Металлургия технология угля и неметаллических полезных ископаемых3

Под кислой печи принимает активное участие* в протекающих в ванне процессах. Поэтому подина значительно изнашивается, что требует трудоемкой и весьма длительной заправки печи (1,5—2,5 ч) после каждой плавки.

Состав кислого мартеновского шлака после расплавления ших­ ты следующий: 15—20% FeO; 20—30% МпО и 42—47% Si02.

.Содержание кремнезема в шлаке к концу плавки постепенно увеличивается, достигая 55—60%. Шлак насыщается кремнеземом из материала пода и стен печи.

При повышении температуры ванны происходит восстановление кремния из насыщенного кремнеземом шлака углеродом или мар­ ганцем

(Si02)Hac + 2 [С] = [Si] 4- 2СО;

(Si02)liac + 2 [Mn] = [Si] + 2 (МпО).

Одновременно с этим идет процесс окисления кремния закисью железа шлака

[Si] + 2 (FeO) = (Si02) + 2Fe.

Этому способствует непрерывное поступление кислорода из

.окислительной атмосферы печи в шлак и к границе раздела шлак — металл.

Содержание кремния в металле определяется соотношением скоростей этих реакций. Интенсифицировать процессы окисления примесей в кислой печи можно введением в печь железной или марганцевой руды, извести, а также продувкой кислородом или

технологическим вариантам: с ограничением восстановления кремь ния (активный процесс); без ограничения восстановления кремний (пассивный или кремневосстановительный процесс). • Если в процессе плавки в печь не вводится добавок, то по мере повышения температуры и насыщения шлака кремнеземом концентрация восстановленного кремния в металле постепенно возрастает до 0,6%. Увеличение вязкости кислого шлака снижает при этом скорость перехода в шлак кислорода из атмосферы печи. В результате кипение ванны практически прекращается. Такой процесс называется пассивным или кремневосстановитель­ ным и используется обычно на заключительной стадии доводки

плавки.

При активном процессе в печь присаживают небольшими пор­ циями железную или марганцевую руду (или продувают ванну кислородом либо воздухом). Процесс сопровождается кипением ван­ ны со скоростью выгорания углерода 0,2—0,3% С/ч. За 30—40 мин до раскисления металла введение руды прекращают, но ванна продолжает кипеть за счет окисления углерода закисью железа шлака со скоростью 0,10—0,15% С/ч. В этих условиях кремний не восстанавливается.

Кислая мартеновская сталь отличается низким содержанием кислорода (0,006—0,010%), азота (0,0010—0,0015%) и водорода (2—4 см?[100 г металла).

Чистота шихты обеспечивает получение стали с низким со­ держанием серы, фосфора и неметаллических включений.

Отличительной особенностью кислой стали является меньшая, чем у основной стали, анизотропия механических свойств, особен­ но ударной вязкости, большая пластичность. Кислую сталь также отличает стабильность механических свойств.

Несмотря на более высокое качество кислой мартеновской ста­ ли, производство ее постепенно ограничивается. Кислая сталь идет лишь на изготовление особо ответственных изделий.

Интенсификация и пути совершенствования мартеновского процесса

Улучшение технико-экономических показателей мартеновского процесса может достигаться различными путями его интенсифи­ кации и совершенствования. Основные усилия направлены на:

внедрение более совершенных технологических приемов ведения процесса плавки (применение кислорода, сжатого воздуха, офлюсованного агломерата и руд­ но-флюсовых брикетов, подготов­ ка металлической шихты и др.);

интенсификацию тепловых процессов (применение высокока­ лорийного топлива, улучшение конструкции сожигательных уст­ ройств, улучшение качества огне­ упоров и др.);

разработку новых конструк­ ций и увеличение емкости печей (плоские своды шлаковиков и ре­ генераторов, печи без передней стенки, двухванные печи и др.);

улучшение организации про­ изводства;

автоматизацию процесса и механизацию технологических опе­ раций.

Для более полного использования тепла отходящих газов в последнее время начали сооружать двухванные или «тандем-печи» (рис. 29).

В то время как в первой ванне протекают процессы, тре­ бующие большой затраты тепла — нагрев твердых шихтовых ма­ териалов и их плавление, во второй ванне осуществляется про­ дувка расплавленного металла, кислородом, т. е. образуется зна­

чительный избыток тепла, которое частично утилизуется в холод­ ной первой ванне. Шихтой таких печей является стальной лом и жидкий чугун в отношении 1 1.

§ 5. Разливка стали

Выплавленную сталь выпускают в сталеразливочный ковш и затем разливают в чугунные изложницы или направляют на ма­ шины непрерывной разливки.

Разливка стали — это заключительный и важнейший этап ее производства, совершенствование которого может служить резер­ вом увеличения выпуска стали. Достаточно сказать, что 10—20% выплавленной стали обычно возвращаются в переплав из-за де­ фектов, образующихся в стали в процессе разливки.

Разливка в изложницы

Применяют два основных способа разливки стали в изложни­ цы— сверху и сифоном (рис. 30). При разливке сверху сталь поступает непосредственно в изложницу, где и кристаллизуется.

Рис. 30. Схемы разливки стали:

а — сверху; б — сифоном; 1 — сталеразливочный• -ковш; 2 — изложница; 3— поддон; 4 — центровой литник; 5 — прибыльные надставки; 6 — сифонный

кирпич

При сифонной разливке сталь из ковша поступает в центровой литник и затем по каналам сифонного кирпича в поддоне направ­ ляется в изложницы. Оба способа имеют определенные преиму­ щества и недостатки.

При разливке стали сверху упрощается оборудование и его

подготовка, снижается стоимость разливки, не затрачивается ме­ талл на литники, возможна отливка очень крупных слитков для поковок. Недостатками этого способа разливки являются плохая поверхность слитков, большая продолжительность разливки и ухудшение стойкости футеровки ..ковша и. условий работы сто­ пора.

Сифонная разливка стали имеет ряд преимуществ. Можно одновременно отливать несколько слитков, что сокращает продол­ жительность разливки, поверхность слитка получается чистой, увеличивается стойкость футеровки ковша и улучшаются условия работы стопора, можно наблюдать за разливкой и регулировать* скорость наполнения изложниц. Недостатки сифонной разливки^ повышенная стоимость разливки в связи с необходимостью испольг зовать дополнительное оборудование и большими затратами труда: на сборку поддонов и центровых литников, дополнительный рас­ ход металла на литники.

Выбор способа разливки стали определяется ее качеством и назначением, а также оборудованием сталеплавильного и прокат­ ного цехов. Более 80% качественных и высококачественных сталей разливают сифоном в слитки весом не более 2,5 г.

Кипящую стальотливают в изложницы без прибыльных над­

зуется наличием трех зон: тонкой наружной зоны мелких кристал­

тепла); центральной зоны.крупных неориентированных-кристаллов. В верхней (прибыльной) части слитка находится усадочная раковина (см; рис> 16), причиной Образования которой является увеличение Шютнбсти Стали пфи кристаллизации. Прибыльную часть слитка' в количестве 10^15%' от массы Металла обычно

отрезают при прокатке и направляют в переплав.

Использование теплоизолирующих или эндотермических сме­ сей для засыпки в прибыли (смеси алюминия, ферросилиция, кокса

родна. Здесь можно выделить следующие зоны: плотную наруж­ ную корку без пузырей; зону продолговатых (сотовых) пузырей; промежуточную плотную зону; зону вторичных округлых пузырей; плотный металл центральной пасти слитка (см. рис. 16).

Подобный характер строения слитка кипящей стали опреде­ ляется условиями и интенсивностью газовыделения при кристал­

вести к получению изделий с неравномерными свойствами и браку.

Наиболее сильно ликвируют сера (~30% ), фосфор (~25% ), кислород и углерод (~20% ).

В слитках кипящей стали содержание ликвирующих элементов возрастает по направлению от низа к верху и от периферии к центру .слитка. Поэтому обрезь головной части слитка, кипящей

.стали обычно составляет 6—10%. Обрезь донной части слитков кипящей и спокойной стали не превышает 3—4%.

, В слитках спокойной стали ликвация выражена1;.!слабее, чем в кипящей. В верхней части наблюдается положительная* ликва­ ция, в. нижней — отрицательная.

В слитках полуспокойной стали обрезь головной части слитка

вают большое влияние на качество стального слитка.

Очень высокая температура стали при разливке обычно при­ водит к увеличению газонасыщенности слитка,’ его химической неоднородности, поражению продольными трещинами.: При отлив­ ке холодной,, более вязкой стали затрудняется всплывание неме­ таллических включений, получаются слитки с развитой осевой пористостью и рыхлостью, на поверхности слитка образуются плены.

Скорость разливки, характеризуемая скоростью подъема., стали в изложнице, обычно изменяется в пределах 0,25—Г м/мин.

Оптимальные температуры и скорости разливки подбирают с учетом массы слитка, способа разливки, состава и 'свойств стали.

Непрерывная разливка

Сущность непрерывной разливки стали заключается в том, что жидкую сталь непрерывно подают в водоохлаждаемую мед­ ную, без дна изложницу — кристаллизатор. Из нижней части кри­ сталлизатора вытягивается полузатвердевший слиток (рис. 31). Перед началом разливки в кристаллизатор снизу вводят металли­ ческую штангу (затравку), сечение которой совпадает с сечением кристаллизатора.. Верхняя часть затравки является «дном» кри­ сталлизатора, а нижнйй конец находится в тянущих валках.

Вытягиваемый из кристаллизатора слиток стали с жидкой

.сердцевиной попадает в зону вторичного охлаждения, состоящую из опорных роликов с большим числом форсунок для подачи воды на поверхность слитка.

После полного затвердевания металла слиток попадает в вал­ ки тянущей клетки и затем на газорезку.

Глубина жидкой фазы (сердцевины) в слитке в зависимости от его сечения может составлять 8—17 м. Поэтому высота вер­

ков установки для непрерывной разливки стали могут быть одно-, двух-, четырех- и восьмиручьевыми. Получают распространение установки вертикального типа с изгибом слитка и установки ра­

§ 6. Выплавка стали в дуговых электропечах

Электрическая печь для выплавки стали имеет ряд технологи­ ческих преимуществ по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами. В этих печах можно создавать окислительную, восста­ новительную или нейтральную атмосферу. Выплавка высоколеги­ рованных сталей особого назначения (нержавеющей, жаростойкой и жаропрочной, электротехнической и др.), а также инструмен­ тальной, шарикоподшипниковой и конструкционной осуществляется в электропечах.

Доля электростали составляет 10% от общего производства стали.

Наибольшее распространение получили дуговые электропечи емкостью от 5 до 100 г. Дуговая печь емкостью 100 т (рис. 32) состоит из металлического кожуха со сферическим днищем. Печь оборудована съемным сводом, футеровка которого набирается в железном кольце. Опорами печи являются два сектора, с помощью которых осуществляется наклон печи. Печь питается трехфазным током, подводимым через электродержатели к трем графитовым электродам.

Шихту загружают сверху загрузочной корзиной. Перед за­ грузкой шихты свод печи отворачивают в сторону с помощью иолупортального крана.

Печи большой емкости (более 25 т) снабжены устройствами для электромагнитного перемешивания ванны и механизмом пово­ рота ее вокруг вертикальной оси. Эти приспособления ускоряют плавление шихты, нагрев и выравнивание состава металла, а так­ же протекание диффузионных процессов в ванне.

Отвод газов, выделяющихся из печи в процессе плавки (5000—7000 м3/т), осуществляется через зонт или через специаль­ ные отверстия в своде и подвижный патрубок. Затем следует

стью до 45 000 ква, переключателями ступеней напряжения, авто­ матическими регуляторами мощности, автоматическими выключа­ телями и другим электрооборудованием, обеспечивающим без­ опасную работу обслуживающего персонала и экономичную ра­ боту печей в оптимальном режиме.

Для футеровки основных электропечей применяют магнезит, магнезито-хромит, доломит, шамот и динас; в качестве теплоизо­ ляционных материалов — асбест, диатомит и легковесный кирпич.

Подина печи состоит из теплоизоляционного слоя (асбест, ша­ мотный порошок), кирпичной кладки (шамот, магнезит) и верх­ него рабочего набивного слоя, представляющего собой после спекания монолитную массу (магнезитовый порошок и смола). Стены основных печей выкладывают из магнезитохромитового кирпича или магнезитодоломитовых блоков. Своды могут изготов­ ляться из магнезитохромитового или динасового кирпича.

Стойкость футеровки стен из магнезитохромитового кирпича

,10200

таллоотходы и передельный чушковый чугун. В процессе плавки используют шлакообразующие, окислители, раскислители, легиру­ ющие й науглероживающие материалы.

К стальному лому предъявляют требования в отношении низ­ кого содержания случайных и вредных примесей (фосфора, серы, меди, свинца, мышьяка и других). Целесообразно применение брикетов губчатого железа, получаемого непосредственно из руды.

Использование легированных отходов (недоливки, литники, стружка, отходы проката и др.) имеет большое значение для эко­ номики производства.

В качестве шлакообразующих материалов применяют свежеобожженную известь. Применение пылеватой извести-пушонки (гидрата окиси кальция) недопустимо, так как выделение водо­ рода при ее разложении может явиться причиной образования флокенов в высоколегированной стали. По этой причине исполь­ зуемые в процессе плавки плавиковый шпат, шамотный бой, же­ лезную руду и окалину прокаливают и в горячем состоянии вводят в печь.

Газообразный кислород в электроплавке стали служит для ускоренйя плавления («резка» крупной металлошихты), а в окис­ лительный период плавки —для интенсификации обезуглерожи­ вания. Предварительно осушенный кислород подают в ванну под давлением 8—12 ат.

Раскислители и легирующие материалы также сушатся или прокаливаются; вес их кусков не должен превышать 5—6.кг.

Для науглероживания ванны применяют кокс, электродный бой или высококачественный передельный чугун (содержащий менее 0,3% Р).

З а г р у з к а ш и х т ы в . пе ч ь производится мульдами с по­ мощью завалочной машины или бадьями. При любом способе завалки на подину обычно загружают мелкий лом, известь (2—3%) и кокс для науглероживания. Под электроды грузят крупную металлическую шихту, ближе к откосам ванны — лом средней ве­ личины, наверх — мелкую шихту. Плотная укладка шихты улуч­ шает ее проводимость, обеспечивает устойчивое горение дуг и ускоряет плавление.

П л а в л е н и е ш и х т ы ведут на высших ступенях вторичного напряжения. После проплавленйя «колодцев» шихту стаскивают с откосов мульдами либо поворачивают печь. Автоматические регуляторы поддерживают постоянную длину дуг во время плав­ ления шихты и повышения уровня металла.

Вдувание кислорода хотя и ускоряет плавление шихты, но увеличивает угар железа. В некоторых случаях для ускорения плавления используют газо-кислородные горелки.

На плавление шихты затрачивается более половины общего расхода электроэнергии; продолжительность плавления составляет 50—60% продолжительности всей плавки.

О к и с л и т е л ь н ы й п е р и о д п л а в к и служит для умень­

шения содержания в металле углерода, фосфора (ниже 0,015%), а также водорода и азота в результате кипения и перемешивания ванны. В качестве окислителей применяют железную руду или кислород.

Совмещение реакций обезуглероживания и дефосфорации до­ стигается при введении окислителей и скачивании шлака основ­ ностью не ниже 2,5.

После достаточно глубокой дефосфорации и достижения со­ держания углерода в металле, соответствующего нижнему пре­ делу, скачивают около 80% окислительного шлака и дают металлу прокипеть без каких-либо присадок в течение 10 мин.

При нормальном протекании окислительного периода плавки

следующие цели: удаление серы, науглероживание и раскисление металла, доведение путем легирования химического состава стали до заданного.

После скачивания шлака окислительного периода в печь вво­ дят шлаковую смесь из извести и плавикового шпата. Затем при­ саживают часть необходимых для легирования ферросплавов и вводят на шлак раскисляющую смесь из молотого кокса и ферро­ силиция. По мере раскисления (уменьшения содержания закиси

В конце восстановительного периода производят корректировку состава металла введением соответствующих количеств легирую­ щих элементов.

Для окончательного раскисления металла присаживают алю­ миний в количестве 0,4—1,0 кг/т стали.

Диффузионное раскисление основного шлака в восстановитель­ ном периоде облегчает глубокую десульфурацию металла и обес печивает получение стали с низким содержанием кислорода и не­ металлических включений.

При выпуске стали в сталеразливочный ковш в некоторых случаях ее обрабатывают синтетическим шлаком.

Особенности плавки на шихте из легированных отходов

В зависимости от состава легированных отходов плавку ведут методом переплава (без окисления) или с непродолжительной про­ дувкой металла кислородом.

Шихта составляется с учетом угара кремния (30—50%), мар­