книги из ГПНТБ / Головнина, Т. В. Производство стали с основами товароведения (учебное пособие)

жидкого металла из печи, через несколько минут лаборант по радио сообщает результаты анализа, сталевар имеет воз­ можность корректировать состав металла и грамотно вести плавку. Наряду с пробой металла берутся и пробы шлака.

мых в печь в период окисления. Устройство и работа марте­ новской печи цредставлена на рис. 1.

Мартеновская печь расположена как бы на двух этажах. На первом этаже (частично углублены в землю), размеща­ ются регенераторы, камеры, оснащенные насадкой из огне­

жидком топливе — по одному. Второй этаж — рабочее про­ странство печи (15), сверху ограниченное сводом из динасо­ вого или хромомагнезитового кирпича, на нижней части— подине—и плавится металл. Кислая подина выкладывается динасовым кирпичом, основная — магнезитовым.

Кислая подина наваривается кислым огнеупором — квар­ цитом или кварцевым песком, основная—молотым магнези­

или пять загрузочных или завалочных окон, через которые шихта подается в печь. На время плавки окна закрыты огне­ упорной крышкой. С противоположной стороны печи имеется выпускное отверстие, через которое готовая сталь выпу­ скается в разливочный ковш. Во время плавки оно также закрыто огнеупорной массой. Подготовленная и взвешенная в шихтовом цеху шихта в металлических ящиках (мульдах) подается подъемником на рабочую площадку, загрузка в печь осуществляется загрузочными машинами различных кон­ струкций. Газообразное топливо подается в печь через разо­ гретую насадку правого регенератора (2), по первому регене­ ратору пропускается воздух, они движутся по вертикальным

сгорает, выделяя большое количество тепла. Благодаря на­ клонному расположению головок пламя (факел горения) прижимается к шихте, отдавая ей максимум тепла; отражаясь от шихты продукты горения удаляются из рабочего простран-

10

ства через левую головку (13' и 14') и левую пару регене­ раторов, отдавая тепло насадке. Продукты горения по кана­ лам 6, Т , 8 8' и 9 выводятся в дымовую трубу (10). По мере

охлаждения насадки регенератора автоматически осуществля­ ется перекидка клапанов 3 и 3', которые поворачиваются на 90°, газ и воздух через каналы 6' Т , 1Г и 12' и левую го­ ловку печи (13' и 14') наступают в рабочее пространство сле­

Окисление примесей кислородом топочных газов осуще­ ствляется крайне медленно через слой шлака, поэтому экзотермическое тепло этих реакций в тепловом балансе мар­ теновского процесса имеет второстепенное значение, основное количество тепла выделяется за счет сгорания топлива.

Емкость современных мартеновских печей доходит до 900 тонн, однако, наиболее распространены основные печи ' емкостью 100—500 т, емкость кислых печей значительно меньше.

ОСНОВНОЙ МАРТЕНОВСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ

Технология выплавки стали в основных мартеновских печах состоит из следующих этапов:

1. Осмотр и заправка подины измельченным магнезитом или доломитом, а с противоположной стороны печи огнеупор­ ной массой заделывается выпускное отверстие, и печь готова

кприему металла.

2.Завалка шихты через окна. Жидкий чугун также за ­ ливается через окна по желобу. В период завалки подается

значительное количество топлива.

3. Расплавление шихты завершается спустя некоторое время после загрузки, этот период также форсируется. При расплавлении образуются два слоя жидкости: металл — шлак.

4. Рафинирование или доводка металла начинается с уда­

выделением газов, вводят легкоокисляющиеся легирующие элементы и раскислители, и сталь готова.

11

5. Выпуск стали через выпускное отверстие; сталь стекает по желобу в подставленный разливочный ковш, непосредст­ венно в струю металла даются дополнительно наиболее ак­ тивные раскислители (алюминий,,высокопроцентный ферроси­ лиций, сплав AMS и др.)- Из ковша сталь разливается по изложницам, где и формируются стальные слитки.

КИСЛЫЙ МАРТЕНОВСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ

Кислый мартеновский процесс используется значительно реже основного. Шихта должна быть свободна от вредных примесей. Подина выкладывается кислым динасовым кирпи­ чом, наварка и флюс—также кислые (кварцевый песок), со­ держание кремнезема в шлаке до 60%. Окислители те же, что и в основном процессе.

Кислый процесс сталеварения подразделяется на два варианта:

1. Обычный или активный, при котором заметного вос­ становления кремния из кремнезема шлака и футеровки не наблюдается, раскисление ведется, как обычно, под конец

2. Пассивный или кремневосстановительный процесс рас­ пространен на ряде заводов Советского Союза и заграницей при выплавке ответственных марок стали с повышенным

восстанавливаемый кремний находится в чрезвычайно актив­ ном (атомарном) состоянии, вступает в реакцию с закисью железа, восстанавливая последнюю: Si + 2Fe0 = 2Fe + Si02+Q. Наступает равновесие между металлом и шлаком (период стабилизации). Выдержка металла при таких условиях спо­ собствует выделению из него газов и шлаковых включений. При этом варианте кислого процесса сталь получается плот­ ная, с минимальной газонасыщенностью, хорошо раскислен­ ная, свободная от инородных включений.

В шихту кислого процесса вводится чистый, часто дре­ весноугольный передельный чугун. Стоимость кислой стали значительно выше основной. Используется кислая сталь для производства тонких листов, ответственных поковок и от­ ливок.

РАЗНОВИДНОСТИ МАРТЕНОВСКОЙ ПЛАВКИ

По виду используемой шихты применяются следующие разновидности мартеновской плавки:

12

1.Скрап-процесс широко используется в промышленности

смомента возникновения мартеновского производства до наших дней. Название обусловливается тем, что в составе шихты содержится до 70—75% скрапа, остальное—передель­ ный мартеновский, чушковой чугун. Завалка твердая. Плавка может вестись на кислой или основной подине. Скрап-процесс

широко используется на металлургических заводах, не имею­ щих доменного производства. Выход стали составляет примерно 96%, угар — 4%.

2. Рудный процесс'. Основная составляющая шихты—рас­ плавленный доменный передельный чугун, добавляется лишь небольшое количество скрапа своего завода (обрезки прока­ та, стружка механических цехов и т. п.). С целью ускорения процесса вводят 20—25% железной руды, этот вариант очень экономичен, т. к. не затрачивается топливо на повторное расплавление чугуна, повышается производительность, имеет место пригар металла до 2—3% за счет железа, восстанов­ ленного из руды.

3. Скрап-рудный процесс. Такой смешанный вариант мартеновской плавки применяется с целью утилизации скрапа.

Шихта состоит из 40—60% расплавленного чугуна, остальное — скрап. В этом процессе как бы сочетаются пре­ имущества двух предыдущих. Использование значительного количества жидкого чугуна сокращает расход топлива, в то же время в состав шихты вводят значительное количество скрапа, который не плавится, а растворяется в жидком чугуне. Эти обстоятельства снижают себестоимость стали.

4. Комбинированные процессы: дуплекс и триплекс-про­ цессы. Комбинированные процессы предусматривают после­ довательное ведение плавки в двух или трех плавильных агрегатах, например: мартен с основной футеровкой, мартен с кислой футеровкой, мартен—электропечь, конвертер—мар­ тен—электропечь и т. п. Комбинированные процессы дают возможность из загрязненной шихты выплавлять качествен­ ную сталь, однако, использование нескольких агрегатов практически весьма сложно и в промышленности почти не используется.

Технико-экономические показатели мартеновских процессов

Технико-экономические показатели мартеновской плавки зависят от очень многих факторов: емкости мартенов­ ской печи, разновидности процесса, степени механизации трудоемких процессов, автоматизации теплового режима,

13

качества подготовки шихты, марок выплавляемой стали, используемой футеровки и многих других причин. Главней­ шим показателем работы мартеновской печи является съем стали с квадратного метра пода печи в сутки. Средний съем стали по Советскому Союзу составляет 8— 10 т/м2 пода печи в сутки. Сталевары-скоростники значительно превышают эту цифру. Вторым ' важнейшим показателем является расход топлива на 1 тонну выплавляемой стали. Ввиду разнообраз­ ных характеристик используемого топлива расход его при­ водится в «условном топливе» с теплотворной способностью 7000 ккал1кг и составляет в среднем 100—120 кг/т стали.

С целью экономии топливо автоматически подается в печь в отдельные периоды плавки, перекидка клапанов, из­ меняющих направление движения топливных и отходящих газов, также автоматизирована. Если температура свода превышает установленную норму, автоматический регулятор, во избежание его оплавления, снижает подачу топлива в печь, если это не достигает цели, регулятор подает импульс на перекидку клапанов раньше установленного срока.

Интенсификация мартеновской плавки

Одним из наиболее эффективных способов интенсифика­ ции мартеновского процесса является применение кислорода.

лучеиспускательную поверхность. Снижается количество про­ дуктов горения, тем самым повышается мощность печи. Про­ изводительность печи увеличивается на 25—30%. Кислород вводится также через охлаждаемую водой фурму непосред­ ственно в металл в период окисления.

Комбинированное введение кислорода в факел горения и в расплавленный металл повышает производительность до 50%, резко снижая расход топлива и окислителей. Расход кислорода в среднем составляет около 40 м3/т стали. Наряду с кислородом с целью интенсификации целесообразно ис­ пользовать высококалорийный природный газ.

Повышение качества мартеновской стали обработкой синтетическими шлаками

Известково-глиноземистый шлак с определенным 'соотно­ шением СаО : S 1O2 : А120 3 выплавляется в электрической печи и выливается в разливочный ковш, в который затем выпу-

14

скается сталь из мартеновской печи. При таком методе обра­ ботки содержание серы в стали снижается с 0,05 до 0,01%, понижается и содержание фосфора, резко сокращается коли­ чество присутствующих в стали газов, окислов и шлаковых включений, металл проходит дополнительное раскисление.

В результате обработки стали синтетическими шлаками повышается пластичность, ударная вязкость, понижается хладноломкость, качество такой стали приближается к элек­ трической.

ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ

Возможность выплавки стали в электрических печах была выявлена в начале девятиадщатото века петербургским про­ фессором Петровым, однако, осуществить на ,практике это предложение не удалось, т. к. сила тока, которой располагала электротехника, была недостаточной. Во второй половине девятнадцатого века, после изобретения динамомашины, было предложено несколько конструкций электропечей, но и они не нашли промышленного применения вследствие высокой стоимости электроэнергии, и только с начала текущего сто­ летия начинается промышленное использование электро­ плавильных печей.

В 1900 г. была пущена в эксплуатацию электродуговая печь для плавки стали, а в 1916 г. — высокочастотная ин­ дукционная электропечь.

Электроплавка располагает рядом преимуществ: в элек­ тропечах развивается высокая температура, можно выплав­ лять любую марку стали и тугоплавкие сплавы. Шлак сильно перегрет и очень активен, способствует рафинированию. Отсутствие печных газов, а также восстановительная или нейтральная атмосфера в электропечи обеспечивает получение плотной стали с минимальной газонасыщенностью и незначи­ тельным количеством шлаковых включений. Угар металла в целом и легирующих элементов в особенности резко сни­ жается. Используемая для плавки электроэнергия может быть получена сжиганием дешевых местных видов топлива (камен­ ного угля, торфа и пр.), широко используется и энергия падающей воды. Электропечи могут работать периодически, что имеет большое значение в фасоннолитейных цехах.

Как и в других сталеплавильных агрегатах, в электро­ печах может выплавляться основная или кислая сталь.

15

По принципу нагрева современные электропечи подраз­ деляются на следующие группы:

ДУГОВЫЕ ЭЛЕКТРОПЕЧИ

Электродуговые печи с горизонтально расположенными электродами обычно барабанного типа. Электрическая дуга возникает между двумя графитовыми электродами. Печи этого типа используются для выплавки цветных металлов

исплавов.

Вэлектродуговых печах с вертикально расположенными электродами выплавляются высококачественные углеродистые

илегированные стали и сплавы. Как и в печах первого типа электроды большей частью графитовые (графитированные), реже угольные. Дуга горит между электродами и шихтой.’ Печи трехфазные имеют три электрода.

Электроды закрепляются в пустотелых, охлаждаемых водой электрододержателях с автоматической регулировкой. Электрический ток от печного трансформатора подается

гибкими кабелями. Шихта в основном состоит из скрапа с добавкой чугуна и ферросплавов, которые при выплавке сплавов с незначительным содержанием железа, заменяются чистыми металлами. Загрузка шихты может осуществляться через рабочее окно или сверху в печах со съемным сводом или выдвижным корпусом, в последнем случае заранее под­ готовленная, взвешенная шихта погружается в печь сразу. Готовый металл выпускается через летку и по желобу сте­ кает в разливочный ковш, печь при этом наклоняется с по­ мощью специального устройства.

Используются следующие варианты дуговой электро­ плавки стали:

1.Основной процесс с окислением.

2.Основной процесс без окисления (переплав).

16

3. Кислый процесс (активный и пассивный) с окислением

ибез окисления.

4.Комбинированные дуплекс и триплекс процессы).

Технология выплавки стали в основных дуговых печах с окислением

Этот способ широко используется в промышленности, он имеет много общего с основным мартеновским процессом, но есть и .существенные отличия. .После заправки подины и завал­ ки шихты включается электрический ток. При расплавлении содержание углерода в металле должно быть выше заданного

вмарке приблизительно на 0,5—0,6%, для окисления которого

впечь вводится руда или окалина. По окончании кипения

шлак удаляется, уводя с собой фосфор и частично серу. В печь вводится смесь из измельченной извести, плавикового шпата (CaF2), кокса, высокопроцентного ферросилиция. Образуется известковый или белый шлак, содержащий до 60% СаО. При использовании смеси несколько иного состава образуется другой тип раскислительного шлака—карбидный.

отношение процентного содержания этого вещества в обоих растворителях постоянно», и применяя этот закон к системе шлак — металл, можно написать уравнение

связывает ее: Si02 + Fe0=S102 • FeO. Концентрация свобод­ ной закиси железа в шлаке понижается и равновесие нарушается, для его восстановления часть свободной закиси железа переходит из металла в шлак, сталь раскисляется через шлак (диффузионное раскисление).

Во время выдержки металла под белым шлаком протекает

17

3FeO + CaC2 = 3Fe + CaO + 2CO,

3FeS + CaC2 + 2CaO = 3Fe+3C aS+2C O ,

3MnS + CaC2 + 2CaO = 3Mn + 3CaS + 2CO.

При рафинировании под карбидным шлаком некоторое коли­ чество углерода (t до 0,1%) может перейти в металл, по­ этому под карбидным шлаком варить мягкую сталь нельзя.

Плавка без окисления

Плавка без окисления начала широко использоваться в период Второй (мировой войны, когда на .полях сражения

ванадий и другие — легко окисляются и при пл атаке с окислени­ ем теряются в шлаке. При плавке без окисления шихта состоит из скрапа легированной стали, близкого по составу к задан­ ной марке, и мягкой стали, добавляется недостающее количе­ ство ферросплавов. Так как при расплавлении углерод не превышает заданной нормы, окислители не вводятся, боль­ шей частью нет надобности в наведении и удалении шлака, плавка протекает быстрее, повышается производительность, сокращается расход электроэнергии, электродов, ферроспла­ вов и огнеупоров.

Производство кислой электростали

Технология выплавки кислой электростали близка к тех­ нологии выплавки кислой мартеновской стали, однако, сталь эта имеет более высокую температуру, повышенную жидкотекучесть, что особенно важно в фасоннолитейном производ­ стве, где эти печи и имеют наибольшее применение. Как и в мартеновском производстве, кислый электродуговой процесс может вестись активным или пассивным способом.

Технико-экономические показатели дуговой электроплавки

электроэнергии на выплавку одной, тонны углеродистой ста­ ли в среднем около 500 квт-ч, легированной до 1000, при вы­ плавке специальных сплавов и ферросплавов .расход электро­

энергии значительно выше. Расход 1Графитированных электро­ дов 6—9 кг/т стали..

18

С целью интенсификации дуговой электроплавки в рас­ плавленную сталь в период окисления вводят по охлаждаемой водой трубке кислород.

расплавленный металл. Печи эти используются для плавки цветных металлов и сплавов.

Для производства сталей и специальных сплавов исполь­ зуют печи высокой частоты, без сердечника, тигельного типа. Плавка производится в набивном огнеупорном тигле цилин­

Снаружи на тигель с небольшим зазором одевается индуктор в виде катушки из плоской медной трубки, по кото­ рой циркулирует проточная, холодная вода. К индуктору, являющемуся первичной обмоткой, гибким кабелем или шинами, подается электрический ток от мотора генератора с частотой 500—2500 периодов в секунду, реже, в лаборатор­ ных условиях, со значительно большей частотой ток посту­

вокруг индуктора переменного магнитного поля и вихревых токов, возникающих в самом металле, которые способствуют перемешиванию и получению однородного по составу металла.

Шлак индукционных электропечей нагревается лишь от ме­ талла, если шлак недостаточно перегрет—пассивен, то он не позволяет проводить рафинировочных операций. Таким обра­ зом, в индукционных высокочастотных электропечах прово­ дится лишь переплав шихты с целью получения высококаче­ ственной стали и специальных сплавов.

Вследствие повышающихся требований, предъявляемых к металлу, все шире используется плавка качественной стали

исплавов под вакуумом.

•Емкость современных высокочастотных электропечей ко­ леблется от 50 кг до 10 г.

19