Добыча чугуна основана на восстановлении железа из оксидов железа и переводе пустой породы в шлак. Главной технологией производства чугуна является выплавка в доменных печах.
Чугун выплавляют в огромных доменных печах высотой до 30 м, а диаметр - до 12 м. Внутренняя часть домны изложена огнеупорным кирпичом, а внешняя облицована стальными листами. Сырьем для производства чугуна в доменных печах являются железные руды, топливо и флюсы. Такую смесь сырьевых материалов называют шихтой. Важнейшие железные руды: магнетит Fе3О4, гематит Fe2О3, пирит FеS2, сидерит FеСО3. В качестве топлива используют кокс, который является продуктом переработки каменного угля. Иногда вместо кокса используют природный газ или мазут. С помощью флюсов тугоплавкие примеси и пустую породу превращают в легкоплавкие соединения, шлак. В качестве флюсов используют известняк СaCO3 и доломит MgCO3.
Восстановление оксидов железа проходит по схеме:
Fe2O3 ? Fe3O4 ? FeO ? Fe.
Сверху в доменную печь загружают руду, кокс и флюсы. Снизу через фурмы вдувают обогащенный кислородом и подогретый до 600-800 ? С воздуха. В нижней части печи сгорает кокс.
С + О2 = СО2 ?.
При высокой температуре карбон (IV) оксид взаимодействует с коксом. Продуктом реакции является карбон (II) оксид (угарный газ), который выполняет роль восстановителя в доменном процессе:
СО2 + С = 2СО.
Шихта постепенно опускается вниз, а навстречу движутся нагретые газы. Тем самым осуществляется принцип теплообмена и противотока реагентов.
Образован карбон (II) оксид при температуре 700 ? С постепенно восстанавливает железную руду до образования железа:
3Fe2O3 + СО = 2Fe3O4 + СО2 ?
Fe3O4 + СО = 3FeО + СО2 ?
FeО + СО = Fe + СО2 ?.
Восстановленное в доменной печи железо частично реагирует с углеродом и угарным газом. Продуктом реакции является цементит Fe3C:
3Fe + 2CO = Fe3C + СО2 ?
3Fe + С = Fe3C.
При высокой температуре известняк разлагается:
CaCO3 = CaO + CO2.
Образован кальций оксид реагирует с тугоплавкими примесями - кислотными оксидами пустой породы. Образуются легкоплавкие вещества - шлаки:
СаО + SiO2 = CaSiO3.
Железо постепенно опускается в более горячую часть печи (распара) и растворяет в себе до 4% углерода и другие примеси. Образуется чугун - сплав железа с углеродом, карбидом железа, S, P, Si. Примеси ухудшают качество чугуна.
Чугун плавится и стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности. Они предотвращают окисление чугуна. Чугун и шлаки выпускают из печи несколько раз в сутки через особые отверстия, забитые глиной. Чугун выливается огненным потоком при температуре 1500 ? С.
С доменной печи выходят газы, содержащие до 25% углерода (II) оксида. Их сжигают в особых аппаратах - кауперах. Каупер предназначены для предварительного нагрева воздуха, вдувают в печь.
Доменная печь работает непрерывно. Высокая температура в печи поддерживается благодаря экзотермическим реакциям. Периодически в печь добавляют новые порции шихты. В одной доменной печи в сутки можно сварить более 2000 т чугуна. Работа печи продолжается в течение нескольких лет, вплоть до капитального ремонта.
По применению чугун делится на три группы: литейный, специальный, передельный. С литейного чугуна отливают самые разнообразные изделия: детали сложной конфигурации, скульптуры, предметы декора. Добавление магния и других металлов значительно улучшает механические свойства чугуна, снижает его хрупкость. С передельного чугуна выплавляют сталь.
Доменный шлак используют для изготовления шлакобетона, гравия, щебня и т.п..