книги из ГПНТБ / Технология металлов и конструкционные материалы учебное пособие

материалами металлургического процесса — шихтой, продуктами плавки шихты и печными газами, так как это может вызвать разъедание огнеупоров; стойкость против разрушения и способность сохранять объем при колебаниях температур. Огнеупорные изделия .разделя­ ют на кремнеземистые, алюмосиликатные, магнезиаль­ ные, углеродистые и т. д.

Кремнеземистые огнеупорные изделия (кислые) представлены кварцевым песком и динасовым кирпи­ чом, приготовленным из кварцевых пород, содержащих

(70—80% Si02). шамотные (40—45% А120з), мул-

под нагрузкой при высоких температурах, удовлетвори­ тельная термостойкость. В среднем изделия этого вида

форстеритовые, шпинельные и т. д. Для магнезитовых изделий (90—95% MgO) характерна высокая огнеупор­

§ 4. Шихтовые материалы для производства чугуна

Исходными материалами, т. е. шихтой для доменной плавки, являются железорудный агломерат, кокс и флюсы.

Природное минеральное сырье, из которого эконо­ мически целесообразно извлекать металл промьгшлеи-

20

иыми способами, называют рудой. В земных недрах имеются железные, медные, свинцовые, цинковые, алю­

вредные примеси (фосфор, сера и мышьяк в железной руде), пустая порода (глинозем, кремнезем в желез­ ной руде; окислы железа,' глинозем, кремнезем в мед­ ной руде). В процессе переработки руды в металл вредные примеси и пустая порода удаляются.

Железные руды различают по химическому составу рудного минерала. Преимущественно применяются ру­ ды со следующими рудными минералами: красный же­

Качество руды тем выше, чем больше в ней содержится железа, марганца и других полезных элементов и мень­

мимо углерода, содержится 9—10% золы, 0,4—1,9% S, 0,8—1,5% летучих, до 4 “/оплати. В состав золы входят

Si02, А120 3, Fe20 3, СаО и др.

Качество кокса тем выше, чем больше в нем содер­ жится углерода и меньше серы, золы и летучих.

Для удаления пустой породы в шихту вводят флю­ сы— преимущественно известняки, содержащие СаС03, MgC03 и др.

Составляющие флюса, вступая в химическое взаи­ модействие с пустой породой и золой, образуют шлак.

§5. Подготовка шихтовых материалов

кдоменной плавке

Перед плавкой шихта подвергается специальной подготовке. Первой стадией её является дробление до кусков размером 35—100 мм в специальных дробилках.

21

Рис. 5. Схема действия воздухонагревателей

to

СО

опираться на колонны 6, установленные на фундаменте 8. В распаре шихта плавится. Расположенные под рас­ паром заплечики 12 имеют форму конуса, сужающего­ ся книзу. Такая форма заплечиков предохраняет ших­ ту от обрушивания в расположенный ниже горн 13, В горне печи, имеющем цилиндрическую форму, на ле­

в воздухонагревателях (рис. 5) до 1100—1200°С. В ка­ мере 3 сжигается доменный газ. Его продукты сгора­ ния нагревают шамотную насадку 2, 4 и затем отво­ дятся через дымовой канал в трубу 1. Через разогре­ тую насадку 5 другого воздухонагревателя турбовозду­ ходувкой 6 подается дутье. Нагретое дутье по кольце­ вому воздухопроводу 7 поступает к фурмам 8 домен­ ной печи. Одновременно работают три воздухонагрева­

ческие реакции. Кислород дутья на уровне фурм всту­ пает в соединение с углеродом кокса по реакции

С -f- О, -*■СО, -J- Q.

Знак + перед величиной теплового эффекта Q озна­ чает, что реакция идет с выделением тепла. Газ СОг, поднимаясь вверх, реагирует с углеродом кокса:

24

СОа+ С -+ 2 СО — Q.

Реакция сопровождается поглощением тепла. Температура в зоне горения достигает 1900—2000°С.

Наличие свободного СО и характеризует восстанови­ тельную атмосферу в доменной печи. Восстановление железа из окиси протекает по реакциям

3 Fea0 3 -j- СО 2 Fe30 4 -)- СОа -(- Q;

лезе растворяется углерод, т. е. железо науглерожива­ ется. Образующийся чугун в виде капель стекает вниз, в горн.

Там же частично восстанавливаются из окислов и растворяются в чугуне марганец, кремний, хром, титан, ванадий, фосфор, сера и т. д. Некоторая часть серы при высокой температуре переходит в шлак в виде CaS, но большая часть серы и почти весь фосфор уходят в ме­

талл.

Шлак, состоящий из окислов FeO, MnO, CaO, CaS, А120 3, Si02 и др., стекая вниз, скапливается в горне над жидким чугуном.

Продуктами доменной плавки являются чугун, шлак и колошниковый газ. Основными компонентами неле­ гированного чугуна являются железо, углерод, крем­ ний и марганец. В доменной печи выплавляют передель­

(до 3,5%) и пониженным содержанием серы (^0,07% ) применяют для производства чугунного литья.

Специальные чугуны (ферросплавы) имеют повы­ шенное содержание одного или нескольких элементов, например кремния, марганца, хрома и т. д.

Шлак, гранулированный паром или водой, исполь­ зуют для производства цемента, ' шлакового кирпича, шлакобетона.

Колошниковый газ, в состав которого входят 23— 30% СО, 1—3% Н2, применяют в качестве топлива для воздухонагревателей и других целей.

25

Г л а в а lit

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Качество стали определяется многими факторами, из которых главными являются: содержание серы и фос­ фора, окислов FeO, Si02, тазов N2, И2, снижающих ее механические свойства. К тому же сера повышает хрупкость стали .в интервале ковочных температур (красноломкость), а фосфор повышает хрупкость при низких температурах (хладноломкость). Немаловажное значение имеет и колебание химического состава стали в пределах одной марки, т. е. степень однородности стали, оказывающая значительное влияние на возмож­ ность автоматизации процессов механической и терми­ ческой обработки в машиностроении и тем самым ска­ зывающаяся на получении в массовом производстве де­ талей высокого качества. Чем уже пределы химическо­ го состава стали одной марш, тем сталь однороднее.

Легирующие элементы Ni, Cr, W и др. повышают как механические, так и физические и коррозионные свойства стали. Таким образом, легирование делает сталь более качественной.

Внастоящее время сталь получают: а) в конверто­ рах; б) в мартеновских печах;в) в электрических печах,

Впоследние годы ведутся большие разработки по созданию новых процессов получения стали, например непрерывного сталеплавильного процесса и др.

Различают две разновидности сталеплавильных про­ цессов: кислый и основной. Кислым процессом выплав­ ляют стали в агрегатах, рабочее пространство которых выложено из огнеупорных материалов, обладающих кислотными свойствами. При основном процессе рабо­ чее пространство сталеплавильного агрегата выложено из огнеупорных материалов, обладающих основными

свойствами.

В настоящее время наибольшее распространение получили различные способы производства стали ос­ новным процессом.

§ 7. Химические процессы при плавке стали

Целью сталеплавильного процесса является получение в жидком состоянии стали заданного химического со­ става.

27

Для выплавки стали используют различные шихто­ вые материалы: чугун!, стальной и чугунный лом, же­ лезную руду, 'известь и другие. 'В расплавленной ших­ те сталеплавильного процесса содержатся, кроме же­ леза, также другие элементы — кремний, марганец, уг­ лерод, сера, фосфор и т. д. Хотя эти элементы практи­ чески входят в составы различных марок сталей, но в шихте сталеплавильных процессов они находятся в ко­ личествах, превышающих допустимые для сталей. По­

этому процесс плавки стали в основном сводится к окис­ лению примесей шихты и .напреву металла до соответ­ ствующей температурыТаким образом, сталеплавиль­ ный процесс — это процесс окислительный.

Окисление примесей может происходить как за счет кислорода атмосферы и кислорода, специально подво­ димого в расплавленный металл, так и за счет кисло­ рода, растворенного в металле.. Реакции окисления мо­ гут идти следующим образом:

1. За счет кислорода атмосферы

Si —)—0 2 = SiOj Q\

2Mn + Os = 2MnO + Q;

2C + Oa = 2 C O -Q ;

2 Р + 5 0 2 = Р20 Б — Q.

2. За счет растворенного в металле кислорода

Si + 2 FeO = Si02 + 2 Fe + Q;

Mn + FeO = MnO + Fe + Q;

C + FeO = CO + FeO - Q;

2P + 5F eO = P2Oe + 5Fe — Q.

Удалению серы из металла способствует известь, ис­ пользуемая в процессе:

Образующиеся в результате этих реакций окислы и сульфиды всплывают из металла и образуют шлак (кроме СО). Продукт реакции окисления углерода — окись углерода СО удаляется из металла в виде пу­ зырьков газа.

■В шлаке концентрируются, кроме окислов — продук­ тов реакций окисления, также другие составляющие от

28

плавления неметаллической части шихты и частичного разъедания футеровки агрегата. Образовавшийся шлак играет очень большую роль в сталеплавильном процес­ се. В шлаке окислы металлов связываются между со­ бой в более сложные соединения; во многих этих про­ цессах участвует СаО, что придает этим соединениям достаточную прочность. Это оказывает благоприятное влияние на удаление из металла продуктов реакций и прочное их удержание в шлаке. Во многом от качества

и(СаО)4- Р2О5.

§8. Конверторное производство

До недавнего времени наиболее распространенными

ский -процессы, различающиеся между собой как футе­ ровкой конвертора (кислая и основная), так и химиче­ ским составом перерабатываемого чугуна. Однако по­ лучаемая этими процессами сталь была насыщена азо­ том, в связи с чем имела пониженное качество, не удовлетворяющее потребностям современной техники.

Широкое распространение в последние годы получил кислородно-конверторный процесс, который в скором времени станет преобладающим из всех способов произ­ водства стали. Сущность кислородно-конверторного про­ цесса заключается в следующем.

Шихтой для процесса служит жидкий, передельный чугун практически любого химического состава и метал­ лический лом (до 25—30% от массы чугуна). В качест­ ве добавок используют свежеобожженную известь, бок­ сит и некоторые другие шлакообразующие. Кислород

29