Аксенов А. А. Технология конструкционных материалов

10

Флюсы – это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования шлаков – легкоплавких соединений с пустой породой руды или концентрата и золой топлива.

Топливо – это горючие вещества, основной составной частью которых является углерод, которые применяются с целью получения при их сжигании тепловой энергии. В металлургических печах используют кокс, природный газ, мазут, доменный газ.

Огнеупорные материалы – это материалы и изделия преимущественно на основе минерального сырья, обладающие огнеупорностью не ниже 1580 0С. Их применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла.

1.3 ДОМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

Материалы, применяемые в доменном производстве. Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы, огнеупорные материалы и воду. Для получения 1 т чугуна необходимо: 1,7 т руды, 1,3 т топлива (кокса) и 60 т воды.

Железные руды содержат железо в различных соединениях: в виде окси-

дов Fe3O4, Fe2O3; гидрооксидов Fe2O3 nH2O; карбонатов FeCO3 и др., а также пустую породу. К железным рудам относятся магнитный железняк Fe3O4 (55…60 % Fe), красный железняк Fe2O3 (55…60 % Fe), бурый железняк, содер-

жащий гидраты оксидов железа 2Fe2O3 × 3H2O и Fe2O3 nH2O (37…55 % Fe); шпатовые железняки, содержащие FeCO3 (30…40 % Fe).

Топливом для доменной плавки служит кокс. Технологию получения кокса предложил английский металлург Дерби-Абрахом-II в 1735 г. Угольную шихту перед спеканием измельчают размером менее 3 мм. Период коксования длится около 15 часов. Затем кокс выталкивают из печи и тушат водой или инертными газами. Размеры кусков кокса 25…60 мм.

11

Флюсом при выплавке чугуна в доменных печах является в основном известняк CaCO3 или доломитизированный известняк, содержащий CaCO3 и

MgCO3.

Наиболее распространенным кислым огнеупорным материалом является динасовый кирпич, содержащий 95 % кварцевого песка (SiO2), огнеупорность которого 1690…1700 0С. К основным огнеупорным материалам относятся доломит, содержащий 58 % оксида кальция (CaO) и 38 % оксида магния (MgO), его огнеупорность – 1700 0С, и магнезит (MgCO3) с огнеупорностью до 2000 0С. К нейтральным огнеупорным материалам относят шамотный кирпич, содержащий 60 % кремния (SiO2) и 40 % глинозема (Al2O3), огнеупорность которого

1730 0С.

Подготовка руд к доменной плавке

Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной для плавки величины. Размельченную руду сортируют по крупности на грохотах с последующим просеиванием, на различных по конструкции классификаторах и гидроциклонах.

Обогащение руды. Промывка руды водой позволяет отделить плотные составляющие руды от пустой породы (песка, глины). Гравитация (отсадка) – это отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита, на котором лежит руда: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные тяжелые минералы опускаются. Более простой и совершенный способ – гравитационное обогащение в тяжелых средах – руду помещают в жидкую среду, плотность (около 3000 кг/м3) которой больше плотности пустой породы, и частицы пустой породы всплывают и удаляются. Магнитная сепарация основана на различии магнитных свойств железосодержащих минералов и частиц пустой породы. Флотация – метод обогащения, основанный на том, что одни минералы в тонкоизмельченном состоянии не смачиваются водой, прилипают к пузырькам воздуха и всплывают, образуя минерализо-

12

ванную пену, а другие – оседают на дно. (Если всплывают полезные минералы

– флотация прямая, всплывают минералы пустой породы – обратная). Окускование производят для переработки концентратов, полученных по-

сле обогащения, в кусковые материалы необходимых размеров. Применяют два способа окускования: агломерация и окатывание.

Агломерация заключается в спекании рудного концентрата (40…50 %), известняка (15…20 %), возврата мелкого агломерата (20…30 %), коксовой мелочи (4…6 %) и влаги (6…9 %). Спекается агломерат при температуре 1300…1500 0С в течение 10…20 мин. При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера и мышьяк выгорают), разлагаются карбонаты и получается кусковый пористый офлюсованный материал.

Процесс окатывания состоит из двух ступеней: получение сырых (мокрых) окатышей; упрочнение окатышей (подсушка при 300…600 0С и обжиг при 1200…1350 0С). Железнорудная мелочь смешивается с известью и для лучшего окомкования и получения необходимой прочности добавляют глину (бентонит) до 1,5 %, а также воду 8…10 %. В тарельчатом наклонно вращающемся грануляторе смесь превращается в гранулы размером до 30 мм, а после проходит сушку и обжиг.

Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса-известняка в доменную печь при плавке, так как флюс в необходимом количестве входит в их состав.

Устройство доменной печи. Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом, выделяющимися при сгорании топлива в печи, и твердым углеродом.

Современная доменная печь (рис. 1.3) представляет собой крупное сооружение. Ее рабочее пространство включает колошник, шахту, распар, за-

13

плечники, горн и лещадь. Высота печи, производящей 1000 т чугуна в сутки, составляет около 30 м, а диаметр на уровне заплечиков – около 8 м.

Печь устанавливается на бетонном фундаменте, на котором в стальном кожухе (толщиной в нижней части 35…40 мм, в верхней – 20…25 мм) выводится кладка из огнеупорного (в основном шамотного) кирпича. Нижняя часть этой конструкции охлаждается водой.

Работа доменной печи.

Дозируемые количества кокса, руды и известняка транспортируются в скиповых тележках на верх печи, где они разгружаются, т.е. шихту загружают в печь отдельными порциями – колошами (рис. 1.4). В нижнюю часть печи непрерывно вдувается нагретый воздух.

Шихта нагревается и медленно опускается в шахте печи. Кокс, превращаясь в газообразный моноксид углерода, отбирает кислород у руды (которая представляет собой оксид железа), в результате чего образуется пористое металлическое железо. Опустившись примерно на 2/3 высоты, металл плавится и стекает вниз. Известняк, вступая в реакцию с примесями в железе, образует расплавленный шлак – стеклоподобную жидкость, которая скапливается на поверхности расплавленного железа. Моноксид углерода, остающийся после неполного сгорания кокса, отводится по

14

газоходу из верхней части печи, очищается от пыли и подается в воздухонагреватель (каупер), где сжигается для нагревания воздушного дутья.

Рис. 1.4. Схема работы доменного цеха

После прожигания (вскрытия) летки расплавленный чугун заливается в чугуновозы и транспортируется в литейный цех, где разливается по изложницам для затвердевания в виде чушек или заливается в кислородный конвертер с металлоломом и флюсом для передела в сталь. Расплавленный шлак выводится через шлаковую летку, а после затвердевания дробится, образуя материал для бетона и теплоизоляционных плит.

Непрерывная работа (кампания) доменной печи от задувки до выдувки (остановки на капитальный ремонт) продолжается 5…6, а в некоторых случаях 8…10 лет и более, в течение которых печь 1…2 раза останавливается на так называемый средний ремонт для замены изношенной кладки шахты. Выплавка

15

чугуна на мощных печах за одну кампанию достигает 5…8 млн. т чугуна и более без капитального ремонта.

Физико-химические процессы доменной плавки. Условно процессы,

протекающие в доменной печи, разделяют на: горение топлива; разложение компонентов шихты; восстановление железа; науглероживание железа; восстановление марганца, кремния, фосфора, серы; шлакообразование.

Горение у фурм. У фурм доменной печи возникают очаги горения, называемые окислительными зонами, в которых вихревое движение газов приводит к горению кусков кокса. Горение кокса развивается на поверхности контакта твёрдой и газообразной фаз. При этом кислород соединяется с углеродом в сложные комплексы СхОу, которые затем распадаются. В упрощённом виде суммарный процесс горения углерода твёрдого топлива у фурм сводится к экзотермической реакции 2C + O2 = 2CO. Газы с температурой 1600…2300 0С, содержащие 35…45 % CO, 1…12 % H2 и 45…65 % N2, поднимаясь по печи, нагревают опускающуюся шихту, при этом CO и H2 частично окисляются до CO2 и H2O. Газы, выходящие из печи, имеют температуру 150…300 0С.

Восстановление железа и других элементов. В доменной печи восстанав-

ливаются Cu, As, Р, подобно железу, и почти полностью переходят в чугун. Полностью восстанавливается и Zn, который затем возгоняется, переходит в газы и отлагается в порах кладки, вызывая её разрушение. Те элементы, которые образуют более прочные соединения с кислородом, чем железо, восстанавливаются частично или совсем не восстанавливаются: V восстанавливается на

75…90 %, Mn на 40…75 %, Si и Ti в небольших количествах, Al, Mg и Ca не восстанавливаются. Восстановление поступающих в доменную печь окислов Fe2O3 и Fe3O4 происходит путём последовательного отщепления кислорода по реакциям:

3Fe2O3 + CO (H2) = 2Fe3O4 + CO2 (H2O),

Fe3O4 + CO (H2) = 3FeO + CO2 (H2O).

16

Оксид железа FeO восстанавливается до Fe газами (косвенное восстановление) и углеродом (прямое восстановление).

FeO + CO (H2) = Fe + CO2 (H2O),

FeO + C = Fe + CO.

Высшие окислы марганца MnO2, Mn2O3 и Mn3O4 восстанавливаются газами с выделением тепла. В дальнейшем MnO восстанавливается до Mn только углеродом с затратой тепла примерно в 2 раза большей, чем при восстановлении Fe. Si также восстанавливается только С при высоких температурах по эндотермической реакции:

SiO2 + 2C + Fe = FeSi + 2CO.

Степень восстановления Si и Mn зависит в основном от расхода кокса; на каждый процент повышения содержания Si в чугуне расход кокса увеличивается на 5…7 %, что увеличивает количество горячих газов в печи, вызывая перегрев шахты. Обогащение дутья кислородом, обеспечивая высокий нагрев горна, уменьшает количество образующихся газов, а следовательно, и температуру в шахте печи.

Сера в доменном процессе вносится в доменную печь в основном коксом и переходит в газы в виде паров (SO2, H2S и др.), но большая часть остаётся в шихте (в виде FeS и CaS); при этом FeS растворяется в чугуне. Для удаления S из чугуна необходимо перевести её в соединения, нерастворимые в чугуне, например в CaS:

FeS + CaO = CaS + FeO.

Это достигается образованием в доменной печи жидкоподвижных шлаков с повышенным содержанием СаО. Восстановительная среда благоприятно влияет на этот процесс, т.к. снижает содержание FeO в шлаке. Степень обессеривания достаточно высока, и только в некоторых случаях чугун дополнительно обессеривается вне доменной печи различными реагентами.

Образование чугуна и шлака. Восстановленное в доменной печи Fe частично науглероживается в твёрдом, а затем в жидком состояниях. Содержание

17

C в чугуне зависит от температуры чугуна и его состава. Шлак состоит из не-

восстановившихся окислов SiO2, AI2O3 и СаО (90…95 %), MgO (2…10 %), FeO (0,1…0,4 %), MnO (0,3…3 %), а также 1,5…2,5 % S (главным образом в виде CaS).

Технико-экономические показатели работы доменной печи. Домен-

ные печи характеризуется высокой степенью автоматизации. На современной доменной печи автоматически осуществляются все операции шихтоподачи: набор компонентов шихты с отсевом мелочи, взвешивание, транспортировка на колошник и загрузка в печь по заданной программе. Автоматически поддерживаются оптимальный уровень засыпки и распределение шихтовых материалов на колошнике, давление колошникового газа, расход воды на охлаждение, температура и влажность дутья, а также содержание в нём кислорода и расход природного газа. Автоматизировано переключение воздухонагревателей и управление режимом их нагрева. Автоматические анализаторы обеспечивают непрерывную регистрацию состава колошникового газа и дутья. Внедряются системы автоматического регулирования подачи дутья и природного газа как по общему расходу, так и по отдельным фурмам.

Показатели работы доменной печи зависят главным образом от качества сырьевых материалов и степени подготовки их к плавке. Основные показатели: суточная производительность доменной печи в тоннах и расход кокса на 1 т чугуна. В России производительность доменных печей характеризуется коэффициентом использования полезного объёма (кипо), т. е. отношением полезного объёма в кубических метрах к суточной выплавке передельного чугуна в тоннах.

Совершенствование доменных печей направлено на улучшение подготовки сырьевых материалов к плавке, увеличение мощности (объёма) доменных печей, внедрение прогрессивной технологии, автоматического управления ходом доменной печи.

18

1.4 ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сталь является основным материалом, применяемым для создания современной техники. Это объясняется тем, что сталь обладает высокими прочностью и износостойкостью, хорошо сохраняет приданную форму в изделиях, сравнительно легко поддается различным видам обработки. Несмотря на появление новых альтернативных конструкционных материалов, на протяжении обозримого периода сталь безусловно остается важнейшим в мире конструкционным материалов.

В течение XX века производство стали в мире увеличилось с 28 до 848 млн т, т.е. в 30 раз. (рис. 1.5). Причем, значительное увеличение в производстве стали наблюдается в послевоенный период.

Рис. 1.5. Динамика мирового производства стали

В настоящее время к числу важнейших тенденций мирового рынка стали можно отнести: увеличение объема производства стали и изменение групп стран в мировом производстве; увеличение производственных мощностей и изменение доли отдельных групп стран в мировых производственных мощностях; повышение доли непрерывной разливки стали и снижение расходного коэффициента стали на прокат; увеличение видимого потребления готовой сталь-

19

ной продукции и изменение доли отдельных групп стран в мировом потреблении; опережающее развитие мировой торговли металлопродукцией по сравнению с ростом спроса на металл; снижение мировых цен на металлопродукцию под влиянием создания избыточных производственных мощностей и масштабного производства стали на заводах с коротким технологическим циклом по более эффективным (дешевым) технологиям.

Рассматривая страны – крупнейшие производители стали (табл. 1.1), можно отметить, что в связи с экономическим ростом Индия смогла войти в десятку этих стран, вытеснив из нее Францию. Резкое увеличение производства стали произошло в КНР, Республике Корея и Бразилии. Значительное снижение производства стали наблюдается в России, Украине и Японии, а в станах ЕС объем производства стали остается стабильным.

Таблица 1.1

Страны – крупнейшие производители стали

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