Производство чугуна и стали

СУЩНОСТЬ ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

В металлургии черных металлов чугун занимает особо важное место, являясь первичным продуктом для переработки его в сталь и для производства чугунного литья.

Основным способом получения чугуна является доменный процесс. Он ведется в доменных печах и заключается в восста­новлении из руды железа и других примесей при помощи окиси углерода и твердого раскаленного углерода и последующем науглероживании и плавлении его.

Электродоменный процесс применяется только в странах, об­ладающих значительным запасом дешевой электроэнергии. Получение синтетического чугуна из стального лома с углеродосодержащими материалами производится в электрических печах очень редко.

Успешный ход доменного процесса обеспечивают два основ­ных условия:

1) количество тепла и температура по высоте печи должны быть распределены так, чтобы все реакции протекали в определенном месте и в определенное время;

2) образование шлака должно происходить только после окончания восстановле­ния из руды железа и необходимых примесей.

Первое условие обеспечивается непрерывным движением в печи двух встречных потоков: поднимающихся снизу вверх го­рячих газов от сгорания в горне топлива и опускающихся сверху вниз шихтовых материалов, нагревающихся и плавящихся под действием тепла газов.

Второе условие обеспечивается подбором по тугоплавкости шлаков соответственно сортам выплавляемого чугуна, чтобы образовавшийся шлак не сплавил руду до восстановления железа и других примесей, не изменил заданного состава чугуна и не вы­звал расстройство в ходе процесса.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Горение топлива.Горячий воздух, вдуваемый через фурмы, сжигает углерод кокса по реакции:

С+0₂=С0₂+94052кал, (1)

но при движении газов вверх СО₂встречает углерод раскален­ного кокса и разлагается по реакции:

С0₂+С = 2СО-41220/кал. (2)

Одновременно с этим идет реакция восстановления водорода из пара, содержащегося в дутье:

Н₂0пар+С = Н₂ + СО-31382кал. (3)

Восстановление железа из рудыначинает происходить при по­мощи окиси углерода (непрямое восстановление) в верхних гори­зонтах печи и идет в следующем порядке:

Fe₂0з ->Fез0₃ =FеО —Fе

прямое восстановление идет и при более высоких темпера­турах

FeO +С=Fе+СО-37284/кал

В современных экономично работающих печах примерно 60% железа восстанавливается газами и 40% — твердым углеродом.

Науглероживание железа,т. е. образование карбида железа, в условиях доменной печи начинается при 400—500°С при по­мощи окиси углерода по реакции:

ЗFеО+5СО =Fе₃С + 4С02- 58028кал(18)

и продолжается при более высоких температурах

Fe₃+2СО==Fe₃С + С0₂+ 36220кал.

Плавление науглероженного железаначинается при темпера­туре, близкой к 1140°С, когда содержание углерода в нем дости­гает 4,3%, и должно заканчиваться в шахте печи до того, как начнет плавиться пустая порода.

Шлакообразование,т. е. сплавление пустой породы руды с флюсом, в печи при температуре около 1200°С.

РАБОТА ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Доменная печь работает Круглые сутки непрерывно в течение пяти - восьмилетнего периода, называемого кампанией.

В начале кампании печи или при задувке проверяются все устройства ее, опробуется оборудование, производится сушка и разогрев кладки, готовится и грузится задувочная шихта из отборных материалов и производится задувка в течение 4—5 су­ток. Горючие материалы в горне, зажигаются горячим воздухом с температурой около 600°С. Дутье дается постепенно.

Первый выпуск шлака производится обычно через 15 часов, а чугуна — через сутки после задувки. Нормальная производительность печи до­стигается, как правило, на шестые-седьмые сутки.

Выпуск чугуна и шлака производится по графику: чугун 6 раз в сутки через каждые 4 часа, а шлак через 1,5—2 часа по мере накопления. Чугун и шлак выпускаются в ковши чугуновозов и шлаковозов, подаваемых под соответствующие желобы печи.

В зависимости от характера использования чугуна его подают либо в сталеплавильный цех для использования в жидком состоя­нии, либо 'на разливочную машину для отливки чугунных чу­шек.

В сталеплавильных цехах чугун чаще всего заливают непо­средственно в миксеры емко­стью до 1500 т, отапливаемые доменным газом. Служит миксер для выравнивания хими­ческого состава и температуры чугуна, а также для удаления из него серы.

СУЩНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ

Сталь, как и чугун, представляет собой сплав железа с угле­родом и с другими примесями, но отличается от него меньшим содержанием их. Это обусловливает коренную разницу в процес­сах получения их: если процесс получения чугуна по преимуще­ству восстановительный, то процесс получения стали из чугуна окислительный. Он сводится к окислению примесей чугуна до нужных пределов при помощи чистого кислорода или кислорода воздуха или руды.

Все процессы в плавке стали обусловлены известными поло­жениями физической химии:

1) реакции идут в строгой последовательности в зависимости от температуры металла и шлака: при низких температурах идут экзотермические реакции, при повышении температуры — реакции с выделением малого количества тепла и при высоких температурах — эндотермические реакции;

2) скорость реакции пропорциональна концентрации дейст­вующих друг на друга масс, т. е. определяется процентным со­держанием веществ в металле и в шлаке, а также температурой и химическим сродством;

3) вещество, растворенное в металле и в шлаке, распределя­ется между ними так, что процентное содержание его в каждом из них при определенных температурах является постоянным;

4) всякая система, находящаяся в состоянии химического равновесия, на все процессы, действующие извне, отвечает воз­никновением внутри системы процессов, стремящихся уничто­жить результаты внешнего воздействия.

В далекие доисторические времена сталь получали в тесто­образном состоянии непосредственно из руд в примитивных сы­родутных горнах. Позднее в таком же состоянии сталь получали из чугуна в кричных горнах, а с 1784 г. — в пудлинговых печах. Это были малопроизводительные, физически тяжелые, требую­щие большого расхода топлива и дорогостоящие способы. В по­исках новых, более производительных и экономичных способов,были последовательно открыты способы получения стали в жид­ком состоянии: бессемеровский (1855 г.), мартеновский (1865 г.), томасовский (1878г.) и электрометаллургический (1900г.).

БЕССЕМЕРОВСКИЙ ПРОЦЕСС

Плавка стали при бессемеровском процессе, открытом Генри Бессемером в 1855—1856 гг., ведется в конвертерах.

Сущность процессазаключается в том, что кислород воздуха, продуваемого через жидкий чугун, окисляет его примеси и при интенсивно идущих реакциях образуется такое количество тепла, которого без подвода извне вполне достаточно для превращения чугуна в сталь в течение 10—12мин.Исходным материалом служит бессемеровский чугун, содержащий 0,7—1,75% кремния, 0,5—1,2% марганца и не более 0,07% фосфора и 0,04—0,06% серы.

ТОМАСОВСКИЙ ПРОЦЕСС

Невозможность передела бессемеровским способом чугунов с повышенным содержанием фосфора и серы, ограничила распространение его в ряде стран. Проблему переработки фосфористых чугунов в сталь, разре­шил С. Д. Томас, применив в конвертере вместо кислой, основ­ную футеровку из обожженного доломита, связанного обезво­женной каменноугольной смолой, и известь для образования шлака и связывания фосфорного ангидрида.

Конструкция томасовского конвертера принципиально не от­личается от бессемеровского, за исключением материала футе­ровки.

МАРТЕНОВСКИЙ ПРОЦЕСС

В мировой выплавке стали главная роль принадлежит мар­теновскому производству. В нашей стране около 90% стали вы­плавляется в мартеновских печах. Причинами столь широкого распространения этого процесса являются: неприхотливость в выборе шихтовых материалов, легкость управления и контроля за ходом плавки вплоть до автоматизации, возможность вы­плавки самой разнообразной по качеству, назначению и по сор­там стали, легкая приспособляемость к любым условиям и мас­штабу производства.

Начало мартеновского процесса относится к 1865 г., когда П. и Э. Мартены во Франции построили 1,5-тонную регенератив­ную печь и получили в ней сталь удовлетворительного качества из стального лома и чугуна.

Мартеновский процесс заключается в расплавлении шихты, снижении в ней содержания углерода, кремния, марганца, удалении нежелательных примесей ( S,P) и введении недостающих элементов (легирование). Температура в печи должна обеспечивать пребывание металла в жидком состоянии; к концу плавки она должна составлять 1600 – 1650⁰С. Для связывания шлаков добавляют флюс (известнякCaCO₃). Избыток кислорода удаляют раскислением, вводяMnилиSi.

Мартеновская печьявляется регенеративной печью. В ней высокая температура для выплавки стали достигается тем, что участвующие в горении газ и воздух (или только воздух) нагре­ваются до 1100—1300° теплом отходящих газов в регенераторах.

Исходными материаламив мартеновском процессе являются чугун и стальной лом (скрап).

Стальной лом (скрап) сортируют по составу с целью отделе­ния легированных отходов и сплавов цветных металлов во из­бежание потерь их при плавке.

В зависимости от местных условий плавку ведут на шихте с различным соотношением в ней чугуна и стального лома, что предопределяет главные разновидности процесса.

/. Скрап-рудный процесс,в котором 60—70% шихты состав­ляет чугун, а остальную часть стальной лом, ведется на метал­лургических заводах с собственным доменным производством.

2. Скрап-процесс,в котором шихта составляется из 30—50% привозного чугуна и 70—50% стального лома, применяется на машиностроительных и металлургических заводах, не имеющих своего доменного производства. Отличается этот процесс от скрап-рудного процесса только методами завалки и плавления шихты.

3. Рудный процесс,в котором плавка ведется только на од­ном жидком чугуне без стального лома, в настоящее время не применяется по технической нецелесообразности и экономиче­ской невыгодности.

4. Карбюраторный процесс,в котором плавка ведется исклю­чительно на стальном ломе, а чугун заменен антрацитом, камен­ноугольным, нефтяным или торфяным коксом, ведется только в случаях острого недостатка или полного отсутствия чугуна на заводах. Производительность печей при этом процессе снижа­ется на 25—40%, а металл получается более низкого качества.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ

Основные преимущества производства стали в электрических печах, заключаются в следующем:

1) в возможности получения самых высококачественных сталей и тугоплавких сплавов с минимальным количеством га­зов, вредных примесей и неметаллических включений;

2) гибкость работы при всех режимах и характерах произ­водства с использованием твердой и жидкой завалки с любым количеством дешевого стального лома;

3) в самом малом угаре металла и особенно легирующих примесей по сравнению со всеми плавильными агрегатами;

4) в простоте устройства, компактности, легкости обслужи­вания и относительной дешевизне печей.

Исходные материалы.Основными материалами для плавки являются стальной лом, отходы и специальные заготовки.