Металлургия технология угля и неметаллических полезных ископаемых3

вого шлака в середине продувки позволяют выплавлять углеро­ дистую сталь из высокофосфористых чугунов.

Степень десульфурации металла при кислородно-конвертерном процессе составляет 20—45% и возрастает при использовании плавикового шпата для разжижения шлака.

При необходимости в конвертер по ходу плавки вводят охлаж­ дающие добавки (скрап или руду).

Ри€. 20. Изменение состава металла по ходу плавки в кислородном конвертере при про­ дувке передельного чугуна

Продувку заканчивают при заданном содержании углерода и затем металл выпускают в разливочный ковш. Раскислители по­ дают в струю металла. При выплавке легированной стали леги­ рующие элементы вводят в ковш.

Сталь, выплавленная в кислородном конвертере, обычно содер­ жит 0,002—0,007% азота, количество которого снижается с повы­ шением чистоты технического кислорода.

Длительность продувки в конвертерах емкостью 100—250 г составляет 30—60 мин.

О т х о д я щ и е из к о н в е р т е р а г а з ы содержат 80—90% СО и 10—12% С02; выход газов 70—80 нм3/т чугуна. Кроме того, газы содержат около 20—25 г/т3 пыли в основном мелкодисперс­ ных частиц окислов железа (менее 0,8 мк). Поэтому необходима очистка газов, что усложняет оборудование и повышает стоимость сооружения кислородно-конвертерных цехов.

Обычно в систему газоочистки входят котел-утилизатор, в ка­ мине которого догорает окись углерода, электрофильтры, скруб­ бера и дезинтеграторы. Содержание пыли в газах после очистки не должно превышать 0,1 г/л*3.

Ко н т р о л ь и а в т о м а т и з*а ц и я кислородно-ковертерного процесса весьма сложны из-за быстрого протекания самого про­ цесса и влияния на его ход большого числа параметров. Быстрое определение состава и температуры металла является основным условием своевременного регулирования процесса продувки.

Продолжительность продувки чугуна в 30-тонном конвертере составляет 35—40 мин. Выход жидкой стали 92%; расход кисло­ рода 65—70 м3/т чугуна. Расход извести 13—14%, железной руды 12—14% от веса чугуна.

На металлургическом заводе в Обернхаузене (ФРГ) выплавка стали была осуществлена в горизонтальном роторном конвертере (рис. 22), футерованном магнезитовым кирпичом со смолодоломи­ товой набойкой, вращающемся со скоростью 0,1—0,5 об/мин.

Рис. 22. Роторный конвертер

Отличительной особенностью данного процесса является ис­ пользование двух кислородных фурм. Одна фурма, погруженная в металл, служит для прямого окисления кислородом примесей чугуна, другая, расположенная над поверхностью ванны, обеспе­

чивает дожигание выделяющейся из металла окиси углерода в рабочем пространстве.

Дефосфорация металла практически заканчивается при содер­ жании в нем 1—1,5% С. Расход кислорода до 75 м3/т стали. Дли­ тельность плавки весом 60 т составляет около 2 ч.

Бессемеровский процесс

Б е с с е м е р о в с к и й к о н в е р т е р представляет собой сосуд грушевидной формы (см. рис. 17), футерованный динасовым кир­

Внутренний объем конвертера обычно в 6—10 раз превышает объем заливаемого чугуна. Это необходимо для того, чтобы избе­ жать выбросов металла воздухом, который раздробляет чугун и значительно повышает его уровень.

В с о с т а в б е с с е м е р о в с к о г о ч у г у н а входят кремний, марганец, сера и фосфор. Так как сера и фосфор при наличии кислых шлаков из чугуна не удаляются, то их содержание в чу­ гуне должно быть на 0,010—0,015% ниже максимально допусти­ мого содержания в готовой стали. Бессемеровский чугун должен иметь 0,70—1,25% кремния и 0,50—0,80% марганца. Температура

на три периода. Первый период продувки (шлакообразования или искр) характеризуется быстрым выгоранием кремния и мартан-

до определенного содержания углерода в металле, соответствую­ щего составу стали. Передувка обычно приводит к повышенному угару железа и насыщению стали азотом и кислородом.

Конечный бессемеровский шлак имеет следующий состав: 55—

рывным восполнением потерь тепла с отходящими газами и через кожух конвертера теплом, выделяющимся при окислении примесей чугуна. «Основным топливом» бессемеровского процесса является кремний, тепловой эффект реакции окисления которого при темпе­ ратуре 1600° С равен 4550 ккал/кг. Марганец, как источник тепла, занимает второе место (1385 ккал/кг)\ при окислении углерода до СО выделяется 1040 ккал/кг. Однако в зависимости от количе­ ства окисляющихся элементов приход «химического тепла» про­ цесса окисления распределяется следующим образом: углерод и кремний дают по 18—24% тепла, марганец и железо по 2—5%, а всего на долю химического тепла примесей в чугуне ^приходится около 50%. Такое же количество тепла поступает с расплавлен­ ным чугуном как «физическое тепло» данного процесса.

В зависимости от температуры и состава чугуна технологиче­ ские и теплотехнические условия продувки могут существенно из­ меняться. Это потребовало разработки различных вариантов бес­ семеровского процесса (русского, шведского, американского и

др-)- При недостатке тепла в процессе* в конвертер обычно вводят

45% ферросилиция или ведут продувку в наклонном положении конвертера для дожигания значительной части окиси углерода. Для охлаждения металла при горячей операции используют скрап или руду.

К а ч е с т в о б е с с е м е р о в с к о й с т а л и значительно хуже качества мартеновской и кислородно-конвертерной. Большое со­ держание в стали азота (0,010—0,025%) способствует развитию хладноломкости, определяет склонность к старению, низкую плас­ тичность и свариваемость. Все это ограничивает область примене­ ния бессемеровской стали сортовым прокатом для строительных конструкций, арматуры, болтов, гаек и др.

Технико-экономические показатели бессемеровского процесса

Несмотря на высокую производительность бессемеровских кон­ вертеров, выплавка стали этим процессом постепенно снижается, уступая место кислородно-конвертерному процессу. Производство бессемеровской стали в 1962 г. составило всего лишь 0,9% миро­ вой выплавки стали.

Томасовский процесс

Томасовский процесс — это основной конвертерный процесс, разработанный в 1878 г. С. Томасом. Наличие основных шлаков в процессе плавки позволяет удалять серу и эффективно перера­ батывать фосфористые чугуны.

Томасовский конвертер по конструкции аналогичен бессемеров­ скому (см. рис. 17 и 23). Футеровка стен конвертера выполняется

не менее 1,6%, так как фосфор является основным «топливом»

дит к быстрому износу основной футеровки и затрудняет окис­ ление фосфора.

П р о ц е с с п л а в к и состоит из следующих операций. В кон­ вертер загружают 12—18% извести от веса чугуна, заливают чу­ гун, подают дутье (давление 3,0—3,5 ат) и конвертер поворачи­ вают в вертикальное рабочее положение (см. рис. 17).

Первые два периода продувки чугуна весьма схожи с соответ­ ствующими периодами бессемеровского процесса (рис. 25). В пер­ вом периоде (шлакообразования) продолжительностью 3—5 мин окисляется кремний, марганец и железо, и образуется кислый шлак, в котором, однако, не успевает раствориться известь. Вто­ рой период продолжительностью 8— 10 мин характеризуется бур­ ным окислением углерода и сопровождается выбросами металла.

В третьем периоде продувки чугуна происходит окисление фос-

фора и удаление его в основной шлак по следующим реакциям, протекающим одновременно:

2 [Р] + 8(FeO) = (3FeO.P2Ob) + 5Fe«

(3FeO-PA) + 3 (CaO) = (ЗСаО-РА) + 3 (FeO)

2 [P] + 5 (FeO) 4 3 (CaO) = (3CaO • P2Ob) + 5Fe:K.

В шлаке возможно также образование тетрафосфата кальция (4Са0-Р20 5) и силикофосфатов (силикокарнотит и др.).

Непосредственное окисление фосфора кислородом воздушного дутья с образованием Р20 5 маловероятно.

Быстрому окислению фосфора способствует высокая основ­ ность шлака (при низком содержании в нем кремнезема) и доста­ точная его окисленность.

Одновременно с фосфором в третьем периоде продувки окис­ ляется железо, причем тем больше, чем меньше в металле фосфо­ ра. Поэтому продувку заканчивают при содержании фосфора в ме­ талле в пределах 0,050—0,080%. Продолжительность третьего пе­ риода продувки 2,5—4,0 мин.

Наличие основных шлаков способствует удалению из чугуна 15—20% содержащейся в нем серы. Отрицательное влияние на десульфурацию металла оказывает высокое содержание окислов железа в шлаке.

Для предотвращения обратного перехода фосфора в металл сначала сливают фосфористый шлак, затем сталь раскисляют и выпускают в ковш. Ферромарганец обычно вводят в конвертер, а ферросилиций и алюминий — на струю металла.

ценный побочный продукт плавки, используемый в качестве удоб­ рения в сельском хозяйстве

Состав конечного томасовского шлака: 16—24% Р20 5; 42—45%

ровской, весьма низкое. Поэтому ее используют для изготовления сортового проката, проволоки, листа и рудничных рельсов. Этим процессом также выплавляют автоматную сталь.

Разработаны технологические приемы ведения томасовского процесса с двумя шлаками, позволяющие получать сталь с пони­ женным содержанием фосфора и серы. Для снижения содержания азота в стали используют обогащенное кислородом дутье, продув­ ку чугуна парокислородной смесью и смесью кислорода и углекис­ лого газа. При этих условиях можно получать сталь, содержащую 0,006—0,008% азота.

1См. часть III.

Технико-экономические показатели

В СССР томасовским процессом сталь не выплавляют, но весьма широко используют этот процесс в металлургии стран За­ падной Европы.

§4. Выплавка стали в мартеновских печах

Врегенеративных отражательных реверсивных печах, называе­ мых мартеновскими, можно перерабатывать в сталь любой чугун

искрап в различных пропорциях. Мартеновский процесс значи­ тельно расширяет возможность выплавки легированных сталей, поэтому он является самым распространенным сталеплавильным

процессом.

Разновидности и особенности мартеновского процесса

В зависимости от состава и типа используемой металлической шихты мартеновский процесс делят на несколько разновидностей.

Скра п - проце с с основан на применении в шихте 55—75% скрапа и 25—45% твердого чушкового чугуна. Этот процесс обыч­ но применяют на металлургических и машиностроительных заво­ дах, где нет доменных печей и имеется достаточное количество металлолома.

С крапруд ный п р о ц е с с предназначен для переработки в сталь жидкого чугуна и стального лома. Увеличение количества чугуна в шихте до 55—75% вызывает необходимость использова­ ния в завалку также железной руды.

Скрап-рудный процесс получил наибольшее распространение на заводах с полным металлургическим циклом.

С к р а п-у г о л ь н ы й (карбюраторный) процесс предназначен для переработки металлической шихты, состоящей из 100% сталь­ ного лома. В завалку используется уголь, кокс или антрацит. Для массового производства металла этот процесс не применяется.

В зависимости от типа материала пода печи и, следовательно, состава шлака мартеновский процесс может быть основным или кислым. Причем скрап-рудный процесс применяется только как основной, а скрап-процесс может быть основным или кислым. Кислый мартеновский процесс находит в промышленности весь­ ма ограниченное применение.

Плавка стали в мартеновских печах имеет ряд технологиче­ ских особенностей.

Первой особенностью плавки является окислительный харак­ тер газовой фазы печи. Через рабочее пространство печи над ван­ ной проходит большое количество газов, содержащих СО, НгО, СО2, 62 'и N2. Причем парциальное давление кислорода в газовой фазе превышает 10-2 атм, а парциальное давление кислорода, рав­ новесное с железом, менее 10-9 атм. Это соотношение обеспечива­ ет непрерывный переход кислорода из атмосферы печи в металл. За плавку ванна поглощает 1—3% кислорода от массы металла. Этот кислород расходуется на окисление примесей металла и час­ тично железа.

Второй особенностью плавки является передача тепла сверху от факела через шлак к металлу. Перепад температур между шлаком и металлом и неравномерный нагрев различных слоев металла в основном по глубине уменьшаются при кипении ванны в результате выделения пузырей СО, возникающих при окислении углерода.

Третья особенность плавки заключается в том^ что все управ­ ление тепловым и физико-химическим процессом осуществляется через шлак. Химический состав, физическое состояние и количест­ во шлака оказывают решающее влияние на скорость и полноту протекания соответствующих реакций и, следовательно, опреде­ ляют качество стали.

Четвертая особенность плавки — это участие пода печи в про­ текающих процессах. При сравнительно большой продолжитель­ ности плавок влияние взаимодействия металла с подиной оказы­ вается весьма ощутимым.

Мартеновская печь

Мартеновская печь условно делится на верхнее и нижнее строения.

Верхнее строение печи (рис. 26) расположено над рабочей площадкой мартеновского цеха и состоит из рабочего пространст­ ва печи, включающего свод арочного типа, наклонные стены и подину, из головок и вертикальных каналов.

В нижней точке подины имеется отверстие для выпуска стали. На задней стенке большегрузных печей обычно располагаются шлаковые летки.

Передняя стенка печи выше уровня ванны состоит из столбов и крышек рабочих окон, через которые осуществляется завалка твердой шихты и заливка жидкого чугуна (по специальному при­ ставному желобу), а также подача шлакообразующих материалов и раскислителей.

Верхний слой основной подины изготовляют из магнезитового порошка, который наваривают тонкими слоями на основание, вы­ полненное из магнезитового кирпича. Стены печи и откосы также