книги из ГПНТБ / Сосненко М.Н. Мартеновское производство стали учебник для сред. проф.-техн. училищ

f

с принципом Ле-Шаталье наиболее полно развиваются в менее нагре­ той ванне, т. е. в период плавления и в начале доводки плавки. Обра­ зующийся в шлаке фосфат железа (FeO)3 Р 20 5 является непрочным соединением — при повышении температуры фосфор может восста­ навливаться и переходить обратно в металл по реакции

( Р А ) + [5С] —> [2Р ] + (5С) — Q.

Чтобы воспрепятствовать протеканию этой реакции, т. е. связать фосфор и перевести его в шлак, необходимо иметь в нем избыток извести. При избытке извести фосфат железа переходит в фосфат кальция по реакции

(FeO)3- P A + 4 (CaO) ^ (СаО)4- Р А + 3FeO.

Поскольку эта реакция обратима, для предупреждения восста­ новления фосфора из шлака в металл и достижения минимального содержания фосфора в готовой стали необходимо поддерживать высо­ кую текучесть и основность шлака, т. е. иметь в нем избыток окиси кальция над окисью кремния, удалять значительную часть первич­ ного шлака с высоким содержанием Р 20 5 и наводить новый, доби­ ваясь снижения Р 20 5 в шлаке до 0,3—0,5%. Процесс дефосфорации считается законченным при содержании в пробе металла (после ска­ чивания шлака) 0,01—0,02% Р.

Окисление углерода. Окисление углерода в непрогретой ванне вызывает вспенивание густого вязкого шлака окисью углерода. Это явление используется для удаления самотеком первичного шлака через шлаковое отверстие в задней стенке печи или порог завалоч­ ного окна. При этом из печи удаляется фосфор и кремний, что спо­ собствует уменьшению расхода извести для шлакования окислен­ ного фосфора и кремнезема, уменьшает толщину шлакового по­ крова, поэтому улучшается прогрев металла. К концу плавления шихты достаточно прогретый известняк, превратившийся в известь, всплывает и растворяется в шлаке, что приводит к увеличению основ­ ности шлака и уменьшению содержания окислов железа.

После расплавления всей шихты начинается кипение ванны ме­

180

3)выделение пузырей окиси углерода через слой металла и шлака

ватмосферу печи.

Образующиеся при окислении углерода пузыри окиси углерода перемешивают металлическую ванну и усиливают контакт между металлом и шлаком. Перемешивание способствует лучшему погло­ щению тепла ванной, более быстрому нагреву металла, выделению из него растворенных газов и неметаллических включений.

Окисление серы. При высокой основности шлака происходит частичное удаление серы до остаточного содержания 0,05—0,02%, которая переходит из металла в шлак в виде сульфидов марганца и железа по уравнениям

[FeS]MeT С (FeS)mj] и [MnS ]мет ^ (MnS)mjl

Эти реакции обратимы, поэтому сульфиды нужно связывать из­ вестью шлака:

В результате этих реакций образуется сернистый кальций, кото­ рый не растворяется в металле и переходит в шлак.

После завершения окислительных процессов, когда снижается содержание углерода, кремния, марганца, фосфора и серы, пол­ ностью или частично удаляют шлак, наводят новый, сталь раскисляют и, если нужно, легируют. Затем, если химический состав и темпера­ тура стали находятся в соответствии с техническими требованиями, металл выпускают из печи.

§ 69. ВЫПЛАВКА СТАЛИ В КИСЛЫХ ПЕЧАХ

Футеровку кислых мартеновских печей выполняют из динасовогокирпича, а наварку пода и откосов— кварцевым песком. Так как шлак в такой печи может быть только кислый, то фосфор и сера не могут быть удалены из металла. Поэтому применяемые для плавки материалы и топливо должны содержать минимальное количество вредных примесей (<0,03% S и <0,04% Р), допускаемые в готовых сталях. В качестве шихты при кислой плавке используют высоко­ качественный передельный чугун марок ПВК1, ПВК2 и ПВКЗ, отборный стальной лом и шихтовые болванки, специально выплавляе­ мые в основных мартеновских печах. При выплавке стали с содержа­ нием 0,25—0,4% С шихта должна состоять из 65—70% стальных бол­ ванок и лома и 30—35% чугуна. Количество чугуна увеличивают до 40% при выплавке стали с высоким содержанием углерода. При завалке шихты на подину дается мелкий стальной скрап, предохра­ няющий ее от разрушения, чугун с низким содержанием фосфора и серы, а затем вся остальная часть шихты.

После завалки шихты происходит расплавление твердой шихты, занимающее около половины всего времени плавки. При этом часть железа окисляется за счет кислорода атмосферы печи и кислорода

181

руды с образованием закиси железа FeO, которая растворяется в ванне металла и окисляет примеси шихты по реакциям

[Si] + [2FeO] -> [2Fe] + (Si02) + Q; [Mn] + [FeO] -*■ [Fe] + (MnO) + Q.

Образующаяся кремнекислота вступает в реакцию с закисью марганца и образует на поверхности металла шлак:

[Si02] + [FeO] -*■ (FeSi03) + Q;

Образовавшийся шлак содержит около 45—48% SiO3 и 50—54% (FeO + MnO). В процессе плавки концентрация S i0 2 увеличивается до 55—60% вследствие растворения наварки и восстановления FeO и МпО из шлака. Несмотря на высокое содержание закиси железа (20—35%), шлак имеет недостаточно высокую окислительную спо­ собность, поэтому окисление примесей и углерода происходит менее интенсивно, чем в основном мартеновском процессе. Для усиления кипения в ванну небольшими, но частыми присадками вводят желез­ ную руду. Углерод выгорает по реакции

[С] + (FeO) -> (СО) + [Fe] — Q.

Окись углерода выделяется на поверхности ванны в виде пу­ зырьков, что создает впечатление кипящего металла. О ходе плавки судят по интенсивности кипения ванны. Кипение ванны приводит к улучшению качества стали, так как оно способствует перемешива­ нию ванны, выделению растворенных в металле газов и шлаковых включений. Окончание процесса каждой плавки определяют по по­ верхности пробы стали, залитой в пробную форму. Спокойное засты­ вание стали в пробной форме без подкипания указывает на готовность плавки к выпуску из печи.

Технологические особенности кислого процесса

1.Возможность (в начале плавки) окисления кремния с переходо

его в шлак в виде S i0 2 и последующего восстановления кремния (в период кипения ванны) углеродом, марганцем и железом по реак­ циям

С повышением температуры кремний может быть восстановлен из футеровки по реакциям

Si02TB -f- 2С —> Si -f- 2СО;

Si02TB + 2 F e -^ S i + 2FeO.

182

Восстановление кремния из подины углеродом металла создает благоприятные условия для выгорания углерода, дегазации и пере­ мешивания металла. Наибольшее восстановление кремния и мар­ ганца происходит за последние 2—3 ч перед выпуском металла, по­ этому в печах, работающих с высокой тепловой мощностью, в резуль­ тате восстановленных процессов получают сталь с содержанием 0,35— 0,6% Si и 0,36 0,4% Мп без введения ферросилиция и ферромар­ ганца. В связи с этим сталь, полученная пассивным кремневосстано­ вительным процессом, раскисляется при малом расходе раскислите­ лей. В ряде случаев такие стали получают без раскисления.

Процесс раскисления начинают с присадки в печь ферромарганца или силикомарганца с учетом угара его в количестве 20—30%. Спустя 5—8 мин в печь вводят ферросилиций с учетом количества кремния, восстановленного в процессе плавки.

2^ Отсутствие процессов, связанных с удалением вредных при­ месей — серы и фосфора, что сокращает длительность плавки.

Качество, свойства и область применения кислой мартеновской стали

Самораскисление металла в процессе плавки с восстановлением кремния улучшает качество стали, так как в ней остается меньше неметаллических включений. Кислый шлак предохраняет жидкий металл от поглощения газов (Н2 и N2). При таких условиях плавки кислая сталь по механическим свойствам превосходит основную. Кроме того, механические свойства кислой стали в поперечном и про­ дольном направлениях образца меньше различаются, т. е. сталь имеет менее развитую анизотропию свойств.

Вкислых мартеновских печах выплавляют только качественные

ивысококачественные стали, которые дороже основной в 1,5—2 раза. Их используют для изготовления ответственных изделий (валков,

тонкого высококачественного листа и т. д.). Производство легирован­ ной стали в кислых печах выгоднее, чем в основных, так как в них значительно меньше угар легирующих элементов.

§ 70. ДУПЛЕКС-ПРОЦЕССЫ

Широко применяемым в мартеновских цехах дуплекс-процессом является плавка стали в основной, а затем в кислой печи. Возникно­ вение этого процесса связано с его особенностями: нельзя рафини­ ровать металл от фосфора и серы и требуются материалы исключи­ тельной чистоты в отношении этих вредных примесей.

Дуплекс-процесс ведут по двум типовым вариантам:

1) шихту кислой печи'составляют из жидкого полупродукта ос­ новной печи с добавлением в него высококачественного чугуна в ко­ личествах, необходимых для науглероживания ванны расплава;

2) в качестве шихты используют жидкий полупродукт выплавляе­ мый в основной печи с содержанием углерода, обеспечивающим время, необходимое для кипения ванны расплава в кислой мартенов­

183

б) нежелательность выплавления легированной стали после хо­ лодных и горячих ремонтов печи, так как при этом возможно засоре­ ние металла частицами футеровки;

в) обеспечение выгорания углерода главным образом за счет кис­ лорода печных газов и лишь частично за счет кислорода руды;

г) возможность доливки жидкого чугуна в конце периода плав­

д) необходимость проведения перед доводкой стали интенсивного кипения ванны для уменьшения содержания закиси железа в шлаке, а также удаления из металла газов (водорода) и неметалл ических. включений. Кипение ванны должно быть ровным и достаточным по времени;

е) введение боксита и шамота перед раскислением ванны для приведения в жидкоподвижное состояние шлака.

4. Легирующие элементы вводят в ванну с учетом следующих, рекомендаций:

а) перед введением легирующих элементов должна отбираться проба металла для определения его химического состава;

б) никель относится к неокисляющимся легирующим добавкам, поэтому основную часть никеля вводят в завалку или в период плав­ ления шихты, а требуемое его содержание в стали обеспечивается в процессе кипения ванны. Следует иметь в виду, что ранняя присадка никеля способствует выделению содержащегося в нем водорода, а по­ этому его рекомендуется вводить в расплав не позднее чем за 1 ч до предварительного раскисления;

в) молибден следует вводить в ванну в виде ферромолибдена или молибдата кальция за 1,5—2 ч до выпуска стали из печи, так как в процессе плавки он не окисляется.

Чаще всего в качестве лёгирующей присадки применяют хром. В мартеновских печах обычно выплавляют низко- и среднелегиро­ ванные стали, содержащие 2,0—3,0% Сг. При выплавке сталей, леги­ рованных хромом, феррохром следует вводить в хорошо нагретый, металл, предварительно раскисленный ферросилицием. Учитывая сравнительно легкую окисляемость хрома, феррохром нужно вво­ дить через 5—8 мин после предварительного раскисления. При со­ держании хрома в готовой стали до 1,5% выдержка после введения феррохрома должна составлять 15—40 мин, после чего рекомендуется раскислять шлак сухим молотым коксом. Для удаления влаги и во избежание сильного охлаждения стали перед присадкой феррохром необходимо подогреть до красного каления. Феррохром иногда при­ саживают в кипящую ванну без предварительного раскисления. Такой способ легирования основан на том, что окисляющийся хром при горя­ чем ходе печи снова восстанавливается и угар его может оказаться близким к угару хрома (он составляет 12-—15%), вводимого в пред­ варительно раскисленную ванну. При введении хрома в кипящуюванну можно применять высокоуглеродистый феррохром.

185

При получении сталей, содержащих такие легко окисляющиеся элементы, как ванадий, титан и бор, их, как правило, дают в ковш, этому предшествует добавка в металл высококремнистого ферроси­ лиция и алюминия, снижающих угар этих легирующих элементов.

В табл. 29 приводятся рекомендуемые условия ввода в мартенов­ скую печь добавок и ферросплавов для легирования стали (по данным практики одного из отечественных металлургических заводов).

Т а б л и ц а 29

Условия легирования стали

На Челябинском электрометаллургическом комбинате при леги­ ровании стали применили экзотермические ферросплавы в виде бри­ кетов массой 0,3— 16 кг. Их выпускает Актюбинский завод ферро­ сплавов; в качестве связующего раствора используют жидкое стекло или каменноугольный пек. Брикеты кладут на дно ковша перед выпуском стали или по ходу ее выпуска. Этим достигается повышен­ ная степень усвоения легирующих элементов: до 91 % Мп, до 94% Сг. Особенно целесообразно применять брикеты в случае использования дорогостоящих элементов, таких как W, Hb, V и др. При таком спо­ собе достигается равномерное распределение легирующих элементов по объему металла.

Как показал опыт другого отечественного металлургического предприятия, экономически выгодно получать мартеновские стали марки ЗОХ легированием комплексным сплавом ФХМС, содержащим

40,5% Сг, 30,0% Мп, 10,8% Si, 5,17% С и остальное Fe. Перенесение процесса легирования из печи в ковш и применение сплава ФХМС позволяет повысить производительность мартеновской печи на 3—5%, снизить угар Сг, Мп и Si, понизить содержание фосфора на 25—30%, уменьшить загрязненность неметаллическими включениями.

186

§ 72. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ

ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КИСЛОРОДА

Одним из наиболее эффективных средств, позволяющих повысить производительность мартеновских печей, является применение кисло­ рода. В практике существуют три наиболее распространенных спо­ соба использования кислорода:

1)в рабочем пространстве печи (в факел пламени);

2)продувка ванны;

3)в факел и в ванну.

Введение кислорода в факел пламени в периоды завалки шихты, ее прогрева и расплавления применяют для интенсификации тепловой работы печи. При обогащении воздуха кислородом факел становится более коротким, жестким и настильным. В нем резко оформляется зона интенсивного первичного горения, которая отсутствует в факеле при воздушном дутье (рис. 99). При этом уменьшается количествопродуктов сгорания и температура факела повышается на 50— 150° С, что облегчает проведение периода кипения ванны с увеличенной ско­ ростью окисления углерода. Это приводит к ускорению теплопередачи от факела к ванне, повышению температуры горения топлива и более полному его сжиганию в рабочем пространстве печи, т. е. позволяет увеличивать тепловые нагрузки печи при одном и том же разрежении,

создаваемом дымовой трубой.

При отоплении печей жидким топливом или холодным газом кис­ лород можно подавать двумя способами: по трубке, расположенной под мазутной форсункой и заключенной в общую с форсункой охлаж­ даемую водой фурму, или вокруг струи через кольцевую щель. Пер­ вый способ оказался более эффективным, так как в этом случае наи­ более горячая часть пламени располагается ближе к ванне. При отоп­ лении печей нагретым газом кислород подается через специальные водоохлаждаемые фурмы, уложенные по периферии газового кессона или внутри водоохлаждаемой части кессона, с подачей кислорода попериферии факела (рис. 100). Факел пламени (рис. 100, а), обогащен­ ный кислородом на 30% (на 1 т стали расходуется ~ 50 м3 кислорода), позволяет выплавить в 185-т печи четыре плавки в сутки. Тепловой баланс печи при использовании в факеле кислорода улучшается, так как уменьшаются потери тепла с продуктами сгорания. В зависимо­ сти от применяемого процесса (скрап-процесс или скрап-рудный процесс), от конструкции и состояния печи, расхода кислорода и теп­ ловых нагрузок интенсификация процесса горения топлива позво­ ляет повысить производительность печи на 5—40%.

На заводе «Азовсталь» кислород вводится в рабочее пространство­ печи при помощи инжектора, что улучшает светимость и аэродина­ мику факела, повышает его температуру, а также стойкость внутрен­

ней футеровки газовых кессонов.

Расплавленную или полурасплавленную ванну продувают кисло­ родом в период плавления шихты и после заливки в печь чугуна. Продувка необходима для прямого окисления элементов и примесей, чтобы ускорить протекающие в стали химические реакции (рис. 101)_

187'

а

188

Кислород подается по водоохлажденным фурмам, которые при по­ мощи автоматического кнопочного управления вводятся вертикально в печь через отверстия в главном своде, оборудованные охлажден­ ными водой кольцами (см. рис. 100, б). На качающихся печах завода «Азовсталь» разработан способ ввода кислорода в печь по газовым стальным трубам диаметром 25—30 мм через отверстия, расположен­ ные в задней стенке печи, что позволяет проводить продувку сразу же после заливки расплавленного чугуна в течение всего периода плав­ ления.

При подаче кислорода со скоростью 20—30 м3/мин скорость обез­ углероживания примерно вдвое выше обычной, а количество желез­ ной руды, присаживаемой в период кипения, сокращается почти вдвое. Кроме того, при этом улучшается процесс обессеривания металла.

При выплавке малоугле­ родистой стали продувку ванны кислородом начи­ нают при низком или среднем содержании угле­ рода (0,25—0,50%). Со­ держание газов в металле, выплавленном с примене­ нием кислорода, снижает­ ся, что объясняется более активным кипением ванны. При этом качество гото­

вого металла не ухудшается, а уменьшение содержания газов спо­ собствует понижению склонности металла к старению. Длитель­ ность плавки стали сокращается на 30—40 мин. Однако примене­ ние этого способа ограничено, что обусловлено повышенным угаром железа, усиленным пылеобразованием, а, также разбрызгиванием металла и шлака, при котором усиленно разрушается кладка печи.

Введение кислорода одновременно в факел и в ванну позволяет дополнительно увеличить производительность печи, снизить удель­ ный расход топлива. С учетом интенсификации процессов плавки, при которых повышается тепловая нагрузка, все мартеновские печи, работающие на кислороде, должны иметь магнезитохромитовый свод.

Кроме указанных способов, кислород также применяют в следую­ щих случаях:

1) для предварительного обескремнивания расплавленного чу­ гуна в миксере или в ковше. В связи с недостатком металлолома и не­ обходимостью повышения содержания чугуна в шихте этот метод использования кислорода позволяет уменьшить количество первич­ ного шлака, расход известняка и извести, повысить производитель­ ность печи;

2)для ускорения расплавления стального лома при скрап-про­

цессе;

3)для сжигания холодного природного газа.

189