книги из ГПНТБ / Производство стали в конвертерах учебное пособие для подготовки квалифицированных рабочих на производстве С. И. Лифшиц. 1960- 17 Мб

в 1860 г. Бессемер соорудил подвижной конвертер с подачей воз­ духа через дно, принципиально не отличающийся от современ­

ных конвертеров с донной продувкой.

Первые опыты по производству бессемеровской стали в Рос­ сии были начаты уже через год после патентной заявки Бессе­ мера— в 1857 г. на Нижне-Тагильском и Верхне-Туринском за­ водах. В 1867 г. на Воткинском заводе была получена бессеме­ ровская сталь удовлетворительного качества, из которой были прокатаны рельсы и изготовлены пробные пушки. В 1872 г. про­ мышленное производство бессемеровской стали было организо­

вано на Обуховском заводе, а вскоре и на Нижне-Салдинском.

Русские металлурги Д. К- Чернов и Е. П. Поленов разработали особый тип бессемеровского процесса, получивший название «русского бессемерования», заключающийся в продувке относи­ тельно малокремнистых физически горячих чугунов. На юге России бессемеровское производство стали получило развитие на трех крупных металлургических заводах.

Невозможность переработки в кислых бессемеровских кон­ вертерах чугунов с высоким содержанием фосфора стимулирова­ ла поиски новых процессов, поскольку в Европе имеются боль­ шие залежи железных фосфористых руд, из которых выплавля­ ется чугун с содержанием фосфора 1,5—2,5%. В 1878 г. пробле­ ма продувки фосфористых чугунов была успешно разрешена Томасом, применившим для футеровки конвертера основные ог­ неупоры— молотый обожженный доломит в смеси с 9—12% обезвоженной каменноугольной смолы. Опыты показали, что в таком конвертере с добавкой извести успешно удаляется фосфор и сохраняется футеровка. Томасовский процесс получил быстрое

распространение в Европе, особенно во Франции, Люксембурге, Германии и Бельгии. В России был всего один томасовский цех.

Применение кислорода в конвертерном производстве стали позволяет получать металл, не уступающий по своему качеству мартеновскому.

3. Преимущества конвертерных способов производства стали

Основным преимуществом производства стали в конверте­ рах является высокая производительность этих агрегатов, зна­ чительно превышающая производительность мартеновских печей.

Капитальные затраты на сооружение конвертерных цехов при­ мерно в два раза меньше, чем на строительство мартеновских цехов одинаковой производственной мощности. Расходы на пе­ редел чугуна в сталь в конвертерах ниже расходов на передел мартеновской стали, так как конвертерные способы производства стали не требуют технологического топлива; простота оборудо­

вания конвертерных цехов снижает расходы по его ремонту. Вы­ работка стали на одного рабочего в конвертерных цехах значи­ тельно выше (примерно в 1,5 раза), чем в мартеновских, следо­

вательно, и затраты на рабочую силу для производства 1 т ста­ ли меньше.

Развитие бессемеровского и томасовского производства на воздушном дутье тормозилось из-за пониженного качества ста­ ли по сравнению с мартеновской, что обусловливалось повышен­ ным содержанием в ней азота, кислорода и фосфора.

Широкое применение кислорода в конвертерном производст­ ве и остановка продувки плавок на заданном содержании угле­ рода без последующего науглероживания позволяют получить конвертерную сталь, не уступающую по качеству мартеновской,

и увеличить производительность конвертеров. Поскольку при за­ мене части или всего воздуха в дутье кислородом уменьшаются

потери тепла с отходящими газами за счет уменьшения содер­ жания в них азота, появилась возможность увеличить присадку скрапа и перерабатывать относительно малофосфористые чугу­ ны, непригодные для обычного томасирования. Практически при­

менение кислорода позволяет перерабатывать в конвертерах чу­

гуны любого состава, что значительно расширяет сырьевую ба­

зу металлургии.

I.ОСНОВНЫЕ понятия из ФИЗИЧЕСКОЙ химии

ИИХ ПРИЛОЖЕНИЕ К ПРОЦЕССАМ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ

При продувке чугуна в конвертерах происходят сложные физические процессы и химические реакции. Кислородом дутья и железной руды окисляются примеси чугуна (углерод, марга­ нец, кремний, фосфор) и в основных конвертерах удаляется се­ ра. Окислы примесей вступают во взаимодействие с футеровкой конвертеров и флюсами и образуют шлак. Некоторые окислы частично растворяются в металле. Продукт окисления углерода удаляется из системы в виде окиси углерода СО. Часть окислов шлака может в конце процесса восстанавливаться, и примеси вновь переходят в металл. Например, при кислом бессемеровском процессе может восстанавливаться кремний, а при основном про­

цессе — марганец и фосфор.

Для управления процессом производства стали и протекаю­ щими в конвертере реакциями необходимо изучение условий оки­ сления и восстановления примесей и шлакообразования.

1. Система. Фаза. Раствор и его концентрация

Группа взаимодействующих друг с другом веществ называ­ ется системой. Металл, шлак, футеровка конвертера и дутье, взаимодействующие друг с другом в процессе плавки, представ­ ляют собой систему.

Система называется однородной — гомогенной, если все вхо­ дящие в нее вещества физически одинаковы и неразличимы! в

ней. Если же отдельные части системы отличаются друг от дру­ га и обладают разными физическими свойствами, то система не­ однородна и называется гетерогенной.

Часть неоднородной системы,, отделяющаяся от других час­ тей и отличающаяся от них физическими свойствами, называет­ ся фазой. Система взаимодействующих веществ в конвертере имеет по крайней мере четыре фазы: жидкий металл, шлак, фу­ теровку и газовую фазу. Каждая фаза в отдельности однород­ на. Металлическая, шлаковая и газовая фазы находятся друг с другом в контакте и взаимодействии и в целом представляют собой гетерогенную систему.

При продувке металла в конвертере реакции протекают как в каждой отдельной фазе, так и между фазами.

Однородная фаза, состоящая из тесно смешанных между со­

бой веществ, называется раствором. Жидкая сталь является сло­ жным раствором, в котором растворены примеси (углерод, мар­ ганец, сера, фосфор, кремний и др.), некоторые окислы и газы ('кислород, водород, азот). Шлак также представляет собой рас­ твор различных окислов и их соединений. Простейшим видом ра­ створа является смесь газов.

Общее давление смеси газов равно сумме парциальных дав­ лений всех входящих в нее газов. Парциальным называется та­ кое давление газа в смеси, которое данный газ имел бы, если бы один занимал весь объем смеси при той же температуре. Кон­ центрация отдельных газов в смеси пропорциональна их парци­

альному давлению.

Количество одного какого-либо вещества в растворе называ­

ется его концентрацией (содержанием). Если, например, в ста­

ли растворено 0,5% Мп, то говорят, что концентрация марганца в стали 0,5%. Состав газовых растворов обычно выражают в объемных процентах, а жидких растворов — в весовых процентах.

2. Закон действующих масс. Скорость химических реакций.

Тепловой эффект

Вещества, вступающие друг с другом в реакцию, называются реагирующими веществами или реагирующими компонентами. Они обычно пишутся в левой части формулы, выражающей хи­ мическую реакцию. Вещества, получающиеся в результате взаи­ модействия реагирующих компонентов, называются продуктами реакции и пишутся в правой части формулы.

Согласно закону действующих масс скорость реакции, изме­ ряемая количеством веществ, прореагировавших в единицу вре­ мени, пропорциональна концентрации реагирующих компонентов и равна их произведению, взятому в степенях, соответствующих стехиометрическим коэффициентам химических реакций. Стехио­ метрический коэффициент — это цифра, стоящая перед химиче­

2, стоящая перед Р, и 5, стоящая перед FeO и перед Fe, — явля­ ются стехиометрическими коэффициентами. Если перед химиче­ ским обозначением веществ не стоят цифры, например в реак­ ции С + FeO = СО + Fe, то стехиометрические коэффициенты равны 1.

Скорость реакции

2Р + 5FeO = PSO6 + 5Fe,

согласно закону действующих масс будет v = К • %Р2 • % (FeO)6,

где К — коэффициент, называемый константой скорости.

Этот коэффициент зависит от температуры и природы реаги­ рующих веществ и не зависит от их концентрации.

Реакции, протекающие в одной фазе, например в жидком ме­ талле или шлаке, в однородной среде (гомогенные), идут с большей скоростью, чем гетерогенные реакции, протекающие между фазами, например, между жидким металлом и шлаком.

Для большинства реакций процесса сталеварения константы скоростей имеют высокие значения, т. е. реакции могут проте­ кать очень быстро. Чтобы поддерживать ход реакции, нужно не­ прерывно подавать в ее зону реагирующие компоненты и отво­ дить продукты реакции. Тогда реакция будет идти непрерывно,

но ее скорость будет определяться уже не скоростью самого хи­

мического процесса, а скоростью доставки реагирующих компо­ нентов к месту реакции и скоростью отвода продуктов реакции. Оба эти процесса диффузионные, они протекают медленнее хи­ мических реакций. Таким образом, сталеплавильные процессы

регулируются не скоростью химических реакций, а скоростью диффузии реагирующих веществ и продуктов реакции. Переме­ шивание жидкой ванны, имеющее место при конвертерных про­ цессах производства стали, значительно ускоряет диффузию. Поэтому окисление примесей при продувке чугуна идет значи­ тельно быстрее, чем при других способах производства стали.

Каждое вещество обладает некоторым запасом внутренней энергии, которая измеряется в калориях. При химических реак­ циях веществ друг с другом внутренняя энергия либо уменьша­ ется из-за того, что часть энергии переходит в окружающую сре­ ду, либо увеличивается за счет притока энергии извне. Если реа­

гирующие компоненты содержат больше энергии, чем продукты реакции, то в результате такой реакции будет выделяеться энер­ гия, измеряемая калориями. Если, наоборот, в продуктах реак­ ции больше энергии, чем в исходных веществах, то энергия будет поглощаться, и реакция будет идти с поглощением тепла. Напри­

мер, при реакции окисления кремния

2FeO + Si = SiO2 + Fe

сумма энергий двух молекул FeO и одного атома кремния боль­ ше суммы энергии SiO2 и железа на 78 990 кал. Это количество энергии и выделится в результате взаимодействия двух молекул FeO с кремнием. Такие реакции, которые идут с выделением теп­ ла, называются экзотермическими и успешно развиваются при относительно невысоких температурах начальных стадий ста­ леплавильных процессов и в остывающей ванне, например, в ковше после слива в него стали.

Примером реакции, идущей с поглощением тепла, может слу­ жить реакция восстановления марганца углеродом:

МпО + С = Мп + СО.

Сумма энергий марганца и СО выше суммы энергий МпО и углерода на 66 750 кал. Это количество тепла и поглощается при реакции. Реакции, идущие с поглощением тепла, называются эн­ дотермическими и успешно развиваются при высоких температу­ рах конца сталеплавильных процессов.

3. Равновесие. Константа равновесия

Предположим, что реагируют друг с другом два вещества А

и Б; в результате их взаимодействия образуются продукты реак­ ции В и Г.

А + Б#В + Г.

По мере развития реакции концентрация реагирующих ком­ понентов А и Б будет уменьшаться, а концентрация продуктов реакции В и Г—увеличиваться (при условии, что в систему, в ко­

торой протекает реакция, не будут добавляться вещества А и Б и продукты В и Г не будут удаляться из системы). По мере уменьшения концентрации реагирующих компонентов скорость реакции вправо будет понижаться. При увеличении концентра­ ции веществ В и Г они начнут реагировать друг с другом и обра­ зовывать исходные вещества А и Б, т. е. реакция пойдет влево, что и обозначено стрелками, направленными вправо и влево. Такие реакции называются обратимыми.

Наступит такой момент, когда скорости реакции в обоих на­ правлениях уравняются и наступит состояние равновесия, т. е. видимого прекращения реакции.

Скорость реакции вправо в соответствии с законом действу­ ющих масс определяется выражением:

V1 = Aj • А • Б,

скорость реакции влево

г2 = А2 • В • Г.

шением произведения концентраций продуктов реакции к произ­

ведению концентраций реагирующих компонентов в состоянии равновесия.

Значение константы равновесия при данной температуре — величина постоянная. Следовательно, если в равновесной систе­ ме увеличить или уменьшить концентрацию веществ, стоящих в числителе константы, и тем самым искусственно нарушить рав­ новесие, то система будет стремиться вернуться к состоянию рав­

новесия путем увеличения концентрации веществ, стоящих в зна­ менателе константы.

В сталеплавильных процессах, в том числе и конвертерных,

часто реакции протекают между фазами, т. е. вещества, раство­

ренные в шлаке, реагируют с компонентами, растворенными в

металле. Принято обозначать вещества, находящиеся в металле,,

квадратными скобками [], а в шлаке — круглыми().

При помощи констант равновесия можно определить, в ка­ ком направлении идет тот или иной процесс сталеварения и что

следует сделать, чтобы направить его в нужное направление.

Если реагирующие компоненты и продукты реакции находя­

тся в газообразном состоянии, то концентрации их в выражении константы равновесия заменяются пропорциональными им пар­ циальными давлениями. Например, константа равновесия реак­ ции

2СО + О2^2СО2

выразится так:

(например в жидком металле и шлаке), то оно распределяется, между ними в определенном соотношении. Согласно закону рас­ пределения в состоянии равновесия отношение концентрации та­

кого вещества в одной жидкости (например, в металле) к кон­

центрации его в другой жидкости (например, в шлаке) при дан­ ной температуре является постоянной величиной.

Например, закись железа FeO растворяется в жидком метал­ ле и шлаке (в двух несмешивающихся между собой и находя­ щихся в контакте жидкостях); она распределяется между ними

таким образом, что отношение равновесных концентраций FeO в шлаке и металле при данной температуре есть величина по­ стоянная и называется константой распределения.

LFeO = o' = const (постоянная).

16 Основные понятия из физической химии

Следовательно, при уменьшении или увеличении содержания FeO в шлаке соответственно уменьшится или увеличится ее со­

держание в металле.

Закон распределения имеет большое практическое значение

для процессов производства стали.

5. Упругость диссоциации окислов

Все жидкие и твердые вещества, образуют пары, которые

обладают определенной упругостью (давлением) при постоянной' температуре. Эти пары, находясь в равновесии с твердым или

жидким телом, сохраняют постоянную величину упругости, по­ ка в системе имеется выделяющее их твердое или жидкое тело.

На этом основании все реакции между веществами можно пред­ ставить как протекающие исключительно в газовом состоянии.

При высоких температурах большинство встречающихся в при­ роде соединений распадается на элементы или менее сложные

соединения. Это разложение называется диссоциацией. Диссо­ циируют при нагревании и окислы. Реакцию диссоциации окисла в общем виде можно записать так:

2/ИеО 2Ме + О2.

Константа равновесия этой реакции в случае протекания ее в газовом состоянии может быть выражена через парциальные давления веществ

альным давлением кислорода. Это равновесное парциальное дав­ ление кислорода называется упругостью диссоциации окисла.

Все реакции диссоциации окислов идут с поглощением тепла.

Поэтому повышение температуры способствует разложению оки­ слов. Упругость их диссоциации с повышением температуры уве­

личивается.

Чем устойчивее окисел, тем ниже упругость его диссоциации,

и тем больше тепла нужно для его разложения. Например, за­

кись железа FeO имеет очень малую упругость диссоциации и добиться ее разложения очень трудно.

цесс. Основные шлаки в сочетании с футеровкой из смолодоло­ митовых блоков, магнезитового или магнезитохромитового кир­

пича характеризуют основной томасовский и конвертерный про­ цесс с продувкой кислородом сверху.

Основное влияние на свойства шлака оказывают содержа­ щиеся в нем СаО и SiO2. Большое значение имеет также содер­

жание FeO в шлаке в свободном, химически не связанном со­ стоянии. Высокое содержание FeO придает шлаку окислитель­ ные свойства, ускоряет переход в раствор извести, что способст­ вует быстрому формированию известково-железистых шлаков,

небходимых для дефосфорации. При низком содержании FeO шлак обладает раскислительными свойствами (способностью по­ глощать FeO из металла).

Состав шлака по ходу продувки изменяется. Эти изменения будут рассмотрены при рассмотрении отдельных конвертерных процессов.

Одной из самых важных характеристик шлака является его основность. Обычно она выражается отношением весовых про­

центов СаО и SiO2: • Этим выражением основности шла­

ка очень удобно пользоваться в производственных условиях. Од­ нако при переделе фосфористых томасовских чугунов, когда в шлаке имеется значительное содержание кислотного окисла Р2О5, указанный метод определения основности шлака неприме­

ним. В этом случае удобнее пользоваться выражениями, учиты­ вающими содержание и Р2О5 в шлаке:

частиц СаО— 168 к молекулярному весу Р2О5 — 142].

В основных конвертерных процессах от основности шлака за­ висят степень десульфурации и дефосфорации и срок службы основной футеровки конвертера. Основность шлака по ходу про­

дувки изменяется.

2.Химические соединения в шлаках

Впроцессе шлакообразования кислотные окислы нейтрали­ зуются основными. Новейшие способы изучения шлаковых си­ стем позволяют определить наличие в них многочисленных хи­ мических соединений — двойных, тройных и более сложных.