1.3.6. Основні способи виробництва сталі
Шлаки сталеплавильних процесів.
Роль шлаків у процесі виробництва сталі виключно велика. Шлаковий режим, який визначається кількістю і складами шлаку, надає великий вплив на якість готової сталі, стійкість футерівки і продуктивність сталеплавильного агрегату. Шлак утворюється в результаті окислення складових частини шихти, з оксидів футерівки печі, флюсів та руди. За властивостями шлакоформуючі компоненти можна розділити на кислотні (SiO2; P2O5; TiO2; тощо), основні (CaO; MgO; FeO; MnO тощо) і амфотерні (Al2O3; Fe2O3; Cr2O3, і ін) оксиди. Найважливішими компонентами шлаку, що надають основний вплив на його властивості, є оксиди SiO2 і CaO. Шлак виконує кілька важливих функцій у процесі виплавки стали: 1. Пов'язує все оксиди (крім ЗІ), що утворюються в процесі окислення домішок чавуну. Видалення таких домішок, як кремній, фосфор і сірка, відбувається тільки після їх окислення і обов'язкового переходу у вигляді оксидів з металу в шлак. У зв'язку з цим шлак повинен бути належним чином підготовлений для засвоєння й утримання оксидів домішок; 2. У багатьох сталеплавильних процесах служить передавачем кисню з пічний атмосфери до рідкому металу; 3. У мартенівських і дугових сталеплавильних печах через шлак відбувається передача тепла металу; 4. Захищає метал від насичення газами, що містяться в атмосфері печі. Змінюючи склад шлаку, можна відчищати метал від таких шкідливих домішок, як фосфор і сірка, а також регулювати по ходу плавки вміст у металі марганцю, хрому і деяких інших елементів. Для того, щоб шлак міг успішно виконувати свої функції, він повинен у різні періоди сталеплавильного процесу мати певний хімічний склад і необхідну плинність (величина зворотна в'язкості). Ці умови досягаються використанням як шихтових матеріалів плавки розрахункових кількостей шлакоутворюючих - вапняку, вапна, плавикового шпату, бокситу та ін
Конвертерний спосіб виплавки сталі
Виробництво сталі в кисневих конвертерах
Киснево-конвертерний процес являє собою один з видів переділу рідкого чавуну в сталь без витрати палива шляхом продувки чавуну в конвертері технічно чистим киснем, що подається через фурму, яка вводиться в метал зверху. Кількість повітря необхідного для переробки 1 т чавуна, складає 350 кубометрів.
Вперше киснево-конвертерний процес у промисловому масштабі був здійснений в Австрії в 1952 - 1953 рр. на заводах у містах Лінці і Донавіце (за кордоном цей процес отримав назву ЛД за першими літерами міст, у нашій країні - киснево-конвертерного). В даний час працюють конвертери ємністю від 20 до 450 т, тривалість плавки в яких становить 30-50 хв.
Кисневий конвертер (рис. 1) являє собою посудину грушоподібної форми (1) із сталевого листа, футеровану всередині цеглою (2). Робоче положення конвертера вертикальне. Кисень подається в нього під тиском 0,8...1 МПа за допомогою фурми (3), яка охолоджується водою, що вводиться в конвертер через горловину (4) і розташовується над рівнем рідкого металу на відстані 0,3...0,8 м.
Матеріалами для одержання сталі в кисневому конвертері служать рідкий чавун і сталевий брухт. Для наведення шлаку в конвертер додають залізну руду і вапно, а для його розрідження - боксит і плавиковий шпат.
5
Рис. 1. Схема кисневого конвертера
Перед початком роботи конвертер повертають на цапфах (5) навколо горизонтальної осі і з допомогою завалочної машини завантажують до 30% металобрухту, потім заливають рідкий чавун при температурі 1250...1400 °С, повертають конвертер в початкове вертикальне положення, вводять кисневу фурму, подають кисень і додають шлакоформуючі матеріали.
У момент, коли вміст вуглецю досягає заданого для виплавлюваної марки сталі, подачу кисню припиняють, конвертер повертають і виливають спочатку сталь, а потім - шлак.
Для зменшення вмісту кисню сталь при випуску з конвертера розкислюють, тобто вводять в неї елементи з більшою, ніж у заліза, спорідненістю із киснем (Si, Mn, Al). Взаємодіючи з оксидом заліза FeO, вони утворюють нерозчинні оксиди, що переходять в шлак.
Продуктивність кисневого конвертера ємністю 300 т досягає 400...500 т/год., у той час як продуктивність мартенівських і електропечей не перевищує 80 т/год. Завдяки високій продуктивності і малій металоємності киснево-конвертерний спосіб стає основним способом виробництва сталі.
Процес займає чільну роль серед існуючих способів масового виробництва сталі. Такий успіх киснево-конвертерного способу полягає в можливості переробки чавуну практично будь-якого складу, використанням металобрухту від 10 до 30%, можливістю виплавки широкого асортаменту сталей, включаючи леговані, високою продуктивністю, малими витратами на будівництво.
При конвертерному способі виробництва, завдяки тому, що окислення фосфору і сірки йде одночасно є можливість зупинити процес на заданому вмісту вуглецю і отримати досить широку гаму вуглецевих сталей при низькому вмісті сірки і фосфору.
Хід процесу. Процес виробництва сталі в кисневому конвертері складається з наступних основних періодів: завантаження металобрухту, заливання чавуну, продувки киснем, завантаження шлакоутворюючих, зливу стали і шлаку.
Завантаження конвертера починається з завалювання сталевого брухту. Лом завантажують в нахилений конвертер через горловину за допомогою завалочних машин лоткового типу. Потім за допомогою заливальних кранів заливають рідкий чавун, конвертер встановлюють у вертикальне положення, вводять фурму і включають подачу кисню з чистотою не менше 99,5% О2. Одночасно з початком продувки завантажують першу порцію шлакоутворюючих і залізної руди (40-60% від загальної кількості). Іншу частину сипучих матеріалів подають у конвертер в процесі продувки одна чи кілька порціями, найчастіше 5 - 7 хвилин після початку продувки.
Мартенівський спосіб виплавки сталі
Мартенівський процес. Матеріалами для виплавки сталі в мартенівської печі можуть бути: сталевий брухт (скрап), рідкий та твердий чавуни, залізна руда.
За характером шихтових матеріалів основний мартенівський процес ділитися на кілька різновидів, найбільшого поширення з яких набули: 1) скрап-рудний процес на шихті з рідкого чавуну з добавкою 25...39% сталевого скрапу і залізної руди;
2) скрап-процес на шихті із сталевого брухту і 25...45% чушкового переробного чавуну.
Флюсом в обох процесах зазвичай служить вапняк СаСО3 (8 ... 12% від маси металу).
Більш широке застосування в металургії отримав скрап-рудний процес виплавки сталі в основній мартенівській печі. Спочатку в піч завантажують і прогрівають залізну руду і вапняк, потім додають сталевий скрап і заливають рідкий чавун. У процесі плавки домішки в чавуні окислюються за рахунок оксиду заліза руди і скрапу. Також утворюється шлак, що періодично випускається з печі в шлакові чаші.
Для інтенсифікації процесу плавлення та окислення домішок ванну продувають киснем, що подається через водоохолоджувальні фурми. Продування киснем дозволяє в 2...3 рази скоротити тривалість процесу, зменшити витрату палива і залізної руди.
Після плавлення шихти починається період кипіння ванни. У цей час інтенсивно окислюється вуглець в металі. У момент, коли вміст його досягає заданого, а кількість сірки та фосфору зменшується до мінімуму, кипіння припиняють і починають розкислення сталі в ванні печі феромарганцю, феросиліцію і алюмінієм. Остаточно сталь розкислюють алюмінієм і феросиліцію в сталерозливних ковші при випуску сталі з печі. Цей процес широко застосовується на заводах з повним металургійним циклом.
Скрап-процес застосовують на машинобудівних заводах, що не мають рідкого чавуну. Від скрап-рудного процесу він дещо відрізняється плавленням шихти.
Основний скрап-процес застосовується для виплавки вуглецевих і легованих сталей.
Рис.2 Схема мартенівської печі
1,2,10,11-регенератори, 3,9-канал для газу, 4,8-канал для повітря,
5-вікна, 6-під, 7-простір, 12,14-клапани, 13-труба
Мартенівська піч (рис. 2) представляє собою регенеративну полум'яну піч, висока температура в якій (1750...1800 °С) досягається за рахунок згоряння газу в плавильному просторі. Газ і повітря підігріваються в регенераторах. Зліва від плавильного простору 7 знаходяться канали для газу 3 і повітря 4, з'єднані з регенераторами 1 і 2. Такі ж канали для газу 9 і повітря 8 є справа від плавильного простору 7; вони відповідно з'єднані з регенераторами 10 і 11. Шихта завантажується через вікна 5.
Газ і повітря, що подаються в піч проходять через заздалегідь нагріті до температури 1200...1250 °С регенератори 10 і 11, нагріваються в них і надходять в плавильний простір печі. Тут газ і повітря змішуються і згоряють, утворюючи полум'я високої температури. Продукти згоряння по каналах 3 та 4 надходять в регенератори 1 і 2, нагрівають їх, охолоджуючись до 500...600 °С, і йдуть у димову трубу 13. При охолодженні регенераторів 10 та 11, напрямок газу і повітря в печі міняють на зворотній перемиканням клапанів 12 і 14. Тоді газ і повітря надходять в плавильний простір по каналах 3 та 4, пройшовши нагріті регенератори 1 і 2, а продукти згоряння виходять по каналах 8 і 9, нагрівають насадку регенераторів 10 і 11 і йдуть в трубу 13. Таким чином, газ і повітря при роботі печі проходять через то ліві, то праві регенератори, що поперемінно нагріваються.
Мартенівські печі, що працюють на мазуті, мають з кожної сторони по одному регенератор для нагріву тільки повітря.
У нашій країні експлуатуються мартенівські печі ємністю від 20 до 900 т рідкої сталі. Важливою характеристикою цих печей є також площа поду (6). Для печі ємністю 900 т вона складає близько 120 м2.
Показники роботи мартенівських печей: вихід сталі з 1 м2 поду печі на добу і витрата палива на тонну виплавленої сталі. На вітчизняних заводах вихід сталі складає близько 10 т/м2 на добу, а витрата палива при скрап-рудному процесі – 120...180 і при скрап-процессі – 170... 250 кг/т.
Інтенсифікація мартенівського виробництва досягається використанням печей більшої місткості, гарної підготовки шихтових матеріалів, автоматизації процесу плавки. Підвищенню продуктивності печей і економії палива сприяє застосування кисневого дуття.
Сутність мартенівського процесу полягає у переробці чавуну і металевого брухту на поді відбивної печі. У мартенівському процесі на відміну від конвертерного недостатньо тепла хімічних реакцій і фізичного тепла шихтових матеріалів. Для плавлення твердих шихтових матеріалів, для покриття значних теплових втрат і нагрівання сталі до необхідних температур в піч підводиться додаткове тепло, одержуване шляхом спалювання у робочому просторі палива в струмені повітря, нагрітого до високих температур.
Шихтові матеріали основного мартенівського процесу складаються, як і при інших сталеплавильних процесах, з металевої частини (чавун, металевий лом, розкислювачі, легуючі) і неметалевої частини (залізна руда, мартенівський агломерат, вапняк, вапно, боксит).