книги из ГПНТБ / Блинов О.М. Основы металлургической теплотехники

В 1940 г. в СССР было выплавлено 18,3 млн. т ста­ ли. В 1967 г. — юбилейном году 50-летия Великого Ок­

ред черной металлургией поставлены новые большие за­ дачи.

Технический прогресс в производстве металла в на­ стоящее время характеризуется увеличением мощности и емкости агрегатов, совершенствованием технологии, интенсификацией тепловых режимов, механизацией и автоматизацией производственных процессов и, как следствие, увеличением производительности и улучше­ нием качества продукции.

Строятся и разработаны крупнейшие в мире домен­ ные печи объемом 2700, 3200 и 5000 м3. Интенсификация доменного процесса достигается повышением температу­ ры дутья и давления на колошнике, вдуванием в печь природного газа и кислорода. Температура дутья состав­

производства. В настоящее время механизирована тру­ доемкая операция подготовки желобов к выпуску: же­ лоба после выпуска очищаются от скрапа при помощи мостового крана, оборудованного электромагнитом и грейфером; применяют съемные главные чугунные жело­ ба. Для уменьшения объема работ по обслуживанию желобов используют одноносковую разливку чугуна и шлака.

На ряде доменных печей установлены машины с ди­ станционным управлением для вскрытия чугунной лет­ ки, осуществляющие сверление и продувку ее. При вы­ полнении работ у горна используют ряд механизмов, об­ легчающих труд горновых: консольно-поворотные краны для обслуживания чугунной летки; фрезы для разборки футляра чугунной летки; пневматические стопоры для закрытия шлаковых леток; гидравлический грейфер для уборки мусора и ломки старой футеровки желобов; мо­ норельсы с тельферами вокруг доменной печи и на шлако­ вой стороне для подачи материалов и оборудования.

Процесс в сталеплавильном производстве характери­

зуется увеличением мощностей кислородно-конвертер­ ных цехов, оснащаемых мощными конвертерами емко­ стью 250—300 т и более. Мартеновский процесс интенси­ фицируется на основе применения природного газа и кислорода для отопления печей и продувки ванны. Заво­ ды Советского Союза располагают самыми крупными в мире печами емкостью 600 и 900 т. Строятся крупные электросталеплавильные дуговые печи емкостью 100, 200 т и более с мощными трансформаторами и устройст­ вами для электромагнитного перемешивания металла.

Широкое распространение получил разработанный

ивнедренный впервые в СССР метод электрошлакового переплава, сущность которого заключается в переплаве расходуемого электрода заданного химического состава с очисткой от примесей в слое шлака. Электрошлаковый переплав позволяет получать металл высокого качества

ислитки массой до 40 т.

Развивается производство качественных сталей в ва­ куумных дуговых и индукционных печах. Перспективной является плавка в электроннолучевых печах, работаю­ щих на основе использования тепловой энергии, выделя­ ющейся в расплавленном металле при бомбардирозке его быстрыми электронами в глубоком вакууме. В СССР

работает несколько электроннолучевых печей. Начинают осваиваться также плазменные печи, в которых металл плавится плазмой с температурой в несколько тысяч градусов, не несущей загрязняющих примесей.

Увеличиваются количество и типаж установок непре­ рывной разливки стали (УНРС), на которых сейчас от­ ливают заготовки из углеродистой и легированной стали круглого, квадратного и прямоугольного сечения раз­ личных размеров. Совершенствуется обычная разливка стали. Увеличение производительности достигается при­ менением скоростной разливки; для повышения выхода годного металла используют разливку под слоем шлака, получаемого из порошкообразных экзотермических и термоизоляционных смесей.

Технический прогресс в прокатном производстве ха­ рактеризуется внедрением высокопроизводительных ста­ нов, качественный нагрев металла для которых обеспе­ чивается в печах большой тепловой мощности. Улучшает­ ся качество проката, точность его размеров, расширяется сортамент. Выпускается прокат со специальными покрытиями»-при химико-термической обработке: луже­

ный, хромированный, оцинкованный и т. д.; биметалли­ ческий (т. е. состоящий из двух слоев), коррозионностой­ кий, антифрикционный, электротехнический прокат. Качество металла повышается за счет термической и тер­ момеханической обработки, представляющей собой про­ грессивный способ улучшения свойств стали совмеще­ нием деформации с термическим воздействием.

2. Тепло и металлы

Основные металлургические процессы — извлечение металлов из руд, их обработка: литье, прокатка, волоче­ ние, ковка, штамповка и улучшение их свойств неизбеж­ но связаны с тепловым воздействием на исходные мате­ риалы производства.

Тепло является рабочим видом энергии во всех без исключения типах металлургических печей, принадлежа­ щих к основному оборудованию металлургии. Тепловая энергия обеспечивает возможность протекания того или иного технологического процесса.

Выплавка большинства металлов заключается в вы­ свобождении этих металлов из их соединений с другими элементами, т. е. из руд. Железные руды, из которых выплавляется чугун в доменных печах, состоят из окис­ лов железа. Извлечение железа из этих соединений про­ исходит в различных зонах доменной печи за счет угле­ рода кокса или окислов углерода, образующихся при сгорании кокса в потоке дутья, в соответствии с после­ довательностью реакции:

Все эти реакции могут осуществляться только при высоких температурах, при обеспечении необходимого теплового состояния зоны технологического процесса. Помимо осуществления химических реакций, энергетика доменного процесса должна обеспечить необходимую

температуру чугуна для того, чтобы его можно было вы­ пустить из печи в ковши, отвезти в сталеплавильный цех для заливки в конвертеры или мартеновские печи или разлить на разливочной машине.

Основной реакцией сталеплавильных процессов, про­ текающих в конвертерах, мартеновских и электропла­ вильных печах, является реакция окисления и удаления углерода. Помимо нее, в этих агрегатах происходит так­ же окисление других ненужных примесей и легирование металла присадками. Окисление углерода и примесей идет в соответствии с реакциями:

процесса, могут протекать только при высоких темпера­ турах, в расплавленных средах: металле и шлаке. Поми­ мо возможности химических реакций, энергетика стале­ плавильных процессов должна обеспечить необходимую температуру готовой стали, чтобы ее можно было вы­ пустить из агрегатов в ковши, обработать синтетически­ ми шлаками или вакуумированием для дегазации ме­ талла и разлить в изложницы или на УНРС.

В соответствие с последовательностью процессов производства металлургического цикла после выплавки и разливки металл направляется в прокатные цехи, где осуществление технологических операций также требу­ ет его тепловой обработки.

Физическая картина, наблюдаемая при нагреве и плавлении металла, может быть представлена следую­ щим образом. Металл состоит из кристаллов, т. е. объ­ емов той или иной правильной геометрической формы: кубов, тетраэдров, октаэдров и т. д. Кристаллы в свою очередь состоят из атомов, колеблющихся около равно­ весных положений, которые они занимают в кристалли­ ческой решетке и в которых удерживаются силами элек­ тромагнитных взаимодействий. При нагреве металла, при повышении его температуры амплитуда колебаний ато­ мов увеличивается, так как они получают дополнитель­ ную энергию. В ненагретом состоянии кристаллы обра­ зуют очень прочную структуру, характеризуемую, как правило, малой пластичностью. Нагрев металла, увели­ чивая энергию составляющих его атомов, как бы «рас­ качивает» эту прочную структуру, делает ее более пла-

стачной, металл начинает поддаваться механическому воздействию при меньших усилиях и легче вступает в химические реакции. Поэтому металлы нагревают перед прокаткой, ковкой, штамповкой, химико-термической об­ работкой.

Изменение энергетического состояния атомов вызы­ вает изменение всех физических свойств металла. Когда амплитуда колебаний атомов становится достаточно большой, характер колебательного движения существен­ но изменяется и металл плавится, теряя в некотором диапазоне температур упорядоченную кристаллическую структуру и превращаясь в аморфное вещество, т. е. ве­ щество с неупорядоченной структурой, обладающее свойством текучести.

В таком состоянии становится возможным литье ме­ таллов, образование отливок различной формы без при­ ложения механических усилий.

Наряду с обеспечением выплавки, отливки, прокатки, ковки металла тепло играет решающую роль в форми­ ровании его свойств. В настоящее время можно опреде­ лить следующие основные пути в решении важнейшей научной технической задачи — управлении уровнем проч­ ности металлических материалов:

1)улучшение металлургических процессов;

2)термическая обработка;

3)термомеханическая обработка;

4)химико-термическая обработка;

5)легирование;

6)наплавка;

7)создание многослойных металлов;

8)механический наклеп.

Нетрудно заметить, что за исключением механическо­ го наклепа все остальные способы улучшения механи­ ческих свойств металлов связаны с тепловым воздейст­ вием на них.

Более ста лет назад ученые П. П. Аносов и Д. К. Чер­ нов установили основной закон современного металло­ ведения: свойства металла определяются не только хи­ мическим составом, но и его внутренним строением. Д. К- Чернов еще в 1868 г. установил, что при опреде­ ленных температурах нагрева в стали происходят прев­ ращения, изменяющие ее строение и свойства, и что сталь определенного состава имеет соответствующую этому составу критическую температурную точку, при

которой она способна закаливаться. Это открыло пути термической обработки.

С помощью термической, тепловой обработки можно изменять свойства металла в желаемом направлении. Стали, представляющие собой сплавы железа с углеро­ дом и другими легирующими элементами, меняют свою структуру как при нагреве, так и при охлаждении.

Термическая обработка заключается в нагреве спла­ ва до определенной температуры, выдержке и последую­ щем охлаждении с определенной скоростью с целью из­ менения структуры и получения заданных свойств. Тер­ мической обработкой можно достичь высоких механиче­ ских свойств конструкций, деталей машин и инструмен­ тов и тем самым увеличить срок их службы, снизить мас­ су, сократить расходы металла.

Для придания стали высокой твердости, прочности и вязкости применяют термическую обработку, состоя­ щую из двух операций: закалки и отпуска. При нагреве

превращения полностью заканчиваются. Закалка стали и заключается в нагреве ее до температуры выше крити­ ческой, выдержке при этой температуре и охлаждении со скоростью, обеспечивающей получение требуемой структуры, и, следовательно, свойств. Скорость нагрева стали под закалку и время выдержки изделий в печи за­ висят от химического состава металла и формы изделий. Для управления скоростью охлаждения применяют спе­ циальные закалочные среды (вода, масло и пр.), которые позволяют менять скорость охлаждения металла после его нагрева. Закалка увеличивает прочность материала

в 2—3 раза.

Отпуск состоит в нагреве металла до несколько более низких температур с более медленным последующим ох­ лаждением и служит для снятия внутренних напряжений, остающихся в металле после закалки.

Химико-термическая обработка заключается в насы­ щении при нагреве поверхностного слоя стали теми или иными элементами с целью его упрочнения. Различают отдельные виды химико-термической обработки:

а) цементация — насыщение углеродом из газообраз­ ной, жидкой или твердой среды при 850—950° С;

б) азотирование — насыщение азотом при 480— 650° С;

в) цианирование — насыщение углеродом и азотом; г) сульфоцианирование — насыщение углеродом, азо­

том и серой при 570° С.

Кроме того, известен ряд других разновидностей хи­ мико-термической обработки: алитирование, хромирова­ ние, силицирование.

Термомеханическая обработка (ТМО) — это совмеще­ ние пластической деформации с термической обработкой. Если раньше прокатка, волочение, ковка, штамповка и другие операции пластической деформации рассматрива­ ли лишь как процессы формообразования металла, то при ТМО их применяют также для повышения прочно­ сти. Например, высокотемпературную термомеханиче­ скую обработку (ВТМО) проводят по следующей техно­ логической схеме: нагрев до 1150—1200° С — наклеп (25—50% )— немедленная закалка в воде или масле — низкотемпературный отпуск при 100—200° С.

Начинают применять термическую обработку в маг­ нитном поле, сущность которой заключается в приложе­ нии к металлу сильного электромагнитного поля в мо­ мент закалки. Детали под закалку можно нагревать лю­ быми способами, а охлаждение — в баке, где находится электромагнит.

Необходимость мощных тепловых воздействий требу­ ет больших расходов топлива и энергии других видов при производстве черных металлов и изделий из них. Черная металлургия расходует около 20% всего топли­ ва, потребляемого в стране. На металлургическом ком­ бинате производительностью 4 млн. т/год готового про­ ката расходуется около 6 млн. т условного топлива (у. т.). Понятие об условном топливе введено для того, чтобы удобнее было характеризовать затраты при ис­ пользовании различных видов топлива в производстве. Считают, что теплота сгорания условного топлива равна 29310 кДж/кг (7000 ккал/кг). Комбинат указанной про­ изводительности расходует также свыше 1,8 млрд. кВт-ч электроэнергии, 11 млрд, м3 доменного дутья, 780 млн. м3 сжатого воздуха и 360 млн. м3 кислорода.

По доле расходов на топливо и энергию в общих за­ тратах на производство черная металлургия занимает второе место после энергетической промышленности. На­ пример, в 1965 г. стоимость израсходованного в черной металлургии топлива и энергии составила почти 13% всех затрат на производство. Для сравнения укажем, что

аналогичная цифра составила: в химической промышлен­ ности 8,4%, в машиностроении 3,5% и в среднем по про­ мышленности 5,3%.

Большая энергоемкость металлургического производ­ ства заставляет относиться с особым вниманием к воп­ росам экономии топлива и энергии. Например, экономия 1% всех видов энергии на крупном металлургическом

Рис. 1. Распределение топливно-энергетических затрат в основных цехах металлургического завода

заводе равноценна дополнительной добыче 70 тыс. т ус­

завода иллюстрируется данными рис. 1. Самым большим потребителем (42,6%) является доменный цех. Это обус­ ловлено тем, что именно в доменном цехе расходуется энергия на извлечение железа из руды и на перевод ме­ талла в жидкое состояние. В последующих цехах энер­ гетические затраты существенно меньше. В сталепла­ вильных цехах частью исходных материалов служит жидкий чугун, что экономит затраты тепла на процесс плавки и в задачи процесса входит окисление сравни­ тельно небольшого количества примесей, а не высво­ бождение всей массы металла из химических соединений, как это имеет место при доменной плавке. В прокатных

_ цехах расход тепловой энергии уменьшается, так как ме­ талл нагревается до сравнительно более низких темпе­ ратур— ниже температур плавления. Однако в прокат­ ки «—пых цехах много энергии расходуется на механическую

обработку металла. Т

Абсолютные значения расходов топлива на различных участках металлургического производства иллюстрируются следующими циф­ рами. Расход у. т. при производстве 1 т агломерата на аглофабриках составляет 50—55 кг. Удельный расход у. т. на обогрев коксовых батарей составляет 95—100 кг/т сухой шихты. В доменных печах крупных уральских заводов на 1 т передельного чугуна расходуется от 540 до 620 кг кокса, 50—60 м3 природного газа, а также домен­ ный газ, электроэнергия, пар, дутье. На этих же заводах на вы­

В прокатных цехах топливо расходуют в основном на отопление на­ гревательных колодцев обжимных станов, методических, термических и других печей прокатных станов. При отоплении применяют при­ родный, коксовый, доменный газы и мазут. В пересчете на у. т. удельные расходы по разным заводам составляют 130—160 кг/т го­ тового проката.

При рассмотрении затрат топлива и энергии при производстве металла следует различать прямые затраты, т. е. затраты на кон­ кретном участке производства, и полные затраты, учитывающие, кроме прямых, также затраты на предшествующих участках произ­ водства. Например, если прямые затраты топлива на 1 т проката со­ ставляют 140 кг, то полные 1400 кг, т. е. в 10 раз больше. Это уве­ личение объясняется последовательным наслоением затрат топлива и кокса на выплавку чугуна и стали, на производство агломератов, на выработку электроэнергии, тепла и т. д.

Полные затраты тепловой энергии на всех этапах производства на 1 т проката в условиях большого метал­ лургического комбината достигают 4,0 млрд. Дж ( ~ 1,0 млрд. кал). Для иллюстрации величины этой циф­ ры представим себе, что все это количество тепла пойдет только на нагрев 1 т железа, с неизменной теплоемко­ стью см, равной 670 Дж/(кг-град) [0,16 ккал/(кг-град)], без эффектов плавления при 1535° С и испарения метал­ ла при 2440° С. При таких условиях 1 т металла нагреет-' ся до температуры , которую можно рассчитать по фор­

муле:

Таким образом оказывается, что в процессе выплавки и прокатки стали каждой тонне металла сообщается та­ кое общее количество тепла, которое могло бы нагреть его до 6000° С.

3.Учение о тепле

Спламенем, огнем, теплом связана вся история раз­ вития человечества. Огонь отпугивал хищников и согре­

вал пещеру первобытного человека, огонь давал свет и плавил металлы. Поэтому неудивительно, что человек в своем стремлении познать окружающий его мир боль­ шую роль отводил огню и теплу. Философ древности Анаксимандр (610—547 г. до н.э.) считал началом начал некое первичное вещество, из которого выделяются про­ тивоположности тепла и холода, сухости и влажности. Ученики Пифагора Самосского, известного своей теоре­ мой о сумме квадратов катетов, считали центром Все­ ленной огонь — самое чистое из веществ, вокруг которого вращались Луна, Солнце, планеты и сфера неподвижных звезд. В учении Платона (429—347 г. до н. э.) элементы огня имели строгие геометрические формы тетраэдров. По Аристотелю (384—322 г. до н.э.), Вселенная состояла из четырех стихий: земли, воды, огня и воздуха, каждая из которых обладала двумя свойствами. Земля характе­ ризовалась холодом и сухостью, вода — холодом и влаж­ ностью, огонь — теплом и сухостью, воздух — влажно­ стью и теплом. Настолько важными понятиями были теп­ ло и холод, что они присутствовали, как мы видим, в су­ ществе каждой из четырех стихий. В своей «Физике» Аристотель писал: «Кипящая вода согревает сильнее пламени, но пламя сжигает горячее и плавит плавимое, вода лее. нет. Кроме того, кипящая вода на ощупь горя­ чее, но холодеет и отвердевает скорее масла. Камни, железо и т. п. нагреваются медленнее воды, но будучи нагреты, они жгут сильнее. Сверх того, одни из так на­ зываемых тепловых тел содержат постороннюю теплоту, другие же обладают собственной. Существует, однако, большая разница между теми и другими видами тепла. Между телами, из которых одно обладает собственной теплотой, а другое нагрето до случайной, первое охлаж­ дается медленнее, второе же теплее на ощупь. С другой стороны, тело, обладающее собственной теплотой, жжет сильнее: например, огонь обжигает сильнее кипящей во­ ды, хотя кипящая вода на ощупь горячее, обладая слу­ чайной теплотой. Ясно, таким образом, что далеко не просто решить, в котором из двух тел больше тепла, так как на один лад оказывается теплее одно тело, на дру­ гой — другое».

Для того чтобы все стало ясно и легко было решить «в котором из двух тел больше тепла», должны были пройти века и смениться поколения мыслителей. Для решения поставленных проблем Аристотелю достаточно