Материаловедение и технология конструкционных материалов

Рис. 11.3. Реакции доменного процесса:

а — реакции процессов, протекающих в доменной печи; б — схема распре­ деления температур по высоте печи

хода. В основном эти меры предполагают использование более дешевого топлива (газа, мазута), повышение температуры вду­ ваемого воздуха и обогащение его кислородом. Следует отметить, что выплавка высококремнистых и высокомарганцовистых чугунов и ферросплавов требует интенсивного ведения доменного процесса, что, в свою очередь, приводит к повышенному расхо­ ду кокса.

Продуктами доменного производства являются:

□ передельные чугуны, содержащие 3,6...4,5 % углерода и 0,5...1,3 % кремния;

□литейные чугуны, отличающиеся более высоким содержа­ нием кремния (0,8...3,6 %);

□ферромарганец (75...85 % марганца);

□ферросилиций (19...92 % кремния).

Кроме того, ценными побочными продуктами являются до­ менные шлаки и газ.

Одним из главных показателей работы доменных печей при­ нято считать коэффициент использования полезного объема. Он получается делением полезного объема доменной печи (м3) на суточный выпуск чугуна (т) и для передовых предприятий со­ ставляет 0,5...0,6.

11.1.3. Внедоменное получение железа

Широкое распространение доменного способа производства чугуна связано с его высокой производительностью, сравни­ тельной простотой и доступностью. Тем не менее он обладает су­ щественными недостатками, главными из которых являются большой расход дорогого кокса и высокое содержание в чугуне вредных примесей (серы и фосфора), которые затрудняют про­ изводство высококачественных сталей из доменного передель­ ного чугуна. Наличие этих недостатков породило множество проектов по прямому восстановлению железа из руд. Напри­ мер, способ Хеганеса предусматривает нагрев до 1220 °С обога­ щенной руды с карбюризатором и известняком в специальных керамических тиглях й выдержку в течение 20 ч. Способ Охилата и Ламина предполагает выдержку руды в ретортах при 1100 °С в течение 20 ч в газовой восстановительной атмосфере, получаемой конверсией природного газа. В соответствии с Н-про- цессом восстановление железа водородом идет в кипящем слое при температуре 500 °С. Однако все эти методы являются полу­ кустарными и скорее могут быть использованы для производства железных порошков, чем рассматриваться в качестве конку­ рентов доменному процессу.

Наиболее перспективным методом прямого восстановления железа из руд может рассматриваться процесс, схема которого приведена на рис. 11.4. По аналогии с доменным процессом,

вначале происходит измельчение руды 1, ее обогащение 2 и окускование методом окатывания 3. Сырые окатыши подаются

втрубчатую печь 4 с восстановительной атмосферой, полученной

Рис. 11.4. Схема внедоменного получения железа

конверсией природного газа. В результате восстановления и спе­ кания руды получают металлизованные окатыши, содержащие свыше 95 % железа. Они являются высококачественным сырьем для производства стали в электропечах 5, из которой на уста­ новках непрерывной разливки стали 6 получают слитки.

Рассмотренный технологический процесс по производительно­ сти может составить конкуренцию доменному, но выгодно отли­ чается от него низким содержанием в стали вредных примесей (серы и фосфора).

ЩЩЩПроизводство стали

Сталь — это сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14 %. Кроме того, в ней содержатся постоянные примеси (Mn, Si, S, Р) и в ряде случаев легирующие элементы (Ni, Cr, V, Mo, W и др.). Сырьем для производства стали являет­ ся передельный чугун, выплавляемый в доменных печах, лом

и ферросплавы (см. рис. 11.1). Если сравнить содержание основ­ ных примесей в чугуне и стали, можно сделать вывод, что сталь отличается от чугуна только их количеством: в чугуне содержа­ ние углерода, кремния, марганца, серы и фосфора выше, чем в стали. Поэтому основная задача передела чугуна в сталь со­ стоит в удалении части этих примесей с помощью окислитель­ ных процессов. Механизм этого окисления не зависит от типа сталеплавильной печи. Наиболее часто для этой цели использу­ ют мартеновский, кислородно-конвертерный и электродуговой способы.

11.2.1. Печи для плавки стали

Схемы наиболее распространенных печей, применяемых для производства стали, приведены на рис. 11.5.

Мартеновская печь (рис. 11.5, а) была изобретена в середине XIX в. и с тех пор ее конструкция не претерпела принципиаль­ ных изменений. Она отапливается газом или мазутом. Кладка 1 выполняется из динасового (кислый процесс) или магнезитового (основной процесс) кирпича, а рабочая поверхность 2 набивает­ ся из крошки соответствующего кирпичу состава. Сверху ванна закрывается сводом 3. Загрузка шихтовых материалов и мате­ риалов, добавляемых по ходу плавки, осуществляется через окна 4 с помощью мульд и загрузочной машины. Шихта выравнивается на подине; после ее расплавления образуется слой металла 5, а сверху — слой шлака 6. Мазут подается через форсунку 7 и сго­ рает в струе нагретого до 1100...1200 °С в регенераторе 8 воздуха. Температура факела достигает 1800 °С. Отходящие из печи газы используются для нагрева насадки второго регенератора из ша­ мотного кирпича. Клапан 9 позволяет периодически менять на­ правление газового потока в печи и поочередно нагревать левый и правый регенераторы. В случае, когда в качестве топлива ис­ пользуется газ, печь оборудуется двумя дополнительными реге­ нераторами для подогрева газа.

В качестве металлозавалки можно использовать лом и пере­ дельный чугун (чугунно-рудный процесс). Во всех случаях в со­ став шихты вводят руду и известняк. Руда облегчает процесс выгорания примесей, а известняк — их связывание и перевод в шлак.

за счет экзотермических реакций горения кремния, марганца и углерода и позволяет перерабатывать лом и получать легирован­ ные стали. Но оно привязано к доменному цеху, не обеспечивает стабильного состава стали от плавки к плавке и отличается от других способов выплавки стали высокими потерями метала на угар.

Электпродуговые печи (рис. 11.5, в) обеспечивают низкий угар легирующих элементов и высокий перегрев расплава, необходи­ мый для растворения ферросплавов. Поэтому они нашли широ­ кое применение для выплавки сталей специального назначения (инструментальных, нержавеющих, жаропрочных и т.д.).

Электродуговая печь состоит из подины, выложенной огне­ упорным кирпичом 17 и футерованной внутри огнеупорной мас­ сой 18. Сверху располагается свод печи 20 с отверстиями для ввода графитовых электродов 21. Это печи с так называемой за­ висимой дугой, т.е. дуга 22 горит не между электродами, а между электродами и металлом. В зоне горения дуги температура дости­ гает 7000 °С, что обеспечивает проплавление шихты под элек­ тродами в виде колодцев, в которые скатываются остатки твер­ дой шихты из удаленных от электродов зон. Шихта 24 может быть твердой или смешанной (скрап и жидкий чугун). Для за­ грузки шихты удаляют свод или выкатывают подину. Необхо­ димые по ходу плавки добавки вводят через окно 23, а готовую сталь сливают по футерованному желобу 19, для чего вся печь наклоняется в сторону металлической летки.

Емкость электродуговых печей достигает 400 т. В них полу­ чается качественный, хорошо раскисленный металл с низким содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Переход на электроплавку сдерживается лишь высокой стоимо­ стью электроэнергии и сложностью системы питания печи элек­ тричеством.

На машиностроительных заводах широкое применение для выплавки стали находят канальные и тигельные индукционные печи. Схема тигельной печи показана на рис. 11.5, г. Как правило, печь футеруют кварцевым песком с добавкой борной кислоты в качестве связующего 25. От водоохлаждаемого индуктора 28 футеровка отделена слоем асбеста 26. Разогрев и плавление ши^- ты 27 осуществляются за счет токов Фуко, возникающих в ней при подаче на индуктор тока высокой частоты от лампового или машинного генератора. Образующийся на поверхности расплав­

ленного металла шлак имеет низкую температуру и высокую вяз­ кость, что затрудняет проведение металлургических операций. Поэтому печи такого типа применяются для расплавления твер­ дой шихты, а не для переработки чугуна в сталь.

11.2.2. Физико-химические процессы передела

чугуна в сталь

Независимо от типа печи характер процессов, сопутствующих переделу чугуна в сталь, остается неизменным. В первом при­ ближении можно выделить два периода плавки. Первый период называют окислительным. Так как сталь отличается по химиче­ скому составу от чугуна только уровнем содержания примесей (С, Si, Мп), то основной задачей первого периода является воз­ можно быстрое выжигание (окисление) этих примесей. Парал­ лельно решаются и другие, второстепенные задачи, такие как снижение содержания растворенных газов, фосфора и неметал­ лических включений. На рис. 11.6 схематически показаны основ­ ные способы ведения первого периода плавки и сопутствующие ему реакции.

Как видно из схемы, окисление примесей можно вести за счет естественной диффузии кислорода через слой шлака, об­ разующегося к концу расплавления шихты, за счет добавки ру­ ды в шлак и путем вдувания кислорода непосредственно в чугун

под слой шлака. Примеси чугуна (С, Si и Мп) окисляются за счет реакции с FeO, образующимся в результате окисления шихты при плавке или вводимым в шихту в виде руды. После расплав­ ления шихты и образования шлака FeO распределяется в Н е к о ­ торой пропорции между шлаком и металлом. Находящийся

вшлаке FeO доокисляется на границе шлак — печные газы до Fe20 3, который растворяется в шлаке, и на границе шлак — ме­ талл снова восстанавливается до FeO. При этом шесть молекул FeO, вступившие в реакцию в начале цикла, дают восемь моле­ кул в его конце. В результате многократного повторения циклов шлак пересыщается FeO и происходит переход FeO из шлака

врасплав чугуна, где он взаимодействует с кремнием, углеродом и марганцем (соответствующие реакции приведены на схеме). Оксиды К р е м н и я , марганца, железа и кальция, сплавляясь вме­ сте, переходят в шлак. Оксид углерода в виде пузырьков подни­ мается на поверхность ванны, облегчая всплывание продуктов

окисления и попутно удаляя растворенные в металле газы. Окисление примесей за счет естественной диффузии кислорода

через слой шлака протекает медленно, что удлиняет процесс плавки и снижает производительность печей. Стремясь ускорить насыщение шлака FeO, в него добавляют руду, что существенно ускоряет процесс окисления примесей. В этом случае скорость окисления определяется скоростью диффузионного перехода FeO из шлака в металл. Для еще большего ускорения передела чугуна в сталь кислород вдувают непосредственно в расплав чугуна, в ре­ зультате чего FeO, необходимый для окисления примесей чугуна, образуется в самом расплаве.

Футеровка печи, в которой выплавляют сталь, может быть кис­ лой и основной. В последнем случае в шлаке содержится большоё количество СаО и FeO одновременно, что создает условия для уда­ ления фосфора (соответствующие реакции приведены на схеме).

К концу первого периода расплав по химическому составу является сталью, но содержит избыток FeO, что снижает свой­ ства стали. В связи с этим проводят второй (восстановитель­ ный) период плавки. Проводить его можно двумя способами: диффузионным и осадочным раскислением.

Возможны два способа диффузионного раскисления. По пер­ вому способу при переходе ко второму периоду удаляют образо­ вавшийся шлак и наводят новый из извести, песка и плавико­ вого шпата. По второму способу шлак не снимают, а прямо в него забрасывают раскислители: ферросилиций, ферромарганец

иэлектродный бой (кокс). В шлаке идут реакции восстановле­ ния железа из FeO, что приводит к нарушению равновесия в распределении этой примеси между шлаком и металлом и обу­ словливает ее диффузионный переход из металла в шлак. Про­ цесс диффузионного раскисления протекает медленно, но обес­ печивает высокое качество стали, так как продукты реакций раскисления, протекающих в шлаке, растворяются в нем.

Осадочное раскисление требует удаления окисленного шлака

ивведения в расплав раскислителей. Процесс раскисления про­ текает быстро, но продукты реакций раскисления (МпО и Si02) частично остаются в металле.

Если плавка ведется в печи с основной футеровкой, то во вто­ ром периоде создаются условия для снижения содержания серы. Реакция между FeS и СаО обратима, и для ее завершения необ­ ходимо удалить из расплава один из продуктов реакции (FeO),