Основным видом топлива при выплавке чугуна является кокс.
Он получается в коксовых печах из специальных сортов коксующихся каменных углей.
На крупных металлургических заводах кокс вырабатывается в коксохимических цехах, где 50—70 печей или камер для коксования объединены в одну крупную батарею.
Управление такой батареей полностью механизировано.
Схема работы коксовой батареи: 1 — камеры с углем; 2 — межкамерные пространства.
Сущность процесса коксования заключается в том, что смесь раздробленных коксующихся и некоксующихся каменных углей загружают в камеры и подогревают без доступа воздуха до температуры 1000°. Камеры обогреваются снаружи. Чтобы температура внутри печи достигла 1000°, в пространствах между камерами необходимо развить температуру до 1400°. Коксовая батарея отапливается газом, смешанным с подогретым воздухом.
В процессе коксования при нагревании каменного угля до температуры 100° из него медленно испаряется влага. При дальнейшем нагревании до температуры 350° идет осушение угля и удаление из него смолы. Повышение температуры до 450° приводит к размягчению частиц коксующегося угля. Размягченные частицы обволакивают некоксующиеся частицы угля, образуя сплошную массу. При температуре 480—650° из этой массы начинают выделяться органические газообразные продукты сухой перегонки угля.
Выделяющиеся газы вспучивают сплошную угольную массу и, покидая ее, оставляют ноздреватый уголь с большим количеством мелких пор и трещин. Это полукокс. При температуре 650—1000° он переходит в кокс, который имеет серебристый, светловато-серый цвет.
Из 1 тонны каменного угля можно получить 750 килограммов кокса, около 300 кубических метров коксового газа, 35 килограммов каменноугольной смолы, 12 килограммов бензола и около 3 килограммов аммиака.
Доменная печь представляет собой громадное сооружение — до 20 метров высоты. Верхняя часть ее служит для загрузки шихты, состоящей из руды, угля и флюсов, и носит название колошника. Оно произошло от слова «колоша» — так в старину на Урале называли плетеные корзины, в которых переносили древесный уголь для загрузки его в домну. За колошником идет самая большая по высоте коническая часть домны — шахта. Ниже расположена цилиндрическая часть — распар, затем опять конусообразная часть — заплечики и, наконец, цилиндрическая часть — горн.
В горне собирается расплавленный металл — чугун.
В нижней части горна имеются отверстия: для выпуска чугуна — чугунная летка и для выпуска шлака — шлаковая летка.
На время накопления металла чугунную летку забивают огнеупорной глиной, а шлаковую летку закрывают конической пробкой из железа. В верхней части горна имеются фурмы — отверстия для подачи воздуха, необходимого для горения кокса. На уровне фурм развивается температура, которая достигает 1600°. По мере удаления от фурм вверх температура постепенно падает. У колошников она не превышает 300°.
Таким образом, в доменной печи на различной высоте устанавливается соответствующая температура и протекают различные процессы перехода руды в металл.
Профиль доменной печи. Цифры слева — высота в метрах; оправа — температура на этой высоте.
Каждый окисел имеет свою собственную температуру восстановления. Так, окись железа начинает восстанавливаться при температуре 300—350°, магнитная окись железа — при 450—500°, а закись железа — при 750—800°.
До чистого железа восстанавливается сразу только закись железа (FeO + СО → Fe + СO2) — весь кислород переходит к окиси углерода, и образуется углекислый газ. В двух остальных окислах кислород переходит к окиси углерода не сразу, а частями. Окись железа сначала восстанавливается до магнитной окиси (3Fe2O3 + СО → 2Fe3O4 + СO2), а затем магнитная окись железа — до закиси (Fe3O4 + СО → 3FeO + CO2).
В то время как в верхних частях доменной печи — у колошников — при температуре примерно 350° идет восстановление окиси железа до магнитной окиси, в нижней части печи — в горне — при температуре 1600° происходит энергичное сгорание кокса. Образуется углекислый газ (O2 + С → СO2). Углекислый газ, покидая горн, встречает на своем пути углерод верхних слоев кокса и при высокой температуре взаимодействует с ним, переходя в окись углерода (СO2 + С → 2СО).
Одновременно в горне кокс, догорая, превращается в золу. Его место занимают лежащие над ним слои кокса. Шихта медленно опускается вниз, проходя все области температур — от 300 до 1600°.
На уровне 14—15 метров шихта попадает в область температуры около 500°. Здесь идет дальнейший процесс восстановления окислов железа.
В этой части печи магнитная окись железа, отдавая часть кислорода окиси углерода, переходит в закись железа. Продолжая опускаться вместе с флюсами, закись железа на восьмиметровой высоте нагревается до 750—800°.
При этой температуре начинается процесс восстановления закиси железа до металла. Так как окись углерода не в состоянии проникнуть вглубь больших кусков руды, не все окислы успевают до конца восстановиться в шахте. Восстановление окислов железа продолжается в более низких частях доменной печи — в распаре и даже в верхней части заплечиков. В зоне температуры примерно 1100° железо полностью восстанавливается и превращается в твердую губчатую массу. Когда процесс восстановления окислов железа завершается, начинается процесс науглероживания: железо, соединяясь с углеродом, образует железоуглеродистый сплав (3Fe + 2СО → Fe3C + СO2). Так как температура плавления сплава железа с углеродом на 250° ниже температуры плавления чистого железа, сплав, опускаясь до зоны температуры около 1250°, начинает расплавляться. Капли чугуна собираются вместе и струйками стекают в нижнюю часть горна. Чугун сливают в ковши и увозят к разливочным машинам.
Через определенные промежутки времени бурильной машиной вскрывают чугунную летку, накопившийся в горне чугун сливают по жолобу в большие ковши и увозят к разливочной машине. Затем выстрелом из специальной пневматической пушки летка снова забивается огнеупорной глиной, и расплавленный чугун опять накопляется в горне.
Так благодаря кислороду из бесформенной массы железной руды, периодически добавляемой вместе с коксом и флюсами в однажды зажженную доменную печь, непрерывно в течение нескольких лет выплавляют чугун.
Чугун содержит небольшое количество примесей углерода, кремния, марганца и других элементов. Эти элементы попадают в доменную печь с железной рудой и в процессе выплавки чугуна сами восстанавливаются и переходят в расплав.
Другие примеси, содержащиеся в железной руде, обладают очень высокой температурой плавления. Флюсы соединяются с этими примесями и образуют легкоплавкие шлаки, которые всплывают на поверхность жидкого чугуна и время от времени сливаются через шлаковую летку.
В настоящее время доменные печи работают в основном на воздушном дутье. Но ведутся исследования по использованию в доменных печах кислорода. Хотя этот вопрос еще полностью технически не разрешен, но уже некоторые печи работают на воздухе, обогащенном кислородом.
Объем воздуха, подаваемого в современную доменную печь, составляет примерно 4 тысячи кубических метров в минуту при давлении около 3 атмосфер.
Ученые-металлурги подсчитали, что продуваемый воздух находится в доменной печи всего лишь 5,5 секунды. Отсюда следует, что в течение минуты газ обменивается более 10 раз. На горение кокса идет только кислород, который составляет 21 процент всего проходящего воздуха, а остальные 79 процентов составляет азот и другие газы, которые, поступая в доменную печь, нагреваются и бесполезно уносят с собой тепло. Учитывая это, металлурги еще в середине прошлого века стали подавать в доменную печь подогретый воздух.
Для подогрева воздуха используются колошниковые газы, выходящие из доменной печи, и кислород воздуха.
Колошниковые газы, сгорая в специальных воздухонагревательных печах — кауперах, накаляют огнеупорные кирпичи, выложенные в них в виде решеток. Когда температура внутри такой печи достигает 1200—1350°, нагревание прекращают и через воздухонагреватели пропускают обычный воздух, который подогревается до температуры 850°. Нагретый до такой температуры воздух подается в доменную печь. Проходящие через нее огромные объемы азота не только не уносят тепло, а, наоборот, приносят его с собой, так как при выходе из домны их температура не превышает 300°.
Воздухонагреватель обогревается в течение 2 часов, а используется для нагревания воздуха в продолжение часа. Поэтому для бесперебойного снабжения одной доменной печи горячим воздухом необходимо иметь не менее трех воздухонагревателей. Для нагнетания воздуха в доменную печь применяются мощные турбовоздуходувки.
На современных металлургических заводах доменная печь обслуживается целым рядом крупных агрегатов-цехов. Среди них коксовые и воздухонагревательные цехи занимают ведущее место.
Получением чугуна еще не завершается процесс получения металла на крупном металлургическом заводе.
В нашей стране только 10—12 процентов всего выплавляемого чугуна идет на отливку различных деталей. Остальной чугун идет в переработку на железо и сталь, которые обладают более высокими механическими и химическими свойствами.
В чем же заключается процесс переработки чугуна в железо и сталь и какое участие в этом процессе принимает кислород?
Среднее содержание углерода в чугуне составляет примерно 4 процента, марганца — около 2 процентов, кремния — 1,2 процента.
Содержание этих элементов в стали должно быть значительно меньше. Так, например, углерода в ней должно содержаться в 8 раз, кремния в 4 раза, а марганца в 3 раза меньше, чем в чугуне. Следовательно, для того чтобы превратить чугун в сталь, необходимо уменьшить в нем содержание примесей.
Как удалить углерод из чугуна?
Металлурги установили, что если через расплавленный чугун пропустить некоторое количество кислорода, углерод выгорит, то есть окислится и вынесется кислородом из расплавленной массы в виде углекислого газа.
Кремний и марганец также окислятся. Но так как их окислы плохо растворяются в жидком металле и плотность их меньше плотности чугуна, они всплывут на его поверхность. Этот принцип удаления из чугуна вредных примесей используется металлургами в различных вариантах.
В настоящее время наиболее распространенным процессом получения стали из чугуна является мартеновский. В расплавленный чугун добавляют стальной лом и руду, которые содержат в себе окислы железа. Кислород этих окислов выполняет функции окислителя. Изменяя количество лома и руды, можно изменить состав стали.
В последнее время широкое распространение получила электроплавка стали.
В специальных электрических печах плавится железный лом, к нему добавляют нужное количество чугуна и пропускают кислород; в результате получают сталь нужного состава.
Расплавленная сталь разливается по чугунным формам, называемым изложницами. Полученные слитки идут на обработку в последний цех металлургического комбината — прокатный.