Какие побочные продукты получают при доменной плавке

Конечными продуктами доменной плавки являются чугун и шлак, выпускаемые из доменной печи в огненно-жидком виде, и доменный газ. Чугун является основным продуктом домен­ного производства, а шлак и доменный газ — побочными.

Виды, состав и назначение доменных чугунов.Цель доменного производства состоит в получении чугуна, пред­ставляющего собой многокомпонентный сплав железа с угле-

родом, кремнием, марганцем, фосфором и серой. В зависи­мости от назначения чугуна и от состава проплавляемых шихтовых материалов в нем может содержаться, кроме того, еще хром, никель, ванадий, титан, медь и мышьяк. Содержа­ние основных элементов (С, Si, Мп, Р, S, Cr, Ni, Cu, As) в чугуне регламентируется соответствующим стандартом или техническими условиями.

Состав чугуна, получаемый в ходе доменной плавки, оп­ределяется требованиями потребителей и возможностями до­менной плавки. Сообразно с этим стремятся подобрать сос­тав шихтовых материалов и технологический режим плавки.

Все доменные чугуны по своему назначению подразделяют на три основных вида:

передельный, предназначенный для дальнейшего передела в сталь;

литейный, используемый после переплава в чугунопла­вильных цехах для отливки чугунных изделий;

доменные ферросплавы— в основном ферромарганец, используемый в сталеплавильном производстве в качестве добавки в жидкую сталь для ее раскисления и легирования.

Передельный чугун является преобладающим видом продук­ции доменного производства. На его долю приходится около 90% общего производства чугуна. Он используется в качес­тве шихтового материала при производстве стали в конвер­терах, мартеновских и электродуговых печах. Передельный чугун в соответствии с существующими стандартами может содержать 0,3-1,2% Si, 0,15-1,0 (иногда до 1,5%)Мп и делится на три класса по содержанию фосфора (не более 0,1; 0,2 и 0,3%) ина пять категорий по содержанию серы (не более 0,01; 0,02; 0,03; 0,04 и 0,05%). С целью эко­номии дефицитного марганца в настоящее время, как уже от­мечалось (см. п.2 § 3), выплавляют маломарганцовистые чугуны с содержанием марганца 0,1—0,5 %.

В небольших количествах выплавляют высококачественный передельный чугун, маркируемый буквами ПВК, что означает передельный высококачественный коксовый. Он отличается от обычного передельного пониженным содержанием фосфора (=Ј0,02-0,05%) и серы (=Ј0,015-0,025%). На заводах, ис­пользующих высокофосфористые железные руды, выплавляют чугуны с повышенным содержанием фосфора; стандартом пре­дусмотрены три марки подобных чугунов, различающихся со-

держанием фосфора (0,3-0,7; 0,7-1,5 и 1,5-2,0 %Р). Эти чугуны перерабатывают в сталь по специально приспособлен­ной для этого технологии (в кислородных конвертерах и мартеновских печах) с получением помимо стали фосфатных шлаков.

Содержание углерода в передельном чугуне стандартами не нормируется, поскольку оно определяется содержанием других элементов; его можно приближенно определить по формуле: С = 4,8 + 0,03 Мп – 0,27 Si – 0,32 Р – 0,032 S, где Mn, Si, P и S — соответственно содержание в чугуне марганца, кремния, фосфора и серы, %. В малофосфористых (< 0,3 % Р) чугунах обычно содержится 4,0—4,8 % углерода.

Литейный чугун отличается от передельного повышенным содержанием кремния и в некоторых марках — фосфора. Шесть марок литейного чугуна (Л1—Л6) содержат от 1,2—1,6 до 3,2—3,6% Si и от 0,3 до 0,9—1,5% Мп; каждую марку делят на четыре категории по содержанию серы («0,02—0,05%) и на пять классов по содержанию фосфора (соответственно < 0,08; < 0,12; < 0,3; 0,3-0,7 и 0,7-1,2 % Р). Фосфор придает металлу хрупкость, поэтому отливки ответственного назначения делают из чугунов с низким содержанием фосфо­ра. Высокофосфористые чугуны используют для получения художественного литья в связи с тем, что жидкий чугун с высоким содержанием фосфора обладает высокой жидкотеку-честью и поэтому хорошо заполняет литейные формы самой сложной конфигурации.

К доменным ферросплавам относятся: ферромарганец (70— 75%Мп и более, до 2% Si, 0,33-0,45% Р, до 0,03% S); а также выплавлявшиеся ранее бедный ферросилиций (9—15 % Si) и зеркальный чугун (15—25 % Мп). В настоящее время последние два ферросплава в доменных печах не выплавляют из-за неэкономичности передела.

Доменный шлак. Выплавка чугуна в доменных печах неиз­бежно сопровождается получением значительного количества доменного шлака, являющегося побочным продуктом доменной плавки. Шлак образуется в доменной печи из составляющих пустой породы железных руд, вносимых агломератом и окаты­шами, золы кокса и составляющих флюса, Tie. известняка (в основном, это СаО), который вводят в шихту агломерации и иногда добавляют в небольших количествах в доменную печь. Количество шлака определяется степенью обогащения желез-

ныхруд и требуемой основностью шлака. Чем больше в руде остается пустой породы и чем больше требуемая основность шлака, т.е. чем больше расход известняка, тем выше выход (количество) шлака. Обычно при выплавке передельного илитейного чугунов выход шлака составляет 0,3—0,6 т на 1т чугуна и иногда более.

Основными составляющими шлака являются оксиды кремния (SiOz), кальция (СаО), алюминия (А120,)„ магния (MgO), a также небольшое количество FeO, MnO, CaS. В шлаках обычно содержится 6—20% глинозема (А12Оз), 38—42% кремнезема (SiOz), 38-48% извести (СаО), 2-12% магнезии (MgO); 0,2-0,6% FeO; 0,1-2% MnO и 0,6-2,5% серы, в основном, в виде CaS. При этом шлаки характеризуются следующими значениями основности: СаО : SiOz = 0,9*1,3; (СаО + MgO): :Si02 = 1,05*1,45 и (СаО + MgO):(Si02 + А12Оз) = 0,7*1,2.

Основную часть (> 90—95 %) доменного шлака перерабаты­вают, получая сырье для производства различных строитель­ных материалов (см. § 5, гл. 4).

Доменный (колошниковый) газ.Газ, выходящий из печи через ее верхнюю часть — колошник, называют колошниковым. Он состоит из СО, СН4, Н2, С02 и N2. После очистки от со­держащейся в нем пыли, газ используют как топливо для на­грева насадок воздухонагревателей, стальных слитков, кок­совых батарей, для отопления котлов и других целей. Горю­чими компонентами в газе являются СО, Н2 и СН4. Зная эн­тальпию химических реакций горения этих компонентов, мож­но подсчитать, что при полном сгорании каждого процента оксида углерода теплота сгорания 1 м3 газа повышается на 126 кДж, а каждого процента водорода и метана соответст­венно на 108 и 263 кДж. При выплавке передельного чугуна на атмосферном дутье (без вдувания природного газа) в га­зе содержится 12-18% С02; 24-30% СО; 0,2-0,5% СН4; 1,0—2,0% Н2 и 55—59% N2 и теплота сгорания газа состав­ляет 3500—4000 кДж/м3. При применении комбинированного дутья снижается содержание азота и соответственно возрас­тает количество других составляющих газа, особенно водо­рода. Например, при обогащении дутья кислородом до 24—30% и соответствующей подаче природного газа содержа­ние оксида углерода составляет 22—27 %, диоксида углерода 15—22 %, водорода 8—11 % и азота 43^55 %. Теплота сгора­ния такого газа равна 4200—5000 кДж/м3.

Конечными продуктами доменной плавки являются чугун, шлак, колошниковый газ и колошниковая пыль.
Приводим краткую характеристику этих продуктов, главным образом с точки зрения их использования.
Чугун. Чугун — основной продукт доменной плавки — представляет собой сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, содержащий всегда некоторое количество вредных примесей — фосфора и серы. Иногда в состав чугуна, кроме перечисленных элементов, могут входить никель, хром, ванадий и некоторые другие.
Содержание в чугуне кремния, марганца и фосфора не является постоянным и может значительно изменяться в зависимости от сорта чугуна.
Деление чугуна на сорта определятся назначением чугуна. Различают три основных сорта чугуна:
а) чугун литейный, употребляемый для получения отливок из чугуна;
б) чугун передельный, предназначающийся для передела в сталь тем или иным способом;
в) доменные ферросплавы, служащие в качестве раскислителей при производстве стали.
Чугуны могут различаться также и по роду применяющегося при их выплавке топлива: коксовые чугуны, древесноугольные чугуны.
Литейный чугун характеризуется высоким содержанием кремния (от 2 до 4% в коксовых чугунах) и как следствие — высоким содержанием графита (3—3,5%). Излом пробы литейного чугуна крупнозернистый, темносерый, иногда даже черный. Марганца в литейном чугуне должно быть немного — 0,5—1,0%.
По содержанию фосфора литейные чугуны могут быть малофосфористыми (не более 0,1% Р), обычными (не более 0,3% Р) и фосфористыми (до 1,2% Р). Фосфор сообщает металлу хрупкость, и поэтому в изделиях, от которых требуется высокая прочность, содержание фосфора должно быть небольшим. В тех же случаях, когда от изделий не требуется особой высокой прочности, фосфор в чугуне до известного предела является желательной примесью, так как сообщает расплавленному металлу жидкотекучесть.
Серы в литейном чугуне должно быть как можно меньше; во всяком случае не более 0,05%.
Передельный чугун может быть трех видов в зависимости от способа его передела в сталь: мартеновский, бессемеровский и томасовский.
Мартеновский чугун предназначается для передела в мартеновских печах. Содержание фосфора в этом чугуне может достигать 0,3%, так как это не препятствует получению стали хорошего качества при обычных методах работы. Кремния в мартеновских чугунах желательно иметь немного, значительно меньше 1 %, однако допускается и более высокое содержание кремния, — до 1.5%. Марганца в мартеновском чугуне должно быть не менее 1,5%, но желательно иметь больше. Серы желательно иметь как можно меньше, предельное содержание — 0,07%. Чугуны, предназначенные для передела в кислых мартеновских печах, должны содержать как можно меньше серы и фосфора — серы не более 0,06%, фосфора не более 0,07%.
Бессемеровский чугун характеризуется низким содержанием фосфора (не более 0,07%), поскольку в кислом конвертере фосфор из металла совершенно не удаляется. С другой стороны, в бессемеровском чугуне должно содержаться определенное количество кремния (от 0,9 до 1,6%, иногда даже до 2.0%). потому что горение этого элемента в кислом конвертере дает необходимое для процесса тепло.
Марганца в бессемеровском чугуне не должно быть более 1,2— 1,5%; предельное содержание серы ниже, чем в мартеновском и составляет 0,06%.
Томасовский чугун отличается от всех прочих сортов высоким содержанием фосфора (1,6—2,0%), горение которого в основном конвертере дает необходимое для процесса тепло. Кремния в томасовском чугуне должно быть как можно меньше — не более 0,6%. Содержание марганца может доходить в томасовском чугуне до 1,3%. Предельное содержание серы — 0,08%.
Доменные ферросплавы, применяющиеся в качестве раскислителей, могут быть:
а) с высоким содержанием марганца (ферромарганец с содержанием марганца от 70 до 80%; зеркальный чугун с содержанием марганца от 10 до 25%);
б) с высоким содержанием кремния (ферросилиций, содержащий кремния от 10 до 13%, иногда и несколько больше).
Кроме всех перечисленных сортов чугуна, в нашей стране периодически выплавлялось еще несколько сортов чугуна, не входящих в официальную классификацию. Сюда относятся хромоникелевые чугуны, ванадиевые чугуны, чугуны, содержащие титан, феррохром и феррофосфор.
Хромоникелевые чугуны получаются при плавке некоторых сортов руд, содержащих, кроме железа, хром и никель. Выплавлялись и литейные хромоникелевые чугуны и передельные. В первом случае содержание хрома в этих чугунах составляло 2—2,5% и никеля — около 1%; во втором случае никеля содержалось обычно больше — до 1,75%.
Ванадиевые чугуны получаются при плавке титаномагнетито вых руд, в которых в небольшом количестве содержится ванадий. Содержание ванадия в чугуне доходит до 0,5—0,7%.
Чугуны, содержащие титан (0,6—0,7%), получаются при плавке титаномагнетитовых руд или при выплавке в доменной печи высокоглиноземистых шлаков, являющихся в данном случае основной целью плавки. В качестве руд в этом случае применяются оокситы.
Наконец, в нашей стране были проведены длительные опытные и производственные плавки по получению доменного феррохрома и феррофосфора. Получавшиеся сплавы имели следующий состав:
а) для феррохрома — хрома 35—38%, железа 50—53%, углерода до 6,5%, кремния до 4%, марганца 1%;
б) для феррофосфора — железа 77—80%, фосфора 15—17%, углерода около 1%, марганца — 4—4,5%, кремния 0,5%.
Шлаки. Шлак является побочным продуктом доменной плавки, однако, его значение в доменном процессе чрезвычайно велико. Роль шлака в доменном процессе рассмотрена выше, здесь же мы коснемся вопроса об использовании шлака как одного из конечных продуктов доменной плавки.
Сравнительно недавно доменные шлаки не использовались и целиком поступали в отвал. Затраты, связанные с транспортировкой щлака из доменного цеха на свалку, и расходы по поддержанию свалки в должном состоянии ничем не окупались и целиком ложились на себестоимость чугуна. Современное состояние техники дает возможность, при наличии соответствующих устройств, полностью использовать доменный шлак; при этом целиком покрываются все расходы по уборке шлака и, кроме того, получается ряд ценных строительных материалов.
В настоящее время из доменного жидкого шлака изготовляются:
1) плотные литые изделия, получающиеся путем отливки расплавленных шлаков в формы и последующего медленного охлаждения;
2) пористые литые изделия, получающиеся путем отливки шлаков в формы или механической обработкой крупных вспученных кусков;
3) плотная щебенка, получающаяся путем дробления медленно остывающих шлаков с последующей сортировкой на фракции;
4) шлаковая вата, которую получают путем воздействия струи сжатого воздуха или водяного пара, направленных в струю расплавленного шлака;
5) гранулированный шлак, получающийся при смешении жидкого расплавленного шлака с водой; гранулированный шлак может применяться для различных целей, а именно:
а) для получения шлако- и портланд-цемента;
б) для получения известково-шлакового цемента;
в) для получения шлакового бесклинкерного цемента;
г) для получения шлакового кирпича и шлакобетонных камней.
На наших заводах чаше всего шлак гранулируется и используется для получения цемента.
Пригодность гранулированного шлака для применения в цементной промышленности определяется так называемым модулем основности по формуле:

Основными шлаками считаются шлаки, у которых модуль основности выше единицы; нейтральными — с модулем, равным единице, и кислыми — с модулем меньше единицы.
При применении доменных шлаков для производства шлако-портланд-цемента модуль основности не должен быть ниже 0,95—1,1.
Ценность шлака, идущего для изготовления шлако-портланд-цемента, увеличивается с увеличением содержания в нем извести до 51%; весьма важной составляющей является и глинозем, наличие которого может компенсировать недостаток извести и облегчает образование стекловидной структуры шлака пои остывании. Кремнезем понижает гидравлические свойства шлаков, поэтому он должен находиться в определенном соотношении с глиноземом:

Магнезия при содержании до 13% благоприятно влияет на гидравлические свойства шлака. Закись железа (FeO), содержащаяся обычно в шлаках в количествах меньше одного процента, вредного влияния не оказывает. Закись марганца (МnО) при содеожании ее выше 5% резко понижает реакционную способность шлака и механическую прочность шлако-портланд-цемента.
Активность шлака, т. е. способность быстро схватываться при затвердевании, зависит не только от его состава, но и от строения. Шлаки кристаллические обладают так называемой скрытой активностью, проявляющейся при определенных условиях или в присутствии катализатора. Шлаки с аморфной структурой обладают явной активностью. Поскольку быстрое охлаждение приводит к образованию аморфного (стекловидного) строения, грануляция играет большую роль в придании шлаку активности.
Объемный вес домейных шлаков (в куске) колеблется от 550 кг/м3 в особо легких шлаках до 2000 кг/м3 в особо тяжелых.
Как указывалось выше, на ряде наших доменных печей производилась плавка бокситов, целью которой было получение высокоглиноземистых шлаков. Эти шлаки имели примерно следующий состав: 6—8% SiO2; 47—48% Al2O3; 40—41% CaO; 1% MgO. Температура шлака при выпуске 1650—1670° С.
Колошниковый газ. Другим побочным продуктом доменной плавки является доменный колошниковый газ.
После выхода из печи колошниковый газ становится ценным материалом для использования вне печи в качестве топлива. Первые опыты по использованию колошникового газа в качестве топлива относятся к 1811 г., однако широко применяться в качестве горючего колошниковый газ стал только после того, как его научились использовать для подогрева дутья.
Колошниковый газ древесноугольной плавки и коксовой несколько отличаются друг от друга. Первый характеризуется более высоким содержанием водорода и метана при пониженном содержании азота. Состав колошникового газа древесноугольной и коксовой плавки и пределы колебаний отдельных его составляющих даны в табл. 49.
Калорийность газа коксовых печей 900—950 ккал/м3; газ древесноугольных печей имеет несколько большую калорийность — 1050—1150 ккал/м3.
Несмотря на невысокую калорийность, доменный газ в настоящее время на металлургических заводах полностью используется в качестве топлива и играет в тепловом балансе заводов очень важную роль.
Около 25% доменного газа идет на собственные нужды доменного цеха, т. е для отопления воздухонагревателей; 75% газа отдается на сторону. К числу потребителей колошникового газа, кроме самого доменного цеха, в условиях металлургических заводов относятся:
а) коксохимические цехи, применяющие доменный газ с некоторой добавкой коксовального газа для обогрева коксовальных печей. Это оказывается выгодным потому, что для обогрева коксовальных печей, где развиваются сравнительно невысокие температуры (не выше 1400° С), применение высококалорийного газа не требуется, вследствие чего коксовальный газ можно использовать для обогрева мартеновских печей, где он необходим;
б) мартеновские цехи для мартеновских печей; колошниковый газ применяется в смеси с коксовальным газом (ввиду высокой калорийности коксовального газа стопроцентное применение его для обогрева мартеновских печей тоже оказывается нецелесообразным);
в) прокатные цехи для нагревательных печей в прокатных цехах; применяется в смеси с коксовальным газом в тех печах, где должна развиваться сравнительно высокая температура, и без всяких добавок в печах, работающих на сравнительно невысоких температурах;
г) заводские электростанции для котлов. Теперь многие металлургические заводы имеют у себя электростанции, работающие на кольцо, т. е. способные не только получать энергию от кольца, но и отдавать в кольцо избыток энергии. Такое устройство дает возможность полностью использовать доменный газ даже на заводах, не имеющих передельных цехов.
Для рационального использования в качестве топлива доменный газ необходимо предварительно очистить от пыли. При выходе из доменной печи этой пыли может содержаться в газе до 100 г/м3, обычно ее содержится 30—40 г/м3. Удаление пыли до пределов 0,014—0,020 г/м3 не представляет никаких трудностей при наличии современных устройств для очистки газа.
Однако при плавке специальных сортов чугуна — ферросилиция и главным образом ферромарганца — в доменном газе содержится большое количество чрезвычайно мелкой пыли, представляющей собой в основном сконденсировавшиеся возгоны некоторых веществ, удаление которых представляет большие трудности. Обычными способами удовлетворительно очистить такой газ не удается, и использование его в качестве горючего ведет к засорению газопроводов, горелок и топок.
При древесноугольной плавке в колошниковом газе содержится около 1 г/м3 смолы, которая может быть утилизирована.
Современные доменные печи могут сжигать до 1400—1500 т кокса в сутки. Принимая средний выход колошникового газа на тонну кокса 4000 м3. получим, что такая печь выдаст в минуту 4000—4200 м3 газа.
Основная масса колошниковой пыли, оседающая в первичных пылеуловителях, содержит достаточно много железа и может использоваться как сырье для аглофабрики. Пыль из тонкой газоочистки на наших заводах не используется из-за низкого содержания железа.