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

ка, для футеровки ковшей и желобов, поверхность которых сопри­ касается с расплавленным металлом, и т. д.

Качество огнеупорных материалов определяется главнейшими свойствами — огнеупорностью и химической стойкостью.

Огнеупорность — свойство материалов противостоять, не рас­ плавляясь, воздействию высоких температур. По степени огнеупор­ ности различают: огнеупорные материалы (1580—1770°), высокоог­ неупорные (1770—2000°) и высшей огнеупорности (свыше 2000°).

Химическая стойкость огнеупорных материалов определяется способностью их противостоять разъедающему действию соприка­ сающихся с ними материалов, главным образом шлаков.

В зависимости от химического состава огнеупорные материалы разделяются на кислые, нейтральные и основные. В особую группу выделяются углеродистые, нейтральные по своим свойствам, огне­ упоры.

Кислые огнеупоры (динас и кварцит) содержат не менее 93% Si02. Динасовый кирпич содержит 93—97% Si02. Огнеупорность его 1680—1730°. Разъедается основными шлаками, но весьма стоек по отношению к кислым шлакам. Кварцит содержит свыше 98% Si02. Огнеупорность 1750—1800°. Чистый кварцевый песок употреб­ ляется для наварки пода кислых мартеновских печей.

Основные огнеупоры (магнезит и доломит) содержат окись маг­ ния MgO и окись кальция СаО. Магнезитовый кирпич содержит око­ ло 93% MgO и примерно 3% СаО. Огнеупорность его 2300—2500°. Но магнезит чувствителен к резким переменам температуры (не­ большая термоустойчивость). Применяется в виде кирпича, а так­ же в виде порошка для наварки пода основных мартеновских печей. Доломит — это горная порода состава M gC03, СаС03 (с примеся­ ми Si02, Abos, Fe20 3). После обжига и измельчения в порошок он применяется для наварки пода мартеновских печей и идет на изго­ товление доломитового кирпича. Огнеупорность 1750—2000°.

В последнее время нашел применение целый ряд специальных огнеупоров — форстерит, хромомагнезит, карборунд (SiC) и др., применяемых для повышения производительности металлургиче­ ских печей. Для кладки горнов доменных печей могут применяться углеродистые материалы в виде блоков и плит. Они отличаются очень высокой огнеупорностью, и стойкостью против разъедающего действия кислот и щелочей.

§ 4. Флюсы

Полного освобождения руды от пустой породы достигнуть в обычных условиях ее подготовки нельзя. Некоторое количество пу стой породы попадает вместе с рудой в доменную печь. Железо, со-

30

держащееся в руде, после его восстановления, т. е. после освобож­ дения от кислорода, науглероживается и затем плавится. Оставшая­ ся пустая порода тоже плавится и уходит в шлак.

Для правильного процесса плавки требуется, чтобы шлак пла­ вился при определенной температуре после полного восстановления железа. Если пустая порода не плавится при требуемой температу­ ре, то к руде добавляют так называемые флюсы, которые образуют с пустой породой и золой топлива легкоплавкие расплавы (шлаки). Флюсы обеспечивают необходимый состав и физические свойства до­ менного шлака, определяющие очистку чугуна от серы и нормаль­ ный ход плавки. Для облегчения плавления песчано-глинистых при­ месей (Si02) в качестве флюса применяется известняк СаС03 или доломит СаСОз • M gC03. При известковых примесях флюсом служит песчаник или кварц (Si02). На выбор флюсов влияет участие шла­ ков в процессе освобождения железа от вредных примесей. Так, из­ вестняк СаСОз, вводимый в качестве флюса при доменной плавке чугуна на коксе, дает основной шлак; ошлаковывая золу и серу, он способствует, таким образом, уменьшению содержания вредных примесей в чугуне.

Известняк должен содержать минимальное количество S i02 и А120 з, так как идущая на их ошлакование известь СаО является по­ терянной для плавки, увеличивая количество шлака. На 1 тчугуна, выплавляемого в коксовых Доменных печах, расходуется от 0,4 до 0,8 тизвестняка.

§ 5. Устройство доменной печи

Чугун выплавляется почти исключительно в коксовых домен­ ных печах, отличающихся высокой производительностью (до 5000 г в сутки и выше).

Вертикальное сечение рабочего пространства доменной печи называется ее профилем (рис. 17, а). Верхняя цилиндрическая часть, служащая для загрузки плавильных материалов и отвода газов, на­ зывается колошником. Ниже колошника расположена коническая часть печи — шахта, которая книзу расширяется для облегчения опускания материалов и лучшего распределения газов по попереч­ ному сечению печи. Ниже шахты следует цилиндрическая часть — распар. Под ним расположена часть печи в виде усеченного конуса с меньшим нижним основанием, называемая заплечиками. Запле­ чики имеют такую форму из-за сокращения объема шихтовых ма­ териалов в результате образования жидких продуктов плавки. Ни­ жняя цилиндрическая часть доменной печи называется горном. В верхней части горна происходит сжигание кокса, а внизу собира­ ются продукты плавки — чугун и шлак. Как горн, так и заплечики оборудуются водяным охлаждением. В современных мощных до­ менных печах шахта также имеет водяное охлаждение. Для выпу­ ска чугуна и шлака предназначены чугунная 1 и шлаковая 6 летки. Объем доменной печи, занятый плавильными материалами и про­ дуктами плавки, называется полезным объемом. Высота от оси чу-

31

гунной летки 1 до нижней кромки большого конуса 3, служащего для загрузки шихты (в его опущенном состоянии), называется по­ лезной высотой.

Вся печь выкладывается из огнеупорного шамотного кирпича и охватывается кожухом 2 из листовой стали. Шахтная часть печи через кольцо 4 опирается на фундамент 7. Воздух в печь подается специальными машинами — воздуходувками — через фурмы 5. Воз­ духодувка обеспечивает подачу до 5000 м3 воздуха в минуту под да­ влением до 4,5 ати. Количество фурм от 8 на малых печах доходит

Рис. 17, Устройство доменной печи (а) и распределение температу­ ры по высоте печи (б)

до 20 на мощных. Для уменьшения расхода горючего и повышения производительности печи поступающий в нее воздух предваритель­ но подогревается до 800—1200°.

§ 6. Воздухонагреватели и загрузочные устройства

Воздухонагреватель представляет собой круглую башню диа­ метром до 8 м и высотой до 40 м, кожух которой сварен из листовой стали толщиной 16—20 мм, а внутренняя часть выложена огне­ упорным кирпичом.

32

Воздухонагреватель состоит из камеры горения 4 и специальной кирпичной кладки (насадки) с каналами 5 (рис. 18). При нагреве кирпичной кладки (режим разогрева воздухонагревателя) доменный газ подводится через отверстие 2 и сгорает в камере сгорания в струе воздуха, подводимого через отверстие 1 (отверстие 3 закрыто). Продукты сгорания при температуре 1250—1400° поднимаются по широкому каналу 4, затем опускаются по мелким, выложенным из огнеупорного кирпича каналам 5 и уходят через отверстие 7 в ды­ мовую трубу (отверстие 6 закрыто). После нагрева кладки впуск

газа прекращается, отверстия 1 и 2 закрываются и открывается от­ верстие 3. Через отверстие 6 начинает вдуваться холодный («дутье­ вой») воздух от воздуходувки; проходя через каналы 5, воздух на­ гревается и, выходя через отверстие 3, направляется к фурмам доменной печи. Для работы доменной печи необходимо иметь три одновременно действующих воздухонагревателя. Одновременно с пропусканием воздуха через прогретый воздухонагреватель прогре­ вают второй и третий. Один из нж должен быть полностью нагрет ко времени выключения первого. Мощные доменные печи имеют 4 воздухонагревателя, обеспечивающих нагрев дутья до 1200°.

Современные воздухонагреватели оборудованы автоматиче­ скими регуляторами для газовых горелок и электрическими приво­ дами для перевода с газа на воздух и обратно. Кроме того, прибо­ ры контролируют температуру'воздуха и отходящих газов, а также химический состав продуктов горения и расход газа.

Одним из важнейших условий правильной работы доменной печи является равномерное распределение загружаемых материа­ лов по ее горизонтальному сечению. При неравномерной загрузке газы в основной массе могут устремиться по пути наименьшего со­ противления, не использовав полностью свою тепловую энергию и восстановительную способность. Для уменьшения утечки газов при загрузке применяется двойной колошниковый затвор, состоящий из системы конусов и воронок- (рис. 19). Шихтовые материалы при опрокидывания скипового вагончика 5 засыпаются в воронку 4, при опускании конуса 3 они попадают в воронку 2, после чего конус 3 поднимается и закрывает воронку 4. Когда таким образом воронка 2 будет разобщена с наружным воздухом, опускается конус 1, и ши­ хтовые материалы поступают в печь. После этого конус 1 подни­ мается и разобщает воронку 2 с шахтой. Конус 3 подвешен на по­ лой металлической штанге 7, через которую проходит штанга 6. С помощью червячной передачи приемная воронка 4 и закрывающий ее конус 3 могут поворачиваться вокруг вертикальной оси. Это обе­ спечивает более равномерное распределение шихты на большом ко­ нусе 1. Обычно конус 1 опускается после шести опусканий конуса 3, поворачивающегося после загрузки каждой очередной порции на

60°.

§ 7. Сущность доменого процесса

Доменный процесс заключается в восстановлении окислов же­ леза, содержащихся в руде, и в ошлаковании пустой породы. Вос­ становителем является окись углерода и твердый (сажистый) угле­ род. Изменения, происходящие в потоке опускающихся твердых материалов и поднимающихся газов при их взаимодействии, рас­ смотрим отдельно, с учетом температурных зон доменной печи (см. рис. 18, б).

В газах, поднимающихся снизу вверх, наблюдаются следую­ щие процессы.

1. Горение топлива: С + 0 2 = С0г. Эта реакция происходит в об­ ласти расположения фурм, где достигаются наиболее высокие тем­ пературы (до 1900°).

2. Восстановительные реакции (при ^>1000°). Образовавшийся при сгорании кокса углекислый газ восстанавливается углеродом раскаленного кокса до окиси углерода: С 02 + С = 2С0. Поднимающа­ яся из горна в верхние зоны доменной печи окись углерода является энергичным восстановителем, способным соединяться не только со свободным кислородом, но и отбирать кислород из твердых окис­ лов железа и других элементов.

34

3.Выделение сажистого углерода (вследствие понижения те

пературы) при 400—550°: 2С0 = С 02 + С (сажистый углерод). По­ лучающийся сажистый углерод проникает через поры и трещины внутрь кусков руды, а также оседает на их наружной поверхности и при температуре свыше 1000° восстанавливает закись железа.

В шихте, опускающейся сверху вниз, протекают следующие процессы.

1. Испарение влаги и гидратной воды (при ^ = 100—500°). Пол­ ное удаление гигроскопической и химически связанной воды про­ исходит при температурах до 500° (а иногда и до 800°), потому что теплопроводность шихтовых материалов низка.

2. Разложение углекислых солей (при / = 300—900°);

MgC03-»M g0 + C02;

CaC03—>СаО + С02;

3 FeC03->Fe30 4 + 2 С02 + СО.

В связи с низкой теплопроводностью известняка его разложе­ ние в больших кусках заканчивается при температурах, превышаю­ щих 1000° (поэтому куски размером больше 100 мм необходимо дро­ бить) .

3.Удаление летучих веществ'- (при / = 400—900°).

4.Восстановление окислов железа (при/ = 500—1100°).

Вдоменной печи твердые окислы железа могут восстанавли­ ваться окисью углерода (косвенное восстановление) или твердым углеродом (прямое восстановление). При этом из-за различной про­ чности связей атомов кислорода высший окисел железа превращает­ ся в металлическое железо в следующем порядке:

Fe20 3 —»■Fe80 4 —» FeO —*■Fe.

Восстановление окислов железа происходит по двум группам реакций:

Восстановление закиси железа в области температур 900— 1000° и выше происходит исключительно прямым путем. При вы­ плавке обычных сортов чугуна от 40 до 60% железа восстанавли­ вается прямым путем. Наилучшие технико-экономические показате­ ли получаются при оптимальном соотношении прямого и косвенно­ го процессов восстановления.

5. Науглероживание железа и образование чугуна (/> 1200°):

3Fe 4-2СО = Fe3C + С 02;

3Fe + C = Fe3C.

Карбид железа Fe3C, растворяясь в металлической массе, по­ нижает точку плавления науглероженного железа, которое перехо­ дит в жидкое состояние.

В условиях доменного процесса восстановленное железо рас­ творяет до 3,5—4%, а в некоторых случаях до 6% углерода и, сле­ довательно, превращается в чугун, который плавится и стекает на дно горна.

6. Восстановление окислов Мп, Si, Р. Одновременно с плавле­ нием чугуна в доменной печи происходит воздействие углерода на окислы Мп, Si, Р и других элементов.

Марганец восстанавливается из окислов М п02 и Мп30 4 до МпО окисью углерода:

2Мп0 2 + СО = Мп20 3 + С 02; ЗМп20 3 + СО = 2Мп30 4 + С 02;

М п 3СГ4+ СО = ЗМпО + с о 2.

Из закиси МпО марганец восстанавливается твердым углеродом при температуре >1000° по реакции МпО + С = Мп + СО.

Около 70% общего количества марганца восстанавливается и растворяется в чугуне, остальная часть не восстанавливается и пе­ реходит в шлак.

Марганец, восстанавливаясь, способствует обессериванию чу­ гуна, что значительно повышает качество последнего.

Кремний восстанавливается твердым углеродом при темпера­ туре >1450°: Si02 + 2C = Si + 2C0.

Восстановленный кремний переходит в чугун, способствуя рас­ паду карбида железа Fe3C и выделению углерода в виде графита. Высококремнистые чугуны (как и высокомарганцовистые) требуют при выплавке большого расхода горючего, высокой температуры дутья, а также тугоплавких шлаков.

Фосфор восстанавливается по реакции: P2Os + 5C = 2P + 5CO и почти полностью переходит в чугун.

Фосфорный ангидрид P2Os не может перейти в шлак, так как его оттуда вытесняет более сильная кислота Si02. Содержание фос­ фора в чугуне регулируется соответствующим составом шихты. Та­ ким образом, восстановление окислов Si, Mn, Р позволяет получить чугун с определенным содержанием этих элементов.

7.Удаление серы. Сера попадает в доменную печь в основном

скоксом и Частично с рудой и известью. Для удаления ее (десуль­ фурации) требуются основные шлаки, содержащие в свободном ви­ де СаО. Сера находится в металле в виде FeS и MnS. Реакция по­

глощения шлаком серы идет по уравнению: FeS + CaO = CaS + FeO. В условиях восстановительной среды (в присутствии свободного уг­ лерода) реакция проіекает так: FeS + CaO + C = CaS + Fe + CO.

36

Сернистый кальций CaS растворим в шлаке и совершенно не­ растворим в чугуне, в то время как соединение FeS хорошо раство­ римо в чугуне.

При наличии основного шлака в нем может растворяться до 5,5—6% CaS. Следовательно, для перевода серы в шлак необходим избыток извести. Так как при избытке извести получается больше шлака (основного), имеющего высокую теплоту плавления, то де­ сульфурация чугуна протекает тем полнее, чем выше температура гор-на.

Приведенные выше схемы химических процессов, происходя­ щих в доменной печи, показывают, что доменный процесс по харак­ теру протекающих реакций является восстановительным.

§ 8. Шлакообразование

Пустая порода с флюсом начинает плавиться после расплав­ ления железа в верхней части заплечиков при /=1200°. Расплавлен­ ная масса пустой породы и флюсов образует,шлак, который, стекая вниз, растворяет золу и, соприкасаясь с чугуном, поглощает из не­ го серу. При правильно идущей плавке окончательное расплавление пустой породы должно заканчиваться в нижней части заплечиков, в области самой высокой температуры, после того как все железо руды обогатится углеродом и расплавится.

Высокие температуры в верхних областях печи нежелательны, так как при этом расплавление руды может начаться раньше полно­ го восстановления железа из окислов и невосстановленные окислы железа могут образовать с кремнеземистой частью руды жидкоплав­ кие силикаты, стекающие вниз в виде шлака. Из такого шлака очень трудно извлечь железо. Поэтому во избежание перехода железа а шлак необходимо на возможно большей части высоты печи обеспе­ чивать умеренную температуру, а переход от умеренных температур к высоким должен происходить как можно быстрее (см. рис. 17, б).

Количество окислов железа, остающихся нерасплавленными к момюнту начала шлакообразования, зависит от свойства руды— ее восстановимости и степени тугоплавкости пустой породы. Так, паилучшими условиями будут такие, при которых руда отличается лег­ кой восстановимостью, а пустая порода — высокой тугоплавкостью. Ясно, что в этом случае к началу шлакообразования железо успе­ вает восстановиться и расплавиться. Наихудшие условия будут в том случае, если пустая порода будет легкоплавкой, а окислы же­ леза — трудновосстановимыми: при нагреве кусков руды до срав­ нительно невысокой температуры пустая порода начнет расплав­ ляться и образовывать шлак, в котором будут растворяться еще не восстановленные окислы железа.

Одним из основных свойств шлака является его текучесть в расплавленном состоянии, зависящая от вязкости (с увеличением вязкости текучесть уменьшается). Для нормального хода доменной плавки необходимо иметь достаточно жидкотекучий шлак в области температур 1450—1500° (вязкость от 2 до 10 пз).

37

§ 9. Р а зл и в к а чугун а

Шлак и чугун выпускаются по мере накопления: шлак через 40—50 мин, а чугун через 4—6 ч. Чугун заливается в чугуновозный ковш (емкостью до 100 т). Последний представляет собой сосуд ци­ линдрической формы, футерованный внутри огнеупорным кирпичом и опирающийся через цапфы на раму, установленную на двух же­ лезнодорожных тележках. В ковше чугун отвозится в сталепла­ вильный цех или для разливки на разливочную машину.

Рис. 20. Миксер

Жидкий чугун, предназначенный для передела в сталь, слива­ ется в особые ковши, называемые миксерами (рис. 20). Миксер де­ лается из листовой стали и футеруется внутри огнеупорным мате­ риалом. Емкость его 600—2000 т. В миксерах чугун остывает весьма медленно. Для поддержания его в жидком состоянии миксеры иногда подогреваются с помощью доменного газа или газа коксо­ вальных печей.

Выдержка в миксерах обеспечивает смешивание чугуна, вы­ пускаемого в разное время или различными доменными печами, и позволяет получить чугун усредненного химического состава, что очень важно для проведения последующих процессов передела чу­ гуна в сталь. Кроме того, при наличии в чугуне некоторого количе­ ства Мп во время длительной выдержки в миксере чугун теряет часть серы. Это улучшает его качество. Марганец, вступая в реак­ цию с серой, образует сернистый марганец MnS, который вследствие плохой растворимости в жидком чугуне уходит в шлак.

Если чугун предназначен для получения из него чугунных слит­ ков (чушек), то он транспортируется в ковше к разливочной машине.

Разливочная ленточная машина состоит из двух бесконечных цепей, к которым прикреплены специальные формы для чугуна — мульды. Движение форм происходит по окружности или по прямой

38

линии по принципу конвейера. Залитый в формы чугун охлажда­ ется, формы опрокидываются, и чугунные чушки попадают непо­ средственно в вагоны. Все эти операции механизированы и авто­ матизированы. Порожние мульды обрызгиваются изнутри известко­ вым молоком. Вода, испаряясь, охлаждает форму, а оставшаяся на внутренней части известь предохраняет ее от прилипания расплав­ ленного чугуна.

В состав шлаков коксовых доменных печей входят: 33—40% Si02; 42—48% (CaO + MgO); 10—20% А120 3. Шлак из доменной пе­ чи выпускают в ковш, в котором он отвозится в отвал или в бассейн с водой. При быстром охлаждении шлак превращается в мелкие зер на (гранулы). Соприкасаясь с водой, он гранулируется, затем из­ влекается из бассейна грейфером мостового крана и отправляется для дальнейшей переработки.

§ 10. Продукты доменного производства

Продуктами доменной плавки являются чугун, шлак и домен­ ный (колошниковый) газ. В зависимости от назначения, рода при­ меняемого топлива и химического состава различают несколько,, сортов чугуна.

Литейный чугун (ГОСТ 4832—58) идет на производство чугун­ ных отливок после его переплавки. Литейный чугун мягок, серого цвета. Углерод, входящий в его состав, находится преимущественно в свободном состоянии в виде графита. В связи с тем что кремний способствует выделению углерода в виде графита, в литейном чугу­ не содержание кремния доходит до 3,7%, а количество марганца, способствующего выделению углерода в форме цементита Fe3C, до­ пускается до 1,3%.

Литейные чугуньі делятся на 4 класса в зависимости от содер­ жания в них фосфора и на 3 категории по содержанию серы. Литей­ ные чугуны, содержащие мало фосфора (до 0,1%), называются

гематитами.

Передельные чугуны (ГОСТ 805—69) выплавляются для пере­ дела на сталь. Углерод в них химически связан в Fe3C. Структурно это белые чугуны.

Специальные чугуны (ферросплавы) с большим содержание^ кремния, марганца и других элементов предназначены для добавки в шихту в качестве раскислителей или присадок при выплавке ста­ ли. К доменным ферросплавам относятся: ферросилиций (содержа­ щий 9—13% Si и более); ферромарганец (70—75% Мп и более); зеркальный чугун (10—25% Мп и до 2% Si). Выплавка ферроспла­ вов требует «горячего» хода доменной плавки, так как восстановле­ ние марганца и кремния происходит при повышенном расходе тепла.

Природно-легированные чугуны (получаются при выплавке руд. содержащих легирующие примеси) употребляются в качестве при­ садки к литейным чугунам и для получения природно-легированных сталей.

39