. воздух и осознание того, что круглая печь работает лучше, чем квадратная.

    Окончательный спад в использовании кованого железа был вызван серией изобретений, которые позволили печам работать при температурах, достаточно высоких для плавления железа. Тогда стало возможным производить сталь, которая является превосходным материалом. Сначала в 1856 году Генри Бессемер запатентовал свой конвертерный процесс для продувки воздухом расплавленного чугуна, а в 1861 году Уильям Сименс получил патент на свою регенеративную мартеновскую печь. В 1879 году Сидни Гилкрист Томас и Перси Гилкрист адаптировали конвертер Бессемера для использования с фосфорным чугуном; в результате основной бессемеровский процесс, или процесс Томаса, получил широкое распространение на европейском континенте, где были в изобилии железные руды с высоким содержанием фосфора. Около 100 лет мартеновский и бессемеровский процессы производили большую часть стали, прежде чем они были заменены кислородными и электродуговыми печами.

    Помимо вдувания части топлива через фурмы, в доменной печи с начала 19 века используется тот же принцип работы. Однако размер печи заметно увеличился, и одна большая современная печь может снабжать сталеплавильный завод до 10 000 тонн жидкого чугуна в день.

    На протяжении 20-го века было предложено много новых процессов производства чугуна, но только в 1950-х годах появились потенциальные заменители доменной печи. Прямое восстановление, при котором железные руды восстанавливаются при температурах ниже точки плавления металла, берет свое начало в таких экспериментах, как процесс Виберга-Зодерфорса, введенный в Швеции в 1919 г.52 и процесс HyL, введенный в Мексике в 1957 году. Немногие из этих методов сохранились, а те, что сохранились, были значительно модифицированы. Другой альтернативный метод производства чугуна, восстановление плавлением, имел своих предшественников в электрических печах, которые использовались для производства жидкого чугуна в Швеции и Норвегии в 1920-х годах. Этот метод расширился и стал включать методы, основанные на кислородных конвертерах для производства стали с использованием угля в качестве источника дополнительной энергии, и в 1980-х годах он стал центром обширных исследований и разработок в Европе, Японии и США.


    Learn more