книги из ГПНТБ / Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие

Э в т е к т о и д н а я с т а л ь (сплав II). Процесс первичной кри­ сталлизации этой стали идет в температурном интервале между ли­ ниями АС и АЕ. Ниже линии АЕ до температуры 723° эвтектоидная сталь состоит только из аустенита. При 723° происходит полное рас­ падение аустенита с образованием перлита (точка 5). Следова­ тельно, эвтектоидная сталь состоит из одного перлита (рис. 11, в).

Рис. 11. Структуры железоуглеродистых сплавов

З^а э в т е к т о и д н ы е с т а л и . Процесс кристаллизации этих сталей рассмотрим на примере сплава III. После затвердевания (ни­ же линии АЕ) такая сталь состоит из аустенита. По линии SE при дальнейшем охлаждении ввиду уменьшения растворимости углерода в аустените из стали выделяется вторичный цементит. В результате этого содержание углерода в аустените уменьшается и при темпера­ туре 723° составляет 0,83 %. На линии PS К происходит распад аусте­ нита с образованием перлита.

Таким образом, заэвтектоидная сталь состоит из зерен перлита и вторичного цементита, располагающегося или по границам зерен, или в виде игл и зерен на перлитной основе (рис. 11, г).

Д о э в т е к т и ч е с к и е ч у г у н ы (сплав IV). При понижении температуры этого чугуна ниже линии АС из жидкого сплава начи­ нают выпадать кристаллы аустенита. При температуре линии ECF оставшаяся жидкая часть кристаллизуется в эвтектическую смесь — ледебурит. При дальнейшем охлаждении идет выделение вторичного цементита. На линии PSK аустенит распадается с образованием перлита. Следовательно, при комнатных температурах доэвтектиче­ ские чугуны состоят из перлита, включений цементита и ледебурита (рис. 11, д). Сам ледебурит при температуре ниже 723° состоит из перлита и цементита.

20

Гл а в а І І . МЕТАЛЛУРГИЯ ЧУГУНА

§1. Характеристика железных руд и подготовка их к плавке

Железными рудами называются такие природные соединения, из которых при современном состоянии металлургии возможно и экономически выгодно получение железа. Железная руда представ­ ляет собой горную породу, в которой наряду с окислами железа на­ ходятся различные соединения, главным образом кремнезем (Si02), глинозем (А120 3), о к и с ь кальция (СаО) и окись магния (MgO). Эти соединения образуют так называемую пустую породу. Железные ру­ ды содержат также вредные примеси (серу, фосфор и др.). Руды, содержащие свыше 50% железа, называются богатыми, до 50% же­ леза — бедными. В зависимости от вида окислов железа руды под­ разделяются на красный, магнитный, бурый и шпатовый железняки.

Красный железняк (гематит) содержит железо (45—60%) в ви­ де безводной окиси Fe20 3. Пустая порода состоит главным образом из кремнезема Si02 и известняка СаС03. Красные железняки явля­ ются основными в нашей стране железными рудами по мощности месторождений и по количеству выплавляемого из них чугуна. Они отличаются хорошей восстановимостью железа и содержат мало вредных примесей (S и Р).

Магнитный железняк (магнетит) содержит железо (до 70%) в виде окисла Fe304 и обладает магнитными свойствами. Встречается как в чистом виде, так и с примесями серы (железный колчедан) или фосфора (апатиты). Пустая порода состоит преимущественно из Si02.

Бурый железняк содержит в себе водную окись железа 2Fe20 3X ХЗН20; железа в нем около 20%. Пустая порода имеет разнообраз­ ный состав, содержит серу и фосфор.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо (30—40%) в

виде карбоната FeC03. В состав пустой породы входят Si02, А120 3, MgO.

Руда, идущая для плавки в доменных печах, должна удовлет­ ворять следующим, требованиям: 1) максимальное содержание же­ леза; 2) минимальное содержание вредных примесей — S и Р\ 3) легкая восстановимость; 4) достаточная пористость; 5) надлежа­ щий химический состав пуРтой породы; 6) обогатимость.

22

Первое требование очевидно, так как увеличение количества руды, загружаемой в доменную печь, повышает стоимость чугуна. Второе требование вызывается тем, что сера и фосфор отрицательно влияют на качество чугуна: сера сообщает ему красноломкость, а фосфор — хладноломкость.

Восстановимость руды определяется количеством тепла, необхо­ димого для восстановления из нее железа, а это зависит от природы окислов железа, входящих в руду. 'Чем плотнее и менее пориста ру­ да, тем она труднее восстановима. Наиболее легко восстановим оки­ сел железа, входящий в бурый железняк, более трудно восстанавли­ вается железо в магнитном железняке.

Пористость руды уменьшает расход топлива, так как при нали­ чии каналов внутри руды газы приходят в соприкосновение с боль­ шей поверхностью, и процесс восстановления протекает быстрее. По­ ристость таких руд, как бурый и шпатовый железняк, значительно возрастает при нагреве. Это объясняется удалением химически свя­ занной воды и углекислого газа (nFe20 3 • тНгО^-пРегОз + тНгО; FeC03->FeO + С 02) .

Химический состав пустой породы может в сильной степени влиять на условия ее расплавления. Так, пустая порода известково­ го состава требует для расплавления меньше топлива, чем пустая порода кремнистого состава. При большом количестве кремнезема для получения легкоплавкого шлака необходимо увеличить в шихте содержание известняка. А это приводит к повышенному выходу шла­ ка, увеличению расхода кокса и снижению производительности печи.

Оптимальным составом пустой породы является такой, при ко­ тором содержание кислых и основных окислов одинаково, т. е. (CaO pMgO) : (S i02 + А120 3) ~ 1. При этом условии легкоплавкий шлак получается без каких-либо добавок к шихте (самоплавкая ру­ да). Но обычно это отношение меньше единицы, т. е. пустая поро­ да — кислая, что требует введения в состав шихты известняка.

Предварительная подготовка даже наиболее богатых железом руд повышает производительность доменных печей и снижает рас­ ход сырья и топлива. Подсчитано, что каждый процент увеличения содержания железа в руде повышает производительность доменных печей на 2—3% и сокращает удельный расход кокса на 2%.

Обогатимость железной руды определяется возможностью и трудоемкостью повышения в ней содержания железа. Современные способы обогащения позволяют получать рудный концентрат с со­ держанием железа до 70% и выше. Однако расчеты технико-эконо­ мической эффективности показывают, что в ряде случаев оптималь­ ное содержание железа в концентратах составляет 64—67%. Даль­ нейшее обогащение требует применения дорогих способов, что резко увеличивает себестоимость чугуна.

К операциям подготовки руд относятся; дробление, грохочение, промывка, магнитное обогащение, агломерация, окомкование, об­ жиг, усреднение.

Дробление производится для увеличения площади соприкосно­ вения между поверхностью руды и газами. Размер кусков, посту­

23

пающих в доменную печь, должен быть в пределах 50—80 мм. Руд­ ная мелочь размером меньше 5 мм затрудняет движение газов и на­ рушает нормальную работу доменной печи. Каждые 10% мелочи в шихте понижают производительность печи на 3% при одновремен­ ном увеличении расхода топлива.

Для крупного и среднего дробления чаще всего используется щековая дробилка (рис. 12). Главными ее частями являются две массивные плиты (подвижная 2 и неподвижная 3 щеки), которые

размеру. С этой целью руду после дробления пропускают через гро­ хоты (плоские или барабанные), которые представляют собой метал­ лические сита с ячейками различной величины. Если доменная печь работает на бурых железняках, обладающих высокой восстанови­ мостью, то размеры кусков руды могут быть в пределах 80—120 мм.

Для более плотных трудновосстановимых магнитных железняков размеры кусков уменьшаются до 30—50 мм.

Промывкой достигается удаление из руды глинистых и песча­ ных примесей. Этот процесс применяется преимущественно к рудам, содержащим глинистую пустую породу. Промывают руду в бута­ рах — цилиндрических или конических барабанах с решетчатой или сплошной поверхностью, вращающихся в корытных мойках.

Магнитное обогащение осуществляется на магнитных сепарато­ рах. Существует несколько конструкций этих сепараторов, но прин­ ципиальная схема у них одна и та же.

Сепаратор ленточного типа (рис. 13) состоит из двух транспор­ терных лент, одна из которых имеет внутри электромагнит 2. Куски руды (рудный концентрат 3), поступающие из питателя 6 на питаю­ щую ленту 5, проходя через магнитное поле, намагничиваются и пристают к снимающей ленте 1, а куски пустой породы (немагнитная фракция 4) свободно падают с ленты.

В процессе агломерации мелкие частицы руды (рудная мелочь) превращаются в куски. Для этого мелочь смешивают с 6—12% мел­

Лента агломерационной машины (рис. 14) образуется множе­ ством паллет отдельных тележек с отверстиями в днище. Тележ­

24

ки примыкают вплотную одна к другой, образуя сплошную решетча­ тую ленту. В паллете горение, начавшееся в верхнем, сравнительно тонком слое, распространяется вниз по направлению к щелям, через которые удаляются продукты сгорания. В слое шихты (смесь руд­ ной мелочи и пыли с коксом) температура достигает 1300—1600°.

В результате восстановления магнетита в присутствии кремне­ зема при спекании образуется моносиликат закиси ж елеза'— файялит:

2Fe30 4 + 3Si02 + 2C0 = 3Fe2Si04 + 2СОг-

Температура плавления файялита 1209°, поэтому в зоне горения об­ разуется жидкая фаза, смачивающая нерасплавленные зерна ши­ хты. При охлаждении расплава кусочки шихты скрепляются друг с

Рис. 13. Магнитный сепаратор ленточного типа

другом, образуя твердую пористую массу — агломерат. Продолжи­

ным порошком и поступают на

25

обжиг. Получаемые в результате этого процесса окатыши отличают­ ся высокой прочностью и пористостью. Их восстановимость выше, чем восстановимость агломерата.

Обжиг заключается в нагреве руды до температуры, не дости­ гающей точки плавления ее (600—1000°). При обжиге трудновосста­ новимые руды (например, магнитный железняк) растрескиваются, становятся более пористыми. Кроме того, удаляется влага, химиче­ ски связанная с рудой, и углекислота из руд, содержащих железо в

Рис. 15. Производство окатышей:

/ — питатель; 2 —барабан для окомкования; 3 — грохот; 4 — бункер для угольного по­ рошка; 5 — барабан для нанесения угольного порошка; 6 — конвейерная лента; 7 — камера для обжига

виде углекислых солей (шпатовый железняк), а также окисляется и уходит в виде сернистого газа (S 02) сера.

Такой окислительный обжиг в настоящее время применяется редко, так как гидрат пая вода, С 02 и сера удаляются при агло­ мерации.

Применяемый в ряде случаев восстановительный обжиг имеет целью перевести слабомагнитную окись железа Fe20 3 в сильнома­ гнитную закись-окись Fe30 4 по реакции: 3Fe20 3 + C0 = 2Fe304 + C 02. Восстановительный обжиг производится в шахтных или цилиндри­ ческих вращающихся печах для руд, обладающих слабомагнитными свойствами (красный и бурый железняк). Эта операция повышает выход обогащенного концентрата при проведении магнитной сепа­ рации.

Загрузка в доменную печь руды различного состава вызывает колебания состава шлаков, расстраивает тепловой режим печи и тем самым ухудшает технико-экономические показатели. Расчеты и практика показывают, что отклонения содержания железа в подго­

26

товленной шихте свыше 1 % не допустимы. Поэтому перед загрузкой производят усреднение железной руды, т. е. смешивают руды раз­ личного химического состава.

Тщательная подготовка сырья к доменной плавке — это первое и самое важное условие увеличения выплавки чугуна. Особенно важ­ но повышать содержание железа в концентратах до 62—64% и максимально уменьшать количество кремнезема. Если уменьшить содержание Si02 только на 1%, то производительность доменной пе­ чи увеличится на 2,5%. Кроме того, на тонну выплавленного чугу­ на окажется возможным сэкономить 30 кг кокса, 40 кг известняка и снизить себестоимость продукции.

Особое значение в подготовке шихтовых материалов имеет при­ менение офлюсованного агломерата. Флюсом, применяемым в до­ менной печи для более полного отделения пустой породы, служит известняк, при нагреве которого происходит реакция СаС03->СаО + + С 02. На это превращение известняка в известь расходуется зна­ чительное количество дорогого кокса. Кроме того, при обжиге из­ вестняка в доменной печи образуются газы, бесполезные для техно­ логического процесса выплавки чугуна. Если добавлять известняк к мелкой руде, подвергаемой спеканию на агломерационных маши­ нах, то высокая температура спекания обеспечит одновременный об­ жиг известняка. Этот полупродукт называется офлюсованным агло­ мератом. Количество добавляемого известняка рассчитывается так, чтобы основность получаемого агломерата (отношение СаО : Si02) находилась в пределах 1,0—1,4.

При использовании офлюсованного агломерата удельный рас­ ход кокса снижается на 4—6%, вдвое уменьшается расход извест­ няка, производительность доменной печи увеличивается на 10— 15%. С 1960 г. в СССР производят только офлюсованный агломерат.

§ 2. Топливо для доменного процесса

При доменной плавке углерод топлива является не только ис­ точником тепла для расплавления руды и разрыхлителем столба шихтовых материалов, но, кроме того, участвует в качестве восста­ новителя в химических реакциях, идущих в доменной печи. Топли­ во, употребляемое при выплавке чугуна, должно быть по возможно­ сти флизким к чистому углероду и обладать достаточной прочностью и сопротивлением истиранию. Оно должно быть кусковатым и до­ статочно пористым, чтобы обеспечить хорошее проникновение воз­ духа и газа через столб плавильных материалов. Кроме того, топ­ ливо должно содержать минимальное количество вредных примесей, особенно серы, и незначительное количество летучих веществ, так как присутствующий в них углерод бесполезно для плавки уходит в колошниковый газ.

Основным топливом, применяемым при получении чугуна, яв­ ляется каменноугольный кокс. Он получается сухой перегонкой не­ которых видов каменного угля, т. е. путем нагрева без доступа воз­ духа смеси коксующихся углей до температуры 1000—1200°. При

27

этом летучие вещества удаляются, а остаток получается в виде спекшейся твердой пористой массы — кокса. В среднем кокс содер­ жит 80—90% С, 0,4—2,0% S, 7—15% золы. Теплотворная способ­ ность его 6700—8000 ккал/кг, температура воспламенения 700°. Ме­ ханическая прочность, т. е. способность противостоять истиранию при движении шихты вниз, дроблению от ударов и раздавливанию, у кокса выше, чем у других видов топлива. Кокс способен выдер­ живать в доменной печи, не разрушаясь, давление столба вышеле­ жащих слоев руды, топлива и флюсов высотой до 31 м. Пористость кокса составляет около 50%. В зависимости от сорта выплавляе­ мого чугуна расход кокса может быть от 0,75 до 2,5 т на 1 тжидко­ го чугуна.

Зола и сера являются нежелательными примесями в коксе. Зо­ ла уменьшает содержание углерода, увеличивает количество изве­ стняка и шлака и уменьшает прочность кокса. Присутствие серы по­ вышает расход кокса и снижает производительность доменной печи, а также ухудшает качество выплавляемого чугуна.

Для получения кокса из каменного угля применяются коксовые печи. Коксовая печь представляет собой камеру шириной 0,4—0,5 м, высотой 4,5—6 м и длиной 13,5—15 м, выложенную из огнеупорного кирпича. Загрузка коксовой печи предварительно подготовленной смесью спекающихся углей различных сортов производится через отверстия, расположенные сверху и закрываемые крышками. Ос­ новная масса смеси состоит из частиц угля размером не свыше 3 мм. Нагрев каменного угля до необходимой температуры обеспечивается сжиганием доменного (или коксового газа) и циркуляцией продуктов сгорания в каналах, расположенных по обеим сторонам камеры.

Газ и воздух, поступающие в коксовую печь, предварительно подогреваются за счет использования физического тепла продуктов сгорания.

Время, необходимое для коксования, определяется температу­ рой обогревательных простенков (1350— 1380°) и размерами камеры коксования. Оно составляет 14—16 часов. Готовый кокс (спекший­ ся коксовый «пирог») выталкивается из камеры специальным коксо­ выталкивателем в тушильный вагон, в котором охлаждается («ту­ шится») водой (применяются также «сухие» способы гашения кок­ са). После тушения вагоны с коксом разгружаются на наклонную площадку (рампу), откуда кокс подается при помощи транспортера на сортировочную установку. Кокс сортируется по трем классам: мелочь (крупность куска до 15 мм), орешек (15—25 мм) и метал­ лургический кокс (свыше 25 мм). Выход металлургического кокса, получаемого в коксовых печах, составляет 91—92%. Коксовые пе­ чи устанавливаются группами (батареями), для обслуживания ко­ торых используется общее вспомогательное оборудование: механиз­ мы для загрузки угля и выгрузки кокса, газопроводы, регенераторы и др. (рис. 16). В состав коксового цеха современного коксохимиче­ ского завода входит до 10 коксовых батарей (по 61—77 коксовых печей в батарее) со средней производительностью по сухой шихте до 1800 г в сутки.

28

Древесный уголь получается в результате сухой перегонки дров. Уголь, полученный обжигом в кучах, содержит до 90% С, до 3% Н, около 6% 0 2 и N2 и 1% золы. Теплотворная способность его состав­ ляет 7300 ккал/кг. Отсутствие серы и небольшая зольность являют­ ся весьма ценными качествами древесного угля как топлива для металлургических печей. Однако его прочность и сопротивление истиранию значительно ниже, чем у кокса: он может выдерживать в доменной печи слой вышележащих сырых материалов высотой не

Рис. 16. Коксовая батарея:

более 15 м. Пористость древесного угля доходит до 85%. Древесный уголь применяется в доменных печах небольшого объема (200— 300 м3) при выплавке высококачественного чугуна из руд, содержа­ щих незначительные примеси серы и фосфора.

Антрацит содержит до 95% С при очень малой зольности и не­

способность при высоких температурах расслаиваться и измельчать­ ся. Последнее обстоятельство заставляет пользоваться антрацитом главным образом как добавкой к коксу (от 15 до 50% от веса кокса).

§ 3. Огнеупорные материалы

Огнеупорные материалы применяются для кладки и облицовки частей металлургических печей, подвергаемых действию высоких температур, для изготовления тиглей, в которых производится плав­

29