Доменне виробництво чавуну

Добування чавуну базується на відновленні заліза із оксидів Феруму та переводі пустої породи в шлак. Головною технологією виробництва чавуну є виплавка в доменних печах.

Чавун виплавляють у величезних доменних печах висотою до 30 м, а діаметром — до 12 м. Внутрішня частина домни викладена вогнетривкою цеглою, а зовнішня облицьована стальними листами. Сировиною для виробництва чавуну в доменних печах є залізні руди, паливо та флюси. Таку суміш сировинних матеріалів називають шихтою. Найважливіші залізні руди: магнетит Fе₃О₄, гематит Fe₂О₃, пірит FеS₂ , сидерит FеСО₃. У якості палива використовують кокс, який є продуктом переробки кам’яного вугілля. Іноді замість коксу використовують природний газ або мазут. За допомогою флюсів тугоплавкі домішки та пусту породу перетворюють на легкоплавкі сполуки, шлак. У якості флюсів використовують вапняк СaCO₃ і доломіт MgCO₃.

Відновлення оксидів феруму проходить за схемою:

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe.

Зверху в доменну піч загружають руду, кокс і флюси. Знизу через фурми вдувають збагачене киснем і підігріте до 600-800 ºС повітря. У нижній частині печі згоряє кокс.

С + О₂ = СО₂↑ .

За високої температури карбон(IV) оксид взаємодіє з коксом. Продуктом реакції є карбон(ІІ) оксид (чадний газ), який виконує роль відновника в доменному процесі:

СО₂ + С = 2СО.

 Шихта поступово опускається вниз, а назустріч рухаються нагріті гази. Тим самим здійснюється принцип теплообміну й протитоку реагентів.

Утворений карбон(IІ) оксид за температури 700 ºС поступово відновлює залізну руду до утворення заліза:

3Fe₂O₃ + СО = 2Fe₃O₄ + СО₂↑

Fe₃O₄ + СО = 3FeО + СО₂↑

FeО + СО = Fe + СО₂↑.

Відновлене в доменній печі залізо частково реагує з вуглецем і чадним газом. Продуктом реакції є цементит Fe₃C:

3Fe + 2CO = Fe₃C + СО₂↑

3Fe + С = Fe₃C.

За високої температури вапняк розкладається:

CaCO₃ = CaO + CO₂.

Утворений кальцій оксид реагує з тугоплавкими домішками — кислотними оксидами пустої породи. Утворюються легкоплавкі речовини — шлаки:

СаО + SiO₂ = CaSiO₃.

Залізо поступово опускається у більш гарячу частину печі (розпар) і розчиняє в собі до 4 % вуглецю й інші домішки. Утворюється чавун — сплав заліза з вуглецем, карбідом заліза, S, P, Si. Домішки погіршують якість чавуну.

Чавун плавиться та стікає в нижню частину горна, а рідкі шлаки збираються на поверхні. Вони запобігають окисненню чавуну. Чавун і шлаки випускають із печі кілька разів на добу через особливі отвори, забиті глиною. Чавун виливається вогненним потоком при температурі 1500 ºС.

З доменної печі виходять гази, які містять до 25 % карбон(ІІ) оксиду. Їх спалюють в особливих апаратах — кауперах. Каупери призначені для попереднього нагрівання повітря, яке вдувають у піч.

Доменна піч працює безупинно. Висока температура в печі підтримується завдяки екзотермічним реакціям. Періодично у піч додають нові порції шихти. В одній доменній печі за добу можна зварити понад 2000 т чавуну. Робота печі триває протягом кількох років, аж до капітального ремонту.

По застосуванню чавун ділиться на три групи: ливарний, спеціальний, передільний. Із ливарного чавуну виливають найрізноманітніші вироби: деталі складної конфігурації, скульптури, предмети декору. Додавання магнію та інших металів значно поліпшує механічні властивості чавуну, зменшує його крихкість. Із передільного чавуну виплавляють сталь.

Доменний шлак використовують для виготовлення шлакобетону, гравію, щебеню тощо.