1.2 Производство стали
1.2.1 Общие сведения. Сталь содержит менее 2,14 % углерода, меньше, чем в чугуне, кремния, марганца, серы фосфора и других примесей. Сталь отличается высокой прочностью, вязкостью, пластичностью, легко поддается механической и термической обработке. Исходный материал для получения стали: передельный чугун, металлический лом (скрап), железорудные окатыши, ферросплавы. В качестве флюсов используют известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, марганцевую руду, кварцевый песок.
Сталь получается из чугуна путем удаления значительного количества углерода и примесей вследствие их окисления (выжигания). Особенно важно удалить вредные примеси серы и фосфора, которые придают стали хрупкость. В качестве окислителей используют кислород, воздух, окалину и железную руду.
Сталеплавильный процесс делится на три этапа:
окисление — удаление из чугуна избытка углерода, марганца, кремния и фосфора;
рафинирование — очистка стали от вредных примесей (серы и фосфора);
раскисление — восстановление железа из FеО.
Технологическая схема сталеплавильного производства представлена на рисунке 1.3.
Сначала под действием кислорода образуется закись железа (FеО), которая, реагируя с кремнием, марганцем, фосфором, образует переходящие в шлак продукты и удаляется с газами. Закись железа взаимодействует с углеродом, получаются железо и углекислый газ.
В конце процесса плавки происходит раскисление, так как кислород, находящийся в стали, понижает ее механические свойства (повышается хрупкость). Поэтому в жидкий металл добавляют раскислители: ферросилиций, ферромарганец и алюминий.
Процесс раскисления идет с выделением теплоты:
2FеО+ Si → 2Fе + SiO2
FеО+ Мn → Fе + MnО
ЗFеО+ 2Аl → ЗFе+ А12O3
Используют такие сталеплавительные процессы, как конверторный, мартеновский, электросталеплавильный.
Рисунок 1.3 Технологическая схема сталеплавильного производства
1.2.2 Конвертерный способ получения стали. Конвертерный сталеплавительный процесс может осуществляться бессемеровским и кислородно-конверторным способами, которые основаны на использовании конвертера — стального сосуда, футерованного огнеупором. Он установлен на двух цапфах, которые дают возможность наклонять его для заливки чугуна и выпуска стали.
При получении стали в бессемеровском конвертере заполнение конвертера жидким чугуном и продувка его воздухом осуществляется через днище. Данный способ и его модификации (томасовский способ, русское бессемерование и т. д.) отличаются высокой производительностью и не требуют дополнительного топлива. В то же время полученная этим способом сталь имеет повышенное содержание фосфора, серы и азота, взятых из воздуха, что делает ее менее качественной.
При кислородно-конвертерном способе (рисунок 1.4) для продувки используется технически чистый кислород, который под давлением 1,6—1,8 МПа подают в конвертер 3 через вертикальную трубчатую водоохлаждаемую фурму 4, не доходящую до металлической ванны. Достигается высокая температура за счет теплоты экзотермических реакций окисления примесей и расплавленного чугуна, что дает возможность перерабатывать чугун практически любого химического состава и добавлять в чугун скрап (железный лом).
Проникающий в чугун кислород окисляет железо, оксид железа вступает во взаимодействие с примесями, находящимися в чугуне.
При этом углерод выгорает:
FeО2 + С → Fe + СО
1 — станина; 2 — опорное кольцо
с цапфами; 3 — стальной корпус
с футеровкой; 4 — кислородная фурма;
5 — рабочее пространство;
6 — выпускная летка для стали;
7 — опорные узлы станины;
8 — механизм поворота;
9 — расплав стали
Рисунок 1.4 Кислородный конвертер
Одновременно с кислородом в плавку вводят шлакообразующие материалы. Наличие в шлаке большого количества СаО и активное перемешивание металла и шлака при плавке обеспечивают удаление серы и фосфора, так как образуются соединения, растворимые в шлаке и не растворимые в металле (CaS, Р2О5 · 4СаО). Когда содержание углерода достигает заданного, подача кислорода прекращается.
Для улучшения качества стали, более глубокого обезуглероживания, увеличения доли скрапа в конвертер вместе с кислородом сверху и через донные отверстия подают природный газ, аргон и азот, парокислородную и аргонокислородную смесь, порошкообразный СаО. В конвертерах вместимостью 150—350 т плавка протекает за 25—50 мин.
Кислородно-конвертерный процесс производства стали является самым производительным. Данным способом выплавляется основная масса углеродистых и низколегированных сталей.
Весь процесс — загрузка (лома, чугуна, флюсов), продувка, раскисление, слив шлака и выпуск металла — занимает менее 1 ч.
Выплавка в кислородном конвертере отличается достаточно высокой точностью получения стали заданного содержания. Затраты энергии при этом способе по сравнению с мартеновским ниже на 27 %.
1.2.3 Выплавка стали в мартеновских печах. Мартеновская печь (рисунок 1.5) представляет собой пламенную отражательную печь, в которой высокая температура (1750—1800°С) достигается вследствие сгорания газа или мазута в плавильном пространстве. Этим способом получают стали различного химического состава (включая и низкоуглеродистые) путем переплава различных шихтовых материалов: отходов металлургического производства (стального скрапа), стального лома, чугуна. Целью является доведение до требуемого количества углерода, марганца, кремния и удаление вредных примесей. В мартеновской печи при высокой температуре происходит окисление загруженных в печь материалов и их взаимодействие с рудой и окалиной.
1 и 5 – подогревающие головки; 2 – газовые каналы; 3 – свод; 4 – плавильное пространство; 6 и 9 — регенераторы; 7 — подина; 8 – окна
Рисунок 1.5 Мартеновская печь
Процессы, происходящие в мартеновских печах, делятся на основные и кислые. Последние в настоящее время имеют ограниченное применение. По характеру шихтовых материалов основные мартеновские процессы бывают трех видов:
скрап-процесс с применением скрапа и твердого чугуна;
скрап-рудный процесс с использованием жидкого чугуна, скрапа и некоторого количества руды как носителя кислорода;
рудный процесс на жидком чугуне без скрапа или при малом его количестве с применением руды.
В основном для выплавления мартеновской стали используют скрап-рудный процесс.
Для ускорения плавления шихты применяют газокислородные горелки, подводящие кислород через водоохлаждаемые многосопловые головки.
Плавильное пространство 4 печи ограничено снизу подиной 7, сверху — сводом 3, с боков — стенками. По обе стороны плавильного пространства находятся подогревающие головки 1 и 5 с каналами, которые ведут к шлаковикам (на рисунке 1.5 не показаны). Шлаковики сообщаются с регенераторами 6 и 9, имеющими огнеупорную насадку для подогрева окислительного дутья и газового топлива. Поступающие по каналам 2 газы смешиваются и сгорают в рабочем пространстве длинным факелом. Периодически (через 10—15 мин) направление движения газов в регенераторах, головках и самом рабочем пространстве меняется на обратное. Такая схема обеспечивает постоянный подогрев поступающих газов и необходимую температуру в плавильном пространстве (до 1700°С).
В передней стенке мартеновской печи находятся окна 8, через которые с рабочей площадки подают шихту, берут пробы стали и наблюдают за плавкой. Подина печи наклонена к задней стенке, в которой находится летка, закрытая во время плавки пробкой из огнеупорной массы. Для выпуска стали пробку пробивают снаружи.
Рабочий процесс в мартеновских пламенных отражательных печах делится на следующие этапы: загрузка и плавление шихты; кипение металлической ванны и доводка (рафинирование); раскисление металла.
На этапе загрузки и плавления шихты в окислительной среде частично окисляются железо и фосфор, почти полностью кремний и марганец, образуется первичный шлак. После образования шлака жидкий металл не контактирует с газами. Для поддержания в шлаке определенной концентрации FеО в печь добавляют руду.
Значительная часть фосфора при плавке переходит в шлак.
В мартеновских печах выплавляют конструкционные углеродистые и легированные стали.
Основным недостатком мартеновского процесса получения стали является его продолжительность (7—10 ч) и значительный расход топлива.
В связи с увеличением использования кислорода в металлургической промышленности мартеновские печи перестраивают на двухванные; при этом капитальные затраты в пять-шесть раз меньше, чем при строительстве новых мартеновских печей.
Рабочее пространство двухванной печи (рисунок 1.6) разделяется водоохлаж-даемой перемычкой на две одинаковые ванны (А и Б). Каждая ванна имеет завалочные окна и летку. Свод печи съемный. Печь не имеет головок и регенераторов, как мартеновская, что значительно упрощает ее конструкцию, а следовательно, и ремонт. Из рабочего пространства газы проходят через шлаковики В и направляются для утилизации теплоты. Над серединой каждой ванны через свод пропущены кислородно-топливные горелки 2 и 4. Рядом с горелками имеются фурмы 3 для вдувания в ванну молотой извести.
Двуванная печь работает следующим образом: при продувке металла 7 кислородом в горячей ванне А в ванну Б загружают скрап, окатыши и известь 6. Одновременно через горелку 4 подают кислород для сжигания оксида углерода, выделяющегося из ванны А, в результате шихта в ванне Б разогревается.
1 – шлак; 2 и 4 – горелки; 3 – фурмы;
5 – рабочее пространство;
6 – окатыши и известь; 7 – металл;
А, Б – ванны; В – шлаковики
Рисунок 1.6 Двухванная мартеновская печь
По окончании плавки в ванне А сталь 7 и шлак 1 выпускают через летку; в это время производят заливку чугуна в ванну Б. Затем опускают горелку 4 до уровня шлака, клапаны газоотвода перекрывают, и газ идет в обратном направлении — из ванны Б через ванну А.
Для разогрева ванны в горелку 4 вместе с кислородом при необходимости можно подавать природный газ, а для выведения шлака — через фурмы 3 — известь. Когда ванна А освобождается, ее загружают огнеупорами (магнезитовым порошком), затем заваливают твердую шихту, и цикл повторяется.
При наличии в шихте более 50% жидкого чугуна тепловой баланс процесса позволяет вести работу без расходования топлива. При этом плавка аналогична кислородно-конвертерному процессу, но происходит она с менее интенсивной продувкой, используя теплоту газов, и дожиганием монооксида углерода для нагрева шихты в соседней ванне.
Двухванные печи могут работать и на твердой завалке, без жидкого чугуна. В этом случае соответственно увеличивается расход природного газа и кислорода.
Производительность двухванной печи примерно в два раза выше производительности мартеновской печи при одинаковом объеме. Наличие двух ванн значительно упрощает организацию работы, обеспечивает более равномерную загрузку завалочного и разливочного оборудования.