Posobie_TKM

типа и перемешивают. В результате образуются круглые окатыши диаметром 25-30 мм, которые затем для увеличения прочности сушат или обжигают.

Использование агломерата и окатышей позволяет исключить отдельную подачу флюса в доменную печь при плавке.

Каменноугольный кокс, во-первых, служит топливом и обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры, и, во-вторых, обеспечивает восстановление окислов железа, т.е. является химическим реагентом. Каменноугольный кокс содержит 80-88 % твердого углерода, от 5 до 10 % золы, до 2-5% влаги и от 0,5 до 2 % серы, и представляет собой твѐрдый пористый продукт серого цвета, получаемый путѐм коксования каменного угля – так называемой сухой перегонкой угля коксующихся сортов – путем прогрева при температурах 950 - 1100°С без доступа кислорода.

1.1.2. Производство чугуна. Структура доменного цеха

Чугун – сплав железа и углерода с сопутствующими элементами, где содержание углерода составляет от 2,14 до 6,67%.

Рис. 1.1. Структура доменного цеха

Доменный цех завода с полным металлургическим циклом имеет, как правило, не менее трех доменных печей с воздухонагревателями и системой газо-

11

очистки. Запас шихты (кокса, агломерата или руды, флюсов) хранится в бункерах эстакады общей для всех доменных печей. На многих металлургических заводах в состав доменного цеха входит так называемый рудный двор (рис. 1.1), где хранится основной запас железных руд, укладываемых в штабеля рудными перегружателями. В доменном цехе имеются также машины для разливки чугуна, устройства для дальнейшей его транспортировки («чугуновозы») в смежные производства (цеха по производству стали), установки по переработке шлака.

Из шлака изготовляют шлаковату, шлакобетон, цемент, удобрения. При изготовлении стараются получить гранулированный шлак, для чего его выливают на струю воды.

1.1.3. Конструкция и работа доменной печи

Чугун выплавляют в доменных печах, являющихся основным элементом доменного производства. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива.

При выплавке чугуна решаются задачи, связанные с восстановлением железа из окислов руды, науглероживанием его и удалением в виде жидкого чугуна определѐнного химического состава, и оплавление пустой породы руды, образование шлака, растворение в нѐм золы кокса и удаление его из печи.

Доменная печь (рис. 1.2) представляет собой шахтную печь круглого сечения, имеет стальной наружный кожух, изнутри футерована огнеупорной кладкой (верхняя часть шамотным кирпичом, нижняя – преимущественно углеродистыми блоками). Для предотвращения разрушения кладки и защиты кожуха печи от высоких температур используют холодильники, в которых циркулирует вода. Кожух печи и колошниковое устройство поддерживаются колоннами, установленными на фундаменте. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15.

Вверхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который

впечь загружают шихту. Шихту подают в вагонетки 9 подъемника (реже – ленточные конвейеры), которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 – в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу. При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство периодически подают новые порции шихты, чтобы весь полезный объем был заполнен. Полезный объем печи – объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного

аппарата при его опускании. Полезная высота доменной печи (Н) достигает 35 м, а полезный объем – 2000…5000 м3.

12

Рис. 1.2. Устройство доменной печи

Вверхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые

впечь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух поступает из воздухонагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка из огнеупорного кирпича, в которой имеются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный доменный газ, который, сгорая, образует горячие газы. Проходя через насадку, газы нагревают ее и удаляются через дымовую трубу. Через насадку пропускается воздух, он нагревается до температуры 1000…1200°С и поступает к фурменному устройству, а оттуда через фурмы 2 – в рабочее пространство печи. После охлаждения насадок нагреватели переключаются. Доменная печь работает по принципу противотока. Шихтовые материалы загружают сверху, и по мере сгорания топлива и плавления руды они опускаются вниз. Навстречу им движется поток горячих газов. При этом происходят процессы горения топлива, восстановления и науглероживания железа и других элементов, образования шлака.

Нижнюю часть горна называют лещадью, на ней скапливаются продукты доменной плавки. Продукты доменной плавки выпускаются в чугуновозные и шлаковые ковши через чугунные и шлаковые летки, расположенные в нижней

13

части горна. Образующийся в печи колошниковый газ отводится через газоотводы, расположенные в верхней части доменной печи.

Чугун выпускают из печи каждые 3…4 ч через чугунную летку 16, а шлак

– каждые 1…1,5 ч через шлаковую летку 17 (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади).

Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши. Далее чугун поступает в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи с целью дальнейшей переработки в сталь, или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

1.1.4. Физико-химические процессы, протекающие в доменной печи

Физико-химические процессы, протекающие в доменной печи, сложны и многообразны. Условно, процесс, протекающий в доменной печи, разделяют на следующие этапы: горение углерода топлива, разложение компонентов шихты, восстановление оксидов, науглероживание железа и шлакообразование. Эти этапы процесса проходят в печи одновременно, переплетаясь друг с другом, но с разной интенсивностью, на разных уровнях печи.

Вблизи фурм природный газ и углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорают:

C + O2 = CO2 + Q,

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O(пар) + Q.

В результате горения выделяется большое количество теплоты, в печи выше уровня фурм развивается температура выше 2000 °С.

Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным коксом по реакциям

CO2 + C = 2CO – Q,

H2O + C = CO + H2 – Q.

Образуется смесь восстановительных газов, в которой окись углерода CO является главным восстановителем железа из его оксидов. Для увеличения производительности подаваемый в доменную печь воздух увлажняется, что приводит к увеличению содержания восстановителя. Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до 300…400 °С у колошника. Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре около 570°С начинается восстановление оксидов железа.

Закономерности восстановления железа выявлены академиком А.А. Байковым. Восстановление железа происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте и повышения температуры от высшего оксида к низшему в несколько стадий:

Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe.

Температура определяет характер протекания химических реакций. Восстановителями окcидов железа являются твердый углерод, оксид угле-

рода и водород.

14

Восстановление твердым углеродом (коксом) называется прямым восстановлением, протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры, по реакции

FeO + C = Fe + CO – Q.

Восстановление газами (CO и H2) называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям:

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + Q,

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 – Q,

FeO + CO = Fe + CO2 + Q.

За счет CO и H2 восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40…60 % металлического железа.

При температуре 1000…1100 °C восстановленное из руды твердое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод. При насыщении углеродом температура плавления понижается и на уровне распара и заплечиков железо расплавляется (при температуре около 1300 °С).

Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 3,5…4%), марганцем, кремнием, фосфором (которые при температуре 1200°C восстанавливаются из руды) и серой, содержащейся в коксе. Одновременно с восстановлением и науглероживанием железа происходит восстановление из шихты других элементов (Mn, Si, P), которые также переходят в чугун. Окислы марганца MnO2, Mn2O3 и Mn3O4 восстанавливаются газами с выделением тепла. В дальнейшем MnO восстанавливается до Mn только углеродом с затратой тепла примерно в два раза большей, чем при восстановлении Fe. Кремний также восстанавливается только углеродом при высоких температурах по эндотермической реакции.

В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. Шлаки содержат CaO (до

90…95%), MgO (2…10%), MnO (0,3…3%), FeO (0,1…0,4%), CaS, Al2O3, SiO2.

Шлак образуется постепенно, его состав меняется по мере стекания в горн, где он скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Состав шлака зависит от состава применяемых шихтовых материалов и выплавляемого чугуна.

1.1.5. Продукты доменной плавки

Продуктами доменной плавки являются чугун, шлаки и газы, выделяющиеся из доменной печи.

К основным видам чугуна, выплавляемого в доменных печах, относятся передельный чугун, литейный чугун, специальные чугуны (например, зеркальный чугун, содержащий 10…25 % Mn и примерно 2 % Si) и ферросплавы.

15

Передельные чугуны предназначены для производства стали в сталеплавильных агрегатах. На его долю приходится около 90 % общего производства чугуна. Обычно такой чугун содержит 3,8…4,4% С, 0,3…1,2% Si, 0,2…1% Mn,

0,15…0,20% P, 0,03…0,07% S.

Различают мартеновский, фосфористый и высококачественный чугуны. Мартеновский чугун содержит 3,5…4,5% C; 0,15…0,3% P, сотые доли % S. Фосфористый чугун – 1…2 % P; 0,32…0,35% S. Высококачественный чугун – до

4% C; не более 0,05% P и не более 0,025% S.

В доменных печах выплавляются и литейные коксовые чугуны, содержащие 3,5…4,6% С и 0,81-3,6% Si, и используемые для производства чугунных отливок.

Кроме чугуна в доменных печах выплавляют ферросплавы. Ферросплавы – сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Их применяют для раскисления и легирования стали.

К побочным продуктам доменной плавки относятся газы, шлаки и пыль. Доменный газ, имеющий теплоту сгорания 3,6-4,6 МДж/м3, после очистки от пыли используется в воздухонагревателях, а также в заводских котельных установках, коксохимических, агломерационных и некоторых других цехах. Колошниковая пыль, выносимая из доменной печи и улавливаемая системой газоочистки, содержит до 30…50% Fe. Она возвращается в шихту доменных печей после ее предварительного окускования, главным образом путем агломерации.

1.2.Сталеплавильное производство

1.2.1.Процессы прямого получения железа из руд

Под процессами прямого получения железа понимают такие химические, электрохимические или химико-термические процессы, которые дают возможность получать непосредственно из руды, минуя доменную печь, металлическое железо в виде губки, крицы или жидкого металла. Такие процессы ведутся без расхода металлургического кокса, флюсов, электроэнергии, а также позволяют получить очень чистый металл.

Существует более 70 различных способов, но лишь немногие применимы в промышленном масштабе. В последние годы интерес к этой проблеме вырос, что связано, помимо замены кокса другим топливом, с развитием способов глубокого обогащения руд, обеспечивающих не только высокого содержания железа в концентратах (70…72%), но и почти полное освобождение его от серы и фосфора.

Получение губчатого железа в шахтных печах

При получении губчатого железа добытую руду обогащают и получают окатыши. Окатыши из бункера 1 по грохоту 2 поступают в короб 10 шихтозавалочной машины и оттуда в шахтную печь 9, работающую по принципу противотока (рис. 1.3). Просыпь от окатышей попадает в бункер 3 с брикетировочным прессом и в виде окатышей вновь поступает на грохот 2. Для восстановления же-

16

леза из окатышей в печь по трубопроводу 8 подают смесь природного и доменного газов, подвергнутую в установке 7 конверсии, в результате которой смесь разлагается на водород H2 и оксид углерода CO. В восстановительной зоне печи В создается температура 1000…1100°C, при которой H2 и СО восстанавливают железную руду в окатышах до твѐрдого губчатого железа. Содержание железа в окатышах достигает 90…95%. Для охлаждения железных окатышей по трубопроводу 6 в зону охлаждения О печи подают воздух. Охлаждѐнные окатыши 5 выдаются на конвейер 4 и поступают на выплавку стали в электропечах.

Рис. 1.3. Схема установки для прямого восстановления железа из руд и получения металлизованных окатышей

Восстановление железа в кипящем слое

Мелкозернистую руду или концентрат помещают на решѐтку, через которую подают водород или другой восстановительный газ под давлением 1,5 МПа. Под давлением водорода частицы руды находятся во взвешенном состоянии, совершая непрерывное движение и образуя «кипящий», «псевдосжиженый» слой. В кипящем слое обеспечивается хороший контакт газа-восстановителя с частицами оксидов железа. На одну тонну восстановленного порошка расход водорода составляет 600…650 м3.

Получение губчатого железа в капсулах-тиглях

Используют карбидокремниевые капсулы диаметром 500 мм и высотой 1500 мм. Шихта загружается концентрическими слоями. Внутренняя часть капсулы заполнена восстановителем – измельченным твердым топливом и известняком (10…15%) для удаления серы. Второй слой – восстанавливаемая измельченная руда или концентрат, окалина, затем еще один концентрический слой – восстановителя и известняка. Установленные на вагонетки капсулы медленно перемещаются в туннельной печи длиной до 140 м, где происходит нагрев, выдержка при 1200°C и охлаждение в течение 100 ч.

Восстановленное железо получают в виде толстостенных труб, их чистят, дробят и измельчают, получая железный порошок с содержанием железа до 99 %,

углерода – 0,1…0,2%.

17

1.2.2. Общая характеристика процессов получения стали из передельного чугуна

Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап).

Двухстадийный процесс с изначальным получением чугуна и последующим переделом его в сталь является основой современных схем производства стали. При этом способы получения стали включают в себя технологические процессы непосредственно выплавки стали и процессы ее разливки.

Исторически, наиболее древним способом получения стали являлся сыродутный процесс, в основе которого лежало восстановление железа из руд древесным углем в горнах. Для получения литой стали применялась тигельная плавка. Тигельная сталь характеризовалась весьма высоким качеством, но процесс был дорогим и малопроизводительным, и к настоящему времени был полностью вытеснен другими способами. В XIV веке возник кричный передел, заключавшийся в рафинировании предварительно полученного чугуна в так называемом кричном горне. В конце XVIII в. начало применяться пудлингование, при котором исходным материалом также был чугун, а продуктом – тестообразный металл (крица). Качество металла при этом было выше, а сам процесс характеризовался более высокой производительностью.

Массовое производство литой стали стало возможным после появления во второй половине XIX века бессемеровского и мартеновского процессов, а затем и томасовского процесса. В конце XIX века начала применяться выплавка стали в электрических печах. До середины XX века основным способом производства являлся мартеновский процесс, на долю которого приходилось около 80 % выплавляемой стали. В 50-е годы XX века был внедрен кислородно-конвертерный процесс, причем в последующие годы его роль резко возросла.

Стали – железоуглеродистые сплавы, содержащие практически от 0,08 до 1,5% углерода (предел – 2,14% согласно диаграмме «железо-углерод»). При большем его содержании значительно увеличиваются твѐрдость и хрупкость сталей, и они не находят широкого применения.

Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне. В качестве примера далее представлен состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали.

Поэтому сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки. С целью обеспечения возможности протекания данных химических реакций используются шихтовые

18

материалы. К основным шихтовым материалам, используемым для производства стали, относятся руда, прокатная окалина, ферросплавы, топливо, кислород и шлакообразующие.

1.2.3. Этапы получения стали из передельного чугуна

Процессы выплавки стали осуществляются в несколько этапов.

1. Расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. Расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла происходит под воздействием теплоты, подводимой извне или образующейся при окислении примесей железа. На этом этапе температура металла невелика, интенсивно происходит окисление железа, т.к. оно в наибольшем количестве содержится в жидком металле, а также окисление примесей (Si, P, Mn) по реакциям:

2Fe + O2 → 2FeO,

2FeO + 2Si → Fe + SiO2,

FeO + Mn → Fe + MnO,

5FeO + 2P → 5Fe + P2O5,

FeO + C → СO + Fe.

Наиболее важная задача этого этапа: удаление фосфора – одной из вредных примесей в стали. Влияние фосфора на сталь тем сильнее, чем больше в стали углерода. Входя в твердый раствор, фосфор способствует ликвации вследствие большого интервала затвердевания. Поэтому сталь, содержащая фосфор, дает весьма резко выраженную дендритную ликвацию, которая усиливается под влиянием углерода. Фосфор весьма медленно диффундирует в железе (гораздо медленнее, чем углерод). Во избежание местного скопления фосфора вследствие ликвации содержание фосфора в различных сортах стали (в зависимости от ее назначения) допускается не более 0,02 - 0,07%. Расположенный вблизи границ фосфор повышает температуру перехода в хрупкое состояние (т.е. так называемую хладноломкость).

Присутствие оксида кальция СаО, являющегося более сильным основанием, чем оксид железа FeO, обеспечивает протекание реакции:

2P + 5FeO + 4CaO → (CaO)4.P2O5 + 5Fe

и переводит фосфор в шлак.

Для удаления фосфора из металла необходимы невысокие температуры ванны металла и шлака и достаточное количество в шлаке окиси железа. Для повышения содержания FeO в печь в этот период плавки добавляют окалину, железную руду, наводя железистый шлак. По мере удаления фосфора из металла содержание фосфора в шлаке увеличивается.

Изменяя состав шлака, можно менять соотношения между количеством примесей в металле и в шлаке так, что нежелательные примеси будут удаляться из металла в шлак. Поэтому регулирование состава шлака с помощью введения флюсов является одним из основных путей управления химическим составом сплава.

19

2. «Кипение» металлической ванны. Этот этап начинается по мере прогрева металлической ванны до более высоких температур, чем на первом этапе. При повышении температуры металла более интенсивно протекает реакция окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты:

FeO + C → Fe + CO.

Для окисления углерода в металл вводят значительное количество руды, окалины или вдувают кислород. Образующийся в металле оксид железа реагирует с углеродом, пузырьки оксида углерода СО выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение» ванны. При «кипении» металлической ванны уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам СО, а также другие газы, проникающие в пузырьки СО. Все это способствует повышению качества металла. Поэтому этап «кипения» ванны является основным этапом в процессе выплавки стали.

В этот же период создаются условия для удаления серы из стали. Вред, приносимый серой, зависит не только от количества ее в стали, которое не должно превышать 0,03 - 0,055%, но и от того, в каком виде она там находится и насколько равномерно она расположена в объеме стали. В соединении с железом сера образует сульфид железа FeS, практически нерастворимый в твердом железе при обыкновенной температуре. В результате эвтектика, состоящая из железа и FeS (концентрацией 85% FeS и 15% Fe) имеет низкую температуру плавления, легкую окисляемость при нагреве, в результате чего образуется так называемая красноломкость стали. Во время ковки, прокатки и прессования такой стали при температурах красного каления в ней образуются трещины, так как сульфидная сетка располагается по границам зерен.

Сульфид железа FeS, растворенный в шлаке, взаимодействует с оксидом кальция CaO, также растворенным в шлаке:

FeS + CaO → CaS + FeO.

Эта же реакция протекает на границе металл – шлак (между FeS, растворенном в стали, и СаО, растворенном в шлаке). Образующееся соединение CaS растворимо в шлаке, но не растворимо в железе, поэтому сера удаляется в шлак.

Поэтому при плавке в печах с основной футеровкой, где в качестве флюса используют CaCO3, можно снизить содержание вредных примесей в стали, и, следовательно, в этих печах можно выплавлять сталь из шихты любого химического состава.

В сталеплавильных печах с кислой футеровкой нет условий для уменьшения количества фосфора и серы, так как использовать основной шлак с высоким содержанием СаО нельзя из-за возможности разрушения футеровки. Поэтому в кислых печах можно выплавить сталь только из шихтовых материалов с малым количеством серы и фосфора.

3. Раскисление стали. Раскисление стали заключается в восстановлении оксида железа, растворенного в жидком металле. При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой

20