Производство чугуна

Все металлические изделия можно разделить на два больших вида – изделия из цветных металлов, не содержащих железа, и изделия из не цветных металлов, в состав которых входит железо. Соответственно сформировались две отрасли – цветная металлургия и черная металлургия. Главная продукция черной металлургии – производство стали и чугуна.

Главное отличие чугуна от стали заключается в процентном содержании углерода. Если сплав содержит менее 2% углерода – это сталь, если больше – чугун. Сталь пластичнее чугуна, но чугун – тверже стали.

Чугуны в свою очередь подразделяются на белые и серые.

Белый чугун по своим свойствам занимает промежуточное положение между сталью и серым чугуном. В белом чугуне углерод находится в виде карбидов (Fe₃C). Цементит на изломе белого чугуна имеет светлый цвет, отсюда пошло и название такого чугуна. Белый чугун обычно в чистом виде не применяется, его добавляют в процессе производства ковкого чугуна.

В сером чугуне содержится большой процент кремния (1,2-3,5%), а также других примесей – марганца, фосфора, серы. Углерод в сером чугуне находится в виде пластинчатого графита, поэтому, на изломе такой чугун имеет серый цвет.

Доменное производство чугуна

Чугун выплавляется в печах шахтного типа, которые носят название доменных. Доменные печи имеют достаточно сложную конструкцию и очень большие размеры. Строительство доменной печи ведется несколько лет. Снаружи печь имеет стальной прочный кожух. Внутри доменная печь выложена огнеупорным шамотным кирпичом.

Рабочее пространство доменной печи включает (снизу-вверх): горн, заплечники, распар, шахту и колошник. Шихта загружается в печь через специальный засыпной аппарат, расположенный в верхней части колошника.

Высота доменной печи достигает 35 метров, полезный объем от 2000 до 5000 кубометров.

Горение топлива в домне осуществляется подачей нагретого воздуха через фурмы, которые находятся в верхней части горна. К горелке подается очищенный доменный газ, который поступает в камеру сгорания, где происходит его сгорание. Горячий газ проходит через насадку, разогревает ее и удаляется через дымовую трубу.

Процесс производства чугуна в доменной печи заключается в восстановлении оксидов железа, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом которые содержатся в железной руде, и выделяются в процессе сгорания топлива.

Шихта, загруженная в доменную печь, начинает нагреваться, оплавляться и постепенно опускаться, на ее место подаются новые порции шихты. По мере опускания в шихте происходят процессы восстановления железа из рудных окислов. Восстановленное железо обогащается углеродом, и, опустившись в нижнюю часть горна, удаляется в виде жидкого чугуна.

Кроме чугуна в нижней части доменной печи скапливается шлак, состоящий из сплавленных окислов пустой породы руды, флюсов и золы. Поскольку шлак имеет меньшую плотность по сравнению с чугуном, он скапливается на поверхности жидкого чугуна. Шлаки содержат оксиды алюминия, кальция, магния, кремния, марганца, железа, сульфид кальция. Состав шлака постепенно меняется по мере его стекания в горн.

Жидкий чугун выпускают через чугунную летку каждые 3-4 часа, шлак выпускается через шлаковую летку примерно в 2 раза чаще (каждые 1-1,5 часа). Летка открывается специальной бурильной машиной, а после слива шлака или чугуна закрывается специальной огнеупорной массой.

Среднестатистическая продолжительность непрерывной кампании доменной печи составляет 7-10 лет.

Три стадии работы доменной печи

После того, как доменная печь построена или прошла стадию капитального ремонта, она должна быть введена в действие. Пуск домны называют задувкой. Предварительно доменная печь проходит все необходимые испытания и проверки на работоспособность. Особое внимание уделяется качеству кладки огнеупорного материала и степени его просушивания. Огнеупорная кладка просушивается на протяжении нескольких суток.

Процесс задувки начинается с составления специальной задувочной шихты и ее загрузки в домну. Задувочная шихта имеет переменный состав – в нижнюю часть домны загружают кокс, к которому добавляют доменный шлак и известняк. В последующие порции задувочной шихты вводят руду, постепенно увеличивая ее количество. Пока доменная печь не прогреется, на протяжении нескольких суток рудная нагрузка домны поддерживается ниже нормальной. На эксплуатационный режим доменная печь выходит на 7-10 сутки.

После того, как задувка печи закончена, печь работает в эксплуатационном режиме. Главная задача обслуживающего персонала получать максимальное количество чугуна нужной марки при минимальном расходе кокса. Задача решается нахождением оптимального режима плавки, который подбирается индивидуально для каждой домны.

Постепенно огнеупорная кладка доменной печи выгорает и приходит в негодность. Наступает момент, когда доменная печь должна быть остановлена для капитального ремонта. Процесс остановки домны с освобождением ее от шихтовых материалов и продуктов плавки называется выдувкой.

Сырье для производства чугуна

Технология производства чугуна предполагает использование соответствующего сырья, в качестве которого используются железные руды, топливо и флюсы в виде шихты. При доменной плавке также используется колошниковая пыль, окалина, мартеновский и сварочный шлак, содержащие железо, марганец, оксид кальция, оксид магния.

Железные руды, конечно же, являются основным сырьем при выплавке чугуна. Поскольку железо в земной коре в чистом виде не встречается, его извлекают из руд, богатых железом. В природе примерно 350 минералов содержат железо в том или ином количестве. Больше всего железа содержат магнетиты, гематиты и гетиты, которые еще называют магнитными, красными и бурыми железняками соответственно.

Магнитный железняк, как правило, находится в природе в виде крепкой кусковой породы, содержащей до 55-60% железа. Магнетит получил свое название за высокую магнитную восприимчивость, поэтому этот вид руды может обогащаться электромагнитным способом.

Гематит представляет собой безводную окись железа и является продуктом выветривания магнетитов. Красный железняк встречается в кусковатом или пылевидном виде. Процентное содержание железа в гематитах колеблется в районе 50-60%.

Гетит (лимонит) представляет собой водную окись железа. Бурый железняк формируется в природе при окислении железных руд других типов. Гетиты более всего распространены в земной коре, но из-за трудного процесса обогащения используются в незначительном количестве. Бурые железняки содержат от 25 до 50% железа, при этом состав руды варьируется даже в пределах одного месторождения.

Мировое производство чугуна

Технологию производства чугуна впервые освоили китайцы, которые еще в 10 веке научились отливать монеты из чугуна. В 13-14 веке монголо-татары эпохи Золотой Орды пользовались котлами, изготовленными из чугуна.

Впервые применение чугуна в военном деле было зафиксировано во времена Столетней войны, когда французы наряду с бронзовыми пушками использовали и чугунные. В начале 15 века чугунные пушки появляются на английских кораблях, а на смену каменным ядрам приходят ядра, отлитые из чугуна. Первые чугунные пушки в России стали отливаться во времена Ивана Грозного.

Отливать чугун в России стали в начале 18 века. Первая партия чугуна была отлита в 1701 году на Урале, а менее, чем через столетие Россия стала мировым лидером по выплавке чугуна, производя 9908000 пудов чугуна в год, опережая по этому показателю Англию, Францию, Швецию и США. Однако, лидерство скоро перешло англичанам, которые к середине 19 века производили половину всей мировой выплавки чугуна. Но, к концу столетия американцы перехватили «пальму первенства» у англичан.

По данным World Steel Association в 2017 г. мировое производство чугуна составило 1,175 млрд. тонн.

Лидером по производству чугуна является Китай, на долю которого приходится более 60% мировой выплавки – 710, 8 млн. тонн. Далее идут Япония, Индия, Россия, Южная Корея.

Российские металлурги в 2017 году выплавили 51,6 млн. тонн чугуна.

Процесс производства чугуна в России

Больше всего предприятий по выпуску чугуна в России сосредоточено в Уральском Федеральном округе (36,3% всех мощностей или 19,1 млн. тонн в год). Далее идут Центральный Федеральный округ (25,7% или 13,5 млн. тонн); Северо-Западный, Сибирский и Приволжские Федеральные округа (17,5% или 9,2 млн. т; 12% или 6,5 млн. тонн; 7,6% или 4 млн. тонн соответственно).

Номенклатура выпускаемого чугуна в России:

• Передельный нелегированный чугун – 99%;
• Литейный чугун – 0,8%
• Легированный передельный чугун – 0,005%

Всего в производстве чугуна задействовано более 40 предприятий, самыми крупными из которых являются (80% производства всего объема передельного чугуна):

• Новолипецкий меткомбинат – 20 % от всего объема производства;
• Магнитогорский меткомбинат – 19%;
• Череповецкий меткомбинат «Северсталь» - 18%;
• Западно-Сибирский меткомбинат – 12%
• Нижнетагильский меткомбинат – 10%.

Крупнейшие российские производители литейного чугуна:

• ОАО «Тулачермет» (32,4% от всего объема производства)
• ОАО «Косогорский металлургический завод» (30,7%).

Основными потребителями российского чугуна за рубежом являются Италия, Турция и Испания.