Металлургия чёрных металлов

ВОПРОС № 1. Характеристика железных руд и их месторождений в Украине.

В настоящее время разрабатываются железные руды, содержащие минералы магнетит, гематит, лимонит, гетит и содерит. Руду содержащую в основном магнетит называют магнитным железняком или магнитной рудой. Магнитный железняк обычно встречается в виде крепких, плотных кусковых руд с мелкокристаллическим строением. Он содержит 55-60% Fe (иногда лишь 16-30% Fe); 0,02-2,5% S; 0,02-0,7 % P и чаще всего кислую пустую породу (SiO₂, Al₂O₃).

Руды, содержащие гематит, относятся обычно красным железнякам, или гематитовым рудам. Красный железняк – это продукт выветривания магнитных железняков. Красный железняк, применяемый в металлургии, содержит 55-60% Fe, а некоторые разновидности – до 69%. Обычно содержится мало фосфора и железа. Цвет колеблется от красного до светло-серого.

Руды, содержащие лимонит и гетит называют бурыми железняками. В добываемых рудах содержится 37-55 %, а чаще 37-40 % Fe. Характеризуются повышенным содержание фосфора (0,5-1,5%).

Содерит представлен шпатовыми железняками, содержит 30-40% Fe.

Основным месторождением железных руд в Украине является Криворожский бассейн. Промышленные запасы – 18,7 млрд. т. Представлены: богатыми гематито-мартитовыми и магнетитовыми рудами и железистыми кварцитами. Промышленные запасы богатых руд (55-57% Fe 0,03-04% P и около 0,05% S) – 1,5 млрд. т. Пустая порода – кислая. Основная масса запасов – железистые кварциты (24-47% Fe).

Керченское месторождение – бурые железняки. Руды характеризуются повышенной влажностью, повышенным содержанием марганца (0,8-4,3%), фосфора (0,6-1,1%), мышьяка (0,07-0,13%) и наличием некоторого количества ванадия. Содержание железа составляет 30-40%.

Вопрос № 2. Методы загрузки доменной печи.

Идеальное распределение материалов в ДП должно быть таковым, чтобы в любых точках сечения окружности печи на любой высоте соблюдалось их постоянство; в этом случае необходимо чтобы горновой газ распределялся так, чтобы от переферии к центру проходило одинаковое количество газа, а этого достичь нельзя. В реальности рациональное распределение материалов в ДП таково: у стен или на небольшом от них расстоянии загружают относительно большее количество железорудной составляющей ,преимущественно крупной фракции (т.к. у переферии проходит обычно больше газа);загрузкой относительно большего количества кокса в центральной части печи обеспечивают повышенную газопроницаемость; в промежуточном пространстве между центром и периферией сосредотачивают мелкую фракцию.

Конструкция устройств для загрузки и распределения материалов позволяет регулировать распределение материалов в широких пределах.

Подачи, периодически загружаемые в печь состоят из определенного количества кокса, руды, агломерата, окатышей, известняка, взятых в соотношениях, определенных рассчетом шихты. Загрузка шихты и распределение их на колошнике осуществляется засыпными устройствами (ЗУ). Набор подачи, объем которой составляет несколько скипов, в ЗУ осуществляется так: подача на колошник поступает частями в определенной последовательности (порядок загрузки). В соответствии с установленным порядком загрузки выдерживаются и последовательность работы ЗУ. После высыпания материалов из первого скипа на вращающийся распределитель шихты конусного ЗУ, первый скип опускается вниз за очередной порцией шихты, а второй полный скип поднимается на верх печи. В это время малый конус ЗУ опускается вниз и материалы первого скипа высыпаются в межконусное пространство, на большой конус. После ссыпания конус закрывается. В такой последовательности набираются на малый конус и опускаются на большой конус второй скип. Как правило подача сост. из 4-5 скипов. Когда малый конус закроется после ссыпания с него материалов последнего скипа ,опускается большой конус и шихта высыпается в ДП и располагается на ранее загруженных материалах.

Для выравнивания распределения шихтовых мат-в по окружности используют вращающийся распределитель шихты (в конусных ЗУ) и вращающийся лоток или воронку-склиз (бесконусные ЗУ-ва).

В последнее время на некоторых доменных печах вместо скиповой применяется конвейерная подача материалов на колошник. В этом случае шихта подается в ЗУ отдельными порциями.

Вопрос № 3. Маркировка доменных чугунов и ферросплавов.

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Они содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве. В зависимости от состояния углерода в чугуне, различают:

Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида, и чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита, что определяет прочностные свойства сплава, чугуны подразделяют на:

1) серые - пластинчатая или червеобразная форма графита;

2) высокопрочные - шаровидный графит;

3) ковкие - хлопьевидный графит.

Чугуны классифицируют на передельные и литейные, а также в доменных печах плавят ферросплавы ферросилиций и ферромарганец.

Передельный чугун плавят для передела в сталь марок П1 и П2, для литейного производства – ПЛ1 и ПЛ2, фосфористый – ПФ1…ПФ3 и высококачественный ПВК1...ПВК3.

Содержание углерода в передельных чугунах колеблется в пределах 4,0…4,5%, меди – менее 0,3%, а марганца – до 2,0%.

Передельный высококачественный отличается от обычного малым содержание серы – до 0,010 и фосфора – до 0,015%.

Поскольку используются ГОСТы 1980г., то потребитель часто завышают требования в сравнении с ними.

Литейный чугун плавят марок Л1…Л6 с содержанием кремния от 3,6 до 1,2% и рафинированный магнием марок ЛР1…ЛР7 с очень низким содержанием серы – до 0,010 и фосфора – до 0,12%.

Содержание углерода от первой к последней марке увеличивается от 3,4% до 4,4%.

Ферросплавы в доменной печи плавят в малом объеме. Главным из них являются ферросилиций – 9,0 …15,0% кремния, зеркальный чугун с содержанием марганца 9,0 … 25,0 и ферромарганец – 70,0 – 76,0%.

Классификация доменных чугунов

Марка чугуна

Сод.Si, %

Группа, содержание Mn, %

Класс, содержание Р,%

Категория, содержание S,%

1

2

3

4

А

Б

В

Г

Д

1

2

3

4

5

Передельный (ГОСТ 805-80)

П-1

0,5-0,9

До 0,5

0,5 – 1,0

1,0 - 1,5

-

< 0,1

< 0,2

-

-

-

<0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

П-2

До 0,5

-”-

-”-

-”-

-

-”-

-”-

0,3

-

-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

Передельный литейный

ПЛ-1

0,8 -1,2

До 0,3

0,3 – 0,5

0,5– 0,9

0,9- 1,5

< 0,08

< 0,12

-

-

-

ПЛ-2

0,5 -0,8

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-

-

-

Передельный фосфористый

ПФ-1

0,9 -1,2

До 1,0

1,0 – 1,5

1,5 – 2,0

-

0,3 – 0,7

0,7 – 1,5

1,5 – 2,0

-

-

<0,03

0,05

0,07

-

-

ПФ-2

0,5 -0,9

-”-

-”-

-”-

-

-”-

-”-

-”-

-

-

-”-

-”-

-”-

-

-

ПФ-3

До 0,5

-”-

-”-

-”-

-

-”-

-”-

-”-

-

-

-”-

-”-

-”-

-

-

Передельный высококачественный

ПВК-1

0,9 – 1,2

<0,5

0,5 – 1,0

1,0 – 1,5

-

<0,02

0,03

0,04

0,05

-

<0,015

0,02

0,025

-

-

ПВК-2

0,5 -0,9

-”-

-”-

-”-

-

-”-

-”-

-”-

-”-

-

-”-

-”-

-”-

-

-

ПВК-3

До 0,5

-”-

-”-

-”-

-

-”-

-”-

-”-

-”-

-

-”-

-”-

-”-

-

-

Литейный коксовый

Л-1

3,2 – 3,6

<0,3

0,3 – 0,5

0,5 – 0,9

0,9 – 1,5

<0,08

<0,12

<0,30

<0,70

<1,2

<0,02

<0,03

<0,04

<0,05

-

Л-2

2,8 – 3,2

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-

……...

………

….

….

….

….

….

….

….

….

….

….

….

….

….

-

Л-6

1,2 – 1,6

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-

Литейный рафинированный магнием

Л-1

3,2 – 3,6

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-

……...

………

….

….

….

….

….

….

….

….

….

….

….

….

….

-

Л-7

0,8 – 1,2

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-”-

-

Классификация доменных ферросплавов

Марка ферросплава	Массовая доля, %
	Кремния	Марганца	Фосфора	Серы
			не более
Ферросилиций доменный
СИ 15	>13,1	<3,0	0,2	0,04
СИ 10	9,0 – 13,0	-”-	-”-	-”-
Чугун зеркальный
ЗЧ 1	<2,0	10,0 – 12,0	0,18	0,03
ЗЧ 2	-”-	12,1 – 14,0	-”-	-”-
…………….….	…………………	……………….	………………..	………………..
ЗЧ 7	-”-	22,1 – 24,0	0,22	-”-
ЗЧ 8	-”-	24,1 – 25,0	-”-	-”-
Ферромарганец доменный
Группа А
Мн5	<1,8	>75,1	0,35	0,02
Мн6	-”-	70,0 – 75,0	-”-	-”-
Мн7	<0,9	> 70,0	-”-	-”-
Группа Б
Мн5	<1,8	>75,1	0,5	0,02
Мн6	-”-	70,0 – 75,0	-”-	-”-
Мн7	<0,9	> 70,0	-”-	-”-

Вопрос № 4. Строение и оборудование кислородного конвертера.

Кислородный конвертер состоит из металлического кожуха, футерованного изнутри огнеупорным кирпичом. Кожух изготовляют сварным из гнутых штампованных стальных листов толщиной 50-120 мм с ребрами жесткости. Кожух через цапфы опирается на подшипники, установленные в опорных станинах. Конвертер может поворачиваться на цапфах вокруг горизонтальной оси на 360˚. Конвертеры могут быть цельносварными, либо с отъемной шлемной частью, либо с отъемным днищем. Отъемные части кожуха крепят к основной цилиндрической части клиновыми соединениями для быстроты и надежности разъема. В шлемной части конвертера находится летка для выпуска стали. Летка имеет металлическую облицовку, футерована и закрывается густой огнеупорной глиной.

Подача кислородного дутья в конвертер верхнего дутья производится вертикальной водоохлаждаемой фурмой, имеющей возможность перемещаться вертикально по высоте конвертера в ходе плавки. Фурму изготавливают из трех стальных цельнотянутых труб, расположеных концентрично. Наиболее важной частью фурмы является головка с соплами. Головка герметично соединена путем сварки с наружной и внутренней трубами фурмы. Головка является сменной, ее крепят к стальным трубам и срезают в случае износа.

Вопрос № 5. Сырьё и периоды плавки в кислородном конвертере.

В состав шихтовых материалов кислородно-конвертерной плавки входит металлическая и шлакообразующая часть, легирующие, раскислители и охладители (ж.р., окалина). Также применяют агломерат, окатыши, рудо-известковые брикеты, Mn-ю руду. Металлическая часть шихты включает в себя жидкий чугун, на долю которого приходится 75-80 % и скрап, количество которого в среднем составляет 24-25%, но не должно превышать 28%. Соотношение чугуна и скрапа выбирается в зависимости от количества Si в чугуне. В состав шлакообразующих входит известь (90%СаО) и разжижающие добавки - боксит (37-50%Al₂O₃), плавиковый шпат (85-95% CaF₂).

Периоды плавки:

Загрузка конвертера. Заваливают стальной лом в наклоненный конвертер и заливают жидкий чугун, затем устанавливают конвертер в вертикальное положение и вводят фурму.

Продувка. После ввода фурмы включают подачу кислорода чистотой 99,5%, одновременно с началом продувки загружают первую порцию шлакообразующих и железной руды. Остальную часть шлакообразующих подают в конвертер одной или несколькими порциями после начала продувки. Основная цель этой стадии плавки заключается в быстром формировании шлака с необходимыми свойствами (основностью, жидкоподвижностью); сложность этой задачи связана с высокой скоростью процесса (14-15 мин.).

Доводка металла по хим. составу и слив готового металла.

Вопрос № 6. Конвертерный процесс с донной и комбинированной продувкой.

При производстве стали в конвертере донного дутья, кислород подается через специальные щелевые коаксиальные фурмы (труба в трубе) в атмосфере защитного эндотермического газа. Такой способ подвода дутья заметно изменяет характеристики к/к процесса по сравнению с верхней продувкой. В первую очередь это влияет на интенсивность перемешивания кислородной ванны. Увеличение интенсивности перемешивания как непосредственно струями, так и пузырьками СО приводит к некоторому снижению окисл. шлака и соответственно металла, а это в свою очередь приводит к более высокому остаточному содержанию Мn в металле и к увеличению выхода годного металла. При донном дутье успешно удаляется фосфор при подаче вместе с кислородом пылевидной извести. Это позволяет перерабатывать высокофосфористый чугун. В стали наблюдается повышенное содержание водорода.

К/к процесс с комбинированной продувкой сочетает подачу кислорода в жидкий металл при помощи верхней вертикальной фурмы и подачу через днище инертного газа или кислорода в оболочке защитного газа. В конвертерах комбинированного дутья рационально сочетаются достоинства верхнего и комбинированного дутья и в значительной мере устраняются их недостатки. При комбинированном дутье возможно достижение достаточной интенсивности перемешивания металлической ванны, более полное протекание процессов обезуглероживания, десульфурации и дефосфорации металла, увеличение выхода годного и получение металла более высокого качества.

Вопрос № 7. Способы раскисления стали. Донное и диффузионное раскисление. Раскислительная способность и раскислители.

Технологическую операцию, при которой растворенный в металле кислород переводится в нерастворимое в металле соединение или удаляется из металла, называют раскислением. Применяют следующие способы раскисления стали: глубинное (донное), диффузионное, обработка синтетическими шлаками, обработка вакуумом.

Глубинное раскисление заключается в переводе растворенного в стали кислорода в нерастворимый окисел введением в металл элемента-раскислителя. Элемент-раскислитель должен характеризоваться большим сродством к кислороду, чем железо. В результате реакции образуется малорастворимый в металле окисел, плотность которого меньше плотности стали. Полученный таким способом "осадок" всплывает в шлак. В качестве раскислителей обычно применяют FeMn, FeSi, Al, сплавы редкоземельных металлов.

Раскисление протекает по следующим реакциям:

[Mn]+[O]=(MnO); [Si]+2[O]=(SiO₂);

2[Al]+3[O]=Al₂O_{3 тв.}; 2[Ce]+3[O]=Ce₂O₃.

При этом методе раскисления невозможно получить сталь, совершенно чистую от неметаллических включений, что является существенным недостатком, однако этот метод получил распространение как самый простой и дешевый.

При диффузионном раскислении раскислению подвергают шлак, уменьшая его окисленность и соответственно окисленность металла. При диф раскислении на шлак дают смеси, в состав которых входят сильные восстановители: углерод (кокс, древесный уголь, электродный бой), кремний (FeSi), алюминий. Окислы железа в шлаке взаимодействуют с раскислителями по реакции:

(FeO)+[CO]=Fe+CO_газ;

2(FeO)+Si=(SiO₂)+2FeO; 3(FeO)+2Al=(Al₂O₃)+3Fe.

При этом и концентрация, и активность окислов железа в шлаке уменьшается , а это в свою очередь вызывает уменьшение концентрации и активности кислорода в металле, т.к. отношение а(FeO)/a[o] при данной температуре является величиной постоянной. При диффузионном раскислении металл содержит меньше неметаллических включений чем при донном раскислении однако ему присущи следующие недостатки: низкая скорость протекания процесса, продолжительность плавки возрастает, падает производительность агрегата, возрастает износ футеровки.

В качестве раскислителей применяют FeMn, FeSi, Al, а также комплексные раскислители: SiMn, SiCa, сплав АМС, сплав КМК. Наибольшей раскислительной способностью обладает Са, наименьшей Mn.

Вопрос № 8. Строение и оборудование мартеновской печи. Регенераторы, перекидные и регулирующие устройства, форсунки и горелки.

Принцип работы мартеновской печи заключается в следующем: топливо (газ и воздух), проходя через предварительно нагретые насадки регенераторов, нагреваются до температуры 1000-1200 ⁰С и в нагретом состоянии подаются в печь через головку, при сгорании топлива образуется факел с температурой 1800-1900 ⁰С. пройдя через рабочее пространство и передав тепло материалам, расположенным в ней, раскалённые продукты сгорания попадают в головку, расположенную в противоположной стороне печи, после этого они попадают в другую пару насадок регенераторов и по системе боровов уходят к котлу-утилизатору или к трубе.

Н асадки рекуператоров с правой стороны постепенно охлаждаются, а насадки регенераторов левой стороны постепенно нагреваются. Когда регенераторы, через которые проходят в печь газ и воздух, уже не в состоянии нагревать их до нужной температуры, а регенераторы, через которые из печи уходит дым, перегреваются, происходит изменение направления движения газов в печи, для чего предусмотрены перекидные клапаны. Операцию называют перекидкой клапанов. Холодный воздух и газ направляются через хорошо нагретые левые регенераторы, а продукты сгорания уходят в правую сторону печи, постепенно нагревая остывшие правые регенератор, затем цикл повторяют.

Чем выше удаётся повысить температуру поступающих в печь газа и воздуха, тем выше температура факела и тем лучше работает печь. Повысить температуру факела можно и путём замены части либо всего воздуха кислородом, при полной замене рекуператоры оказываются ненужными. Газы из рекуператора попадают сначала в шлаковик, а уже затем по вертикальному каналу в головку печи. Шлаковики служат для улавливания плавильной пыли и шлаковых частиц, уносимых продуктами сгорания из рабочего пространства, этим насадки рекуператоров предохраняются от засорения. Обычно стремятся использовать тепло отходящих газов. Направляя их по системе боровов в котёл-утилизатор. Если котёл-утилизатор не установлен, то газы по боровам направляются в трубу.

Всё строение мартеновской печи делится на верхнее и нижнее. Верхнее строение расположено над площадкой мартеновского цеха на высоте 5-7м над уровнем пола цеха. Оно состоит из рабочего пространства печи и головок с отходящими вниз вертикальными каналами. Нижняя часть расположена под рабочей площадкой и состоит из шлаковиков. Регенеративных камер с насадками и боровов с перекидными устройствами.

Рабочее пространство мартеновской печи ограничено сверху сводом, снизу - подом. На границе задней стенки и подины располагается отверстие для выпуска плавки. В передней стенке находятся завалочные окна, через которые производят загрузку шихты. Они закрыты специальными футерованными крышками с гляделками.

Из всех элементов печи рабочее пространство находится в наиболее тяжёлых условиях. Огнеупорные материалы подвергаются резким тепловым и механическим ударам, а также химическому воздействию расплавленных металла и шлака. Стойкостью элементов рабочего пространства печи определяют стойкость всей печи и, следовательно, сроки промежуточных и капитальных ремонтов. Выбор футеровки для подины мартеновской печи определяется характеристикой шлаков. Если при плавке стали шлаки кислые, то подину нужно изготовлять из кислых огнеупорных материалов, если шлаки основные- то из основных.

Верхний (рабочий) слой кислой подины выполняют из кварцевого песка, основной – из магнезитового, реже доломитового порошка. Заднюю и переднюю стенку кислой мартеновской печи выкладывают из динасового кирпича, основной - из магнезитового. Те места ванны, которые соприкасаются во время плавки со шлаком, после выпуска плавки оказываются несколько повреждёнными, поэтому после каждой плавки подину ремонтируют (набрасывают песок, магнезитовый или доломитовый порошок). Эта процедура осуществляется с помощью специальных заправочных машин.

Свод мартеновской печи практически не соприкасается со шлаком и металлом, поэтому его можно изготавливать из кислых и основных огнеупоров независимо от типа процесса, для их футеровки применяют динасовый или термостойкий магнезитохромитовый кирпич. Арочные своды не применяются, и свод приходится выполнять распорно-подвесным с креплением и прокладками между кирпичами, а это усложняет и удорожает конструкцию. Основные магнезитохромитовые своды получили широкое распространение, их стойкость составляет 300-1000 плавок (динасовых – 200-350 плавок).

При конструировании и строительстве мартеновских печей применяются заранее подготовленные крупные блоки, что позволяет существенно сократить время строительства и ремонта печи, также часто применяются водоохлаждаемые конструкции вместо обычной футеровки. Во время работы внутренняя поверхность их покрывается гарнисажем и стойкость их повышается.

Большое значение для хорошей работы печей имеет также правильный выбор конструкции головок, через которые в печь подаётся топливо и воздух. Головки должны обеспечивать: хорошую настильность факела по всей длине ванны, минимальное сопротивление при отводе продуктов сгорания из рабочего пространства, хорошее перемешивание топлива и воздуха перед их подачей в рабочее пространство печи.

Отходящие из рабочего пространства печи дымовые газы проходят через головку и по вертикальным каналам попадают в шлаковики, в которых оседает 50-75% плавильной пыли. Почти вся пыль представляет собой основные окислы, поэтому для кладки этих элементов часто применяют термостойкий магнезитохромитовый кирпич.

Из шлаковиков отходящие газы пи температуре 1500-1550⁰С попадают в насадки регенераторов, объём насадки регенераторов и величина поверхности её нагрева тесно связаны друг с другом, от них зависят основные показатели работы печи - производительность и расход топлива. Регенераторы должны обеспечивать постоянную высокую температуру подогрева топлива и воздуха. В наиболее тяжёлых условиях работают верхние ряды насадок. Из поднасадочного пространства отходящие газы при температуре 500-700⁰С попадают в борова, которые предназначены для подвода к регенераторам газа, воздуха и отвода от них продуктов сгорания к трубе или к котлу-утилизатору. Высота дымовых труб современных крупных мартеновских печей превышает 100 м.

Мартеновская печь- агрегат реверсивного действия, в котором направление движения газов по системе печи периодически меняется. Для этого в боровах, газопроводах и воздуховодах устанавливают систему шиберов, клапанов, дросселей, задвижек, объединяемых общим названием - перекидные клапаны. В современных печах операция перекидки клапанов полностью автоматизирована.

Вопрос № 9. Сырьё и периоды плавки в мартеновской печи. Основной мартеновский процесс и его разновидности.

Широкое распространение основного мартеновского процесса объясняется высокими технико-экономическими показателями : производительностью, расходом топлива, расходом огнеупоров и универсальностью процесса. В основной мартеновской печи можно переплавлять чугун и скрап любого состава и в любой пропорции и получать при этом качественную сталь любого состава.

Сырые материалы скрап-процесса.

При скрап-процессе выплавляют сталь из шихты, состоящей главным образом из чугуна и скрапа. Состав применяемой металлической шихты зависит от состава чугуна и скрапа и от расхода чугуна и скрапа на 1 т стали. Мартеновская шихта, кроме железа, практически всегда содержит ещё то или иное количество углерода, кремния, марганца, серы, фосфора, меди, никеля и других примесей.

Кремний, марганец, фосфор и углерод характеризуются большим сродством к кислороду, чем железо, а значит эти примеси в условиях мартеновской плавки окисляются. Медь и никель характеризуются меньшим сродством к кислороду, чем железо, а следовательно не окисляются.

В основном процессе реакция окисления кремния не обратима, т.к. по мере растворения извести в шлаке происходит разложение образовавшихся ранее силикатов железа и образование силикатов кальция и активность (SiO₂) становится ничтожно малой.

[Si]+{O2}=(SiO2)

[Si]+2(FeO)=(SiO2)+2[Fe]

(FeO)2*SiO2+2(CaO)=(CaO)2*SiO2+2(FeO)

Марганец, как и кремний, легко окисляется, взаимодействуя с кислородом атмосферы и с окислами железа в шлаке. В конце плавки, если температура ванны достаточно высока, марганец может восстанавливаться из шлака, поэтому его иногда называют пирометром мартеновского процесса.

Для сталей большинства марок фосфор является вредной примесью, поэтому его стремятся удалить как можно полнее.

2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(CaO)4*P2O5+5[Fe]

Для успешного удаления фосфора необходимо: наличие железисто-известкового шлака, умеренные температуры, минимум фосфора в шлаке и минимальная активность его соединений в шлаке. Практически фосфор стремятся удалить из металла во время периода плавления и первой половины периода кипения. Обычно для удаления фосфора достаточно однократного скачивания шлака. Скачивание шлака – операция сложная, многократное же скачивание шлака из мартеновской печи очень затруднительно, поэтому высокофосфористую шихту предпочитают перерабатывать в качающихся мартеновских печах.

Для успешного удаления серы из металла в шлак необходимы следующие условия: высокая основность шлака, низкая его окисленность, высокая температура, увеличение поверхности раздела металл-шлак, низкая концентрация серы в шлаке. Осбое внимание также следует уделять содержанию серы в топливе.

Все реакции, протекающие в мартеновской ванне протекают на границе металл-шлак, а следовательно имеет очень большое значение величина поверхности их соприкосновения. В результате протекания реакции окисления углерода происходит кипение металла и увеличивается поверхность соприкосновения металл-шлак. Реакция окисления углерода до СО часто называют основной реакцией мартеновского процесса. В результате кипения выравниваются химсостав и температура металла, удаляются растворённые в металле газы, облегчается процесс всплывания и ассимиляции немет. включений, увелич. поверхность соприкосновения металла со шлаком, улучшая условия удаления вредных примесей. Во всех случаях необходимо, чтобы ванна содержала углерода больше, чем должно быть в готовом металле.

Ход плавки при скрап-рудном процессе.

Если в состав завода входят доменный, мартеновский и прокатный цеха, то почти весь чугун поступает поступает в мартеновский цех в жидком состоянии. Содержание углерода в металле при скрап-рудном процессе регулируют не увеличением или уменьшением расхода чугуна, как при скрап-процессе, а введением в завалку большего иои меньшего количества железной руды( обычно 12-16%). Чтобы получить шлак нужной основности в состав шихты вводят известняк. Жидкий чугун проходит через слой скрапа и взаимодействуют с железной рудой. Начинается интенсивное шлокообразование. Образующаяся окись углерода вспенивает шлак, он начинает стекать. Шлак, стекающий из печи во время плавки после заливки жидкого чугуна, называют «сбегающим» первичным шлаком. Со сбегающим первичным шлаком из печи удаляется значительное количество нежелательных окислов фосфора и кремния. Количество сбегающего шлака составляет 8-10% от массы металла, 59-70%от всего образующегося шлака.

Для ускорения процесса плавления и окисления примесей вскоре после окончания заливки чугуна ванну начинают продувать кислородом. Продолжительность плавления при таком методе работы сокращается в два-три раза, уменьшая тем самым расход топлива.

Эффективность работы мартеновских печей определяют, сравнивая их производительности и себестоимости выплавляемой стали.

Вопрос № 10. Преимущества и возможности электрометаллурии. Тенденции развития чёрной металлурии.

Преимущества электрометаллургии:

1.Возможность использования до 100% твердой завалки и связанная с этим возможность получения высоколегированных сталей и переплавки отходов.

2.Чистота источника энергии и возможность гибкого и точного управления им.

3.Более гибкое регулирование состава печной атмосферы(вплоть до создания восстановительной) благодаря чему обеспечивается возможность введения большого количества легирующих с высоким сродством к кислороду(Cr, Ti, Mo,W)

4.Возможность выплавки практически любых высоколегированных сталей и сплавов при условии (5) и (6) .

5.Обеспечение более высокой температуры плавки (тугоплавкость легирующих не страшна).

6.Возможность выплавки высококачественных сталей, т.е. содержащих особо малое количество примесей (сера, фосфор- 0,01-0,015; углерод-0,02).

7.Возможность обеспечения экологической чистоты производства.

8.В особой мере качество металла обеспечивается индукционной и вакуумной индукционной плавкой (печи ДСС, литейное пр-во в т.ч. высокопрочного чугуна, цветного литья).

9.Доведение емкости электропечи до 200 и более тонн, значимо само по себе, делает экономически целесообразным производство элетроплавкой и рядовых сталей.

Тенденции развития:

В настоящее время в мире наблюдается тенденция к переходу с мартеновского на конверторное производство. Конверторное производство является более простым и экономически выгодным, чем мартеновское.

Вопрос № 11. Классификация и разновидности электрических печей. Их предназначение и область применения.

Печи могут быть классифицированы по многим признакам, важнейшие :

1. По способу превращения электрической энергии в тепловую:

• Печи сопротивления это: печи для азотирования (проволочный нагреватель), печи графитизации (тепло выделяется из самого изделия), печи обжига огнеупоров и кирпича, печи для нагрева металлических заготовок перед прокаткой, ковкой (методические), др. По типу нагревателя: проволочные, ленточные, графитовые, керамические.

• Электродуговые печи: постоянного и переменного тока, прямого и косвенного нагрева(печи косвенного нагрева используются реже, в частности для переплава медных и никелевых сплавов), рудотермические, однофазные и трёхфазные, одно-, двух-, трёх- и многоэлектродные.

• Индукционные печи (используют тепло вихревых токов) подразделяются на печи с железным сердечником и без сердечника. Их используют для переплава чугуна, цветных металлов и их сплавов

• Электронно-лучевые печи.

2.По назначению: нагревательные, плавильные, ферросплавные и др.

3.По геометрии рабочего пространства: тигельные, муфельные, трубчатые,

ванные, шахтные.

4.По конструктивным особенностям: наклоняющиеся, вращающиеся, с отворачивающимся подом.

В производстве стали наибольшее распространение получили электродуговые печи и их модификации (плазменные, ЭШП и ВДП), а также индукционные печи. Для электроплавки получили применение в основном видоизмененные печи в которых осуществляется смешанный нагрев - частично дуговой , частично теплом выделяющимся в результате сопротивления шихты, находящейся между электродами (низкошахтные печи ).

Вопрос № 12. Основные периоды электроплавки, их предназначение.

Процесс электроплавки состоит из серии операций, выполняемых последовательно одна за другой:

1.заправка печи (магнезитовый порошок, песок, жидкое стекло);

2.завалка шихты;

3.расплавления, т.е. процесс формирования жидкой металлической ванны и жидкой шлаковой фазы на ней;

4.окисления примесей с переводом их в шлаковую или газовую фазы;

5.раскисления металлической ванны и восстановления оксидов железа и других полезных компонентов из шлака;

6.легирования и доводки плавки;

7.слива (выпуска) готовой плавки в ковш;

8.завалки следующей порции шихты в заправленную ванну.

1) Для поддержания огнеупорной футеровки печи в рабочем состоянии необходимо регулярно производить ремонт наиболее пострадавших участков после каждой плавки печь осматривают ,подину осматривают ощупывают железным штырем ,выявляют все поврежденные участки и принимают меры по их устранению.

2) Загрузку печи осуществляют при помощи загрузочной бадьи (в старых печах могут использоваться мульды).Состав шихты формируется в шихтовом пролете, длительность завалки бадьями около 5-10 мин. Быстрая завалка позволяет сохранить тепло ,в результате чего сокращается продолжительность плавления, уменьшается расход электродов и увеличивается стойкость футеровки.

3) Период плавления и окислительный период.

Основной задачей данногопериода является:

-плавление шихты

-окисление углерода и других примесей

-снижение содержания фосфора ниже допустимых пределов;

-возможно полное удаление растворенных в металле газов;

-нагрев металла до температуры на 120-130⁰С выше температуры ликвидус;

-приведение ванны в стандартное по окисленности состояние.

5)Задачи восстановительного периода:

-удалить серу до требуемого предела;

-прогреть металл до нужной температуры;

-раскислить металл;

6) Произвести легирование

Основные (как по длительности, так и по существу) процессы сталеварения происходят при наличии в печи металлического и шлакового расплавов, точнее на границе ‘металл- шлак’, а их интенсивность и эффективность определяется свойствами реагирующих фаз. Это справедливо только в тех случаях , когда непосредственному воздействию подвергается только одна из них.

Вопрос № 13. Окисление углерода в электропечи, механизм и условие удаления пузырька СО.

Окисление углерода представляет собой сложный процесс, даже в упрощённом виде состоит из трёх стадий:

• доставка кислорода в металлическую ванну;

• собственно реакция окисления;

• удаление продуктов.

С учётом конвективных потоков процессу приписывают 6 стадий. Кислород переходит в металл потому ,что его концентрация там ниже равновесной. Существуют эмпирические и полуэмпирические уравнения, диаграммы, определяющие переход (О) в [O] в зависимости от состава шлака (основность, %(FeO) и его активность), температуры, углерода [C] и т.д. По С.Т. Ростовцеву растворимость кислорода в железе %[O]мах при 16000 С около 0,23% и определяется только температурой.

При любом способе введения кислорода в расплав Ме рост его концентрации замедлен, т.е. процесс в конечном итоге сводится к межфазному взаимодействию «Ш – Ме»

В соответствии с правилом химического сродства растворённый кислород реагирует с углеродом:

[O]+[C]=[CO]={CO} (1)

обе стадии обратимы, поэтому процесс идёт вправо при достаточно высоких значениях [C] и, особенно [O] – переокисление, необходимо для глубокого обезуглероживания. Численная характеристика равновесия (1) установлена эмпирически:

m= =0,0025 ,

т.е. выражается при (РСО=const) гиперболической зависимостью, хорошо подтверждаемой опытными данными. Которые свидетельствуют, что при содержании углерода до 1%, содержание кислорода тем ниже, чем больший процент углерода содержится в металле. Фактическое содержание кислорода в металле несколько выше равновесного, что связано с:

• кинетической замедленностью процесса;

• значительными затратами энергии на три стадии процесса – зарождение и удаление пузыря СО:

Р_СО=Р_атм+Р_Ме+Р_Ш+Р_{капилл.}

Р_СО=Р_атм+_Fe ^.h_Fe+_ш^.h_ш+2r, где

 - плотность, г/см³

h - высота столба, см

 - поверхностное натяжение металла, дин/см

r - радиус пузыря, см

отсюда видно, что выделение газа в самостоятельную фазу требует преодоления большого давления. Во-вторых, что в гомогенной среде зарождение пузырька практически невозможно, т.к. например, для r=1 мкм (10^-6 см) член 2/r становится намного больше суммы всех остальных, а при r0, Р_{капилл.}. Поэтому зарождение новой фазы происходит по фазовым границам «Ш – Ме» и «Ме – футеровка».

Однако при диаметре пузырей >1 мм избыточное давление, определяемое последним членом уравнения становится настолько малым (0,03 ат.), что им можно пренебречь. По этим соображениям численные значение [C].[O] = 0,0025 логично понизить, прибегнув к продувке стальной ванны инертным газом. Этот приём используют в частности при обезуглероживании высокохромистых сплавов (при выплавке нержавеющих и жаропрочных сталей переплавом отходов). Процесс протекает более интенсивно при повышении температуры.

Вопрос № 14. Дефосфорация металла в окислительный период (пять основных условий удаления фосфора).

Фосфидные эвтектики, выделяющиеся по границам зёрен легкоплавки, охрупчивают сталь, снижают вязкость и увеличивают хладноломкость. Эти недостатки вредны для всех марок стали, кроме автоматных. Поэтому предел содержания [P] ограничивается 0,05%, а в некоторых случаях – (0,008 – 0,015%).

Реакция дефосфорации имеет вид:

2[P] +5(FeO)+4(CaO) = (4CaO^.P₂O₅)+5Fe

а([СаО]^{4 .} P₂O₅)

К _Р=

a²[P] ^. a⁵(FeO) ^. a⁴(CaO)

Сильное снижение значения, т.е. интенсивная дефосфорация, как видно по уравнению, обеспечивается пятой степенью а_(FeO) и четвёртой а_(СаО) . Следовательно, высокая концентрация этих компонентов в шлаке является непременным условием дефосфорации.

Однако в связи с тем, что радиус иона Fe²⁺ значительно меньше радиуса РО₄³–, эти ионы не могут дать устойчивой и прочной структурной конфигурации. В этой связи соотношение (СаО)/(FeO) должно быть оптимальным, около 3, и это тем заметнее, чем выше основность (В).

Снижение окислительного потенциала шлака или восстановительный характер атмосферы приводят к ревосстановлению фосфора, поэтому шлак окислительного периода плавки в большинстве случаев (кроме плавки на чистой шихте или собственных отходах) удаляют, скачивают, и наводят другой, на котором ведут восстановительный период.

Поскольку равновесие реакции окислительной дефосфорации сильно смещается влево при повышении температуры, её поддерживают в строгом режиме (необходимого минимума).

Условия необходимые для успешного удаления фосфора:

• Высокая основность шлака.

• Высокая степень окисленности шлака (FeO).

• Низкая температура.

• Оптимальное соотношение (СаО)/(FeO).

• Скачивание шлака.

Вопрос № 15. Механизм и условия десульфурации металла по периодам плавки. Шесть основных условий удаления серы в восстановительный период.

Железо и сера обладают неограниченной растворимостью в жидком состоянии и очень малой растворимостью в твёрдом состоянии. Вследствие понижения растворимости во время кристаллизации и охлаждения стали сера выделяется из раствора в виде включений сульфидов FeS (при температуре 1190⁰С) или окси-сульфидов, располагающихся по границам зёрен, ослабляя их связь и ухудшая свойства металла. Сера снижает коррозионную устойчивость и способствует трещинообразованию, образует эвтектику, которая при прокатке (ковке), оставаясь жидкой концентрируется по границам зёрен, образуя плёнки (причина трещин). Растворимость серы уменьшается с температурой, если при Т=1365⁰С она максимальна и составляет 0,05%, то при температурах 1200, 1100, 1000⁰С она равна 0,031; 0,021; 0,013% соответственно.

Влияние легирующих на растворимость серы резко отрицательно. При выплавке конструкционных сталей содержание S не > 0,01%; шарикоподшипниковых и трансформаторной <0,005%.

Сера (S) и [S] находятся в равновесии, которое характеризуется коэффициентом распределения LS= . В восстановительный период LS = (15-40), иногда 60.

За окислительный период окисляется (20 – 40)%, поэтому основное удаление серы происходит в восстановительном периоде.

Условия удаления серы:

• Главным образом, глубокое удаление S, это влияние (FeO)%. Снижение содержания FeO вызывает существенное увеличение LS (т.е. сера начинает активно удаляться).

• Увеличение основности шлака, вызывает снижение содержания серы. Оптимальная основность (2,7 – 3,3).

• Увеличение содержания С благоприятно влияет на удаление S.

• Снижение содержания сери вызывается также увеличением кратности шлака.

• Повышение температуры позволяет полнее удалить серу.

• Увеличение поверхности контакта металла и шлака.

Процесс удаления серы представлен следующей реакцией:

3(FeS)+(CaC₂)+2(CaO) = 3(CaS)+3Fe+2CO

Вопрос № 16. Легирование стальной ванны, порядок и условия ввода легирующих, степень усвоения.

Порядок введения легирующих добавок определяется необходимостью максимального их усвоения (испарением (угар), окислением, и др. условиями). Температурные условия особенно важны для тугоплавких (трудно усваиваемых – ферровольфрама, ферромолибдена, легко всплывающего ферротитана и т.п.). Поэтому ферросплавы чаще всего требуют фракционирования (цена на 20% выше) и предварительного подогрева.

• Кусковый ферросилиций в ванну металла вводят за 10-15 минут до выпуска при его почти 100% - ном усвоении.

• Ферромолибден вводят либо в конце окисления, либо после скачивания окислительного шлака, в количестве от среднего до верхнего предела марки. Усвоение 80-95%

• Феррохром вводят в хорошо раскисленный и прогретый металл на средний предел из расчёта усвоения 95%.

• Никель практически не окисляется. Загружают в виде электролитического никеля в конце окислительного периода и ведут корректировку до конца. Испарение не более 4%.

• Молибден (ферромолибден). Вводят в конце плавки или восстановительного периода. МоО2 или молибденат Са вводят в завалку или в конце плавления, почти 100% усвоение.

• Феррованадий и ферровольфрам усваиваются на 90%. Ферровольфрам вводят в начале восстановительного периода (что бы успел растворится и распределится), феррованадий – за 10-20 минут до окончания плавки.

• Лёгкий ферротитан усваивается не более чем на 60%, его дают за 10-15 мин. до выпуска или в ковш.

• Расчет количества добавок рассмотрим на примере легирования хромом конструкционной стали.

Исходные данные:

• Заданное содержание в марке, %…………………………….0,75

• Содержание хрома в ванне в начале восстановления, %…...0,10

• Содержание хрома в феррохроме, %………………………...60,0

• Расчетное количество металла в печи, т……………………..20,0

  1. Необходимо увеличить долю хрома в металле на 0,75 – 0,10=0,65%

  2. Для этого нужно хрома 20000*0,65/100=130 кг.

  3. С учётом 5% угара потребность в хроме составит: 130*1,05=136,5 кг.

  4. В пересчёте на 60%-й феррохром: 136,5*100/60=227,5 кг.

Вопрос № 17. Внепечные способы обработки стали.

Синтетическим шлаком в ковше.

Для ускорения реакции окисления и дефосфорации и особенно раскисления с десульфурацией применяется обработка СШ. Этот процесс основан на том, что при разливке металла в ковш с СШ происходит интенсивное перемешивание (коктейль), увеличивается в сотни раз поверхность контакта (шлак-металл). Высо- ко глинозёмистый шлак (97% Al₂O₃; 0,3-0,7% SiО₂; 0,5-0,9% FeO) выплавляют отдельно в спец. печах.

Обрабатывают таким шлаком:

• шарикоподшипниковые

• конструкционные

• нержавеющие стали.

После обработки СШ содержание S уменьшается до 0,001-0,006% (на 50-80%), L_S=(100-120); неметаллические загрязнения уменьшаются в 2-4 раза, а время плавки на 30-50 мин.

Применение порошкообразных материалов.

Является средством интенсификации плавки в дуговых печах, (продувка порошкообразными материалами в потоке с газом). Повышается:

• обезуглероживание

• дефосфорация

• _{раскисление}

_{Для дефосфорации вдувается смесь известь – Fe (руда) – CaF2 (7:2:1) с размером около 1 мм. Это позволяет не скачивать плавильный шлак. Если вдувать в восстановительный период то можно удалять S (СаО + немного СаF2). Газ носитель Ar.}

_{Обработка ЩЗМ.}

_{При продувке SiCa или Mg+Fe (порошок). Содержание [O] снижается на 20 –55% (до 0,0015-0,0025%). Содержание серы снижается на 20-80% (до 0,002 - 0,0011%). В Германии существует метод ТN: вдувание соединений Са+Мg в смеси с СаО и СаF2. ЩЗМ способствуют образованию глобулярной формы окислов (лучше удаляются из металла, S удаляется на 90%).}

_{Обработка металла аргоном.}

_{Продувка Ar – осуществляется в ковше, через спец. отверстие в днище.}

_{Преимущество:}

1. _{выравнивается химический состав металла, усредняется Т;}

2. _{степень удаления Н2 повышается на 15–40%,[H2] с 6*10}^-4_{% до 5,3*10}^-4_{%; [N] c 0,006 до 0,005%; [O] с 0,004 до 0,0017%;}

3. _{температура разливки стали снижается на 30–70 без ухудшения разливки;}

4. _{повышается плотность металла;}

5. _{повышаются механические свойства.}

_{Продолжается продувка 5 – 15 мин.}

_{Вакуумирование.}

Может применятся параллельно с продувкой аргоном в:

1. _{ковше, это позволяет ускорить дегазацию стали (=10 –17 мин.);}

2. _{дегазация стали в струе;}

3. _{порционная дегазация стали Р=0,002– 0,003, =15 – 25 мин. +Аr;}

4. _{циркуляционное вакуумирование +Ar; Н2 снижается с 6-8 до 2-3 мл/100г. ,а О2 снижается с 0,01 до 0,002 – 0,004.}

Вопрос № 18. Специальные способы электроплавки стали (ЭШП, ВДП, ЭЛП, ПДП, ВИП).

К ним относятся ЭШП, ВДП, ПДП и ЭЛП – перечисленные в порядке распространения. Все они методы вторичного переплава с целью глубокого рафинирования. Иногда используют комбинацию переплавных методов. Их общая черта – необходимость изготовления расходуемого электрода из слитка основного переплава.

ЭШП – рафинирует капли металла, проходящие сквозь слой синтетического шлака (электропроводного), чаще системы СаО-СаF₂ = 85–15%, рафинируя от серы и неметаллических включений. Несколько уменьшается содержание фосфора, но не снижается газосодержание, поэтому часть комбинируется с вакуумным методом. Установка состоит из следующих основных частей: (1-поддон, 2-кристалл., 3-слиток, 4-дуга,5-расходуемый электрод, 6-синтетический шлак, 7-металл. ванна).

ЭЛП – электропушка работает в вакууме 10^-5, таким вакуумом обрабатывается металл в капельном объёме, отсутствуют футеровка и электроды, поэтому обеспечивается «стерильная» чистота. Максимальное испарение летучих примесей. Водород удаляется на 100%, кислород 40 – 90%, азот на 40 – 80%.

ВДП – Работает без шлака. Более доступен по сравнению с ЭЛП и дешевле. Удаляет газы и металлические включения. Дополнительный эффект рафинирования во всех способах=при кристаллизации слитка, вследствие ликвации примесей по принципу зонной плавки. Которая применяется для получения очень чистых металлов. При ВДП водород удаляется на 100%, кислород 30 – 65%, азот 25 – 30%.

П

а) б)

Рисунок 1. – Установки спец. электроплавки стали (а- ЭШП, б- ПДП).

ДП – позволяет удалять примеси испарением при высоких температурах, используют металлические (вольфрам), керамические и т.п. Установка состоит из следующих основных частей (1,4,9-Н₂О, охлаждение; 2-слиток; 3-Аr; 5-плазмотрон; 6-дуга; 7-плав. камера; 8-кристаллизатор; 10-откачка ).

Общий недостаток: дороговизна, сложность оборудования, необходимость квалифицированного персонала. Однако качество металла обеспечивается на высочайшем уровне.