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

1000° и чугуна 1270—1290° (по оптическому пирометру без по­ правки) следующий, %:

Продувка высококремнистых чугунов приводит к увеличению угара, снижению стойкости фурм и уменьшению объема конвер­ тера вследствие образования настылей на футеровке из-за чрез-’ мерно густых кремнеземистых шлаков. Увеличивается длитель­ ность продувки. Повышенное содержание марганца в чугуне' (0,9% и выше) понижает стойкость фурм, днищ и футеровки конвертера. Шлаки получаются жидкими из-за увеличения со­ держания в них МпО. Увеличивается количество выбросов. Ка­ чество стали ухудшается вследствие загрязнения ее неметалли­

ческими включениями от повышенного износа днища, фурм и футеровки конвертера.

Для бессемеровского процесса имеет значение не только аб­

солютное содержание кремния и марганца в чугуне, но также их

соотношение. Опытом установлено, что хорошие результаты по­ лучаются при отношении Si:Мп в пределах 1,8—2,0. При низких значениях получаются жидкие марганцовистые шлаки, разъе­ даются огнеупоры и ухудшается качество стали; при более вы­ соких значениях конвертер зарастает из-за образования чрезмер­ но кремнеземистых шлаков.

Для уменьшения содержания серы в чугуне его иногда обессеривают содой в ковшах. Сода Na2CO3 разлагается с обра­ зованием Na2O и СО2; Na2O взаимодействует с FeS и MnS:

Na2O + FeS (MnS) - Na2S + FeO (MnO).

Na2S в металле не растворяется. На поверхности чугуна ib ковше образуется жидкий сернистый шлак. Нужно избегать попадания в миксер и конвертер этого щелочного шлака, который сильно разъедает их футеровку. Продувка чугуна даже с незначитель­ ным количеством содового шлака сопровождается большими вы­ бросами. Шлак с обессеренного чугуна должен быть тщательно снят. Нужно учитывать понижение температуры чугуна при де­ сульфурации содой.

При продувке чугуна с низкой температурой увеличиваются длительность операции и выбросы в связи с увеличением содер­ жания окислов железа в шлаке. Поэтому необходимо принимать

меры к сохранению температуры жидкого чугуна при транспор­ тировании и в миксере.

Полезными мероприятиями являются засыпка чугуна в ков­

шах коксовой мелочью накрывание их крышками, ускорение пе­ ревозки и нагрев футеровки миксера до 1300—1350°.

Содержание серы и фосфора в скрапе не должно превышать со­ держания их в стали выплавляемой марки. Скрап может приса­ живаться в конвертер как до начала продувки, так и по ее ходу.

Руда и окалина. Руда и ее заменитель — прокатная окали­ на— присаживаются ,в конвертер для охлаждения процесса и для увеличения выхода жидкой стали за счет восстановления железа. Руда должна быть чистой по сере и фосфору и богатой по содержанию железа. Примерный состав криворожской бессе­ меровской руды, %:

Прокатная окалина содержит меньше кремнезема (2—3%) и

больше железа (~70%) по сравнению с рудой.

Раскислители и легирующие добавки. Кипящая бессемеров­

ская сталь раскисляется ферромарганцем, спокойная, кроме то­ го,, ферросилицием и алюминием. В особых случаях применяется силикомарганец и другие сплавы. Низкоуглеродистые стали рас­

леплавильных или специальных газовых подовых печах.

Зеркальный чугун. Применяется для раскисления бессемеровской углеродистой стали только в расплавленном ви­ де. В зависимости от марки содержание марганца в нем колеб­ лется в пределах от 10 до 25%, углерода от 4 до 5%, кремния не более 2%, фосфора не более 0,18—0,22% и серы не более 0,03%.

Ферромарганец применяется для раскисления бессеме­ ровской стали как в твердом, так и в расплавленном виде. Обыч­ но используется доменный ферромарганец с содержанием угле­ рода 6—7%, марганца — 70—80%, кремния — около 2%, фосфо­ ра— не более 0,3—0,4% (для разных марок) и серы — не более

0,03%. В отдельных случаях при выпавке малоуглеродистых сталей с повышением содержания марганца применяется мало- и

среднеуглеродистый ферромарганец, выплавляемый в электро­ печах. В этих сталях не менее 80% Мп; 0,5—1,5% С и 2—2,5% Si.

Ферросилицием раскисляют спокойную сталь. В зави­ симости от содержания кремния ферросилиций бывает трех ма­ рок: с содержанием кремния 87—95%, 72—78% и 43—50%. Чаще всего применяется ферросилиций последней марки.

При раскислении углеродистых сталей жидкими раскислите­ лями иногда применяют в шихту вагранок или плавильных печей доменный ферросилиций с содержанием 9—13% и более крем­

ния.

Силикомарганец применяется для раскисления-спокой­ ной качественной бессемеровской стали. Выплавляемый в элек­

тропечах силикомарганец в зависимости от марки содержит от

14 до 20% Si и больше, не менее 60—65% Мп, не выше 1,0—

2,5% С и не более 0,1—0,2% Р.

Вторичный алюминий применяется для раскисления спокойной стали в чушках с содержанием алюминия в пределах 87—96%. Остальное до 100% составляют примеси (кремний, медь, цинк и др.).

Сил икокал ьций применяется для раскисления бессеме­ ровской стали очень редко. Содержание кальция в силикокаль-

ции разных марок не ниже 23—31 % при сумме Са + Si не ниже

85—90%. В качестве примеси присутствует 1,5—3,0% А1. Ферротитан является очень хорошим раскислителем и

иногда вводится в сталь для улучшения ее механических свойств. В ферротитане в зависимости от марки более 23—25% Ti. Основ­ ные примеси: не более 5—8% А1, не более 3—4% Си и кремния в таком количестве, чтобы отношение Si: Ti было в пределах

0,18—0,28.

Феррохром. Легирование бессемеровской стали приме­ няется редко. Выплавляется кипящая сталь с содержанием хро­ ма до 0,25% для тонких листов и низколегированная с содержа­ нием хрома 0,6—0,8%. ГОСТ предусматривает 10 марок ферро­ хрома в зависимости от количества в нем углерода, содержание которого колеблется в пределах от ниже 0,06 до 8,0 %. Содер­ жание хрома должно быть не ниже 60—65%. Содержание крем­ ния в феррохроме разных марок не должно превышать 1,5— 3,5%.

3. Периоды плавки и реакции бессемерования

Первый период. За счет кислорода дутья, поступающего в конвертер через сопла фурм, в первую очередь окисляется желе­ зо с образованием FeO:

Fe + г/2О2 = FeO + 64 430 кал.

В начале процесса закись железа интенсивно окисляет крем­ ний и несколько менее интенсивно марганец. Образуются SiO2 и МпО по реакциям (1) и (4). Некоторое незначительное количе­ ство кремния и марганца окисляется непосредственно кислоро­

дом дутья по реакциям:

Si + О2 = SiO2 + 207 850 кал-,

Мп + V2O2 = МпО -ф 96 720 кал.

Углерод в этот период выгорает очень медленно, вследствие чего образуется мало окиси углерода СО, которая частично дого­ рает в полости конвертера. В газах этого периода (при продувке воздухом) содержится 85—90% N. Количество СО незначитель­

но. Поэтому пламя над горловиной короткое и слабосветящееся. Кремнезем образует с FeO и МпО силикаты.

FeO + SiO2 = FeSiO3; МпО + SiO2 = MnSiO3.

В этих реакциях принимает участие SiO2, образовавшийся от окисления кремния чугуна, и SiO2 футеровки конвертера. В шла­ ках этого периода около 50% SiO2 и 15—-20% FeO. Шлакообра­

зование является первым периодом бессемеровского процесса.

Продолжительность первого периода в значительной степени зависит от температуры залитого в конвертер чугуна. Чем она выше, тем короче первый период. При сильно перегретых чугу­ нах первый период выражен не ясно.

Второй период. По мере окисления кремния и марганца тем­ пература металла увеличивается и начинается интенсивное окис­ ление углерода. Окисление углерода в бессемеровском конверте­ ре протекает в основном по реакции (5), идущей с поглощением тепла. Незначительное развитие получают реакции прямого окисления:

С4- i/2O2 = СО + 26 366 кал-,

С+ О2 — СО2 4- 94 030 кал.

Сувеличением скорости окисления углерода повышается до

.30% содержание в конвертерных газах окиси углерода, которая

сгорает за счет кислорода атмосферного воздуха, образуя длин­ ное (5—6 м) яркое пламя. Период интенсивного окисления угле­ рода является вторым периодом процесса. В этот период умень­ шается содержание в шлаке закиси железа, расходуемой на окис­ ление углерода. Содержание SiO2 в шлаке увеличивается за счет растворения футеровки; чем выше температура, тем больше

SiO2 в шлаке.

Характерный состав шлака второго периода, %:

Во втором периоде продолжает окисляться марганец и крем­ ний, но значительно медленнее, чем в первом.

Третий период. Последний третий период бессемеровского процесса протекает при низком содержании углерода. Скорость

окисления углерода при этом сильно уменьшается и снижается

содержание СО в газах. Пламя укорачивается и появляются бу­ рые пары, свидетельствующие о сильном окислении железа. Третий период очень короткий и длится несколько секунд.

При выплавке среднеуглеродистых сталей процесс можно остановить на заданном содержании углерода, т. е. во втором

периоде. Тогда, естественно, третий период отсутствует.

4. Изменение состава металла и шлака по ходу процесса

На рис. 18 представлено изменение состава металла и шлака по ходу продувки обычной бессемеровской плавки. Продувалось 19,5 т чугуна следующего состава: 4,1 % С; 0,82% Мп; 1,58% Si; 0,036% S; 0,060% Р. Температура чугуна составляла 1250°. Дав­ ление воздуха—1,8—2,0 ат. Интенсивное окисление кремния длилось около 2 мин.; далее оно замедлилось и через 7,5 мин.

содержание кремния опустилось до следов. Резкое падение со­ держания марганца с 0,82 ДО’ 0,37% произошло за 1 мин. 45 сек.

Вдальнейшем марганец медленно окисляется в течение всего процесса и к концу продувки его содержание составило 0,09%.

Впервый период интенсивного окисления кремния углерод окис­

лялся очень медленно. За 5 мин. 15 сек. продувки окислилось всего 0,43% С. Дальше, во втором периоде, происходит резкое увеличение скорости окисления углерода до 0,43% С в минуту с последующим снижением в конце процесса, когда содержание углерода в металле понижается.

Содержание серы в металле на протяжении всего процесса почти не изменяется. Содержание фосфора немного увеличивает­ ся ©следствие уменьшения количества металла в связи с угаром

примесей и железа.

Подъем температуры металла в процессе продувки составил 360°. Обычно он колеблется в пределах от 350 до 500° в зависи­ мости от состава чугуна, количества охлаждающих добавок,

дутьевого режима и конструкции днища. При прочих равных условиях малое количество фурм с большим диаметром сопел

(наборные днища) показывает более высокий температурный режим, чем при большом количестве фурм в набивных днищах.

Замедление роста температуры металла во втором периоде объ­ ясняется развитием эндотермической реакции окисления углеро­

да закисью железа.

Показателем температуры процесса может служить содержа­ ние остаточного кремния в металле после продувки. При горячем ходе процесса содержание остаточного кремния может дости­ гать 0,15%. При нормальном температурном режиме оно обычно составляет 0,03—0,05%.

На рис. 19 представлен брак по рванинам на заготовке из кипящей бессемеровской стали в зависимости от температуры

76 Бессемеровский процесс

шения парциального давления азота) и за счет увеличения ско­ ростей окисления углерода.

По мере окисления углерода закономерно возрастает содер­ жание в металле кислорода. Окисленность металла при прочих равных условиях в основном определяется содержанием углеро­

да. Технологические факторы оказывают меньшее влияние. Угар железа и окисленность стали повышаются при увеличении диаметра сопел фурм и их живого сечения, приходящегося на 1 т садки.

Содержание кислорода в бессемеровском металле при содер­ жании углерода около 0,05% колеблется в пределах от 0,047 до

0,101% и составляет в среднем 0,067%. При содержании углеро­

да 0,10—0,13% содержание кислорода составляет 0,035—0,082%,

в среднем — 0,049%. В рельсовой стали при содержании углеро­

да 0,50—0,65% содержание кислорода равно 0,009—0,021%, в

среднем — 0,016% (при остановке процесса на высоком содер­ жании углерода).

С содержанием кислорода в стали связаны количество и ха­ рактер неметаллических включений. В бессемеровской кипящей стали содержится оксидных включений 0,0166—0,0416% от веса металла. В мартеновской, менее окисленной стали, содержание таких включений составляет 0,0100—0,0252%.

Изменение основных составляющих шлака по ходу продувки приведено на рис. 18. Кроме того, в шлаках присутствуют: 1,3— 1,82% А12О3; 1,26—2,92% СаО; 0,3—1,05% MgO.

5. Ведение процесса при недостатке тепла.

Охлаждение плавки при излишке тепла

Опытом устанавливается для конкретных условий производ­ ства такой состав чугуна, при котором процесс идет с определен­ ным количеством добавок, давая к концу продувки такую темпе­ ратуру металла, при которой получаются слитки наилучшего ка­ чества. При резких отклонениях от установленного состава чугу­ на в сторону уменьшения содержания кремния и марганца или понижения температуры чугуна и футеровки конвертера возмо­ жен недостаток тепла и получение металла с низкой температу­

рой. Для компенсации недостатка тепла и подогрева металла в

конвертер во второй период процесса добавляется кремний в ви­

де 45%-ного ферросилиция.

За счет окисления дополнительного количества кремния выде­ ляется тепло, подогревающее металл. Если холодный ход про­ цесса вызывается низкой температурой чугуна с достаточным

содержанием кремния или относительно холодной футеровкой,,

подогреть плавку можно продувкой при наклонном конвертере

в течение 2—3 мин. При таком положении конвертера, когда

только часть фурм закрыта металлом, замедляется окисление кремния чугуна и увеличивается угар железа, за счет которого повышается температура. Через 2—3 мин. конвертер приводится

в вертикальное положение; окисление кремния создает нормаль­ ный рост температур.

Избыток тепла получается при продувке перегретого чугуна

с повышенным содержанием кремния. Иногда процесс предна­ меренно ведут горячо — с избытком тепла, чтобы иметь возмож­ ность перерабатывать в конвертере достаточное количество скрапа. Такой метод работы применяется на заводах, не имею­ щих мартеновских печей для переплавки скрапа.

Перегрев металла понижает его качество: увеличивается со­ держание остаточного кремния в стали и повышается ее окисленность и газонасыщенность (с ростом температуры и содержания кремния увеличивается растворимость газов в жидкой стали).

При разливке перегретой кипящей стали слитки получаются рослыми с близким к поверхности расположением сотовых пузы­ рей. Опытом установлено, что при содержании остаточного крем­ ния выше 0,09—0,1% в продутой рельсовой стали (при останов­ ке процесса на заданном содержании углерода) понижается выход рельсов первого сорта за счет увеличения брака по макропорокам, волосовинам и копровой хрупкости (рис. 20).

Для снятия избытка тепла в конвертер присаживается скрап

как до начала продувки, так и по ее ходу при вертикальном положении конвертера без остановки дутья. Количество скрапа регулируется в зависимости от хода процесса. По опытным дан­

ным добавка 10% обрезков проката понижает температуру на

100—120°.

Регулирование температуры процесса может быть осуще­

ствлено присадками железной руды или окалины. 1 кг руды по

своему охлаждающему воздействию заменяет 4—4,5 кг скрапа. Руду следует присаживать в конвертер до заливки чугуна с тем, чтобы основная часть железа восстанавливалась в первый пе­ риод кремнием и марганцем, а не углеродом. При присадках руды по ходу второго периода железо восстанавливается угле­ родом с образованием СО, которая вызывает выбросы. Кроме

того, часть руды при этом выносится из конвертера. Добавки руды и окалины ускоряют процесс плавки благодаря добавоч­

ному кислороду и более энергичному ходу реакций. Восстановленное железо увеличивает выход жидкой стали. Охлаждение процесса добавкой к дутью водяного пара про­

исходит за счет затраты тепла на его разложение. Это очень эф­ фективный метод снятия избытка тепла, но не рациональный, так как тепло тратится бесполезно, в то время как его можно использовать на восстановление железа руды или расплавление скрапа. Кроме того, водород, получившийся от разложения пара,

В рельсовом металле водород может вызвать очень опасный по­ рок — флокены.

Рис. 20. Зависимость качества бессемеровских рельсов от содержания остаточного кремния в стали:

1 — первый сорт; 2 — волосовина; 3 — плена; 4 — песочина; 5 — пороки макроструктуры; 6 — хрупкость; 7 — трещина Цифры у точек — число просмотренных рельсов

6. Современные способы бессемерования

Улучшение качества бессемеровского металла идет по пути снижения содержания азота и фосфора в стали. Для уменьшения

содержания азота при выплавке среднеуглеродистых сталей про­ цесс останавливают на заданном содержании углерода, при­ меняют боковую продувку, уменьшают парциальное давление

азота в дутье путем обогащения воздуха кислородом.

Остановка продувки на заданном содержании углерода.

Выплавка углеродистых сталей в бессемеровских конвертерах

может производиться путем продувки до полного падения пла­ мени (~ 0,05% С) с последующим науглероживанием, либо с остановкой процесса на заданном содержании углерода. В по­ следнем случае сталь получается значительно менее окисленной