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

Доменные шлаки используются для получения строительных материалов: цемента, кирпича, пористых и плотных блоков, щебенки п т. п.

Путем заливки огненно-жидкого шлака в металлические формы

сжатым воздухом или газом получается шлаковата — волокнистый материал, используемый непосредственно для термоизоляции или для производства термоизоляционных плит. Из гранулированного

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

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:

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

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 +

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

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:

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.

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.

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