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

серы и фосфора, а для томасирования — лишь чугун с большим содержанием фосфора; чугупы с промежуточным содержанием фосфора ни тем, ни другим способом перерабатываться не могут; 4) отрицательное влияние газовых включений на физико-механи­

ческие свойства стали.

Вращающаяся (роторная) печь. Вращающаяся (роторная) печь (рис. 24) рассчитана на переработку чугуна, выплавляемого из природно-легированной качканарской руды, содержащей вана­ дий. Для удобства скачивания шлака печи можно придать наклон в 40°. Для выпуска металла она может иметь наклон в 15°.

Печь представляет собой барабан с ванной емкостью в 20 т, футерованный изнутри ас­ бестом, легковесным шамотом и магнезитовым кирпичом. Пос­ ле заливки жидкого чугуна на­ жимается кнопка на пульте уп­ равления, и печь начинает вра­ щаться со скоростью 0,8 об/мин. При начале вращения в горло­ вину печи вдвигают две охлаж­ даемые фурмы, через которые подается кислород. Кислород,

поступающий в ванну, подается под давлением в 5 ати, а вдувае­ мый выше ванны — под давлением в 3 ати. Длительность плавки полупродукта 10 мин. Полный цикл плавки длится 50 мин. Примеси серы, фосфора и кремния выгорают быстрее и, главное, полнее, чем в конверторах. В такой печи может быть использовано до 25% скра­ па по отношению к массе жидкого чугуна.

§ 2. Выплавка стали в мартеновских печах

Устройство мартеновской печи. Мартеновский способ позволя­ ет использовать значительное количество стального и железного лома. В 1865 г. для этой цели впервые была применена регенератив­ ная печь. Необходимость применения регенераторов объясняется тем, что холодное топливо при сгорании в холодном воздухе раз­ вивает температуру до 1400°. При подогреве топлива и воздуха примерно до 1000° температура пламени повышается до 1800°, что достаточно для ведения процесса.

Печь (рис. 25) работает следующим образом. Газ и воздух проходят через предварительно разогретые до температуры при­ мерно 1000° камеры 6 и 6', где нагреваются до 800—900°. Сгорая, они поднимают температуру рабочего пространства 1 до 1700°. За­ брасываемые через окна 2 шихтовые материалы под влиянием тепла горящих газов плавятся на поду 3. Продукты горения поступают в камеры 7 И 7' и разогревают их. Ко времени охлаждения камер 6 и 6', когда они не могут уже поднимать температуру до 800°, каме­ ры 7 и 7' нагреваются отходящими газами до 1000°. После этого

51

поворотом перекидных клапанов 4 и 5 изменяется направление газа

ивоздуха, поступающих в печь: они направляются через камеры 7,

и7', а отходящие газы (дым) — через камеры 6 и 6'. Производительность мартеновских печей зависит от веса плав­

ки, способа работы, топлива и т. д. Приведем данные производи­ тельности для плавки в мартеновской печи стали на твердой шихте:

В настоящее время около 80% стали выплавляется в мартенов­ ских печах. Полезная емкость современных мартеновских печей

достигает 900 г. Все производственные процессы в таких печах, на­ чиная от загрузки шихты в виде жидкого чугуна и кончая разлив­ кой выплавленной стали, полностью механизированы и автомати­ зированы. Электронная аппаратура позволяет автоматически регу-. лировать тепловой режим печи, подачу воздуха и горючих матери­ алов, контролировать весь процесс выплавки металла.

Разновидности мартеновского процесса. В зависимости от ма­ териала, из которого изготавливается под печи, мартеновский про­ цесс может быть основным или кислым. В основных печах под вы­ кладывается из магнезитового кирпича и наваривается магнезитом или долбмитом. В кислых печах под выкладывается из динасового кирпича и наваривается слоем кварцевого песка.

В зависимости от применяемой шихты различают рудный про­ цесс и скрап-процесс.

52

В первом случае шихта состоит из жидкого чугуна, лома и ру­ ды. Количество чугуна в шихте 70—90 %• Чистая железная руда в количестве до 20% применяется для окисления примесей. Обычно рудный процесс ведется в основных печах и дает главную массу всей производимой стали.

При скрап-процессе шихта состоит из значительного количе­ ства скрапа (60—85%) и меньшего количества чугуна (15—40%). Последний загружается обычно в твердом виде. Вследствие зна­ чительного окисления шихты в период плавления и небольшого количества примесей, которое нужно удалить из шихты, руда в печь подается в небольшом количестве. Скрап-процесс распространен на заводах, не имеющих доменных печей.

Большое распространение получил скрап-рудный процесс, ко­ торый ведется на шихте, состоящей из 40—60% скрапа и 40—60% чугуна в жидком виде. В шихту входит также железная руда.

Рассмотрим разновидности мартеновских процессов.

Кислый процесс. В кислых печах плавится шихта, содержащая мало серы и фосфора (5 до 0,03% и Я до 0,06%), которые при кис­ лом процессе не могут быть удалены в шлак. Работа ведется скраппроцессом, так как при большом количестве железной руды в ших­ те сильно разъедается кислый под.

При расплавлении выгорают кремний, марганец и частично углерод по реакциям:

Si + C>2 = Si02; 2 М п + 0 2 = 2 М п О; 2С-р02 = 2СО.

закись железа раскисляется углеродом, и качество металла улуч­ шается. Кипение способствует перемешиванию ванны, а интенсив­ ное выделение пузырьков окиси углерода способствует удалению газов, растворенных в металле.

В процессе плавки железо из его закиси может восстанавли­ ваться благодаря наличию в жидком металле Si и Мп. Эти реакции можно представить в следующем виде:

Получающиеся окислы частично образуют шлак. На поверхно­ сти соприкосновения шлака с металлом происходят следующие ре­ акции.

1.Составные части шлака окисляются кислородом воздуха.

2.Окислы, образовавшиеся в шлаке, отдают свой кислород

расплавленному металлу, окисляя Fe, Si и Mn. FeO шлака окисля­ ется на поверхности, образуя Рез04, которая вследствие большего

53

удельного веса опускается до соприкосновения с металлической ванной, где отдает кислород: Fe30 4 + Fe = 4Fe0.

Образовавшаяся закись железа растворяется в жидком металле (рис. 26, а). Таким образом происходит непрерывное пополнение металлической ванны кислородом закиси железа. В этом процессе

шлак является посредником в передаче тепла и кислорода от ат­ мосферы к металлу.

Количество чистой железной руды или окалины, вводимой в

печь для ускорения процесса окисления примесей, составляет 3—10% от веса металлической шихты.

Рис. 26. Окисление примесей в мартеновской печи с кислой (а) и основ­ ной (б) футеровкой

В кислых мартеновских печах в качестве топлива применяется газ из дров или торфа, так как в этом случае требуется полное от­ сутствие серы в топливе. Перед концом плавки добавляют раскис­ лители, чаще всего специальные чугуны йли ферросплавы с высо­ ким содержанием Мп и Si, а иногда добавляют А1. Энергично выде­ ляемая из металла во время кипения СО увлекает за собой часть газов, растворенных в стали. Поэтому мартеновская сталь менее насыщена газами, чем конверторная.

Кислым процессом изготовляют особо ответственные сорта ста­ ли: шарикоподшипниковую, сталь специального назначения и т. д. Для массового производства стали этот процесс неприменим, так как требует очень чистых исходных продуктов. Кроме того, кислый процесс идет медленнее основного, так как реакции окисления в нем меньше развиты. В шлаках, получаемых при кислом мартеновском процессе, содержится 55—60% Si02.

Основный процесс. Чугуны, перерабатываемые основным спосо­ бом, могут содержать значительное количество фосфора (до 2%). Содержание больших количеств кремния в них нежелательно, так как это затягивает процесс и требует увеличения доли известняка в шихте, чтобы связать в прочные соли кремнекислоту Si02 и фос­

форный ангидрид Р20 5 и предохранить под печи от разъедающего действия этих кислот.

Металлическая часть шихты состоит из 75—90% жидкого чу­ гуна, 25—10% стального скрапа и руды. Для ошлакования вредных примесей (S, Р) в печь загружается известняк в количестве до 12% от веса металлической части шихты. Известь дает с окислами фос­

54

фора прочное соединение (Са0 )4 -Р 20 5 , которое уходит в шлак и удаляется из. печи, так как при сильном повышении температуры печи может начаться восстановление фосфора из шлаков по реак­ ции

C +Fe20 3= 2Fe0 + C0 или C + Fe30 4= 3Fe0 + C0.

С момента начала кипения ванны идет взаимодействие между шлаком и металлом по поверхности их соприкосновения. Железо ванны окисляется в FeO. Растворяющаяся в ванне FeO расходу­ ется на окисление примесей.

Шлак в основном процессе не только передает кислород и теп­ ло, по также способствует удалению S и Р. Шлак должен быть на­ грет свыше 1600° для повышения его активности.

Процесс обесфосфоривания считается законченным при содер­ жании в пробе металла (после скачивания шлака) 0,01—0,02% Р. В основной мартеновской печи возможно также удаление серы пе­ реводом ее в сернистый кальций CaS (соединение, не растворимое

вметалле):

•FeS + CaO = FeO + CaS; MnS + CaO=MnO + CaS.

Для этой реакции нужен избыток извести в шлаке.

Основный шлак более активен, чем кислый; FeO в нем свобод­ на, так как Si02 связывается более сильным основанием — изве­ стью. Поэтому в основном металле содержится повышенное количе­ ство FeO. Это требует тщательного раскисления металла. Окислы, обладающие кислотными свойствами (Si02, Р20 5 и др.), находятся в шлаке основного процесса в связанном состоянии (в противопо­ ложность кислому процессу). В шлаке, получаемом в основной мартеновской печи, содержится 54—56% СаО.

Несмотря на удаление закиси железа с помощью раскислите­ лей, при прочих равных условиях в основной стали закиси железа больше, чем в кислой. Вследствие этого механические качества ос­ новной стали несколько ниже, чем кислой. С другой стороны, так как окислы железа в основном процессе не связываются кремне­ кислотой, они легче проникают в ванну металла, вследствие чего процесс окисления в основной печи идет быстрее й примеси удаля­ ются в большей мере, чем в кислой. В результате в основной печи может быть получен металл с весьма малым содержанием приме­ сей. В мартеновском основном процессе Мп, Si, Р удаляются почти полностью, S — до известного предела, содержание С может быть снижено до 0,05%. Это позволяет вести передел на менее чистой шихте, чем при кислом процессе.

Принципиальное отличие основного металла от кислого со­ стоит в том, что первый более окислен, и раскисление его требует большего расхода раскислителей.

55

Комбинированные процессы. Комбинированными называются процессы, в которых передел стали производится в двух или трех агрегатах. Например, процесс может начинаться в конверторах, а заканчиваться в мартеновских печах или же может производиться последовательно в двух мартеновских печах: в одной происходит начальная часть процесса, а в другой — доводка металла. Комби­ нированные процессы имеют целью сократить время плавки и рас­ ход топлива и увеличить общую производительность печей.

В последнее время стал развиваться дуплекс-процесс «основ­ ная — кислая мартеновская печь». При этом способе в основной печи плавку на шихте обычного состава доводят до получения ста­ ли с малым содержанием фосфора, кремния, марганца и серы. З а ­ тем сталь переливают в кислую печь. Оставшегося количества угле­ рода в стали (1,3— 1,4%) достаточно для кипения ванны. В резуль­ тате получается высококачественная кислая сталь.

Экономически этот способ'часто невыгоден, так как связь в ра­ боте печей приводит к их простоям.

При комбинированных процессах обычно применяются кача­ ющиеся печи и вообще требуется более сложное и дорогое оборудо­ вание, нежели при обычных способах получения стали.

Характеристика мартеновской стали. В мартеновских печах выплавляются стали обычные и высококачественные. В этих печах можно с большой точностью регулировать химический состав, пе­ риодически контролируя его в экспресс-лаборатории.

Механические качества кислой мартеновской стали выше, чем основной, так как в кислой стали содержится меньше FeO, раство­ ренных газов и неметаллических включений. Однакб основный мартеновский процесс получил большее распространение, так как при кислом процессе нельзя удалить серу и фосфор.

Мартеновский способ дает возможность перерабатывать метал­ лический лом и получать сталь высокого качества, содержащую значительно меньшее количество азота, чем бессемеровская сталь.

Технико-экономические показатели мартеновского производст­ ва. Основными показателями работы мартеновских печей являют­ ся: суточный съем стали в тоннах с 1 м2 пода печи и расход топлива на 1 тстали. Для определения съема стали суточную производи­ тельность печи (в тоннах) делят на площадь зеркала ванны металла (в м2), замеренную на уровне порога завалочных окон.

Мартеновские печи наших металлургических заводов работают со среднесуточным объемом стали около 9 т/м2. Передовики произ­ водства доводят съем стали до 12 т/м2.

Расход топлива зависит от ряда факторов — степени подогрева воздуха и газа, поступающих в головку мартеновской печи; вида шихтовых материалов (жидкий чугун или скрап); емкости печи; способа работы и др. Обеспечение нормального режима плавки тре­ бует расхода тепла до 1,5 • 10 6 ккал на 1 тсталш

Способы повышения производительности мартеновских печей.

Одним из важных условий повышения производительности марте­ новских печей является увеличение их тепловых назрузок. Допус­

56

каемая температура нагрева динасовогокирпича, из которого вы­ кладывается свод, не превышает 1680—1700°, что ограничивает воз­ можность повышения тепловых нагрузок печи. Поэтому в послед­ нее время все чаще свод выкладывают из термостойкого хромомаг­ незитового кирпича, выдерживающего нагрев до 1800° и выше. Для сохранения прочности при высоких температурах хромомагнези­ товый свод делается подвесным: блоки кирпичей подвешиваются на тягах к поперечным балкам свода. Средняя стойкость динасово­ го свода 200—250 плавок, а основного — 500 и более. Выплавка стали при этом увеличивается на 8—10%.

Рис. 27. Схема двухванной (двухподовой) мартеновской печи

Значительные перспективы имеет широкое применение кисло­ рода, подаваемого в факел пламени, а также непосредственно в жидкий металл, находящийся в ванне. Расход топлива на тонну стали снижается при этом на 5— 10% и более, выплавка стали уве­ личивается на 20—30%. Кроме того, при сжигании топлива в возду­ хе, обогащенном кислородом, повышается температура горения, а также улучшается использование тепла в рабочем пространстве.

Проекты новых многотонных мартеновских печей предусматри­ вают комбинированный способ использования кислорода: печи обо­ рудуются фурмами для вдувания кислорода в металлическую ван­ ну и горелками для ввода кислорода в факел пламени. Этот способ дает значительный производственный и экономический эффект: производительность печи увеличивается на 33%; расход условного топлива снижается на 28% при расходе кислорода 35 м3 на 1 т стали.

Использование кислорода в мартеновском производстве при­ вело к идее создания двухванной печи (рис. 27) с целью более пол­ ного использования тепла отходящих газов. Такие печи, сохраняя все конструктивные особенности, присущие обычным мартеновским печам, имеют две ванны для металла. Если в левой из них, как по­ казано на схеме, заканчивается период продувки металла кислоро­ дом через трубку 1, то в правой содержащаяся в продуктах сгора­ ния (двигающихся слева направо) окись углерода СО при введении по трубке 2 кислорода дожигается в СОг. За счет выде­ ляющегося при этом тепла подогревается скрап 3, загруженный в правую ванну, и происходит начальная стадия плавления шихты.

57

При переключении клапанов горючий газ и воздух начнут посту­ пать в правую головку печи (продукты сгорания пойдут справа палево).

В ванну II заливается жидкий чугун и начинается продувка кислородом. А в это время в печи / производится завалка твердой шихты и прогрев ее дожигаемой окисью углерода. В дальнейшем подобные процессы чередуются. Это приводит к значительному по­ вышению производительности двухподовой мартеновской печи по сравнению с одноподовой, имеющей такую же емкость.

Большие перспективы имеет испарительное охлаждение марте­ новских печей, при котором в 4—5 раз увеличивается срок службы кессонов, рам и других частей сталеплавильных агрегатов и значи­ тельно сокращаются расходы на ремонт. Кроме того, расход воды сокращается в 50—60 раз и отпадает необходимость в специальных сооружениях для охлаждения воды.

§ 3. Выплавка стали в электропечах

Преимущества электроплавки. Электроплавка — наиболее со­ вершенный способ получения литой стали. Быстрый подъем и точ­ ное регулирование температуры, высокий нагрев и возможность создания окислительной и восстановительной атмосферы в пла­ вильном пространстве — все это позволяет выплавлять сталь точ­ ного химического состава, с особыми физическими и химическими свойствами.

Возможность получения высоких температур допускает при­ менение сильно известковых шлаков, которые способствуют почти полному удалению из металла серы и фосфора. В атмосфере элек­ тропечи мало кислорода, что позволяет легко вести восстановитель­ ный процесс раскисления и получать сталь, свободную от вредной закиси-железа. ЭлектроплаЕка дает возможность получения высо­ кокачественных сталей, содержащих такие тугоплавкие элементы, как вольфрам, ванадий, молибден, расплавление которых в других печах затруднительно.

В настоящее время большинство сортов специальных сталей выплавляется в электропечах. В текущей пятилетке будет продол­ жаться повышение удельного веса производства электростали.

Работа электропечей. Электропечи могут работать как на жид­ кой, так и па твердой шихте. Работа на твердой шихте (лом, струж­

тропечи аналогичен мартеновскому процессу. По мере расплавле­ ния металла происходит окисление железа и содержащихся в нем примесей. В качестве окислителей добавляют железную руду и окалину. После окисления примесей образуются разные химиче­ ские соединения, которые переходят в шлак. В качестве щлакооб-

58

разующих материалов в печь вводят известь или известняк и пла­ виковый шпат — флюорит CaF2 {Тпл= 1378°).

Современные электрические печи для выплавки стали можно разделить на две группы — дуговые и индукционные.

имеют меньшее электросопротивление, чем угольные, и поэтому их применение в печах более целесообразно. Емкость электропечей колеблется от 250 кг до 200 т.

Индукционные печи позволяют получать более чистый металл, чем при плавке в дуговых печах. Принцип их работы основан на выделении тепла при прохождении тока через проводник. Таким проводником является сама металлическая шихта. Преимуществен­ ное распространение получили бессердечпиковые печи, часто называемые высокочастотными

(рис. 29).

Через индуктор 1, представ­ ляющий собой обмотку из медной трубки, охлаждаемой внутри во­ дой, пропускается ток, возбужда­ ющий в окружающем простран­ стве. переменное магнитное поле. Это магнитное поле возбуждает индукционные токи в металле 3, заключенном в ванну 2. Под влия­ нием наведенных токов металл прогревается. Емкость высокочас­ тотной печи от 50 кг до 60 т. Печи

59