
- •А.Н. Шаповалов Металлургия стали курс лекций
- •1 Основные понятия и определения
- •1.1 Основные этапы развития сталеплавильного производства
- •1.2 Классификация сталей
- •1.3 Сталеплавильные шлаки
- •1. Основность шлака
- •Общие принципы установления оптимального шлакового режима плавки
- •2 Основные реакции сталеплавильных процессов
- •2.1 Окисление углерода
- •Основы синхронизации процессов обезуглероживания и нагрева металла
- •2.2 Окисление и восстановление кремния
- •Обеспечение заданного содержания кремния в готовой стали
- •2.3 Окисление и восстановление марганца
- •2.4 Окисление и восстановление фосфора
- •2.5 Удаление серы (десульфурация металла)
- •3 Конвертерное производство стали
- •3.1 История конвертерного производства стали
- •3.2 Устройство кислородного конвертера с верхней продувкой
- •3.3 Шихтовые материалы и требования к ним
- •3.4 Технология кислородно-конвертерной плавки
- •3.5 Дутьевой режим плавки
- •3.6 Поведение составляющих чугуна при продувке
- •3.7 Шлакообразование и требования к шлаку
- •3.8 Поведение железа и выход годного металла
- •3.9 Материальный и тепловой баланс кислородно-конвертерной плавки
- •3.10 Переработка лома в конвертерах
- •3.11 Конвертерные процессы с донной продувкой кислородом
- •Устройство конвертера
- •Технология плавки – отличительные особенности
- •3.12 Сравнение процессов с верхней и донной продувкой кислородом
- •3.13 Конвертерные процессы с комбинированной продувкой
- •4 Выплавка стали в подовых сталеплавильных агрегатах
- •4.1 Принцип работы мартеновской печи
- •4.2 Устройство мартеновской печи
- •4.3 Конструкция отдельных элементов мартеновской печи
- •4.4 Основные особенности и разновидности мартеновского процесса
- •4.5 Основные периоды мартеновской плавки и их значение
- •4.6 Тепловая работа и отопление мартеновских печей
- •4.7 Шлакообразование и шлаковый режим мартеновской плавки
- •4.8 Особенности мартеновского процесса при высоком содержании чугуна в шихте
- •4.9 Показатели и перспективы мартеновского производства стали
- •4.10 Сущность работы двухванных сталеплавильных агрегатов
- •4.11 Технология плавки в двухванных сталеплавильных агрегатах
- •4.12 Перспективы применения двухванных печей
- •5 Внепечная обработка стали
- •5.1 Раскисление и легирование стали в ковше
- •5.2 Обработка металла вакуумом
- •5.3 Продувка металла инертными газами в ковш
- •5.4 Внеагрегатная десульфурация
- •6 Основы теории кристаллизации
- •6.1 Процессы при выпуске и выдержке металла в ковше
- •6.2 Способы разливки стали
- •6.3 Сущность процесса кристаллизации
- •7 Разливка стали в изложницы
- •7.1 Оборудование для разливки стали
- •7.2 Подготовка оборудования к разливке
- •7.3 Строение стальных слитков
- •7.4 Химическая неоднородность слитков
- •7.5 Температура и скорость разливки
- •7.6 Технология разливки стали в изложницы
- •7.6.1 Особенности разливки спокойной стали
- •7.6.2 Особенности разливки кипящей стали
- •7.6.3 Технология разливки полуспокойной стали
- •7.7 Дефекты стальных слитков
- •8 Непрерывная разливка стали
- •8.1 Сущность непрерывной разливки
- •8.2 Классификация мнлз
- •8.3 Основные узлы мнлз
- •8.4 Технология непрерывной разливки
- •8.5 Качество непрерывнолитого слитка
- •8.6 Литейно-прокатные комплексы
- •Рекомендуемая литература
3.6 Поведение составляющих чугуна при продувке
Реакции окисления. В течение продувки за счет подаваемого в конвертер кислорода окисляется избыточный углерод, а также, кремний, большая часть марганца и некоторое количество железа.
Для продувки в конвертере характерно прямое окисление железа в зоне контакта кислородной струи с металлом (в «первичной реакционной зоне») и окисление прочих составляющих металла за счет вторичных реакций на границе с первичной реакционной зоной и в остальном объеме ванны.
Соответственно окисление, например, углерода идет по следующим схемам:
Fe + 1/2О2 = FeO; Fe + 1/2О2 = FeO;
FeO = [О] +Fe; FeO = (FeO);
[C] + [О] == CO; [C] + (FeO) = CO + Fe.
Если просуммировать уравнения реакций правого или левого столбцов, то в обеих случаях получим итоговую реакцию окисления углерода: [С] + 1/2О2 = СО, которая, таким образом, отражает лишь начальное и конечное состояние процесса окисления.
Окисление кремния и марганца, так же как и углерода начинается с момента подачи кислорода (рисунок 5), причем весь кремний и большая часть марганца выгорают в первые минуты продувки. Более быстрое их окисление по сравнению с углеродом объясняется различием в химическом сродстве разных элементов к кислороду при различных температурах.
Рисунок 5 – Динамика состава металла и шлака в процессе продувки кислородом
На рисунке 6 приведена зависимость химического сродства ряда элементов к кислороду от температуры; при этом величина химического сродства тем больше, чем больше по абсолютной величине отрицательное значение ΔG.
И
з
рисунка 6 следует, что при температурах
ниже 1450—1500 °С кремний и марганец обладают
более высоким сродством к кислороду,
чем углерод; при более же высоких
температурах сродство углерода к
кислороду превышает сродство марганца
и кремния. В соответствии с этим марганец
и кремний окисляются в начале продувки,
когда температура в конвертере
сравнительно невысока.
Окисление кремния заканчивается в первые 3—5 мин продувки и в дальнейшем по ходу плавки жидкий металл кремния не содержит. Реакция окисления кремния протекает до его полного израсходования и является необратимой, поскольку продукт окисления кислотный окисел SiO2, связывается в основном шлаке в прочное соединение 2CaO-SiO2.
И
Рисунок 6 –
Зависимость ΔG
некоторых реакций от температуры
[Мn] + (FеО) = (МnО) + Fе + 122 950 Дж/моль.
В соответствии с этой реакцией отмечаются (см. рисунок 5) следующие особенности поведения марганца: при уменьшении содержания FеО в шлаке во второй половине продувки содержание марганца в металле возрастает; в конце продувки, когда вследствие усиливающегося окисления железа содержание окислов железа в шлаке возрастает, наблюдается вторичное окисление марганца. Конечное содержание марганца в металле зависит прежде всего от его содержания в чугуне и возрастает при увеличении температуры металла в конце продувки и снижении окисленности шлака. В обычных условиях выплавки рядовых марок сталей к концу плавки в металле остается 20-30% Mn от общего содержания его в шихте.
Окисление углерода в кислородном конвертере происходит преимущественно до СО. В начале продувки (см. рисунок 5), когда интенсивно окисляются кремний и марганец, а температура ванны мала, скорость окисления углерода сравнительно невелика (0,10—0,15 %/мин). В дальнейшем, вследствие повышения сродства углерода к кислороду при росте температуры (см. рисунок 6) и уменьшения расхода кислорода на окисление марганца и кремния, скорость окисления углерода возрастает, достигая к середине продувки максимума (0,35—0,45 %/мин). В конце продувки она вновь снижается вследствие уменьшения содержания углерода в металле.
Дефосфорация — то есть удаление из металла в шлак фосфора, осуществляется по экзотермической реакции
2 [Р] + 5 (FeO) + 3 (CaO) = (ЗСаО.Р2О5) + 5Fe + 767 290 Дж/моль,
для успешного протекания которой необходимо повышенные основность и окисленность шлака и невысокая температура.
Дефосфорация начинается сразу после начала продувки (см. рисунок 6), что объясняется быстрым началом формирования основного железистого шлака в конвертере. Поскольку реакция удаления фосфора сопровождается выделением тепла, дефосфорация наиболее интенсивно протекает в первой половине продувки при сравнительно низкой температуре.
В итоге величина коэффициента распределения фосфора между шлаком и металлом (P2O5)/[P], характеризующего результат дефосфорации, изменяется от 40 до 80—100 и в этих пределах обычно тем выше, чем выше основность и окисленность шлака и чем ниже температура металла в конце продувки. Обычно при содержании фосфора в чугуне менее 0,15—0,20 % металл в конце продувки содержит 0,002—0,004 % фосфора.
Десульфурация в кислородном конвертере происходит в течение всей продувки и, главным образом, путем удаления серы из металла в шлак. Вместе с тем, часть серы (менее 10%) удаляется в виде SO2 в результате ее окисления кислородом дутья.
Как известно для успешного протекания реакции десульфурации
[FeS] + (СаО) = (CaS) + (FeO)
необходимы высокая основность шлака и низкое содержание в нем окислов железа. Конвертерный же шлак содержит значительное количество FeO (7—20 % и более), поэтому десульфурация получает ограниченное развитие. Степень десульфурации обычно составляет 30—40 %, а коэффициент распределения серы между шлаком и металлом - (S)/[S] невелик (от 2 до 10).