2.1.З. Внедоменное получение железа

Широкое распространение доменного производства связано с его высокой производительностью, сравнительной простотой и доступностью. Тем не менее, он обладает существенными недостатками, главными из которых являются большой расход дорогого и дефицитного кокса и высокое содержание вредных примесей – серы и фосфора, которые затрудняют производство высококачественных сталей из доменного предельного чугуна. Наличие этих недостатков породило множество проектов по прямому восстановлению железа из руд. Например, способ Хеганеса предусматривает нагрев до 1220 ^ОС и выдержку в течение 20 часов обогащенной руды с карбюризатором и известняком в специальных керамических тиглях. Способ Охилата и Ламина предполагает выдержку руды в ретортах при 1100 ^ОС, в течение 20 часов в газовой восстановительной атмосфере, получаемой конверсией природного газа. В соответствии с Н – процессом, восстановление железа водородом идет в кипящем слое при температуре 500 ^ОС. Все эти методы являются полукустарными и могут быть применены скорее для производства железных порошков, чем рассматриваться в качестве конкурирующих с доменным процессом.

Наиболее перспективным методом прямого восстановления железа из руд может рассматриваться процесс, схема которого приведена на рисунке 2.1.4. По аналогии с доменным процессом в начале происходит измельчение руды 1. ее обогащение 2 и окускование методом окатывания 3. Сырые окатыши подаются в трубчатую печь 4 с восстановительной атмосферой, полученной конверсией природного газа. В результате восстановления и спекания руды получают металлизованные окатыши, содержащие свыше 95% Fe и являющееся высококачественным сырьем для производства стали в электропечах 5, из которой на установках непрерывной разливки стали 6 получают слитки. Рассмотренный технологический процесс по производительности может составить конкуренцию доменному, но выгодно отличается от него низким содержанием в стали таких вредных примесей, как сера и фосфор.

2.2. Производство стали

Сталь - ЭТО сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14%. Кроме того, в ней содержатся постоянные примеси (марганец, кремний, сера, фосфор) и в ряде случаев легирующие элементы (никель, хром, ванадий, молибден, вольфрам и др.). Сырьем для производства стали является передельный чугун, выплавляемый в доменных печах, лом и ферросплавы (смотри рисунок 2.1.1.). Если сравнить содержание основных примесей в чугуне и стали, можно сделать вывод, что сталь отличается от чугуна только количеством этих примесей. В чугуне содержание С, Si, Mn, S и Р выше, чем в стали. Поэтому основная задача передела чугуна в сталь состоит в удалении части этих примесей с помощью окислительных процессов. Механизм этого окисления не зависит от типа сталеплавильной печи. Наиболее часто для этой цели используют мартеновский, кислородно-конвертерный и электродуговой способы.

2.2.1. Печи для плавки стали

Схемы наиболее распространенных печей, применяемых для производства стали, показаны на рисунках 2.2.5., 2.2.6., 2.2.7., 2.2.8.

Мартеновская печь (рисунок 2.2.6.) построена в середине XIX века и с тех пор ее конструкция не претерпела принципиальных изменений. Она отапливается газом или мазутом Кладка 1 выполняется из динасового (кислый процесс) или магнезитового (основной процесс) кирпича, а рабочая поверхность 2 набивается из крошки соответствующего состава. Сверху ванна закрывается сводом 3. Загрузка шихтовых материалов и материалов, добавляемых по ходу плавки, осуществляется через окна 4 с помощью мульд и загрузочной машины. Шихта выравнивается на подине и после расплавления образуется слой металла 5 и сверху его – слой шлака 6. Мазут подается через форсунку и сгорает в струе нагретого в регенераторе 8 до 1100 – 1200 ^ОС воздуха. Температура факела достигает 1800 ^ОС. Отходящие из печи газы используются для нагрева насадки второго регенератора из шамотного кирпича. Клапан 9 позволяет периодически менять направление газового потока в печи и поочередно нагревать левый и правый регенераторы. В случае, когда в качестве топлива используется газ, печь оборудуется еще парой регенераторов для подогрева газа.

В качестве металлозавалки можно использовать лом и передельный чугун (чугунно-рудный процесс). Во всех случаях в состав шихты вводят руду и известняк. Руда облегчает процесс выгорания примесей, а известняк - их связывание и перевод в шлак.

Современные мартеновские печи имеют емкость свыше 500 т при глубине ванны более 1 метра. При загрузке печи руду и известняк укладывают на подину, а сверху размещают крупные куски лома и чушку. При применении жидкого чугуна его заливают сверху твердой завалки через окно 4 с помощью вставляемого стального желоба, футерованного изнутри огнеупором.

Процесс плавки длится 8 – 10 часов, после чего сталь выпускается через боковую летку в разливочные ковши. На время плавки летка забивается огнеупорной массой, которая разрушается перед выдачей стали.

Мартеновские печи позволяют получать большие объемы стали одинакового состава, но они малопроизводительны и в них нельзя получать высоколегированные стали в связи с большим угаром и трудностью растворения ферросплавов. Последнее связано с невысоким перегревом расплава стали

Кислородно-конвертерный способ выплавки стали (рисунок 2.2.5.) считается более прогрессивны, так как он обеспечивает высокий перегрев расплава, а продолжительность цикла не превышает одного часа. Конвертеры имеют грушевидную форму и: внутри футеруются магнезитовым кирпичом 10. В современных конвертерах за один цикл выплавляется свыше 350 тон стали. Шихта состоит из стального и чугунного лома (до 20%), известняка (до 10%) и жидкого передельного чугуна. 3а счет высокой температуры стали в конце процесса ее выплавки после раскисления можно вводить ферросплавы, что позволяет получать легированные стали. Сталь выливается через отверстие 12 съемной насадки 11, а шихта загружается через горловину 13, для чего конвертер поворачивается вокруг опорных цапф 15. При загрузке конвертера твердую составляющую шихты (лом, известняк и руду) загружают на дно, после чего заливают жидкий передельный чугун, поворачивают конвертер в вертикальное положение, вводят через горловину водоохлождаемую медную фурму 14 и начинают подачу кислорода. Давление кислорода меняется по ходу плавки в пределах 0,9 – 1,5 МПа, а расстояние от фурмы до поверхности расплава – 0,6 – 1,4 метров в зависимости от характера образующегося шлака и скорости выгорания примесей.

Конвертерное производство характеризуется высокой производительностью, не требует топлива, так как разогрев идет за счет экзотермических реакций горения Si, Мп и С, позволяет перерабатывать лом и получать легированные стали, но оно привязано к доменному цеху, не обеспечивает стабильного от плавки к плавке состава стали и отличается от других способов выплавки стали высокими потерями метала на угар.

Электродуговые печи (рис.2.2.7.) обеспечивают низкий угар легирующих элементов и высокий перегрев расплава, необходимый для растворения ферросплавов. Поэтому они нашли широкое применение для выплавки сталей специального назначения, таких, как инструментальные, нержавеющие, жаропрочные и т.д. Сама печь состоит из подины, выложенной огнеупорным кирпичом 17 и футерованной внутри огнеупорной массой 18. Сверху располагается свод печи 20 с отверстиями для ввода графитовых электродов 21. Это печи с так называемой зависимой дугой, т.е. дуга 22 горит не между электродами, а между электродами и металлом. В зоне горения дуги температура достигает 7000 ^ОС, что обеспечивает проплавление шихты под электродами в виде колодцев, в которые скатываются остатки твердоЙ шихты удаленных от электродов зон. Шихта 24 может быть твердой или смешанной – скрап и жидкий чугун. Для загрузки шихты удаляется свод или выкатывается подина. Необходимые по ходу плавки добавки вводят через окно 23, а готовую сталь сливают по футерованному желобу 19, для чего вся печь наклоняется в сторону металлической летки. Емкость печей достигает 400 тон. В них получается качественный, хорошо раскисленный металл с низким содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Перевод на электроплавку сдерживается высокой стоимостью электроэнергии и сложностью системы питания печи электричество.

На машиностроительных заводах широкое применение для выплавки стали находят канальные и тигельные индукционные печи. Схема тигельной печи показана на рисунке 2.2.8. Как правило, футеровка 25 выполняется набивной из кварцевого песка с добавкой борной кислоты в качестве связующего. От водоохлаждаемого индуктора 28 она отделена слоем асбеста 26. Разогрев и плавление шихты 27 осуществляется за счет токов Фуко, возникающих в ней при подаче на индуктор тока высокой частоты от лампового или машинного генератора. Образующийся на поверхности расплавленного металла шлак имеет низкую температуру и высокую вязкость, что затрудняет проведение металлургических операций. Поэтому печи этого типа применяются для расплавления твердой шихты, а не для переработки чугуна в сталь.