книги из ГПНТБ / Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие
.pdfДоменные шлаки используются для получения строительных материалов: цемента, кирпича, пористых и плотных блоков, щебенки п т. п.
Путем заливки огненно-жидкого шлака в металлические формы
могут |
быть получены литые изделия — брусчатка для мощения |
улиц, |
плиты и др. При распылении струи расплавленного шлака |
сжатым воздухом или газом получается шлаковата — волокнистый материал, используемый непосредственно для термоизоляции или для производства термоизоляционных плит. Из гранулированного
|
|
|
шлака с добавкой извести или |
|||||||
|
|
|
цемента |
(с затвердеванием в про |
||||||
|
|
|
парочных камерах или на возду |
|||||||
|
|
|
хе) |
изготавливают |
шлакобетон |
|||||
|
|
|
ные блоки и кирпичи. Однако |
|||||||
|
|
|
большое количество |
доменных |
||||||
|
|
|
шлаков еще направляется в от |
|||||||
|
|
|
вал. |
Полное |
использование |
их |
||||
|
|
|
представляет |
собой, важную |
на |
|||||
|
|
|
роднохозяйственную |
задачу. |
|
|
||||
|
|
|
Колошниковый |
(доменный) |
||||||
|
|
|
газ |
содержит до 30% |
СО |
и |
до |
|||
|
|
|
3% Н2 и является, следовательно, |
|||||||
|
|
|
горючим газом. При его сжигании |
|||||||
|
|
|
выделяется до 900 ккал/н.м3 теп |
|||||||
|
|
|
ла. Перед сжиганием колошнико |
|||||||
|
|
|
вый |
газ |
подвергается |
очистке в |
||||
|
|
|
сухих |
или |
мокрых |
фильтрах |
||||
|
|
|
(рис. 21), так как он может со |
|||||||
Рис. 21. Фильтры для очистки до |
держать до 30 г/м3 пыли. В филь- . |
|||||||||
трах сухой очистки частицы пыли |
||||||||||
менного газа: |
|
осаждаются |
в нижней |
части |
ка |
|||||
я -- сухой; б—мокрый; |
1 — центральная |
мер в результате резкого измене |
||||||||
труба; 2 — деревянная |
решетка; |
3 — |
||||||||
змеевик для разбрызгивания воды; |
4 — |
ния |
направления газов |
и умень |
||||||
трубопровод очищенного газа |
|
шения их скорости; мокрая очист |
||||||||
|
|
|
ка основана |
на утяжелении |
час |
тиц пыли при их увлажнении. Более совершенными способами очистки газов являются электростатический (основанный на иони зации твердых частиц) и вентиляционный.
Если при однократной очистке в мокром фильтре содержание пыли в газе может быть снижено до 0,5 г/н.м3, то при электростати
ческом способе— до 0,02 |
г/н.м.3, а |
при |
вентиляционном — до |
0>001 г/н.м3. |
|
|
|
Улавливаемая в различных очистных сооружениях колошнико |
|||
вая пыль является ценным |
сырьем для |
доменного передела. Она |
|
подвергается спеканию или используется |
при |
производстве окаты |
|
шей и возвращается в шихту доменной печи. |
|
Колошниковый' газ используется для нагрева кладки воздухо нагревателей, для сжигания в топках различных нагревательных пе чей, в котельных топках и т. д.
40
§ 11. Технико-экономические показатели доменною производства
Основным показателем производительности доменных печей яв ляется коэффициент использования полезного объема (КИПО):
КИПО = м3І т,
где V — полезный объем доменной печи, м3\ Т — суточная выплавка чугуна, т.
Таким образом, КИПО можно представить как часть объема доменной печи, которая приходится на 1 т выплавляемого чугуна. Например, если доменная печь полезным объемом 1300 м3 рабо тает с КИПО = 0,'65, то это означает, что ее суточная производитель ность равна 1300:0,65 = 2000 тчугуна. Ясно, что чем меньше этот по казатель, тем лучше работает доменная печь.
Вторым важным показателем совершенства ведения доменной плавки является удельный расход топлива К на \ твыплавленного чугуна:
к = 4 т/г>
где А — количество кокса, израсходованного за сутки, т.
Удельный расход кокса и КИПО взаимно связаны. При высо кой степени использования физического и химического тепла ко лошниковых газов, соответствующей подготовке шихтовых мате риалов и бесперебойной работе всех механизмов доменной печи получается наименьшее значение КИПО.
Уменьшение расхода кокса — важнейшее условие снижения се бестоимости чугуна, так как в общей сумме затрат на выплавку до 50%/составляет стоимость топлива.
Если учесть, что средний расход кокса на 1 твыплавленного чу гуна составляет 0,6—0,8 г, а в 1970 г. в СССР было выплавлено око ло 86 млн. тчугуна, то станет ясно, какое громадное значение имеет далее незначительное снижение КИПО или К. Улучшение этих ко эффициентов связано с непрерывно продолжающейся работой по увеличению производительности доменных печей.
§ 12. Методы повышения производительности доменных печей
Повышение давления газа в печи осуществляется уменьшением еечения трубопроводов, отводящих колошниковый газ. В результа те давление газа возрастает до 1,6—2,5 ати. Это уменьшает скорость протекания газов и снижает унос колошниковой пыли (составляю щий в обычных условиях до 15—20% веса шихты). Увеличение рас хода дутья в единицу времени на 3—6% снижает расход кокса и на 3—8% увеличивает выплавку чугуна.
41
Применение природного газа в доменных печах имеет целью снизить расход кокса. При расходе 90—150 н.лг3/г газа расход кок са уменьшается на 8—15%, производительность печи повышается на 1—6%. Экономический эффект составляет 0,8—1 руб. на 1 тчу гуна. Мощная доменная печь объемом 2700 м3 работает с использо ванием природного газа в количестве 350 н.м3/мин. Особенно эф фективно одновременное использование природного газа и высоко температурного дутья, обогащенного кислородом.
Обогащение дутья кислородом основано на стремлении умень шить расход тепла на нагрев азота, бесполезного для процесса, вно симого в доменную печь вместе с воздухом. При содержании ки слорода от 25 до 32% производительность доменной печи (при вы плавке ферросплавов) увеличивается в 1,5—2 раза. Кроме этого, уменьшается удельный расход кокса и повышается теплотворная способность колошниковых газов (из-за уменьшения доли азота в них).
На кислородном дутье работают современные мощные домен ные печи. Так, в печь объемом 2700 м3 на 5,5 тыс. н. м3/мин воздуха подают 350 н. м3/мин кислорода.
Испарительное охлаждение состоит в том, что в холодильники доменной печи вводится не вода, а пароводяная смесь и отводится образующийся пар. Превращение воды в пар происходит за счет скрытой теплоты парообразования, отнимаемой от охлаждаемой поверхности. Эффективность способа заключается в том, что расход охлаждающей воды снижается в 50—150 раз, становятся ненужны ми устройства для охлаждения воды, увеличивается срок службы охлаждаемых деталей из-за отсутствия накипи. Испарительным охлаждением оборудованы печи емкостью 2700 м3. В этих печах на водяном охлаждении оставлены фурменные и шлаковые приборы, а ' также холодильники леток.
Увлажненное дутье применяется па ряде заводов для форсиро вания хода плавки. Вдуваемый через фурменные отверстия пар разлагается при взаимодействии с раскаленным коксом: Н20 + С = = Н2+ СО. Получающийся водород является восстановителем, что позволяет на 5—8% снизить расход кокса с одновременным увели чением производительности доменной печи на 5—6%. При увлаж нении дутья вводят 15—25 г влаги на 1 н. мъ воздуха. Для компен сации потери тепла на разложение воды необходимо при этом спо собе усилить воздухонагревательные средства. Температура
дутьевого воздуха повышается из расчета 750° па 1% влаги.
Конвейерная загрузка печей имеет следующие преимущества по сравнению со скиповым подъемником: 1) отсутствие скиповой ямы значительно снижает стоимость строительства; 2) расположение всего оборудования для загрузки на поверхности облегчает его об служивание и ремонт; 3) срок службы ленты по сравнению со ски повыми канатами в 5—6 раз выше, что сокращает простой на ремон те. Мощные доменные печи работают с конвейерной подачей то плива в печь непосредственно от коксовых батарей.
42
Увеличение полезного объема печей создает условия для ма ксимальной механизации и автоматизации (автоматизация набора, взвешивания и загрузки шихтовых материалов, переключения воз духонагревателей, регулирования температуры и влажности дутья, давления газов на колошнике и т. д.). Доменный процесс регистри руется и управляется при помощи различных электронных прибо ров, устройств и автоматов.
Рис.. 22. Схема доменного цеха:
1 — скиповая |
тележка; |
2 — бункер; 5 |
— полувагон; 4 — эстакада; 5 — наклонный |
||
подъемник; |
6 — фильтры; 7 — дымовая |
|
труба; |
8 — воздухоподогреватели; 9 — шла* |
|
новый ковш; |
10 — доменная |
печь; |
11 — чугуновозный ковш. |
Дальнейшее повышение производительности будет достигнуто при вводе в строй сверхмощной доменной печи емкостью 3200 м3, спроектированной институтом «Гипромез». Эта печь имеет запроек тированную производительность 2,34 млн. г чугуна в год. Для уве личения стойкости кладки между кожухом и футеровкой установ лены плитовые холодильники. Домна имеет 4 летки для чугуна и 1 для шлака. Это позволяет осуществлять 16—20 выпусков чугуна в сутки.
Воздух, подаваемый в печь, нагревается в 4 воздухоподогрева телях, работающих на смешанном природно-доменном газе. Управ ление работой воздухоподогревателей полностью автоматизировано. С целью улучшения условий труда на литейном дворе над летками для чугуна и шлака, местами их слива, главными желобами установ лены укрытия с принудительной вытяжной вентиляцией и очисткой выделяющихся газов. Доменная печь оборудована комплексом кон трольно-измерительных приборов, установленных в центральном пункте управления.
43
В соответствии с Директивами XXIV съезда КПСС по пятилет нему плану развития народного хозяйства СССР на 1971—1975 гг. предусматривается дальнейшее наращивание производственных мощностей в черной металлургии. С этой целью будет осуществлено строительство металлургических агрегатов большой мощности. В частности, планируется строительство доменных печей полезным объемом 5000 м3. Будет существенно расширено использование ки слорода и природного газа в доменном производстве, примерно в 4 раза возрастет производство железорудных окатышей.
§ 13. Понятие о доменном цехе
Современная доменная печь обслуживается рядом сложных ин женерных устройств. К ним относятся: скиповый подъемник, возду хонагреватели, воздуходувные машины, кислородная установка, фильтры очистки колошниковых газов, разливочная машина, транс портеры, эстакады, бункера, разгрузочно-загрузочные устройства, сеть железнодорожных путей и т. д.
На металлургическом заводе ежесуточно перерабатываются десятки тысяч тонн различных материалов. Если средняя по разме рам доменная печь (производительностью 2000 тчугуна) требует по дачи и переработки около 8000 тшихты в сутки, то мощная домен ная печь объемом 2700 м3 перерабатывает около 14 000 т агломе рата, кокса и различных добавок.
Для выполнения многообразных работ, связанных с эксплуата цией печи, комплекс всех устройств, обслуживающих доменную печь, объединяется в доменный цех (рис. 22).
Гл а в а Ш. МЕТАЛЛУРГИЯ СТАЛИ
§1. Выплавка стали в конверторах
Внастоящее время, только 20—25% выплавляемого в домен ных печах чугуна идет на чугунные отливки, а 75—80% перераба
тывается в сталь. Кроме жидкого чугуна, в качестве шихты для выплавки стали может применяться чугунный и стальной лом, отхо ды собственного производства, стружка, частично железная и мар ганцевая руда и др.
Процесс получения стали сводится к понижению количества входящих в состав чугуна примесей. Примеси, попавшие в чугун вследствие реакций восстановительного характера, должны быть удалены путем окислительных реакций. Например, марганец в до менной печи попадает в чугун в результате реакций МпО + С = Мп +
+ СО с последующим растворением восстановленного |
марганца в |
железе, а удаление его происходит по реакции: |
Mn + FeO== |
—-MnO + Fe. |
|
Для осуществления подобных реакций необходимо наличие окислов железа в расплавленном металле и соответствующей тем пературы. Обеспечение этих важнейших условий в различных ста леплавильных агрегатах осуществляется по-разному.
Основными устройствами для выплавки стали являются кон верторы, мартеновские и электрические печи.
Выплавка стали в кислых конверторах. Сущность способа (на зываемого по фамилии изобретателя бессемеровским) заключается
втом, что струя воздуха продувается через расплавленный чугун и окисляет входящие в него примеси С, Мп,' Si и частично Fe, которые после окисления переходят в шлак в виде окислов либо удаляются
ввиде газов. Окислительные реакции сопровождаются выделением значительного количества тепла, что приводит к повышению темпе ратуры чугуна от 1300 до 1700—1750°.
Чугун для бессемерования должен содержать значительное ко личество кремния (1—1,7%) и марганца (0,8—1,25%), так как ме талл в конверторе нагревается за счет выгорания этих примесей. Фосфор и сера при бессемеровании не удаляются, а переходят в
получаемую сталь и являются вредными примесями в ней. Поэтому в бессемеровском чугуне допускается не свыше 0,07% Р и 0,06% S.
45
Бессемеровский конвертор представляет собой вращающийся сосуд (рис. 23, а), кожух которого 3 изготовлен из листовой стали толщиной 10—30 мм. Внутренняя полость выложена кислой футе ровкой 5 из динасового кирпича, содержащего до 94% ЭЮг, или спе циальной кислой набойкой, содержащей 90—92% Si02 и глину.
Т
Рис. 23. Конвертор:
а — схема устройства; б — заливка чугуна; в — продувка чугуна
В днище конвертора сделаны отверстия 2 диаметром 10—20 мм для вдувания под давлением 1,5—2 ати сжатого воздуха. В воздуш ную коробку 1 воздух подается через одну из цапф, на которые опи рается и на которых поворачивается конвертор. Эта цапфа 7 делает ся полой и шарнирно соединяется с воздухопроводом 8.
Газообразные продукты процесса удаляются через горлови ну 6, через эту же горловину вливается в конвертор чугун и выли вается сталь. Для заливки жидкого чугуна конвертор при помощи
зубчатой передачи 4 ставится в наклонное |
положение так, |
чтобы |
отверстия в днище находились выше |
уровня залитого |
чугуна |
(рис. 23, б). |
|
|
4fi
После пуска дутья конвертор поворачивают днищем вниз (рис. 23, в). Металл при этом занимает от Ѵз до Vs высоты цилин дрической части.
Процесс переработки чугуна в бессемеровском конверторе рас падается на три периода.
1. Окисление кремния и марганца. В конверторе происходят реакции окисления Fe, Si и Mn кислородом вдуваемого воздуха по уравнениям:
2Fe + 0 2 = |
2 FeO |
|
|
Si -f- 0 2 |
= |
Si02 |
первичные реакции |
2 Mn -F 0 2 |
== 2 MnO |
|
Тепло, выделяемое при экзотермических реакциях окисления, поддерживает ванну в расплавленном состоянии, обеспечивая даль нейшее повышение температуры металла и компенсацию тепловых потерь (лучеиспусканием, газами).
Одновременно происходят реакции окисления примесей чугуна растворенной в нем закисью железа:
Si + 2 FeO = 2 Fe + Si02
вторичные реакции
Mn + FeO = Fe + MnO
Вторичные реакции имеют большее значение, чем первичные. Продукты окисления кремния и марганца не растворяются в метал ле и уходят в шлак. Поэтому первый период называют еще перио дом шлакообразования.
В конце первого периода, который длится 3—4 мин, выгорание кремния и марганца замедляется и начинает усиливаться выгорание углерода.
2. Окисление углерода. Усилившееся горение углерода характе ризует начало второго периода. Сгорая,'углерод образует окись углерода и углекислый газ по реакциям:
первичные реакции
С + 2 FeO = 2 Fe + С02 1
С + FeO = Fe +СО \ вт0Ричные PeaK1™
Как видно из характера вторичных реакций, в этот период раз виваются дальше реакции восстановления железа из его окислов. Горение углерода сопровождается вырывающимся из горловины конвертора ослепительно белым пламенем. Обе реакции протекают с поглощением тепла, поэтому во втором периоде значительного подъема температуры ванйы не наблюдается. К концу выгорания углерода температура металла составляет 1600—1650°. Второй пе риод длится 9—16 мин,
47
3. Окисление железа (период дыма). Наличие дыма показ вает, что входящие в состав чугуна примеси почти исчезли и что кислород проходящего через конвертор воздуха соединяется с же лезом. С появлением бурого дыма процесс прекращают, так как выгорание железа способствует увеличению угара и большому насыщению металла закисью железа. Третий период является са мым коротким и длится иногда меньше минуты.
При изготовлении углеродистой стали процесс иногда останав ливают на определенном количестве углерода. Тогда третий период по существу отсутствует. Однако ввиду трудности обеспечения за данного количества углерода продувку чаще ведут до мягкого металла (с малым содержанием углерода), затем его раскисляют и науглероживают. Длительность всех трех периодов составляет около 20—25 мин.
По окончании процесса бессемерования в металле остается не которое количество закиси железа FeO. Присутствие ее делает сталь красноломкой. Поэтому для окончательного раскисления в конвер тор добавляется некоторое количество специального чугуна, содер жащего значительное количество Мп и Si (ферромарганец или фер росилиций). Прибавление к расплавленной стали ферромарганца вызывает реакцию FeO-f-Mn = Fe + MnO.
Полученная закись марганца МпО переходит в шлак. Такой же результат дает прибавление ферросилиция и алюминия:
2F e0 + Si = 2Fe + Si02;
3FeO + 2 Al = 3Fe + Al20 3.
Чем лучше раскислен металл, тем выше его механические ка чества.
Расплавленная сталь способна поглощать газы. Наличие в ме талле растворенных газов СО, N2 и Н2 способствует образованию газовых пузырей. Присадкой алюминия и кремния можно достиг нуть получения совершенно беспузыристой стали.
Хорошим раскислителем. стали является титан, вводимый в
виде сильно углеродистого ферротитана, содержащего около 15% Ті. Сталь, раскисленная титаном, обладает наилучшими механиче скими качествами. А1 и Ті являются не только, хорошими раскислите лями, они также размельчают зерно основного металла.
Марганцевая присадка, кроме действия ее в качестве раскисли теля, способствует также удалению серы: FeS + Mn = Fe + MnS. Как было указано выше, MnS почти не растворяется в жидком ме талле и уходит в шлак.
Применение кислорода в конверторном производстве. Бессеме ровская сталь имеет повышенное содержание азота, которое увели чивается по мере продувки воздухом жидкого металла. Такая сталь обладает повышенной прочностью, но пониженной пластичностью. Применение в конверторном производстве вместо воздуха техниче ски чистого кислорода обеспечивает хорошее качество стали и дает
48
возможность использовать для ■переработки чугуны, содержащие меньше кремния и марганца, чем это допускается при обычном бессемеровском или томасовском процессе. Конверторный металл, выплавленный с применением кислорода, по химическому составу и механическим свойствам не уступает мартеновскому. Вредных при месей — фосфора и серы — содержится в нем даже меньше. Газона сыщенность его значительно ниже, в частности азота вдвое меньше. Высока также пластичность конверторной стали, полученной с по мощью кислорода. Ударная вязкость у конверторной стали выше, чем у мартеновской, в особенности при низкой температуре.
Технико-экономическая |
характеристика |
кислого конвертора. |
|
Емкость конвертора 10, 20, 30 г и выше (на |
кислородном дутье — |
||
до 350 т). Расход |
воздуха |
3,25—4,25 м3/т-мин. Стойкость днища |
|
(оно приставное, |
сменное) — до 30 плавок, так как оно подверга |
||
ется не только воздействию |
чугуна, но и сильных струй воздуха. |
Выход годного металла 85—89%, при утилизации скрапа — до 91 %.
Шлаки содержат 45—64% Si02, 20—45% МпО, 6—18% FeO (остальное АІ20 3, MgO, CaO). Они идут обычно для переплавки в шихте доменных печей. Количество плавок в сутки для конвертора средней емкости — до 40.
Производство стали в основном конверторе. При бессемеров ском процессе фосфор не удаляется из чугуна. Для удаления фос фора необходимо наличие в конверторе основного шлака (добавка извести). Однако основной шлак недопустим при бессемеровании, так как кислая футеровка вступает в химическую реакцию с из вестью (СаО) и разрушается. Для удаления фосфора делают в кон верторе основную футеровку и присаживают в начале продувки известняк. Переработка чугуна в конверторах с основной футеров кой называется томасовским процессом.
Футеровка |
основного |
конвертора |
делается |
из |
доломита |
|||
(СаС03 • M gC03), а для |
получения сильно основного шлака при |
|||||||
бавляется |
в |
качестве |
флюса |
известь. |
Толщина |
футеровки — |
||
до 4Ö0 мм. |
Основная футеровка |
и известь позволяют |
перевести |
|||||
окись фосфора в шлак по реакциям: |
|
|
|
|||||
|
|
2 Р + 5 Fe0 = P20 5-F5 Fe; |
|
|
||||
|
|
Р20 5 + 3 |
FeO= (FeO)3 • Р20 5; |
|
|
|||
|
(FeO)3 ■Р20 5 + 4 |
СаО = (СаО)4 • Р20 5 + 3 FeO. |
|
В томасовском процессе фосфор является главным элементом, при выгорании которого повышается температура металла. Содер жание фосфора в чугуне должно быть 1,8—2,25%. В конце томасирования количество фосфора снижается до 0,04—0,05%- Нормаль ный томасовский чугун содержит приблизительно 3,5% С, до 5,6% Si, 1,5% Mn, 2,0% Р и до 0,08% S. Кремний рассматривается как вредная примесь: он увеличивает количество шлака, разъедает футеровку и обедняет шлак содержанием Р20 5. Марганец предохра
49