Краткая характеристика продуктов доменной плавки

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.