Металлургия технология угля и неметаллических полезных ископаемых3

Поверхностное кипение обычно возникает при наличии сильно окисленных шлаков и высоком содержании углерода в металле, что соответствует условиям начальных периодов плавки.

По мере понижения содержания углерода возрастает количе­ ство растворенного в металле кислорода (рис. 15) и возникает вероятность «донного» кипения ванны. Этому способствует повы-

Рис. 15. Зависимость содержания кислорода в металле от содержания углерода:

шение температуры процесса, облегчающей диффузию закиси же­ леза в шлаке и кислорода в металл. Однако для выделения пузы­ ря СО из металла ему необходимо преодолеть не только атмос­ ферное и гидростатическое давление металла и шлака, но и силы поверхностного натяжения, характеризуемые давлением, поверх­

ностного натяжения р —— (здесь а — поверхностное натяжение,

г — радиус пузыря). Образованию пузырей СО относительно боль­ шего размера, когда величина р понижается, способствует нали­ чие твердых шероховатых поверхностей подины, шихтовых мате­ риалов и неметаллических включений в объеме металла. Если при поверхностном кипении давление СО в пузырях близко к атмо­ сферному (дсо» 1 ата), то при донном кипении ванны в марте­ новской печи оно составляет около 1,5 ата.

Пузыри окиси углерода, проходя через весь слой металла, со­ вершают большую работу перемешивания ванны, ускоряют ее нагрев, способствуют удалению неметаллических включений из стали. Подовое кипение обеспечивает также энергичную дега­ зацию ванны — удаление из стали азота и водорода. Поэтому про­

цесс окисления углерода оказывает большое влияние на качество, выплавляемой стали.

Концентрация углерода в стали определяет, кроме того, ее окисленность, т. е. содержание кислорода. При выплавке малоуг­ леродистых сталей (С< 0,2%) возможно значительное повышение содержания кислорода в металле и снижение скорости окисления углерода.

О к и с л е н и е к р е мни я , м а р г а н ц а и ф о с ф о р а , рас­ творенных в металле, осуществляется на границе раздела шлак — металл за счет закиси железа шлака по реакциям, идущим с вы­ делением тепла:

[Si] 4- 2 (FeO) = (SiO?) + 2Fe + 87,0 ккал;

[Mn] + (FeO) = (MnO) + Fe + 29,5 ккал;

2 [P] + 5 (FeO) 4- 4 (CaO) = (4Ca0P20 5) + 5Fe + 130 ккал.

Продукты этих реакций — кремнезем, закись марганца и тет­ рафосфат кальция поступают в шлак, а восстановленное железо переходит в металл. Непосредственное окисление' кремния, мар­ ганца и фосфора кислородом маловероятно. В этом случае на границе газ — металл протекает реакция с образованием закиси железа

Fe + — Оо = FeO,

2

последняя непосредственно, либо растворяясь в шлаке, служит источником окисления этих примесей.

Сродство к кислороду у кремния, марганца и фосфора больше, чем у железа, например, Po,(SiO.)<Po8(FeO)- Поэтому кремний, мар­ ганец и фосфор являются восстановителями окислов железа шла­ ка (или вводимой руды).

Наиболее полное удаление кремния и фосфора из металла дос­ тигается при наличии основных железистых шлаков, которые обеспечивают не только их окисление с образованием S 1O2 и Р2 О5 , но и флюсование этих окислов в прочные химические соеди­ нения (силикаты и фосфаты кальция). Кремний окисляется прак­ тически полностью уже в начале плавки.

Для наиболее полного удаления фосфора из металла необхо-

/ %СаО \ Q

димо наличие очень основных железистых шлаков ---------- ~о

их скачивание и наводка новых шлаков. Это обусловлено тем, что при высоком содержании Р2О5 в шлаке и повышении температу­ ры при доводке плавки и раскислении металла возможно восста­ новление фосфора.

Марганец, подобно кремнию, легко окисляется как при кис­ лом, так и при основном процессах. Однако при одинаковом со­ держании МпО в основном и кислом шлаках, концентрация мар­ ганца в металле при наличии основных шлаков значительно выше.

Г а з ы в с т а л и — кислород, азот и водород являются вред­ ными примесями, они способствуют старению стали, увеличиваютее хрупкость, вызывают красноломкость, приводят к образованию флокенов (микротрещин) и ряда других дефектов. Поэтому в ста­ леплавильных процессах стремятся осуществить возможно полную дегазацию металла.

Источниками внесения в металл газов являются стальной лом, чугун и особенно ферросплавы, а также атмосфера в сталепла­ вильном агрегате, содержащая О2, Н20, С02, N2 и Н2. С влажной известью и рудой может вноситься в металл значительное количе­ ство водорода.

Процессу растворения газов (азота и водорода) в металле предшествует их диссоциация и суммарный процесс протекает по реакциям

N2ra3= 2 [N] — 5,16 ккал,

Н2газ = 2[Н ]~15,28 ккал.

Количество растворенных в стали азота и водорода прямо про­ порционально квадратному корню из их парциального давления в газовой фазе

[%N] = /CN I^PN2,

[%Н] = KHV Рнг-

1 ехнологические условия сталеплавильного процесса — атмос­ фера, температура, состав стали и особенно шлака, а также интинсивность кипения ванны оказывают существенное влияние на содержание газов в стали. Влияние атмосферы агрегата иллюст­ рируют следующие данные:

Основные шлаки имеют значительную газопроницаемость, а кислые малопроницаемы, особенно для водорода.

Повышение температуры увеличивает растворимость азота и водорода в стали, а интенсивное донное кипение ванны, наоборот, ускоряет ее дегазацию.

Состав стали влияет на растворимость водорода: углерод, кремний, фосфор уменьшают растворимость, а марганец, хром и никель, наоборот, ее увеличивают.

§2. Раскисление и легирование стали

Ра с к и с л е н и е м стали преследуют цель ее очистки от раство­ ренного в ней кислорода. Раскисление осуществляют двумя мето­ дами— осаждающим и диффузионным.

Процесс осаждающего раскисления происходит по реакции [О] + [Э] = ЭО(тв. ж).

Продуктом реакции является не растворимый в жидком ме­ талле окисел элемента-раскислителя.

В качестве раскислителя может быть использован всякий эле­ мент, окисел которого обладает более низкой упругостью диссо­ циации, чем закись железа. Это условие выражается соотношением

РОг (ЭО) < Р ог (FeO).

Предпочтительнее брать такие элементы-раскислители, окислы которых легкоплавки и способны к коагуляции, обеспечивающей их быстрое удаление в шлак.

Наибольшее употребление нашли элементы-раскислители Si,

восстановлении закиси железа в шлаке элементами-раскислите- лями, входящими в состав смесей. Согласно закону распределе­

в шлак до момента установления равновесия при данной темпера­ туре.

Преимуществом диффузионного раскисления, в отличие от осаждающего, является чистота металла в отношении неметалли­ ческих включений, так как продукты раскисления остаются в шлаке.

Порошкообразные раскисляющие смеси, в состав которых обычно входят углеродистые материалы, ферросилиций и алюми­ ний, подаются на поверхность шлака в несколько приемов.

Так как при диффузионном раскислении фосфор из шлака пе­ реходит в металл, то шлак предварительно скачивают возможно полнее.

Высокая стоимость раскислителей и большой их расход огра­ ничивают применение диффузионного раскисления только -особы­ ми случаями выплавки высококачественных легированных сталей.

В зависимости от степени раскисления любая сталь может быть отнесена к одному из следующих трех типов — кипящая, полуспокойная и спокойная. Типичные слитки их представлены на рис. 16.

К и п я щ а я с т а л ь раскисляется только ферромарганцем и при застывании ее в изложенице наблюдается кипение в резуль­ тате самораскисления металла углеродом по реакции

[О] + [С] с= СО.

Неуспевшие выделиться пузыри окиси углерода и других газов после затвердевания стали остаются в теле слитка на глубине 20 мм и более от подкоркового слоя. При горячей прокатке слит­ ков газовые пузыри завариваются.

Недостатком слитков кипящей стали является неоднородность ее химического состава по высоте и поперечному сечению слитка;

ка, застывающей позже. Слитки спокойной стали более однородны по химическому составу, чем слитки кипящей стали. Поэтому средне- и высокоуглеродистые стали, в том числе легированные, изготовляются только как спокойная сталь.

П о л у с п о к о й н а я с т а л ь не полностью раскисляется в печи ферромарганцем и ферросилицием. В сталь вводится во Бремя разливки в ковш или изложницу алюминий. Сталь в из­ ложнице кипит вяло, но этого оказывается достаточно для умень­ шения усадочной раковины и меньшего развития химической неоднородности стали. В полуспокойной стали сочетаются пре­ имущества спокойной стали (уменьшение химической неоднород­ ности) с преимуществом кипящей стали (увеличение выхода год­ ного металла вследствие уменьшения обрези усадочной раковины)

В последнее время расширяется применение кипящей стали, закупоренной химическим или механическим путем.

Химическое закупоривание слитка кипящей стали произво­ дится через некоторое время после его наполнения в изложнице путем присадки в верхнюю часть слитка алюминия или ферро­ силиция.

Механическое закупоривание достигается в результате контак­ та кипящего металла с крышкой и верхом изложницы бутылоч­ ного типа.

В слитках закупоренной стали получаются более плотная го­ ловная часть и менее выраженная неоднородность химического со­ става стали.

элементами или ферросплавами. Наиболее распространенными легирующими элементами являются марганец, кремний и хром, используемые при выплавке конструкционных и инструментальных сталей, а также сталей с особыми свойствами (трансформаторные, жаропрочные, нержавеющие и др.).

Никель, молибден, ванадий и кобальт применяются для леги­ рования конструкционных сталей особого назначения.

В последнее время в качестве легирующих элементов и моди­

в небольших количествах для повышения прокаливаемости, улуч­ шения обрабатываемости, пластических и вязкостных свойств стали.

духом в неподвижном сосуде для получения литой стали. С этого времени конвертерные процессы, бессемеровский, а позднее томасовский, становятся основными процессами производства стали.

Кислородно-конвертерный процесс начал развиваться в про­ мышленных масштабах в 1952—1953 гг., когда в Линце и Донавице (Австрия) были пущены первые два кислородно-конвертер­ ных цеха. За сравнительно короткий срок этот процесс получил широкое распространение и является серьезным конкурентом мар­ теновского процесса.

Сущность конвертерных процессов заключается в окислении примесей жидкого чугуна в футерованном цилиндрическом сосу­ де— конвертере, осуществляемом вдуванием в металл воздуха снизу, через днище конвертера или кислорода сверху.

Окисление железа, кремния, марганца, фосфора чугуна, сопро­ вождающееся выделением тепла, и частичное дожигание окиси углерода в полости конвертера компенсируют покрытие потерь тепла и обеспечивают необходимое повышение температуры ме­ талла, шлака и футеровки. Быстрое протекание процесса рафиниро­ вания чугуна создает положительный тепловой баланс процесса, что позволяет переплавлять одновременно с рафинированием чу­ гуна некоторое количество стального лома.

Бессемеровский и томасовский процессы осуществляются в кон­ вертерах с донным дутьем. Жидкий чугун заливается при гори­ зонтальном положении конвертера (рис. 17) с тем, чтобы не залить сопла для подачи воздуха через днище. Затем включается воз­ душное дутье и конвертер переводится в вертикальное положение. Давление дутья около 2—2,5 ати предохраняет сопла от затека­ ния в них металла во время продувки. После окончания продувки конвертер переводят в горизонтальное положение и дутье выклю­

чают. В металл вводят раскислители и сталь выпускают в разли­ вочный ковш.

Футеровка бессемеровского конвертера выполняется из дина­ сового кирпича (94—95% S>02, менее 1,5% АЬОз и менее 2%

Рис. 17. Схема положений конвертера:

а — при заливке чугуна; б — при продувке; в — при сливе

стали в ковш

СаО), так как этот процесс является кислым, идущим на кислых шлаках. При этих условиях к составу бессемеровского чугуна прежде всего предъявляются особые требования в отношении низ­ кого содержания в нем серы и фосфора.

Томасовский процесс осуществляется с использованием основ­ ных шлаков, образующихся при введении в конвертер 8—12% из­ вести. Это позволяет удалять из чугуна серу и особенно фосфор в больших количествах.

Кислородно-конвертерный процесс осуществляется в глуходон­ ных конвертерах (рис. 18) продувкой чугуна сверху технически чистым кислородом под давлением 8—10 ати, смесью кислорода с водяным паром или углекислым газом.

Применение технически чистого кислорода позволяет значи­ тельно снизить потери тепла с отходящими из конвертера газами. Это делает возможным продувать в конвертере с основной футе­ ровкой чугуны практически любого состава. Даже при переделе низкокремнистого, маломарганцовистого и обычного передельного чугуна тепла вполне хватает на продувку чугуна с добавкой в. конвертер извести, в результате чего возникает возможность поч­

родно-конвертерного процесса практически не имеется. Однаковесьма значительные изменения в содержании кремния, фосфора и марганца вызывают необходимость разработки особых техно­ логических приемов ведения процесса продувки, что сказывается также на производительности конвертера.

Скрап и железную руду используют в качестве охладителей. Добавки железной руды совместно с известью, а также рудно­ флюсовых брикетов или офлюсованного агломерата, ускоряют формирование основного шлака в конвертере. Для разжижения шлака вводят боксит или плавиковый шпат.

Е м к о с т ь к и с л о р о д н ы х к о н в е р т е р о в в большинстве случаев изменяется в пределах 50—250 т. Кожух конвертера со­ стоит из средней цилиндрической части, суживающегося шлема и отъемного днища. В шлемной части находится летка для выпуска стали.

Глубина спокойной ванны обычно составляет 1—1,5 м. При малой глубине возможно разрушение днища в результате воздей­ ствия кислородной струи, а при большой глубине ухудшаются ус­ ловия продуваемости металла.

Наибольшее распространение получила футеровка конвертера из смолодоломитового или смолодоломитомагнезитового (60—70% MgO) кирпича. Стойкость футеровки из этого кирпича составляет 200—600 плавок.

Используют также периклазошпинелидный кирпич, содержа­ щий 9—12% СГ2О3 и 65—70% MgO.

В зависимости от емкости конвертера и состава перерабаты­

на конвертер устанавливают в вертикальное положение. Затем в него опускают фурму и начинают подавать кислород. Одновре­ менно в конвертер загружают от половины до двух третей шлако­ образующих материалов. Остальное количество шлакообразующих вводят в середине операции продувки.

С момента начала продувки интенсивно окисляются примеси чугуна и образуется шлак. Для ускорения шлакообразования про­ дуву обычно начинают при более высоком положении фурмы над ванной.

Окисление всех примесей чугуна при продувке сверху проте­ кает одновременно и поэтому отсутствуют четко выраженные периоды плавки (рис. 20).

Окисление кремния обычно заканчивается в первые 3—7 мин продувки. За это время окисляется около 60—70% марганца от его исходного содержания в чугуне. Окисление углерода и фосфо­ ра можно регулировать, что является отличительной особенностью данного процесса.

Развитию процесса дефосфорации металла в начале продувки способствует быстрое формирование активного железисто-извест­ кового шлака. Поэтому промежуточное скачивание и наводка но­