Технология конструкционных материалов

Рис. 10.2. Конструкция доменной печи: а —доменная печь; б — воздухонагреватель

Физико-химические процессы, протекающие в доменной печи, отличаются сложностью. В ней одновременно происходит горение топлива, разложение карбонатов, удаление влаги, восстановление ок­ сидов, образование шлака, науглероживание железа и т. д.

Общее представление о распределении температуры по высоте печи и химических процессах, протекающих на различных уровнях,

Вверхней части шахты происходит разложение карбонатов (извест­ няка), и если в качестве металлосодержащего компонента использу­ ется руда, а не агломерат, идет процесс неполного восстановления же­ леза (до FeO) и марганца (до МпО). Окончательное восстановление железа, марганца и кремния осуществляется на уровне заплечиков и в верхней части горна в основном за счет реакций с углеродом. Здесь же образуется и шлак, состоящий из оксидов кальция, кремния, алю­ миния и в некоторой степени железа и марганца. Науглероживается железо за счет контакта с коксом и путем растворения свободного уг­ лерода, полученного в ходе реакций разложения СО.

Так как кокс является наиболее дорогой и дефицитной составляю­ щей шихты, разработан ряд мер по снижению его расхода. В основном эти меры предполагают использование более дешевого топлива (газа, мазута), повышение температуры вдуваемого воздуха и обогащение его кислородом. Следуетотметить, что выплавка высококремнистых и вы­ сокомарганцовистых чугунов и ферросплавов требует интенсивного ведения доменного процесса, что, в свою очередь, приводит к повы­ шенному расходу кокса.

Продуктами доменного производства являются:

□передельныечугуны, содержащие 3,6...4,5 % углеродаи 0,5... 1,3 % кремния;

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

□ферромарганец (75...85 % марганца);

□ферросилиций (19...92 % кремния).

Кроме того, ценными побочными продуктами являются домен­ ные шлаки и газ.

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

10.1.3. Внедоменное получение железа

Широкое распространение доменного способа производства чугуна связано с его высокой производительностью, сравнительной просто­ той и доступностью. Тем не менее он обладает существенными недос­ татками, главными из которых являются большой расход дорогого кокса и высокое содержание в чугуне вредных примесей (серы и фос­

фора), которые затрудняют производство высококачественных ста­ лей из доменного передельного чугуна. Наличие этих недостатков по­ родило множество проектов по прямому восстановлению железа из руд. Например, способ Хеганеса предусматривает нагрев до 1220 °С обогащенной руды с карбюризатором и известняком в специальных керамических тиглях и 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-процессом восстановление же­ леза водородом идет в кипящем слое при температуре 500 °С. Однако все эти методы являются полукустарными и скорее могут быть ис­ пользованы для производства железных порошков, чем рассматри­ ваться в качестве конкурентов доменному процессу.

Наиболее перспективным методом прямого восстановления желе­ за из руд может рассматриваться процесс, схема которого приведена на рис. 10.4. По аналогии с доменным процессом, в начале происхо­ дит измельчение руды 1, ее обогащение 2 и окускование методом ока­ тывания 3. Сырые окатыши подаются в трубчатую печь 4 с восстано­ вительной атмосферой, полученной конверсией природного газа.

Окатыши

Рис. 10.4. Схема внедоменного получения железа

В результате восстановления и спекания руды получают металлизованные окатыши, содержащие свыше 9S % железа. Они являются высококачественным сырьем для производства стали в электропе­ чах 5, из которой на установках непрерывной разливки стали 6 полу­ чают слитки.

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

10.2. Производство стали

Сталь — это сплав железа с углеродом, содержание которого не пре­ вышает 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 является передельный чугун, выплавляемый в доменных печах, лом и ферросплавы (см. рис. 10.1). Если сравнить содержание основныхпримесей в чугуне и стали, мож­ но сделать вывод, что сталь отличается от чугуна только их количест­ вом: в чугуне содержание углерода, кремния, марганца, серы и фос­ фора выше, чем в стали. Поэтому основная задача передела чугуна в сталь состоит в удалении части этих примесей с помощью окисли­ тельных процессов. Механизм этого окисления не зависит от типа ста­ леплавильной печи. Наиболее часто для этой цели используют марте­ новский, кислородно-конвертерный и электродуговой способы.

10.2.1. Печи для плавки стали

Схемы наиболее распространенных печей, применяемых для произ­ водства стали, приведены на рис. 10.5.

Мартеновская печь (рис. 10.5, а) была изобретена в середине XIX в. и с техпор ее конструкция не претерпела принципиальных изменений. Она отапливается газом или мазутом. Кладка / выполняется из динасо­ вого (кислый процесс) или магнезитового (основной процесс) кирпи­ ча, а рабочая поверхность 2 набивается из крошки соответствующего кирпичу состава. Сверху ванна закрывается сводом 3. Загрузка ших­ товых материалов и материалов, добавляемых по ходуплавки, осуще­ ствляется через окна 4 с помощью мульд и загрузочной машины.

186 Раздел II. Производство черных и цветных металлов

Шихта выравнивается на подине; после ее расплавления образуется слой металла 5, а сверху — слой шлака 6. Мазут подается через фор­ сунку и сгорает 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 направ­ ление газового потока в печи и поочередно нагревать левый и правый регенераторы. В случае, когда в качестве топлива используется газ, печь оборудуется двумя дополнительными регенераторами для подог­ рева газа.

В качестве металлозавалки можно использовать лом и передель­ ный чугун (чугунно-рудный процесс). Во всех случаях в состав шихты вводят руду и известняк. Руда облегчает процесс выгорания приме­ сей, а известняк — их связывание и перевод в шлак.

Современные мартеновские печи имеют емкость свыше 500 т при глубине ванны более 1 м. При загрузке печи руду и известняк уклады­ вают на подину, а сверху размещают крупные куски лома и чушку. При применении жидкого чугуна его заливают сверху твердой завал­ ки через окно 4 с помощью вставляемого стального желоба, футеро­ ванного изнутри огнеупором.

Процесс плавки длится 8... 10ч, после чего сталь выпускается через боковую летку в разливочные ковши. На время плавки летка забива­ ется огнеупорной массой, которая разрушается перед выдачей стали.

Мартеновские печи позволяют получать большие объемы стали одинакового состава, но они малопроизводительны и в них нельзя получать высоколегированные стали в связи с большим угаром и трудностью растворения ферросплавов. Последнее связано с невы­ соким перегревом расплава стали.

Кислородно-конвертерный способвыплавки стали (рис. 10.5, б) счита­ ется более прогрессивным, так как он обеспечивает высокий перегрев расплава, а продолжительность цикла не превышает 1 ч. Конвертеры имеют грушевидную форму и футеруются изнутри магнезитовым кир­ пичом 10. Всовременных конвертерахза один цикл выплавляется свы­ ше 350 т стали.

Шихта для этого способа состоит из стального и чугунного лома (до 20 %), известняка (до 10 %) и жидкого передельного чугуна. Ших­ тазагружается через горловину 13, для чего конвертер поворачивается вокруг опорных цапф 15. При загрузке конвертера твердую состав­ ляющую шихты (лом, известняк и руду) загружают на дно, после чего

заливают жидкий передельный чугун и поворачивают конвертер в вер­ тикальное положение. Через горловину вводят водоохлаждаемую мед­ ную фурму 14и начинают подачу кислорода. Давление кислорода ме­ няется по ходу плавки в пределах 0,9...1,5 МПа, а расстояние от фурмы до поверхности расплава 16составляет 0,6...1,4 м в зависимости от ха­ рактера образующегося шлака и скорости выгорания примесей. Сталь выливается через отверстие 12 съемной насадки 11.

Благодаря высокой температуре стали в конце процесса выплавки после раскисления можно вводить ферросплавы, что позволяет полу­ чать легированные стали.

Конвертерное производство характеризуется высокой производи­ тельностью, не требует топлива, так как разогрев идет за счет экзотер­ мических реакций горения кремния, марганца и углерода и позволяет перерабатывать лом и получать легированные стали. Но оно привяза­ но к доменному цеху, не обеспечивает стабильного состава стали от плавки к плавке и отличается от других способов выплавки стали вы­ сокими потерями метала на угар.

Электродуговые печи (рис. 10.5, в) обеспечивают низкий угар леги­ рующих элементов и высокий перегрев расплава, необходимый для растворения ферросплавов. Поэтому они нашли широкое примене­ ние для выплавки сталей специального назначения (инструменталь­ ных, нержавеющих, жаропрочных и т. д.).

Электродуговая печь состоит из подины, выложенной огнеупор­ ным кирпичом 17 и футерованной внутри огнеупорной массой 18. Сверху располагается свод печи 20с отверстиями для ввода графитовых электродов 21. Это печи с так называемой зависимойдугой, т. е. дуга 22 горит не между электродами, а между электродами и металлом. В зоне горения дуги температура достигает 7000 °С, что обеспечивает про­ плавление шихты под электродами в виде колодцев, в которые скаты­ ваются остатки твердой шихты из удаленных от электродов зон. Ших­ та 24может быть твердой или смешанной (скрап и жидкий чугун). Для загрузки шихты удаляют свод или выкатывают подину. Необходимые 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 получается качественный, хорошо раскисленный металл с низким содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Переход на элек­ троплавку сдерживается лишь высокой стоимостью электроэнергии и сложностью системы питания печи электричеством.

На машиностроительных заводах широкое применение для вы­ плавки стали находят канальные и тигельные индукционные печи. Схема тигельной печи показана на рис. 10.5, г. Как правило, печь футеруют кварцевым песком с добавкой борной кислоты в качестве связующе­ го 25. От водоохлаждаемого индуктора 28 футеровка отделена слоем асбеста 26. Разогрев и плавление шихты 27осуществляются за счет то­ ков Фуко, возникающих в ней при подаче на индуктор тока высокой частоты от лампового или машинного генератора. Образующийся на поверхности расплавленного металла шлак имеет низкую температу­ ру и высокую вязкость, что затрудняет проведение металлургических операций. Поэтому печи такого типа применяются для расплавления твердой шихты, а не для переработки чугуна в сталь.

10.2.2. Физико-химические процессы передела чугуна в сталь

Независимо от типа печи характер процессов, сопутствующих пере­ делу чугуна в сталь, остается неизменным. В первом приближении можно выделитьдва периода плавки. Первыйпериод называютокисли­ тельным. Так как сталь отличается по химическому составу от чугуна только уровнем содержания примесей (С, Si, Мп), то основной зада­ чей первого периода является возможно быстрое выжигание (окисле­ ние) этих примесей. Параллельно решаются и другие, второстепен­ ные задачи, такие как снижение содержания растворенных газов, фосфора и неметаллических включений. На рис. 10.6 схематически показаны основные способы ведения первого периода плавки и со­ путствующие ему реакции.

Как видно из схемы, окисление примесей можно вести за счет ес­ тественной диффузии кислорода через слой шлака, образующегося к концу расплавления шихты, за счет добавки руды 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

врезультате окисления шихты при плавке или вводимым в шихту

ввиде руды. После расплавления шихты и образования шлака FeO распределяется в некоторой пропорции между шлаком и металлом. Находящийся в шлаке FeO доокисляется на границе шлак — печные газы до Fe20 3, который растворяется в шлаке, и на границе шлак — металл снова восстанавливается до FeO. При этом шесть молекул FeO,

вступившие в реакцию в начале цикла, дают восемь молекул в его конце. В результате многократного повторения циклов шлак пере­ сыщается FeO и происходит переход FeO из шлака в расплав чугуна, где он взаимодействует с кремнием, углеродом и марганцем (соот­ ветствующие реакции приведены на схеме). Оксиды кремния, мар­ ганца, железа и кальция, сплавляясь вместе, переходят в шлак. Ок­ сид углерода в виде пузырьков поднимается на поверхность ванны, облегчая всплывание продуктов окисления и попутно удаляя рас­ творенные в металле газы.

Окисление примесей за счет естественной диффузии кислорода через слой шлака протекает медленно, что удлинняет процесс плавки и снижает производительность печей. Стремясь ускорить насыщение шлака FeO, в него добавляют руду, что существенно ускоряет процесс окисления примесей. Вэтом случае скорость окисления определяется скоростью диффузионного перехода FeO из шлака в металл. Для еще большего ускорения передела чугуна в сталь кислород вдувают непо­ средственно в расплав чугуна, в результате чего FeO, необходимый для окисления примесей чугуна, образуется в самом расплаве.

Футеровка печи, в которой выплавляют сталь, может быть кислой и основной. В последнем случае в шлаке содержится большое коли­ чество СаО и FeO одновременно, что создает условия для удаления фосфора (соответствующие реакции приведены на схеме).

К концу первого периода расплав по химическому составу являет­ ся сталью, но содержит избыток FeO, что снижает свойства стали. В связи с этим проводят второй (восстановительный) период плавки.

Проводить его можнодвумя способами: диффузионным и осадочным раскислением.

Возможныдва способа диффузионногораскисления. По первому спо­ собупри переходе ко второмупериодуудаляютобразовавшийся шлак и наводят новый из извести, песка и плавикового шпата. По второму способу шлак не снимают, а прямо в него забрасывают раскислители: ферросилиций, ферромарганец и электродный бой (кокс). В шлаке идут реакции восстановления железа из FeO, что приводит к наруше­ нию равновесия в распределении этой примеси между шлаком и ме­ таллом и обусловливает ее диффузионный переход из металла в шлак. Процесс диффузионного раскисления протекает медленно, но обеспе­ чивает высокое качество стали, так как продукты реакций раскисле­ ния, протекающих в шлаке, растворяются в нем.