4 . Производство литейного чугуна

Литейный чугун плавят в вагранках пламенных, электродуговых и индук­ционных печах. Благодаря простоте конструкции наибольшее распрос­транение получила вагранка, схема которой приведена на рис. 3.

Принцип работы вагранки состоит в следующем. После очередного ре­монта шахту печи сначала загружа­ют коксом на высоту, примерно рав­ную внутреннему диаметру вагранки над уровнем фурм. Затем загружают металлическую шихту (литейный и передельный чугун, возврат соб­ственного производства, стальной лом, ферросплавы и т. д.), кокс, и флюс, необходимый для форми­рования шлака. В качестве флюса используют известняк. Первую порцию кокса разжигают, после чего через фурмы подают воздушное дутье. Металл по мере расплавления собирается в копильнике и периодически выпускается из него. По мере оплавле­ния металла систематически производят загрузку шихты. Совре­менные вагранки имеют производительность 2,5-50,0 т/ч жидкого чугуна. Для снижения расхода кокса дутье подогревают до 350 - 550 °С.

Глава 2

МЕТАЛЛУРГИЯ СТАЛИ

Сталь - это сплав железа с углеродом, который содержит менее 2 % углерода (обычно не более 1,3 %). Постоянными примесями в стали являются марганец, кремний, фосфор и сера. Кроме углеродистых, в машиностроении и строительстве широко применяют легированные стали, в состав которых для улучшения тех или иных свойств дополнительно вводят хром, никель, молибден и другие элементы.

Исходными металлическими материалами для получения стали служат передельный чугун, стальной лом и ферросплавы. Чугун по сравнению со сталью содержит большее количество углерода и примесей. Поэтому основная задача передела чугуна в сталь состоит в удалении избытка углерода и примесей с помощью окислительных процессов, протекающих в сталеплавильных агре­гатах. Основными способами производства стали являются кисло­родно-конвертерный, мартеновский и электродуговой.

1. Кислородно-конвертерное произсодство стали

Сталь в конвертерах выплавляют бессемеровским, томасовским и кислородно-конвертерным способами. Недостатками первых двух способов является низкое качество стали из-за повышенной концентрации азота и ограниченность сырьевой базы. Последнее обусловлено необходимостью использования только специальных сортов чугуна (бессемеровского или томасовского) со строго регламентированным содержанием кремния, серы и фосфора. Оба способа имеют ограниченное применение. В Советском Союзе бессемеровскую и томасовскую сталь почти не производят.

В основе конвертерных процессов лежит обработка жидкого чугуна газообразными окислителями без подвода извне дополни­тельного тепла. Процесс выплавки стали осуществляется только за счет химической теплоты экзотермических реакций окисления примесей с учетом физической теплоты жидкого чугуна. Продувка чугуна производится сверху или через днище в специальных агрегатах - конвертерах. Конвертерную плавку характеризует высокая производительность за счет большой реакционной поверх­ности металл-окислитель и высокой скорости окисления при­месей.

Применение технически чистого кислорода (не менее 99,5 % О₂) для продувки чугуна позволило за счет снижения содержания азота улучшить качество кислородно-конвертерной стали. Первые промышленные конвертеры на кислородном дутье начали работать в 50-х гг. В последующие годы этот способ получил распростра­нение и в ряде стран стал ведущим в сталеплавильном производ­стве. В СССР в настоящее время используются кислородные конвертеры емкостью 100-400 т. Объем выплавляемой кислород­но-конвертерной стали составляет около 35 % от общего объема ее производства.

Схема кислородного конвертера представлена на рис. 4. Кор­пус конвертера 1 изготавливают из стальных сваренных встык листов толщиной до 100 мм. Корпус имеет среднюю цилиндри­ческую часть, глухое дно и симметричную сужающуюся горловину 2. У основания горловины расположено сталевыпускное отверстие 3. Такое расположение летки способствует лучшему отделению стали от шлака и уменьшает опасность восстановления фосфора при сливе металла. Рабочее пространство конвертера футеровано смолодоломитовыми огнеупорами, а сталевыпускное отверстие - магнезитовыми блоками. Конвертер может поворачи­ваться в вертикальной плоскости благодаря опорному поясу 4 с цапфами, расположенными в подшипниках опор. Одна или обе цапфы являются приводными. Кислород обычно подается сверху через водоохлаждаемую фурму 5. Подача сверху обусловлена образо­ванием высокотемпературной реак­ционной зоны в месте вдувания кис­лорода в металл и необходимостью сохранения футеровки днища кон­вертера. Фурма способна переме­щаться вверх - вниз. При подаче дутья она находится на расстоянии 300-800 мм от поверхности ванны. Кислород подается под давлением 0,8-1,0 МПа. Его расход зависит от емкости конвертера и интенсив­ности продувки и составляет 2,5-4 м³/т металл в 1 мин. Длительность плавки в современном кислородном конвертере составляет 35-50 мин.

Исходными материалами кон­вертерной плавки являются жидкий чугун, лом - металлическая часть шихты и шлакообразующие, окислители - неметаллическая часть. Перед загрузкой конвертер наклоняют. Сначала загружают металлический лом (20-30 % от массы плавки). Затем заливают чугун, конвертер приводят в вертикальное положение, опускают кислородную форму и начинают продувку кислородом. Одновременно с началом продувки по мере ее проведения по специальному желобу за­гружают известь, железную руду и флюсы (боксит, плавиковый шпат).

Проникая в металл, вдуваемый кислород прежде всего взаимо­действует с железом, составляющим основную массу залитого чугуна:

2Fe + 0₂ = 2FeO + Q.

Образующаяся FeO частично переходит в шлак, частично раство­ряется в металле и окисляет примеси, содержащиеся в чугуне:

2FeO + Si = 2Fe + SiO₂ + Q₁

FeO + Mn = Fe + MnO + Q₂,

5FeO + 2P = 5Fe + P₂O₅+ Q₃

Эти реакции, особенно окисление кремния, идут с выделением большого количества теплоты. Через 2-4 мин после начала продувки кремний полностью окисляется.

С понижением содержания кремния и марганца и повышением температуры металла возрастает скорость окисления углерода как за счет взаимодействия с FeO

FeO + С = Fe + СО - Q,

так и прямого воздействия газообразного кислорода. Выделя­ющиеся пузыри СО улучшают перемешивание металла и шлака.

Одновременно с окислением примесей образуется шлак. Ско­рость шлакообразования зависит от скорости растворения изве­сти. В начале продувки шлак содержит много кремнезема и FeO и имеет низкую основность (CaO/SiO₂ <1). По ходу продувки известь растворяется, основность шлака растет и к концу плавки CaO/SiO₂ ≈ 3. Общее количество шлака составляет обычно 10- 15 % от массы металла. Активный основной шлак способствует более полному удалению из металла вредных примесей - фос­фора и серы.

Избыток свободного оксида кальция связывает фосфор в проч­ное соединение - фосфат кальция:

Р₂О₅ + 4СаО = (СаО)₄Р₂0₅.

В высокоосновном шлаке сера связывается в сульфид кальция: FeS + СаО = CaS + FeO.

После окончания продувки и получения заданного содержания углерода конвертер поворачивают в горизонтальное положение, берут пробу и выпускают металл в ковш.

В последние годы начинают широко использовать выплавку стали с продувкой чугуна кислородом снизу через фурмы, уста­новленные в днище конвертера. Фурмы представляют собой две концентрически расположенные трубки: по внутренней подается кислород, а в щель между внутренней и внешней - защитный газ, в качестве которого обычно используют метан или пропан. Защит­ный газ предотвращает ранний контакт кислорода с жидким металлом, защищает фурму и околофурменное пространство от сгорания. Число фурм в днище может составлять более 20 шт. и колеблется в зависимости от вместимости конвертера. Днища имеют меньшую стойкость, чем стены конвертера, поэтому их изготовляют съемными.

Во избежание заполнения фурм жидким металлом и выхода их из строя перед установкой конвертера в вертикальное положе­ние через фурмы пускают дутье, используя для этой цели какой-либо инертный газ (обычно аргон).

При донной продувке по сравнению с верхней продувкой резко возрастает интенсивность перемешивания металла, пло­щадь контактной поверхности газ - металл. Благодаря этому увеличивается скорость обезуглероживания чугуна, интенсифи­цируются процессы удаления вредных примесей и газов.

Раскисление стали в ковше - обязательная завершающая операция. Окислительный характер плавки приводит к высокой концентрации FeO в металле, вызывающей в стали красноломкость при горячей деформации и ухудшение механических свойств. Раскислением называется процесс восстановления железа из FeO. Раскисление производят марганцем, кремнием и алюминием по реакциям:

FeO + Mn = Fe + MnO,

2FeO + Si = 2Fe + SiO₂,

3FeO + 2A1 = 3Fe + Al₂O₃.

Кремний и марганец вводят в виде соответствующих ферроспла­вов, алюминий - в чистом виде. Марганец, кремний и алюминий называют раскислителями стали. В зависимости от степени раскисленности различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали.

Кипящие стали раскисляют только ферромарганцем. В таких сталях частично остается растворенный FeO и при кристаллизации продолжает идти процесс кипения по реакции:

FeO + С = Fe + CO.

Газовые пузыри остаются в теле затвердевшего слитка и завари­ваются при последующей прокатке. Кипящая сталь дает наиболее высокий выход годного металла, наименьшие отходы, благодаря чему она обладает самой низкой стоимостью.

Спокойную сталь раскисляют комплексно ферромарганцем, ферросилицием и алюминием. В металле нет растворенного FeO, процесс кипения прекращается, сталь «успокаивается». Спокойная сталь - наиболее дорогая сталь, значительная часть стального слитка идет в отходы.

Полуспокойную сталь раскисляют ферромарганцем и умень­шенным количеством ферросилиция. По качеству и стоимости они занимают промежуточное положение между кипящей и спокойной сталями.

Качество стали определяется содержанием в ней вредных примесей, газов и неметаллических включений. По качеству кислородно-конвертерная сталь не уступает мартеновской, а в ряде случаев ее превосходит.

Благодаря меньшим затратам на передел на 20-30 % при сопоставимой стоимости шихты себестоимость кислородно-кон­вертерной стали ниже мартеновской. Конвертерный процесс легче поддается комплексной механизации и автоматизации. Строительство кислородно-конвертерного цеха одинаковой производительности с мартеновским требует меньших капиталь­ных затрат.

Перечисленные преимущества кислородно-конвертерной стали позволяют в ряде развитых стран полностью (Япония) или в основ­ном (США, ФРГ, Великобритания) заменить мартеновские печи кислородными конвертерами. В отечественной металлургии также происходит постепенное вытеснение мартеновского процесса кис­лородно-конвертерным.