> Техника, страница 1 > Получение чугуна
Получение чугуна
Добытые и подготовленные соответствующим образом руды поступают на переплавку, которая ведется в печах, называемых домнами; при этом получается металл, носящий название чугуна. Сырыми материалами для получения чугуна служат железная руда, топливо, плавни и воздух. Руда служит основным материалом, содержащим железо. Роль топлива в процессе получения чугуна довольно сложна. Чтобы представить себе переход землистой на вид массы в очень твердое вещество плотного строения, имеющее вид металла, обратимся к первоисточнику — руде. Последняя по своему составу представляет в большинстве случаев соединение железа с кислородом. Кто не видел ржавчины на железных предметах, происходящей от соединения железа с кислородом воздуха? Эта ржавчина по своему составу похожа на железные руды: бурый железняк, железный блеск и красный железняк. Если железо может соединяться с кислородом воздуха, образуя ржавчину, то можно найти и способ отнятия кислорода от ржавчины, тогда мы опять получим железо, а углерод топлива, соединяясь с кислородом ржавчины (руды), дает окись углерода (угарный газ). Но вместе с тем еще нужно и расплавить полученное железо. Эту задачу выполняет также топливо, которое поддерживает в доменных печах высокую температуру, необходимую для выплавки чугуна. Вообще чугуном называют техническое железо, содержащее от 2,3 до 4% углерода. Топливом для доменных печей служит кокс и древесный уголь. Каменный уголь для получения чугуна не применяют, ибо этот вид топлива содержит серу, которая частично переходит в чугун и в сильной степени ухудшает его качество.
Очень редко железные руды встречаются в чистом виде или постоянного состава, то есть очень редко встречаются руды, имеющие одинаковое количество примесей. Поэтому в большинстве случаев руды с различным содержанием железа и примесей перед выплавкой смешивают для получения смеси с надлежащим содержанием железа. Для удаления примесей к руде прибавляют так называемые плавни или флюсы, то есть вещества, которые, соединяясь с сопровождающей руду пустой породой, образуют легкоплавкий стекловидный шлак. Шлак служит для удаления посторонних, иногда и вредных примесей и предохраняет образовавшийся металл от действия продуваемого воздуха. Плавнями служит обычно известь, вносимая в домну в виде известняка. Смесь богатой и бедной железом руды с прибавками и флюсами, смешанная с горючими материалами (топливом) в определенных количествах, называется шихтой. От правильного составления шихты зависит качество выплавляемого чугуна. Воздух, необходимый для сжигания топлива, вводится в доменную печь под давлением и нагретым от 400 до 1 000° Ц.
Рисунок 69. Нагреватель воздуха для доменной печи.
Подогревание воздуха дает экономию в топливе до 25%. Температура воздуха, поступающего в домну, при выплавке чугуна на древесном угле поддерживается не выше 500°, а при плавке на коксе—от 800° до 1 000°Ц. Нагревание воздуха производится в п риборах, называемых воздухонагревателями; наиболее распространенными из них являются каменные аппараты системы Коупера. На рисунке 69 представлен воздухонагреватель названной системы. Этот аппарат имеет вид цилиндра, высотою до 30 лс при внешнем диаметре от 6 до 8 метров. Такие нагреватели имеют внутреннюю поверхность нагрева от 5 000 до 6 000 м2. Воздух, идущий для подогревания, подается особыми воздуходувными машинами, самое же нагревание ведется за счет тепла так называемых колошниковых газов, выходящих из верхней части домны (смотрите далее). Эти газы по трубе а поступают в камеру N (шахту) для сгорания. По трубе b вводится воздух, необходимый для поддержания горения. Затем продукты горения поднимаются вверх и, пройдя под куполом опускаются по множеству узких вертикальных канальцев, отдавая при этом большую часть своего тепла кирпичам, из которых выложены канальцы. Благодаря большой поверхности нагрева, передача тепла происходит довольно совершенно. Из каналов газы по трубе c, пройдя камеру, уходят в дымовую трубу. Когда аппарат достаточно накалится, доступ колошникового газа прекращают, вдувают в обратном направлении холодный воздух, который поднимается по каналам вверх, проходит под куполом по шахте N и по трубе е попадает в главный воздухопровод, откуда он под давлением поступает в доменную печь. Обычно при доменной печи строят несколько таких воздухонагревателей — в количестве от двух до четырех. В каждый момент плавки один из аппаратов дает в домну нагретый воздух, два из них накаливаются, а один ремонтируется. Самый процесс плавки можно разделить на следующие операции.
- Очищение руд от пустых пород и придание им вида, удобного для переработки (подготовка руды).
- Смешение железных руд с веществами, содействующими переходу примесей, содержащихся в руде, в шлаки (составление шихты).
- Выплавка чугуна из руд.
- Превращение чугуна в железо и сталь (переделка чугуна).
Рисунок 70. Доменная печь для выплавки чугуна.
Выплавка чугуна имеет целью перевести руду в железо (отнять от руды кислород), соединить железо с углеродом топлива для образования чугуна, удалить примеси (образование шлаков) и расплавить как чугун, так и шлаки.
На рисунке 70 изображена доменная печь, в которой производится выплавка чугуна. Внутренняя часть печи выкладывается из огнеупорного, лучшего качества шамотного кирпича (смотрите главу „Керамика“). Шамотная масса печи стягивается стальными обручами, а иногда покрывается сплошной стальной оболочкой. Такие печи имеют огромные размеры и внушительный вид. Диаметр печи достигает 7 метров, а высота — 34 метров. Вся домна покоится на солидном фундаменте, а все надземные строения печи укрепляются на металлических колоннах, при помощи связей из железа. Верхняя часть домны GH называется колошником; через него забрасывается шихта, отдельные порции которой называются колошами. Часть GHJK нзывается шахтой, площадь наибольшего сечения — распаром, конус JKLM—заплечиками, цилиндрическая часть LMON — горном, площадь ON—лещадью или подом печи.
Вновь выстроенную доменную печь не сразу пускают в ход; поэтому рассмотрим сначала подготовку печи к плавке. Печь, только что сложенная, осторожно просушивается. Для этой цели при домне ставят временную топку, продукты горения которой пропускают в печь, которая при этом служит трубой. Чтобы высыхание печи шло медленно и равномерно, продукты горения иекусстйенно задерживают в самой печи, уменьшая тягу прикрытием части колошникового отверстия. Просушка печи, в зависимости от условий (величины домны, способа постройки, топлива и прочие), продолжается 2—3 недели, а иногда и от 4 до 6 месяцев. Вообще считают просушку оконченной, когда горн и заплечики достаточно прогреты. С этого момента удаляют временную топку, очищают горн от золы и пускают печь в ход (задувают печь). При задувании печи ее наполняют на 1/4—1/5 коксом, прибавляют к нему известняка по расчету (для ошлакования золы кокса) и пускают дутье. Затем в печь вводят кокс и флюсы, постепенно добавляя к ним железную руду до нормального количества. Когда это достигнуто, то начинается самая выплавка чугуна, которая состоит в забрасывании шихты (колош) через определенные промежутки времени. Приготовление шихты (смешение руды, топлива и плавней) производится внизу у самой домны, а затем посредством подъемной машины шихта доставляется на колошниковую площадку АВ и оттуда сваливается в чугунную воронку CD; колокол EF посредством рычагов опускается, и смесь, скользя по наклонной плоскости, проваливается в печь через колошниковое отверстие GH. Поступивший в верхнюю часть печи — шахту GHJK— сырой материал просушивается отходящими газами, идущими из нижней части печи, где развивается очень сильный жар. Отходящие газы, называемые колошниковыми, через трубу S идут в коуперы для подогревания поступающего в нижнюю часть домны воздуха. По мере выгорания топлива в нижней части, верхняя часть материалов опускается вниз через распар JK и заплечики JKLM и достигает цилиндрической части домны — горна.
В эту часть печи вводится нагретый воздух по полым медным трубкам и, охлаждаемым постоянно водой и расположенным по окружности горна. Эти трубки п называются фурмами. В горне развивается самая высокая температура — свыше 1 600° Ц. В этом месте плавится чугун и образуются шлаки, которые в виде капель падают на лещадь ON. Так как чугун тяжелее шлаков, то он опускается вниз, а шлаки всплывают на его поверхность и предохраняют его от соединения с кислородом вдуваемого воздуха. Когда шлаков набирается достаточное количество, и они начинают подниматься к фурменным отверстиям, то рабочие открывают тонн лаковую фурму и выпускают шлак. Расплавленный чугун периодически выпускается по желобу через отверстие, находящееся на уровне дна печи. Выпускаемый из домны чугун разливается по чугунным или песчаным формам, стоящим около доменной печи, на так называемом доменном дворе. Чугун, застывший в формах, имеет вид брусков и носит название штыкового. Уборка штыкового чугуна производится или вручную или с помощью электромагнитов. Процесс получения чугуна в доменной печи идет непрерывно, и печь, однажды растопленная, работает без перерывов несколько месяцев и даже лет. В печь только периодически загружают шихту, выпускают чугун и образовавшиеся шлаки. Последние применяют для фабрикации строительного, так называемого шлакового кирпича. В одной доменной печи в течение суток можно получить до 700 тонн чугуна.
В последнее время в некоторых странах начали получать чугун в электрических доменных печах. Электродомна широкого распространения еще не получила, так как элекродо-менный процесс возможен только в тех странах, где электрическая энергия дешева, а топливо дорого. В Швеции, где электрическая энергия дешева, таких печей, работавших в 1920 году, насчитывалось 19, в Норвегии 4, в Италии 6, в Японии 2, в Швейцарии 2.
В России в 1912 году доменных заводов насчитывалось 147, с числом доменных печей — 252. Количество выплавляемого чугуна в довоенной России за ряд лет представлено в следующей таблице:
| Годы | Выплавка чугуна в тоннах |
| 1903 | 2 441 840 |
| 1910 | 3 042 520 |
| 1911 | 3 596 110 |
| 1912 | 4 201 090 |
| 1913 | 4 547 000 |
Таким образом, выплавка чугуна у нас постепенно возрастала. По сравнению с производством других стран, в отношении выплавки чугуна Россия в 1913 году стояла на пятом месте. Мировая выплавка чугуна на этот год составляла 78 091 524 тонн, которые между отдельными государствами распределились следующим образом:
| Северо-Американские Соединенные Штаты | 30 966 301 |
| Германия | 19 291 920 |
| Англия | 10 481 917 |
| Франция | 5 311 316 |
| Россия | 4 547 000 |
| Бельгия | 2 484 690 |
| Австро-Венгрия | 1 757 864 |
| Канада | 1 128 967 |
| Швеция | 735 000 |
| Италия | 426 775 |
| Испания | 424 774 |
| Остальные страны | 535 000 |
| 78 091 524 |
За годы гражданской войны производство чугуна резко упало, так как Урал и Донбасс находились в районе военных действий. В последние годы, однако, эти центры наладили свою работу, что показывается следующими цифрами производства чугуна и стали (в тоннах):
| Добыто чугуна | Добыто стали | |
| 1922/23 года | 300 540 | 615 547 |
| 1923/24 года | 661 100 | 993 460 |
Количество чугуна, приходящееся на одного человека, служит мерилом размаха промышленности в данной стране и ее напряженности.
Чугун, выпускаемый из доменной печи, по своему составу и свойствам разделяется на белый и серый.
Белый чугун в изломе имеет серебристый оттенок, сильный блеск, обладает большой твердостью и хрупок. Употребляется главным образом для переработки в ковкое железо.
Серый чугун в изломе имеет различные оттенки — от светлосерого до темносерого.
Главное различие между этими сортами чугуна заключается в том, что белый чугун не поддается механической обработке, серый же чугун настолько мягок, что его легко берет напильник, его можно строгать, сверлить и точить. Между белым и серым чугуном стоит половинчатый и третной. Половинчатым называют чугун, когда в изломе количество белого и серого приблизительно одинаково. Третным называют такой, в котором около 2/3 белого или серого чугуна; в зависимости от преобладания, в качестЕе составной части, одного из них такой чугун называют третным белым или третным серым.
Но своему назначению чугуны различаются на передельные,то естьтакие, которые употребляются для переплавки в ковкое железо или сталь, и литейные, идущие для отливки чугунных изделий. (Об отливке чугунных изделий смотрите ниже.)