Что служит сырьем для выплавки чугуна
Исходные материалы для производства чугуна
Чугун – это сплав на основе железа. Его главное достоинство – долговечность. Изделия из чугуна широко применяют в станкостроении, производстве труб и радиаторов отопления, сантехнических изделий. Для производства большинства видов чугуна применяют литье, но и в ковке этот материал очень пластичен. Таким способом делают ограждения, декор для интерьера, например, каминные решетки, флюгеры, кованые калитки и ворота. Сырьем для производства чугуна служат рудные материалы, флюсы, кокс.
Основные виды сырья для производства чугуна – железные руды, кремнезем, глинозем, пустые породы с содержанием оксидов кальция и магния.
Руда, кроме основного материала, содержит и дополнительные компоненты – ценные и редкоземельные металлы. Если их содержание невелико, они используются в производстве чугуна. Если же процентное содержание позволяет извлекать из них, например, молибден, ванадий или никель, такую руду разделяют на компоненты.
Породу, добытую из недр, переводят из сырой в товарную. Происходит это в несколько этапов:
После всех подготовительных процедур руду направляют на переплавку. Это делают в доменных печах на металлургических комбинатах.
Разновидности
В промышленном применении наиболее ценными являются руды:
Основные месторождения этих руд в нашей стране сосредоточены на Урале, в Сибири и ЦФО.
Свойства
Характеристики руды определяет ее химический состав. Чем выше содержание основного компонента, тем она ценнее.
Наличие вредных примесей и количество пустой породы делает производство металла из руд низкого качества более дорогостоящим. Чем выше содержание железа и меньше дополнительных компонентов, тем выше качество чугуна и дешевле его производство.
Стоимость железной руды на бирже находится на уровне 85 долларов за 1 тонну (на 18.02.2020).
Флюсы
Минеральные вещества, которые добавляют в руду при выплавке, способствуют снижению температуры плавления и удалению шлака – золы, пустой породы, серы. Флюсами служат доломит, известняк, мартеновский шлак, кварц, кремнезем.
Топливо
При выплавке чугуна применяют прочные и стойкие к истиранию материалы. Основное топливо – кокс. Его получают путем спекания без доступа кислорода из каменного угля. Качественный кокс содержит незначительное количество золы и серы. Он прочный и способен выдержать давление расплавляемой руды, не разрушаясь.
Еще один источник топлива – древесина. Ее жгут без доступа воздуха для получения угля. Однако ее крепость и дороговизна позволяют использовать такое топливо в металлургии регионов, богатых нестроевым лесом.
В качестве добавки к коксу применяют антрацит. У него высокая теплотворная способность, малая зольность и низкое содержание серы.
В последнее время стали широко применять для выплавки чугуна торфяной кокс. С таким топливом сплав получается высокого качества при меньшей стоимости.
Стоимость тонны кокса для доменных печей составляет 14 500 рублей.
Производство чугуна требует значительных затрат на предварительную подготовку – добычу и обогащение железных руд и флюсов, производство топлива. Сам металл плавят в доменных печах для дальнейшего производства прочных и долговечных изделий. Чугунные материалы применяют в машиностроении, производстве сантехнического оборудования, декоре. Рекомендуем посмотреть существующих производителей чугуна и произвести конкурентную разведку.
Содержание:
Чугун — один из основных продуктов черной металлургии, не будет преувеличением заявление, что от количества выплавленного чугуна зависит стабильность и экономическая эффективность различных отраслей промышленности, начиная от машиностроения, заканчивая сельским хозяйством.
Основное сырье для чугуна — это железная руда, которая состоит из соединений железа и, так называемой пустой породы. Кроме этого, технология получения чугуна требует применения дополнительных компонентов. Обо всех, требующихся при выплавке материалах, и поговорим.
Компоненты, необходимые для получения чугуна.
Итак, чугун является химически сложным веществом, поэтому при его выплавке используют различные компоненты, каждый из которых выполняет свою определенную функцию.
В среднем, для производства 1 тонны металла необходимо около 3 тонн (в зависимости от содержания железа) руды, 1,1 тонны кокса, 20 тонн воды, плюс различное количество флюса.
Свойства этих компонентов, для более полного понимания процесса плавки, рассмотрим подробней.
Железная руда — разновидности и свойства.
В природе существует большое разнообразие железных руд, но во многих из них содержание металла очень низкое, что делает нерентабельной ее переплавку. Кроме основных компонентов в состав руды входят и другие примеси, которые могут быть как полезными, так и вредными, ухудшающими свойства получаемого металла. К нежелательным примесям можно отнести примеси серы, которая имеется в руде в виде сульфида. Сера придает выплавленному металлу так называемую красноломкость, хрупкость при прокатке или ковке. Содержание серы в руде не должно превышать 0,15%. Негативное действие оказывает и фосфор, встречающийся в виде фосфатов, его превышенное содержание вызывает хладноломкость (хрупкость в нормальных условиях). Другие примеси оказывают в основном положительное влияние на получаемый металл, но при плавке стоит учитывать их содержание в руде, для того, чтобы получить требуемые качества чугуна. К таким примесям относят ванадий, титан, медь, марганец, хром. В металлургии применяют следующие виды железных руд:
Флюсы, применяемые при плавке чугуна.
Выбор флюса зависит от особенностей состава пустых пород руды, различают основные и кислые флюсы.
Флюс, который вводится в шихту, связывает пустую породу, образуя с ней сплав, и выводится в качестве шлаков. Количество шлака достигает 80% от объема полученного чугуна.
Топливо, применяемое при производстве чугуна.
В роли основных видов топлива применяются природный газ и коксующийся уголь. Уголь при этом подвергается предварительной переработки для получения кокса. Это достигается путем его нагрева в безвоздушной среде до температуры, достигающей в среднем 1000 градусов, это обеспечивает испарение всех летучих соединений, и делает получившийся кокс одним из лучших топливных материалов для плавки чугуна. Удельная теплота сгорания, как кокса, так и природного газа создает оптимальные для металлургии условия производства металла. Правда значительное удорожание газа негативно сказывается на металлургическом комплексе.
Для производства высококачественного чугуна необходимо применение достаточно большого количества природных ресурсов. Поэтому и с экономической, и с экологической точки зрения, выгодным вариантом получения металла является вторичная переплавка металлолома.
Производство чугуна — как получают чугун?
Производство чугуна
Производство чугуна и сама черная металурия своими истоками отходит ко II-ому тысячелетию до н. э., когда человек начал использовать эти процессы, чтобы получить сталь. Первая доменная печь появилась в Европе только в XIV — XV веках. В это время чугун получался как побочный продукт, не имеющий ценности.
Чугун — это металл, который широко используется в разнообразных отраслях промышленности и отличается хорошими рабочими характеристиками. Его получают с помощью относительно несложного процесса, который не включает в себя много шагов. Производство чугуна осуществляется в доменных печах, которые представляют собой что-то по типу большой пробирки. О процессе получения чугуна вы узнаете подробнее из этой статьи.
Горно-обогатительные комбинаты
Основное сырье, которое используется для производства чугуна, это железная руда. Добыча производится в открытых карьерах в разных областях Украины. В составе железной руда, как известно, есть много различных примесей, поэтому ее использование в сыром виде для получения чугуна невозможно. Добытая руда изначально транспортируется на предприятие, имеющее специальное назначение, которое называется горно-обогатительным комбинатом. На этом предприятии из руды удаляется пустая порода, а также происходит процесс дробления. Потом чистую (обогащенную) руду с помощью железнодорожного транспорта доставляют на металлургические комбинаты.
Процесс агломерации — производство чугуна
Непосредственно сам процесс получения чугуна мы рассмотрим чуть ниже. Перед этим рассмотрим процесс подготовки руды для выплавки чугуна.
Использование для переплавки обычного дробленного материала резко снижает производительность доменной печи из-за того, что такой материал будет иметь низкую степень газопроницаемости. Решить эту проблему можно с помощью процесса агломерации, который происходит перед загрузкой руды в доменную печь. Этот процесс производится на специальных участках (цехах) металлургического комбината. Агломерация – это спекание породы в куски определенного размера, который наиболее подходит для производства чугуна. Высокая температура обеспечивает слипание частиц шихты, которые образуют куски, но они, в свою очередь, могут легко плавиться. Железная руда предварительно смешивается с углем. Горение угля обеспечивает необходимую температуру для спекания кусков. Также происходит стимулирование процесса агломерации потоком воздуха (сверху вниз), который пропускается через слой руды с углем.
Агломерат можно получить не только с помощью руды. Его также можно получить из небольших кусков железа, т.е. обычный металлолом может служить сырьем для чугуна.
Что происходит в печи — как получают чугун
Теперь рассмотрим производство чугуна непосредственно в доменной печи. Доменная печь такой конструкции как на рисунке внутри облицована кирпичом. Также она имеет достаточно простой принцип работы. При производстве чугуна, используют не только агломерат, но и кокс, известь и флюс. Эти материалы смешиваются в заданной известной пропорции, и данная смесь называется доменной шихтой. С помощью специальных подъемников она поднимается на верх доменной печи. Возгорание кокса возможно только при наличии большого количества воздуха, который обогащен кислородом. Воздух подается под большим давлением с помощью специальных фурменных отверстий внизу печи для того, чтобы он проник через пласт шихты, подаваемой сверху. Поток воздуха подогревают до 600-800С, чтобы поддерживать нужную температуру внутри печи. Чугун, который образуется из расплавленной шихты, стекает вниз и с определенной периодичностью (1 раз в 40 мин) и выпускается наружу через специальное отверстие, которое называется летка. После этого с помощью чаш больших емкостей он транспортируется в сталеплавильные цеха.
Восстановление и науглероживание железа в печи
Доменные печи работают по принципу противотока. Вот основные химические процессы, которые происходят в печи поочередно:
Восстановление железа.
Этот последовательный процесс выглядит так: Fe2O3 — Fe3O4 — FeO — Fe. В этом случае восстановителем является оксид углерода (CO), который образуется при взаимодействии CO2 с раскаленным коксом.
Науглероживание железа
Химическая реакция в данном случае выглядит так: 3Fe + 2CO = Fe3C + CO2 + Q. Карбид Fe3C легко смешивается с твердым железом, в результате чего и образуется сплав последнего с углеродом. Когда он стекает вниз, омывая куски кокса, он науглероживается еще больше. Кроме этого, такие вещества, как марганец, сера, кремний и т. д., при этом растворяются. Теперь понятно, что металл из доменной печи — это сплав железа с углеродом.
Восстановление других элементов
Марганец, кремний, сера и фосфор попадают в доменную печь вместе с шихтой в виде различных химических соединений. Высшие оксиды марганца восстанавливаются до MnO примерно по тому же принципу, что и железо: MnO2 — Mn2O3 — Mn3O4 — MnO. Чистый марганец выделяется так: MnO + C = Mn + CO — Q. Кремний попадает в печь в виде кремнезема SiO2. Его восстановление происходит по реакции SiO2 + 2C = Si + 2CO — Q.
Фосфор восстанавливается водородом, твердым углеродом и CO и, к сожалению, практически полностью переходит в чугун. Этот элемент ухудшает доменный сплав железа. В то же время, кремнезем позволяет получать чугун хорошего качества, а также высшие оксиды марганца. Марганец в некоторых случаях добавляется в доменную печь специально. При этом получается особый вид чугуна — марганцевый.
Удаление серы
Получение чугуна хорошего качества, в основном сводится к его очистке от серы, которая является нежелательным элементом. Сера — это основная вредная примесь, значительно ухудшающая свойства конечного продукта выплавки. Самое большое количество серы содержится в коксе. Удаляют серу с помощью извести (CaO), которую вводят в состав шихты, и увеличения температуры. Химическая реакция в этом случае выглядит так: FeS + CaO = FeO + CaO + Q. Чтобы снизить процент серы в чугуне можно использовать и другие способы. Например, обрабатывать выплавленный материал в выпускном желобе или чаше с содой. При этом удаление серы происходит в химической реакции FeS + NaCO3 = FeO + Na2S + CO2.
Образование шлака
Из вышенаписанного теперь понятно как получают чугун. Но производство чугуна ведет к образованию еще одного продукта, который получил широкое использование – это шлак. При выплавке 1 тоны чугуна образуется 0,6 тоны шлака. Это происходит из-за того, что даже в очищенной железной руде содержится много глины. А в состав кокса входит зола. Поэтому для удаления этих ненужных элементов в шихте, используются флюсы (карбонат кальция и карбонат магния). При плавке они вступают в химическую реакцию с разного рода примесями, и в результате этого процесса образуется шлак. Шлак представляет собой алюмосиликатный или силикатный расплав.
Плотность жидкого чугуна выше, чем плотность шлака. Поэтому в процессе плавки шлак располагается сверху. Его периодически удаляют через шлаковую летку. Шлак является побочным продуктом чугунолитейного производства, но широко используется в строительной отрасли для изготовления цемента и строительных блоков. В данном применении шлак используется как наполнитель.
Поэтому данный вопрос — как получают чугун — не является слишком сложным. Но следует иметь ввиду, что в доменной печи можно получить чугун, который будет отличаться по химическому составу и физическим свойствам. Все чугуны делятся на два вида: передельный чугун (белый чугун) и литейный чугун (серый чугун). Первая разновидность используется в качестве сырья при производстве стали. Литейный чугун применяют для получения разнообразных чугунных отливок, которые могут использоваться как готовые изделия в различных отраслях промышленности.
Основные свойства чугуна зависят от количества примесей, которые входят в его состав: марганца, фосфора, кремния и серы.
Производство чугуна: сырье для производства чугуна
Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы в виде специально подготовленной смеси (шихты). При доменной плавке могут использоваться также отходы производства, содержащие Fe, Mn, CaO, MgO. К ним относят колошниковую пыль, окалину, сварочный и мартеновский шлаки.
Железные руды
Железные руды представляют собой горные породы, из которых при данном уровне развития техники, экономически целесообразно извлекать железо. Верхняя зона земной коры мощностью около 16 км содержит в среднем 4,9% Fe, входящего в состав более 350 минералов горных пород. Такие широко распространенные горные породы как гранит, базальт содержат 3 – 9% Fe. Однако, в настоящее время столь бедные железом породы, пока не используются. Железо в земной коре в чистом виде не встречается, а находится обычно в соединениях с кислородом, так как обладает сравнительно большим сродством к кислороду.
В природе в большинстве случаев, железо встречается в виде:
Магнитная окись железа
Магнитная окись железа в рудах представлена минералом магнетитом. Руду, содержащую в основном магнетит, называют магнитным железняком. Магнетит можно рассматривать как закись-окись железа FeO ⋅ Fe2 О3. Под действием влаги и кислорода атмосферы закись железа в молекуле FeO ⋅ Fe2 О3 реагирует с кислородом воздуха, переходя в безводную окись железа Fe2 О3.
Безводная окись железа
Безводная окись железа в рудах представлена минералом гематитом. Руду, содержащую в основном гематит называют красным железняком, являющимся продуктом выветривания магнитных железняков или в значительной степени окисленным магнетитом. Руды бывают кусковатые, иногда пылевидные. В плотных породах цвет гематита меняется от стального до стально-черного. Для пылевидных руд характерен красный цвет. Красный железняк содержит 50 – 60% Fe, и обычно в таких рудах содержится мало серы и фосфора. Пустая порода таких руд обычно состоит из SiO2 и Al2 O3.
Водная окись железа
Водная окись железа представлена в рудах обычно минералами лимонитом или гетитом. Руды, содержащие эти минералы называются бурыми железняками (общая формула Fe2 O3 ⋅ nH2 O). Бурый железняк образуется при окислении железных руд других типов. Он наиболее распространен в земной коре, но используется сравнительно в небольшом количестве, так как трудно поддается обогащению. В добываемых рудах обычно содержится 25 – 50% Fe и повышенное количество фосфора (0,5 – 1,5% Р). Состав руды бывает разнообразен не только в различных, но и в пределах одного месторождения.
Бурые железняки, наиболее легко восстанавливаемые руды, благодаря малой плотности и большой пористости. В большинстве случаев руды загрязнены вредными примесями – фосфором, серой, мышьяком. Пустая порода глинистая, иногда кремнисто-глинистая.
Карбонат железа
Кроме указанных соединений железа, в рудах присутствуют различные соединения пустой породы и примеси, которые в зависимости от вида плавки могут быть полезными и вредными.
Полезные примеси
Полезными примесями являются марганец, никель, хром, ванадий.
Марганец улучшает механические свойства чугуна и стали, способствует удалению серы при десульфурации жидкого металла. Никель и хром повышают коррозионную стойкость стали. Благоприятное воздействие на качество стали оказывают ванадий и титан.
Вредные примеси
Вредными примесями являются сера, фосфор, мышьяк, цинк, свинец, медь. Сера придает металлу красноломкость, снижая его механические свойства. Фосфор вызывает в металле хладноломкость, ухудшая свойства металла при низких температурах. Мышьяк понижает свариваемость металла, ухудшает механические свойства. Кроме того, является сильным ядом и присутствие его недопустимо в металлоизделиях, применяемых в пищевой промышленности (емкости для варки пищи, консервные банки). Цинк и свинец не растворяются в чугуне, поэтому они не могут влиять на его качество. Однако, цинк при плавке возгоняется и пары его, проникая в швы кладки, приводят к увеличению ее объема и разрушению кожуха печи. Свинец также способствует разрушению футеровки печи. Медь понижает свариваемость металла и придает ему красноломкость.
Однако, в некоторых случаях, фосфор и медь могут являться полезными примесями. Например, при выплавке некоторых марок стали.
Материалы для плавки чугуна
При плавке чугуна применяются огнеупорные и металлические материалы, а также топливо, лигатуры, флюсы.
Металлические материалы, топливо, флюс и специально приготовленные лигатуры, загружаемые в плавильную печь, называют шихтовыми материалами, или шихтой.
От состава и качества материалов, загружаемых в вагранку, зависит ход процесса плавки и качество жидкого чугуна.
Металлические шихтовые материалы
В качестве металлических составляющих ваграночной шихты используют чушковый доменный чугун (литейный и передельный), стальной и чугунный лом, отходы собственного производства, брикеты стружки и кусковые ферросплавы.
Чушковый чугун поставляется доменными цехами в виде металлических слитков (чушек) с одним или двумя пережимами толщиной не более 30 мм и массой не более 20 кг. По химическому составу эти чугуны подразделяют на литейные, передельные и природно-легированные.
Литейные чугуны (табл. 1.1) производят обычными (марка Л) и рафинированными магнием (ЛР) по ГОСТ 4832-80. По содержанию кремния их подразделяют на марки: от Л1 (3,2-3,6 % Si ) до Л6 (1,2-1,6 % Si); по содержанию марганца – на группы от I (до 0,3 % Mn) до IV (0,9-1,5 % Mn); по содержанию фосфора – на классы А (до 0,08 % P), Б (0,09-0,12 % P), В (0,13-0,3 % P), Г (0,4-0,7% P), Д (0,8-1,2% P); по содержанию серы – на категории 1 (до 0,02 % S), 2 (0,02-0,03 % S), 3 (0,03-0,04 % S), 4 (0,04-0,05 % S).
Передельные чугуны (ГОСТ 805-80) – табл. 1.2 — производят 10 марок: для сталеплавильного передела – П1 и П2; для литейного производства ПЛ1 и ПЛ2; высокофосфористый ПФ1, ПФ2, ПФЗ и высококачественный ПВК1, ПВК2, ПВКЗ. Передельные чугуны делятся по содержанию кремния на марки; по марганцу на группы; по фосфору на классы; по сере на категории.
Природно-легированные чугуны делятся на три вида: хромоникелевый (ТУ 14-15-84-79), титановый и титаномедистый (ТУ 14-15-4-74).
Хромоникелевый чугун выпускают 10 марок: от ЛХН1 (Ni+Co=0,2 %, Cr=0,4-1,2 %) до ЛХН10 (Ni+Co=1,0 %, Cr=2,3-3,2 %).
Титановый чугун (БТЛЗ – БТЛ7) содержит 0,3-1,2 % Ti.
Присадка природно-легированных чугунов в шихту позволяет выплавлять низколегированные конструкционные чугуны.
Высокая цена на литейные чугуны вследствие повышенных затрат на их производство вынуждает заменять их передельными. При переходе от литейных к передельным чугунам требуется вводить в ваграночную шихту повышенное количество ферросилиция, что приводит к существенным колебаниям химического состава получаемого расплава, литейных и механических свойств отливок. Обычно в шихту вводят до 20-40 % чушкового чугуна, исходя из установленного по расчету состава шихты и имеющегося в наличии чугунного и стального лома, а также отходов собственного производства. Для устранения наследственности используют несколько марок чушковых чугунов.
Чугунный и стальной лом при использовании в чугунолитейной вагранке должен удовлетворять требованиям ГОСТ 2787-86 (табл. 1.3). Поступающий в литейный цех лом обязательно должен иметь сертификат, характеризующий его качество. При этом основными требованиями, которые предъявляют к нему, являются: форма кусков размером не более 300×200×150 мм и массой 0,5-40 кг; отсутствие включений цветных металлов и вредных примесей; количество неметаллических включений не более 2 %. Весь лом подразделяют на две категории (А — углеродистый, Б – легированный), два класса (стальной и чугунный) и несколько видов.
Добавки стального лома к ваграночной шихте способствуют повышению механических свойств отливок за счет снижения содержания углерода и улучшения структуры чугуна. Для ответственных отливок и отливок из ковкого чугуна содержание стального лома увеличивают.
Возврат собственного производства включает бракованные изделия, литники, прибыли, выпоры, сливы и др. Если известен их химический состав, то они являются наиболее дешевыми шихтовыми материалами. Перед употреблением эти отходы очищают от остатков формовочной смеси (пригара), иначе в процессе плавки потребуются дополнительные количества флюса и топлива на их ошлакование. Отходы хранятся отдельно в особых закромах с указанием номера шихты. Их количество может изменяться в металлошихте в пределах 10-80 %.
В ряде случаев в ваграночной шихте могут быть использованы брикеты чугунной и стальной стружки массой 2-40 кг. Для них характерен повышенный угар металла в процессе плавки. Кроме того, необходимо обеспечивать высокую прочность брикетов для предотвращения их разрушения на мелкие фракции в процессе плавки.
Ферросплавы – это большая группа шихтовых материалов, используемых для корректировки химического состава шихты, легирования и модифицирования чугуна, включающая в себя сплавы железа с одним или несколькими легирующими элементами. Основной легирующий элемент обычно указывается в названии: ферросилиций – Si ферромарганец – Mn; феррохром – Cr и т.д. Ферросплавы по виду агрегата для их производства различают как доменные и электропечные. Доменные ферросплавы отличаются пониженным содержанием легирующего элемента. Электропечные ферросплавы отличаются повышенным содержанием легирующего элемента и имеют высокую стоимость.
Наиболее часто в ваграночной плавке используют следующие ферросплавы.
Ферромарганец (ГОСТ 4755-80) делят на низкоуглеродистый (до 0,5 % C), среднеуглеродистый (1-2% C) и высокоуглеродистый (до 7% C). Низко- и среднеуглеродистый ферромарганец содержат 85 % Mn (кроме ФМн 2,0, в котором 75 % Mn).
В низкоуглеродистом ферромарганце в цифровом обозначении марки указывают среднее содержание углерода (например, ФМн 1,5 содержит 1,5 %С), а в высокоуглеродистом – среднее содержание марганца (например, ФМн 75 содержит 75 % Mn). Стоящая в обозначении буква А означает пониженное содержание фосфора (например, ФМн 78А содержит 0,05 % P); буква К – пониженное содержание кремния (до 1 % Si); буква С – повышенное содержание кремния (например, ФМн 75 АС6 содержит 6 % Si).
Феррохром (ГОСТ 4757-79) по содержанию углерода подразделяют на низкоуглеродистый (0,01-0,5% C), среднеуглеродистый (1-4% C), высокоуглеродистый (6,5-8,0 % C); при наличии в его составе азота от 1,0 до 6,0 % – азотированный, в марке которого присутствует буква Н. Во всех марках феррохрома содержание хрома находится в пределах 60-68 %. Цифровая маркировка низкоуглеродистого, среднеуглеродистого и высокоуглеродистого феррохрома означает содержание углерода (например, ФХ 006А содержит 0,06 % С). В маркировке азотированного феррохрома цифровое обозначение показывает содержание азота (например, ФХН 200А содержит 2 % азота). Наличие в маркировке буквы С указывает на повышенное (до 10 %) содержание кремния, буквы А и Б – на различное содержание фосфора (при А содержание фосфора находится в пределах 0,02-0,03 %, при Б – 0,03-0,05 %).
Ферросилиций (ГОСТ 1415—78) выпускают одиннадцати марок. Цифровое обозначение в маркировке указывает на среднее содержание кремния (например, ФС45 содержит 41-47 % Si). При проведении ваграночной плавки для корректировки химического состава чугуна в шихту рекомендуется вводить ферросилиций низких марок (от ФС20Л до ФС45), а высокие марки (ФС75Л и выше) эффективно используются для получения отливок требуемых марок чугуна за счет технологии графитизирующего модифицирования с целью снижения или ликвидации в структуре отливок первичного цементита (отбела).
С целью одновременной корректировки химического состава чугуна по кремнию и марганцу целесообразно в шихте использовать силикомарганец (ГОСТ 4765-77), содержащий 60-65 % марганца и от 10 до 25 % кремния.
Ферротитан (ГОСТ 4761-80) производят двенадцати марок с содержанием титана от 20 до 68 %. Цифры в маркировке означают содержание титана (например, ФТи68 содержит 68 % Ti).
Применяемый в ваграночной плавке феррофосфор содержит от 14 до 18 % P. Высокопроцентные ферросплавы, некоторые чистые металлы (магний, олово и др.) и лигатуры могут использоваться для внепечной обработки металла непосредственно в ковше для модифицирования и легирования.
Лигатуры – сплавы железа с комбинацией элементов, предназначенные для внепечной обработки или легирования жидкого чугуна. Используются при необходимости введения в чугун одного или нескольких элементов.
Представленные в табл. 1.4 лигатуры и магний применяются для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Магний первичный (ГОСТ 804-72) поставляется в чушках, гранулированный магний (ТУ 6-01-904-74) в гранулах с размером 0,5-1,6 мм.
Отдельную группу шихтовых материалов составляют легирующие добавки с содержанием легирующего элемента более 90 %. К этой группе относятся: медь, хром, никель и др.
Топливо
Топливо – горючее вещество, при сгорании которого выделяется значительное количество теплоты, используемой в качестве источника тепловой энергии.
В чугунолитейном производстве применяются три вида топлива: твердое (кокс, термоантрацит), жидкое (мазут) и газообразное (природный газ), основной составляющей которых является углерод.
Каменноугольный литейный кокс является преимущественным видом топлива при плавке чугуна в вагранках. Он должен давать не только необходимое количество теплоты, но и поддерживать столб металлической шихты и топлива в шахте вагранки, не разрушаясь. Последнее условие необходимо для того, чтобы столб шихты в течение всего периода плавки оставался проницаем для ваграночных газов. Поэтому литейный кокс должен иметь высокую прочность, сохранять ее до высоких температур и, следовательно, не рассыпаться при нагреве и горении.
Согласно ГОСТ 3340-80, литейный кокс должен удовлетворять требованиям по содержанию серы, показателям прочности, размерам кусков, зельности и другим параметрам.
В зависимости от содержания серы кокс подразделяется на три марки: КЛ-1, КЛ-2 и КЛ-3 (табл. 1.5). Влажность должна быть не более 5,0 %. Превышение этой нормы не служит браковочным признаком, так как влага удаляется в верхней зоне вагранки за счет некоторого понижения температуры отходящих газов. Зольность кокса является вредным балластом, так как уменьшает не только содержание углерода в топливе, но требует еще и некоторого расхода теплоты на шлакование золы, расплавление и перегрев шлака. Зольность твердого топлива должна быть минимальной и составлять 10-12 %. Содержание летучих в литейном коксе не должно превышать 1,2 %, а пористость — не более 30 %.
Для кокса всех марок устанавливаются классы по размеру кусков: более 80, более 60, 60-80 и 40-60 мм. Применение кокса с размерами кусков меньше 40 мм резко ухудшает прохождение дутья и образовавшихся газов через слой кокса. Для холостой колоши используют наиболее крупный кокс.
Дополнительным топливом при плавке чугуна в вагранках является литейный карбид кальция CaC2 (ТУ 6-01-793-73). Он предназначается как добавка к основному топливу (коксу) для повышения температуры чугуна.
При изготовлении тонкостенных отливок, когда вагранки работают на холодном дутье, для повышения температуры перегрева чугуна рекомендуется применять термоантрацит, являющийся продуктом обработки антрацита при 900-1000 °С без доступа воздуха. Термоантрацит – хорошее дополнительное топливо для вагранок, применяется он в сочетании с коксом.
Флюсы
Флюс – материал, который вводится в плавильную печь или ковш для наведения шлака.
В процессе плавки чугуна в вагранках и электропечах зола кокса, формовочные материалы и песок с отходов собственного производства и шихтовых материалов, оплавившаяся футеровка и продукты окисления кремния, марганца, железа образуют шлаки. Такие шлаки содержат большое количество диоксида кремния с температурой плавления около 1700 °С. Для удаления этих тугоплавких оксидов в виде легкоплавкого шлака вводятся флюсы – добавки известняка, плавикового шпата, доломита и основного мартеновского шлака. Вступая во взаимодействие с окислами, флюсы понижают температуру плавления и повышают жидкотекучесть шлаков.
В чистом виде известняк представляет собой углекислый кальций (CaCO3), который при нагревании разлагается по реакции
Углекислый газ (CO2) удаляется с газами, а оксид кальция в зоне плавления металла соединяется с двуокисью кремния SiO2 и образует легкоплавкие шлаки.
Оксид кальция частично соединяется с серой, образуя сернистый кальций (CaS), что уменьшает содержание серы в чугуне.
Известняк флюсовый (ТУ 48-5-64-73) поставляется двух сортов с содержанием CaCO3 не менее 97%; SiO2 не более 0,8%; MgCO3 не более 1,7%; Fe2O3 не более 0,2 % и Al2O3 не более 0,5 %. Большое количество примесей приводит к лишнему расходу известняка, а также увеличивает количество шлака и потери теплоты для его расплавления. Качество известняка определяется по химическому составу и внешнему виду. Известняк должен быть плотным однородным с размером кусков 25-120 мм, с содержанием мелочи размером до 25 мм не более 10-12 %.
Для придания шлаку большей жидкотекучести используется кусковой плавиковый шпат (ГОСТ 7618-83) с прозрачным зеленым, розовым или палевым изломом. Чем больше в плавиковом шпате кусков такого рода, тем он чище. Плавиковый шпат представляет собой минерал с содержанием CaF2 в количестве 75-85 %. Его количество в шихте не должно превышать 30 % от общей массы флюсов, содержание примеси кремнезема (SiO2) 10-12 %, а серы и фосфора не более 0,3 % каждого. Недостатком применения плавикового шпата является повышенное оплавление футеровки печей. В кусковом шпате не должно быть загрязняющих примесей (угля, грунта).
Мартеновский шлак основной может применяться в смеси с известняком в соотношении 1:1. Шлак должен содержать до 40 % CaO+MgO, не более 25 % кремнезема (SiO2), не менее 20% оксида железа (FeO) и оксида марганца (MnO). Цвет такого шлака обычно серый или темно-серый с пузырчатым камневидным изломом. Не допускается шлак с кристаллическим или стекловидным изломом, красного или зеленого цвета, так как такой шлак содержит слишком много двуокиси кремния (SiO2). Количество шлака, подаваемого в вагранку, обычно в два раза больше по сравнению с известняком.
В кислых электропечах для образования шлакового покрова применяется сухой кварцевый песок.
Если для увеличения заданных литейных свойств в чугуне необходимо увеличить содержание фосфора, то в качестве флюса можно использовать апатитонефелиновую руду.
Огнеупорные материалы
Огнеупорными называются материалы, отличающиеся способностью сохранять свои свойства при высоких температурах. Они применяются для предохранения тепловых потерь рабочего пространства печей и защиты металлических конструкций от тепловых и других вредных действий продуктов плавки. Огнеупорные материалы применяются двух видов: в виде штучных изделий (кирпич прямой или клиновой и фасонный) и в порошкообразном виде (пески, мертели). Выбор огнеупорных материалов производится в зависимости от их свойств и условий работы в печах. Свойства некоторых огнеупорных материалов приведены в табл. 1.6.
Самыми важными свойствами огнеупорных материалов являются те, которые непосредственно определяют способность противостоять разрушающим факторам в процессе их службы в металлургических печах. Такими свойствами являются: огнеупорность, прочность при высоких температурах, термическая стойкость, постоянство объема при высоких температурах и шлакоустойчивость.
Воздействию шлака, богатого кремнекислотой, хорошо противостоят материалы: динас, шамот, а воздействию основного шлака, богатого известью, магнезитовые и хромомагнезитовые.
Огнеупорные изделия должны храниться в условиях, не допускающих их увлажнения.
В последнее время для футеровки плавильного пояса вагранки успешно используют набивные футеровки, на основе кварцевого формовочного песка с добавкой глины (30-40 %) и воды, на основе магнезита с 1-2 % жидкого стекла или доломита с 6-8 % смолы при температуре 86 °С или 6-7 % воды (для стабилизированного доломита).