Доменная печь. Чугун

Доменная печь предназначена для выплавки железа из железной руды. На заключительной стадии процесса плавки железо соединяется с углеродом и превращается в чугун – сплав железа и углерода, содержащий от 2,14 до 6,67 % углерода.
Примерно во втором тысячелетии до н. э. человек овладел искусством получения железа из руды. Сначала для этого использовались костры, позже – специальные плавильные ямы – сыродувные горны. В них помещались руда и древесный уголь. Необходимый для горения воздух первоначально подавался естественной тягой, а затем при помощи мехов. В результате получалось железо в виде тестообразной массы с включениями шлака и несгоревших остатков древесного угля. Из?за низкого содержания углерода сыродувное железо было мягким, изделия из него легко тупились, гнулись, оно не закаливалось.
Постепенно процесс выплавки железа совершенствовался: улучшалась форма горнов, повышалась их мощность. Горны превратились в небольшие печи – домницы (от древнерусского дъметь – дуть). Развитие домниц привело к появлению небольших доменных печей. Часто вместо железа в доменных печах получали высокоуглеродистый сплав, не поддававшийся ковке из?за повышенной хрупкости. Его считали браком. В разных языках сохранились названия, свидетельствующие об отношении к чугуну. В Англии его называли «pig?iron» – свиное железо, русское название произошло от «чушка» – свинья.
Отношение к чугуну изменилось после открытия кричного передела. Он осуществлялся в кричном горне. На слой горящего древесного угля помещали чушки чугуна. Плавясь, чугун стекал вниз и, проходя через окислительную среду, скапливался на поду горна. Там он под окислительным воздействием железистого шлака дополнительно обезуглероживался. В результате образовывалась крица – твердая губчатая масса железа с низким содержанием углерода, кремния, фосфора и серы. После извлечения крицы из горна ее проковывали с целью уплотнения и избавления от шлака.
Позже высокие литейные свойства чугуна стали использоваться для производства артиллерийских орудий, ядер, колонн.
До II половины XVIII в. чугун выплавляли непосредственно из руды в доменных печах. Позже его стали производить из литейного чугуна и лома в небольших доменных печах. Такие печи стали прототипами появившихся во второй половине XVIII в. вагранок.
Из?за постепенного истощения запасов леса для производства древесного угля требовалось новое топливо для выплавки металла.
В 1621 г. англичанин Дод Додлей оформил патент на производство чугуна с применением каменного угля. В патенте указывалось, что «Додлей открыл… секрет, способ и средства выплавки железной руды и производства из нее чугунного литья или брусков путем применения каменного угля в печах с раздувательными мехами, причем результаты получились такого же хорошего качества, как и те, что до сих пор производились при помощи древесного угля…»
В ходе дальнейшей ожесточенной борьбы с предпринимателями, производившими чугун на древесном угле, Додлей разорился и был вынужден прекратить работу по усовершенствованию выплавки чугуна.
К использованию в доменном производстве каменного угля вернулись лишь в XVIII в. Эту проблему решали металлурги, владельцы железоделательного завода – отец и сын Дерби. Первые попытки непосредственно использовать каменный уголь в домне не дали результатов, так как уголь содержал большое количество золы и других примесей, особенно серы. Поэтому для выплавки чугуна Абрахам Дерби?младший стал использовать кокс – твердое топливо повышенной прочности. Кокс получали путем нагрева каменного угля до температуры 950–1050 °C без доступа воздуха. Несколько месяцев Дерби?младший добивался нужного сочетания всех условий, необходимых для выплавки чугуна на минеральном топливе. Он испытывал разные марки углей, менял температурные режимы коксования, подбирал флюсы для отшлаковывания примесей.
Наконец в 1735 г. была произведена первая удачная доменная плавка на коксе. Сначала кокс выжигался в кучах, как и древесный уголь. В конце XVIII в. было освоено коксование в полузакрытых камерах, а в 1830 г. – в закрытых.
Использование кокса требовало увеличения количества воздуха, подаваемого в доменную печь. Дерби произвел на своем заводе полное переустройство воздуходувных устройств, применив для привода воздуходувок паровую машину Ньюкомена. Она приводила в действие насосы, которые дважды подавали отработанную воду на водяные колеса, являющиеся двигателем воздуходувных мехов. Это позволило увеличить объем воздуха, подаваемый в домну.
В дальнейшем техника подачи воздуха в домну продолжала совершенствоваться. Росла мощность двигателей, приводивших в движение воздуходувные устройства. Вместо клинчатых мехов стали применяться цилиндрические. Первым их внедрил И. И. Ползунов. Он же впервые использовал в качестве двигателя для воздуходувной машины пароатмосферную машину.
В Англии воздуходувные машины были применены в доменном производстве в 1782 г. С тех пор шло непрерывное совершенствование воздуходувных устройств. В середине XIX в. начали внедряться центробежные воздуходувки, обеспечившие доменное производство необходимым количеством воздуха.
Эффективность новых способов подачи воздуха во многом зависела от применения в качестве двигателя для воздуходувок паровых машин. В 1775 г. впервые успешно внедрил паровую машину в доменное производство английский инженер Вилькинсон. Для этого он купил одну из первых машин Уатта.
Применение новых систем подачи воздуха позволило значительно увеличить размеры доменных печей и ускорить процесс плавки в доменных печах, это привело к резкому повышению выплавки чугуна.
В дальнейшем производительность доменных печей росла за счет подогрева воздуха, подаваемого в домну. Доменный воздухонагреватель впервые применил Дж. Нильсон на заводе Клайд (Шотландия). При первых же опытах нагрев воздуха до 150–300 °C позволил снизить примерно на 40 % расход топлива и резко повысить производительность домен. В 1857 г. англичанин Э. Каупер предложил воздухонагревательное устройство, работавшее на основе использования тепла отходящих газов доменной печи.
Современная домна – это огромное сооружение высотой с 30?этажный дом. Она оборудована сложнейшими машинами и приборами. В ней плавят, как правило, не железную руду, а окатыши или агломерат. Они загружаются в печь слоями, перемежаясь коксом. Так же послойно в домну загружают флюсы – известь и другие вещества. Они заставляют пустую породу и другие ненужные вещества, образующие шлак, всплывать на поверхность жидкого металла, откуда шлак сливают в специальный ковш. Кокс, агломерат (или окатыши) и флюс называются одним словом – шихта.
Домна по форме похожа на большую башню, круглую в плане. Она состоит из 3?х частей: верхняя – колошник, средняя – шахта и нижняя – горн. Внешняя оболочка домны – это прочный стальной кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Кожух непрерывно охлаждается водой.
Шихта загружается в домну через колошник порциями по несколько тонн. Она поступает туда из бункера – склада, куда доставляются агломерат или окатыши, кокс и флюсы. В бункере при помощи автоматизированных вагонов?весов смешивается шихта. Шихта из бункера в колошник подается либо транспортерами, либо (в старых домнах) вагонами?скипами.
Под действием собственного веса шихта опускается и проходит через всю домну. В шахте она омывается газами, образующимися при сгорании кокса. Нагревая шихту, газы вытекают из домны через колошник.
Основная часть доменного процесса происходит в горне. В кожухе домны имеются отверстия, в которые вставлены фурмы – специальные приборы, назначение которых – подавать в печь сжатый горячий воздух. В фурмах имеются специальные окошки, через которые доменщики могут следить за процессом плавки. Внутри фурм сделаны специальные каналы, по которым течет вода для охлаждения. Горячий воздух дополнительно нагревает шихту. Это позволяет снизить расход кокса и повысить производительность домны. Кроме кокса в качестве источника тепла применяют мазут или природный газ. Воздух перед подачей в фурмы нагревается в воздухонагревателях – кауперах.
В горне температура достигает 2000 °C. При такой температуре руда полностью расплавляется. При горении кокса образуется углекислый газ, при высокой температуре превращающийся в оксид углерода СО. СО, отнимая у железной руды кислород, восстанавливает железо из оксида. Помимо железа в домне происходит восстановление кремния и марганца. Сера, попадающая в доменную печь в основном вместе с коксом, частично соединяется с кислородом и водородом и переходит в газ. Но большая часть серы остается в шихте в виде FeS и CaS. При этом FeS растворяется в чугуне. Для его удаления из чугуна добавляют шлаки, содержащие повышенное количество СаО.
Стекая вниз через слой раскаленного кокса, железо насыщается углеродом и превращается в чугун. Жидкий чугун скапливается на дне горна, а более легкий шлак собирается на поверхности.
После того как в горне скопится достаточное количество чугуна, его выпускают через летки – специальные отверстия в нижней части горна. В первую очередь через верхнюю летку выпускают шлак, затем через нижнюю – чугун. Из леток чугун сливают в канавы, откуда его потом сливают в установленные на железнодорожных платформах чугуновозные ковши.
Чугун, предназначенный для производства отливок (литейный чугун), направляется в разливочную машину. Там он застывает в виде брусков – чушек. Чугун, который впоследствии будет переработан в сталь (передельный чугун), перевозится в сталеплавильный цех, где переплавляется в сталь.
Когда?то считавшийся вредным продуктом при выплавке железа чугун стал одним из основных конструкционных материалов современности. Он широко применяется как литейный сплав, заменяя иногда более дорогостоящие сплавы из цветных металлов. По прочности некоторые чугуны не уступают углеродистой стали. Во второй половине XX в. стал изготавливаться легированный чугун с добавками других металлов: алюминия, никеля, вольфрама, хрома и др. Добавки придают чугуну особые свойства: износостойкость, жаропрочность, коррозиостойкость.
Основные виды чугуна различаются по форме включений графита.
Наиболее применяемой разновидностью чугуна является серый чугун. В нем есть включения графита пластинчатой формы. Серый чугун применяется для деталей, испытывающих высокие нагрузки.
В белом чугуне избыточный углерод, не находящийся в твердом растворе железа, присутствует в виде карбида железа – FeC. Он применяется для деталей простой формы, работающих на износ. Для повышения износостойкости белый чугун легируют хромом, вольфрамом и молибденом.
В половинчатом чугуне часть углерода содержится в виде графита, часть – в виде карбидов. Он применяется для деталей, работающих в условиях сильного трения (например тормозные колодки), или для деталей, требующих повышенной износостойкости.
Ковкий чугун изготавливают из белого чугуна, подвергая его отжигу, в результате чего цементит распадается, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. Его используют в основном, в автомобиле– и тракторостроении.
Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными свойствами, применяется для замены стальных деталей (коленчатые валы двигателей). В высокопрочном чугуне графит имеет шаровидную или вермикулярную форму. Высокопрочный чугун с вермикулярным графитом применяется в дизелестроении.