64

Глава I основы металлургического производства чугуна и стали и металловедения

1. Производство чугуна и стали

Производство чугуна

Чугун получают в доменных печах, сооружаемых с применением огнеупорных материалов. Производство чугуна основано на методе плавки исходных материалов, в результате чего происходит восстановление железа и насыщение его углеродом и другими элементами. Основные исходные материалы для плавки чугуна – топливо, руды и флюсы.

В металлургическом производстве в качестве топлива применяют главным образом каменноугольный кокс, мазут и природный газ, представляющие собой вещества органического происхождения. В их состав входят углерод, водород, кислород, азот, сера, а также влага и минеральные примеси, дающие золу. Топливо сжигают в плавильных и нагревательных печах и устройствах.

В современном доменном производстве применяют каменноугольный кокс, который, являясь топливом, обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры и протекание химических реакций восстановления железа из железных руд при плавке.

Железными рудами (железняками) называют полезные ископаемые, представляющие собой горные породы или минеральные вещества, добываемые из недр земли. Для производства чугуна применяют красный, бурый магнитный и шпатовый железняки, а также марганцевую руду, содержащие много рудного вещества (оксидов железа) и мало пустой породы, т. е. минералов, которые легко отделяются от железной руды при ее подготовке к плавке (обжиганию) и переходят в шлаки при плавке (не загрязняют выплавляемый чугун).

К вредным примесям руды относятся сера, мышьяк и фосфор.

Основное назначение флюсов – перевод пустой породы железных руд и золы кокса в шлак, располагающийся над жидким чугуном в доменной печи, и придание ему достаточной жидкотекучести.

Количество и виды флюсов зависят от количества и химического состава пустой породы железных руд, а также вида выплавляемого чугуна. Пустая порода железных руд обычно содержит кремнезем, поэтому в доменном процессе, как правило, применяют в качестве флюса известняк.

ПРОДУКТЫ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

Продукты доменной печи – чугун, шлак и доменный газ. Чугун – это сплав железа с углеродом (2,14–6,67%) с примесями марганца и кремния, а также вредных примесей фосфора и серы.

В зависимости от назначения чугун выплавляют трех сортов: передельный, литейный и специальный (ферросплавы).

Передельный чугун предназначен для переработки в сталь. Его производство составляет более 80% от общего объема выпускаемого чугуна.

Литейный коксовый чугун предназначен для изготовления чугунных отливок различного профиля (фасонных) методом литья в формы.

Ферросплавы предназначены для производства стали. Они отличаются от передельных и литейных чугунов повышенным содержанием марганца или кремния и называются соответственно ферромарганец и ферросилиций.

Шлаки, образующиеся при выплавке чугуна, широко используют в гранулированном виде при производстве цемента, шлаковой ваты для теплоизоляции, шлаковых блоков и других строительных материалов.

Доменные газы после очистки от пыли используют как газообразное топливо для подогрева воздуха, идущего в доменные печи (в воздухонагревателях-кауперах), нагрева ковшей, а также для других печей металлургического завода.

ПРЯМОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА

Прямое восстановление железа является весьма перспективным, благодаря высокой его чистоте. При этом способе железо восстанавливается непосредственно из руды, в результате чего металл не загрязняется серой и другими примесями из кокса, как это происходит в доменном процессе.

Получаемое железо (продукт восстановления) представляет собой твердый железорудный материал, в котором большая его часть находится в металлическом виде. Из этого железа получают стали с высокими механическими, электротехническими и другими свойствами.

При содержании в продукте восстановления 90–94% металлического железа его называют металлизованным сырьем, при большем содержании – губчатым железом.

Продукты восстановленного железа в основном используют для переплавки в сталь в дуговых сталеплавильных печах. При прямом восстановлении железа в качестве исходного железорудного сырья применяют агломерат, окатыши, а в качестве восстановителя – твердое топливо или газ, содержащий Н₂ и СО. Наиболее известны два способа восстановления железа: восстановление газом в толстом слое и восстановление твердым углеродом.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сталью называют сплав железа с углеродом при содержании его до 2%, т. е. углерода в стали содержится меньше, чем в чугуне. Кроме углерода в стали содержатся те же примеси, что и в чугуне (марганец, кремний, сера, фосфор и др.), но в значительно меньших количествах.

Процесс производства стали основан на методах плавления чугуна или его сочетании с металлоломом (скрапом) и рудой. При плавке вводят флюсы и раскислители, а в случае необходимости специальные легирующие добавки. При этом.из железоуглеродистого сплава путем окисления удаляется избыток углерода, марганца и кремния, а также вредные примеси (сера, фосфор). Углерод соединяется с кислородом, образуется оксид углерода СО, который сгорает и улетучивается из ванны. Кремний, марганец и фосфор образуют оксиды SiO₂, MnO и Р₂О₅, которые всплывают, формируя шлак. Затем шлак удаляют. Сера переходит в шлак в виде соединения CaS за счет добавки флюса (извести) в основном процессе плавки.

Широко применяют конвертерный (кислородно-конвертерный), мартеновский и электродуговой (в дуговых электропечах) способы выплавки стали. Наиболее высокопроизводительные способы выплавки стали – конвертерный и электродуговой. Производство стали этими способами все более возрастает. Известен ряд более дорогих и менее производительных способов: вакуумный дуговой переплав, вакуумно-индукционный переплав, электрошлаковый переплав, переплав в электронно-лучевых и плазменных печах. Эти способы называют переплавными,.так как в процессах производят переплав стали, ранее полученной конвертерным, мартеновским или обычным электродуговым способами. Эти способы позволяют получать сталь особо высокого качества.

По условиям проведения выплавки стали процесс называют кислым или основным. Кислым называют процесс выплавки стали, когда футеровка печи (конвертера), флюс и шлаки состоят из кварцита и кварца, т. е. из веществ, содержащих кремнезем SiO₂ (кислотный оксид).

Основным называют процесс выплавки стали, когда футеровка печи (конвертера), флюс и шлаки состоят из известняка, доломита, доломитизированного известняка или магнезита, составной частью которых являются основные оксиды кальция СаО и магния MgO. Поэтому, например, сталь, выплавленную мартеновским способом, называют мартеновской кислой или мартеновской основной сталью в зависимости от условий проведения плавки.

КОНВЕРТЕРНЫЙ СПОСОБ

Конвертерный кислый способ выплавки стали называют бессемеровским, конвертерный основной способ – томасовским. При этих способах выплавки сталь получают в конвертерах при продувке чугуна снизу воздухом, поэтому она имеет много загрязняющих газовых включений (азот, кислород, водород и др.), а также других примесей (сера, фосфор и др.), снижающих ее качество и ухудшающих свойства.

Бессемеровский и томасовский способы выплавки стали не применяют. Их полностью заменил конвертерный способ – кислородно-конвертерный, при котором сталь получают в конвертерах с основной футеровкой при продуве чугуна сверху технически чистым кислородом.

Технологический цикл выплавки кислородно-конвертерной стали составляет 50–60 мин, а продолжительность продувки кислородом – 18–30 мин.

В современных конвертерах готовый металл выпускают не через горловину, а через летку, что исключает контакт металла с воздухом и предохраняет его от поглощения азота и других газов, так как вся поверхность стали в конвертере в период выпуска покрыта слоем шлака.

К недостаткам кислородно-конвертерного способа выплавки стали относятся: большое пылеобразование, вызванное обильным окислением и испарением железа; угар металла (6–9%), значительно больший чем при других способах выплавки стали. В связи с этим при конвертерах обязательно сооружают дорогие и сложные пылеочистительные установки.

МАРТЕНОВСКИЙ СПОСОБ

Одно из важнейших достоинств мартеновского способа – возможность использования различной шихты и разнообразного топлива. Кроме того, этот способ позволяет выплавлять углеродистые и легированные стали широкого ассортимента, за исключением высоколегированных сталей и сплавов. Недостатки мартеновского способа – большая продолжительность процесса (несколько часов) и значительный расход топлива.

Наибольшее распространение имеет основной мартеновский процесс. Он позволяет в процессе плавки удалять из стали серу и фосфор за счет введения извести.

Кислый мартеновский способ выплавки стали в отличие от основного мартеновского способа осуществляется в печах с кислой футеровкой из динасового кирпича. Флюс и шлак в этих печах кислые. Фосфор и серу при кислом способе выплавки не удаляют, так как флюс не содержит свободной извести. Шихта должна быть чистой по сере и фосфору. При таком способе сталь раскисляется лучше и при меньшем расходе раскислителей. Поэтому кислая мартеновская сталь содержит меньше, чем основная, растворенных газов, неметаллических включений и обладает более высокими механическими свойствами.

В кислых мартеновских печах выплавляют легированные высококачественные стали, так как угар (окисление) легирующих элементов в них меньше, чем в основных. Но кислая мартеновская сталь примерно в 1,5– 2 раза дороже основной мартеновской стали"

Мартеновский способ выплавки стали непрерывно совершенствуется. Внедрена автоматизация теплового режима печи для экономии топлива, а также облегчения труда сталеваров. Разработаны два направления по применению кислорода в мартеновском процессе выплавки стали для его ускорения: обогащение воздушного дутья кислородом до 25–35%, кратковременное введение в печь кислорода через водоохлаждаемые формы для интенсификации окисления примесей.

В нашей стране и некоторых зарубежных странах внедряют двухванные мартеновские печи. Они по своей производительности близки к мощным кислородным конвертерам.

ВЫПЛАВКА СТАЛИ В ЭЛЕКТРОПЕЧАХ

Для выплавки легированной стали применяют в основном дуговые, индукционные и вакуумные индукционные электропечи.

Продолжительность выплавки стали в основной дуговой электропечи доходит до 6–8 ч в зависимости от ее мощности и конструкции, исходного сырья, получаемой марки стали.

Выплавку стали в кислой дуговой электропечи применяют в литейных цехах при получении стали для фасонного литья.

Индукционные печи в основном используют для переплавки чистых легированных сталей с целью получения сталей с низким содержанием углерода, а также различных сложных сплавов, к которым предъявляются повышенные требования.

Плавка в вакуумных индукционных печах позволяет получать сталь и сплавы с особо низким содержанием газов, неметаллических включений и примесей цветных металлов. При этом сплав можно легировать любыми легирующими элементами, в том числе и обладающими большим сродством к кислороду без их потерь на окисление. Полученный в вакуумных индукционных печах металл разливают в изложницы, как правило, в вакууме.

НОВЫЕ МЕТОДЫ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ

Все современные сталеплавильные агрегаты-конвертеры, мартеновские, электродуговые и другие печи – агрегаты периодического действия. В России и за рубежом растут масштабы работ в области создания рациональных конструкций сталеплавильного агрегата непрерывного действия (САНД) для увеличения производительности агрегатов, снижения эксплуатационных затрат, повышения качества и однородности продукции, уменьшения технологических отходов, лучшего использования добавочных материалов.

Проекты САНД включают много- и одностадийный процессы выплавки стали из чугуна. В многостадийных процессах САНД металл перемешается из одной емкости в другую или постепенно протекает из одной части агрегата в другую. При этом в каждой емкости или части агрегата происходит одна или несколько технологических операций, например, дефосфорация, десульфурация и раскисление. В одностадийных процессах все операции удаления примесей и превращения чугуна в сталь протекают одновременно или почти одновременно.

Переплавные процессы представляют собой различные способы переплава слитков обычной выплавки (в конвертере, дуговой электропечи и т. д.). Цель переплава – повышение качества металла. В промышленности переплавные процессы иногда называют спецметаллургией. К переплавным процессам относят переплав стали в вакуумной индукционной печи (ВИП), а также вакуумный дуговой (ВДП), электрошлаковый (ЭШП), электронно-лучевой (ЭЛП) и плазменно-дуговой (ПДП) переплавы. Наибольшее распространение получили ВДП и ЭШП.

Процесс ВДП заключается в переплаве слитка под воздействием высоких температур, возникающих в зоне электрической дуги между электродом, переплавляемым слитком и поддоном кристаллизатора, который охлаждают циркулирующей водой. Металл на торце электрода (слитка) расплавляется и его капли непрерывно падают в кристаллизатор, образуя новый слиток. До переплава установку вакуумируют. Вакуум создают в течение всего периода переплава. В современных ВДП получают слитки массой от нескольких сотен килограммов до 40–50 т.

Процесс ЭШП разработан в Институте электросварки им. Е. О. Патона и распространен во многих странах. В водоохлаждаемом кристаллизаторе расплавляют слой шлака. Ко дну кристаллизатора подводят полюс источника переменного тока большой силы. Стальной слиток (электрод) опускают в шлак и подключают к другому полюсу источника тока. Электрическая печь замыкается между переплавляемым слитком (электродом) и ванной кристаллизатора через слой расплавленного шлака (электрическая дуга отсутствует). Шлак обладает высоким электрическим сопротивлением и нагревается до температуры 1700–2000°С. В результате этого погруженный в него конец электрода (слитка) оплавляется и расплавленные капли металла проходят через слой шлака, очищаясь от серы. Содержание неметаллических включений и газов в них снижается. Попадая на холодные стенки кристаллизатора, капли металла застывают и постепенно образуют новый плотный качественный слиток.

Преимущество процесса ЭШП – сравнительная простота и дешевизна и гарантированное повышение качества металла после его переплава в результате снижения содержания серы, неметаллических включений и получения плотного слитка. В нашей стране на установках ЭШП получают слитки массой до 360 т.

ВНЕПЕЧНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Перспективными и дешевыми являются внепечные (внеагрегатные) методы обработки стали, обеспечивающие повышение качества стали, выплавляемой современными методами. Используют различные способы внепечной металлургической обработки стали для снижения в ней содержания газовых примесей, главным образом, кислорода, вредных включений серы, а также уменьшения загрязненности стали неметаллическими включениями. Основные способы внепечной обработки стали – вакуумный, синтетическими шлаками, инертными газами, редкоземельными металлами (РЗМ) и др.

При вакуумной обработке жидкую сталь, находящуюся в ковше, выдерживают перед разливкой в вакуумной камере при давлении 300 МПа в течение 10–12 мин. Раскислители не вводят.

Первоначально перед вакуумированием ставили цель снижения концентрации водорода в стали до пределов, при которых в крупных поковках не возникают флокены. В настоящее время эта цель значительно расширена: под вакуумной обработкой понимают понижение давления над металлическим расплавом для дегазации и смешения равновесия химических реакций, зависящих от внешнего давления и протекающих в расплаве с образованием газообразных продуктов. Например, реакции между растворенными в расплаве углеродом и кислородом, углеродом и оксидами металлов приводят к снижению концентрации вредных примесей (главным образом газовых), повышению пластических свойств, ударной вязкости и качества стали. Выделение газов при вакуумировании вызывает бурное кипение и перемешивание металла. При этом содержание кислорода может уменьшаться в малоуглеродистой стали от 0,01–0,03 до 0,003–0,005%. При замене раскисления в ковше внепечным вакуумированием повышается качество стали и увеличивается выход годного металла из слитков.

Для повышения качества трубной стали (рафинирования) ее обрабатывают жидким синтетическим ишаком в ковше. В отдельной печи с угольной футеровкой подготавливают синтетический шлак, называемый известково-глиноземистым, который состоит из 38–45% А1₂О₃ и 52–55% СаО с небольшим количеством кремнезема и не более 1 % FeO. Шлак обладает высокой обессеривающей и раскислительной способностью, что позволяет получать столь хорошо раскисленную, с низким содержанием серы, имеющую повышенную пластичность и вязкость. Количество серы в стал и снижается на 50–70%, а содержание неметаллических включений уменьшается в 1,5 раза по сравнению с обычным ее производством. В шлак, находящийся в ковше, заливают жидкий металл из печи после раскисления. Благодаря относительной простоте и высокой производительности данный способ не вызывает заметного удорожания стали.

Продувка жидкой стали инертными дачами (аргоном, гелием и др.) в печи или ковше также значительно улучшают ее качество. Способ прост и сравнительно дешев. Удаление водорода и азот при таком рафинировании стали происходит главным образом за счеч перехода растворенных в жидком металле газов в объем пузырьков инертного газа, а удаление кислорода связано с всплыванием оксидных неметаллических включений в шлак, что приводит к улучшению пластических свойств и вязкости стали.

Обработка стали инертными газами позволяет получать конструкционную сталь, близкую по содержанию газов и неметаллических включений к стали электрошлакового и вакуумного дугового переплава. В ряде случаев рафинирование стали инертными газами проводят после ее обработки в ковше синтетическими шлаками. Все большее распространение получают также процессы вдувания в металл (в ковше) сильных раскислителей и десульфураторов (щелочноземельных металлов). Например, струей аргона вдувают в ковш кальций и его соединения.

Обработка стали редкоземельными металлами сопровождается уменьшением содержания серы, а также неметаллических включений. Редкоземельные элементы в виде "мишметалла" (сплавы церия, лантана, неодима и празеодима или ферроцерия) вводят в ковш или изложницу при разливке после раскисления стали. Кроме того, возможна присадка бора для обработки жидкой стали.

Редкоземельные и щелочноземельные элементы, а также бор, обладая высоким сродством к кислороду, являются активными раскислителями стали. Они нейтрализуют отрицательное влияние легкоплавких примесей, располагающихся по границам и в местах дефектов зерен. Вместо легкоплавких включений по границам зерен и межосевым: пространствам дендритов в первую очередь кристаллизируются устойчивые тугоплавкие соединения, что приводит к повышению прочности стали. Церий, например, активно взаимодействует с серой, висмутом, оловом, свинцом, образуя стойкие химические соединения и очищая тем самым границы зерен. В результате образования и всплытия сульфидов содержание серы в стали снижается в 2–5 раз. Наряду с удалением серы происходит связывание азота в стойкие нитриды, повышающие прочность стали. Бор вводят в сталь в количестве 0,0015%, а редкоземельные металлы – в количестве 0,1–0,5%.

Обработка стали РЗМ, синтетическими шлаками и вакуумированием приводит к одинаковому изменению ее механических свойств: повышению пластических свойств; возрастанию в 1,5–2 раза ударной вязкости; смещению критической температуры хрупкости (порога хладноломкости) в область более низких температур; уменьшению склонности к хрупкому разрушению, чувствительности к концентрации напряжений и анизотропии механических свойств в готовом прокате.

СПОСОБЫ РАЗЛИВКИ СТАЛИ

После выплавки и выпуска жидкой стали в ковш ее разливают в слитки различной формы и массы, служащие заготовками для получения изделий в прокатных и кузнечных цехах. Разливают сталь двумя способами: в специальные формы – изложницы для получения слитков и непрерывным литьем на установках непрерывной разливки стали.

Разливочные ковши состоят из прочного кожуха с цапфами для захвата их краном. В дне ковша имеется отверстие, через которое выливают жидкую сталь при ее разливке. Это отверстие закрывается изнутри ковша стопором через систему рычагов, выведенных на стенку ковша. Внутри ковш и стопор футеруют шамотным кирпичом.

Сталь, выпушенную из печи в разливочный ковш, выдерживают в ковше в течение 5–10 мин для выравнивания ее состава и всплытия присутствующих в ней неметаллических включений и газов.

Применяют изложницы двух форм: с уширением кверху и наличием дна для разливки спокойной стали; с уширением книзу без наличия дна (сквозные) для разливки кипящей и полуспокойной стали. Изложницы без дна ставят при разливке на поддоны.

Слитки для сортового проката (уголки, двутавры и т. д.) имеют круглое или квадратное сечение, слитки для проката на лист – плоские.

Изложницы заполняют различными способами: сверху, непосредственно из ковша или снизу, через вертикальный литник сифонным способом. Из вертикального литника при сифонном способе расплавленная сталь через горизонтальные литниковые ходы поступает снизу в несколько изложниц, заполняя их снизу вверх по принципу сообщающихся сосудов. Вследствие простоты и отсутствия потерь металла в виде литников часто предпочитают разливку стали сверху в изложницы. Так как разливка сверху экономичнее сифонной, то ее применяют для углеродистых и других марок стали. Но поверхность этих отливок неровная, с пленами, поэтому после прокатки требуется дополнительная ее зачистка.

Высококачественные и легированные стали разливают главным образом сифонным способом во избежание потерь дорогостоящего металла на зачистку поверхности. Сифонной разливкой получают, как правило, небольшие слитки массой до 2,5 т. Наиболее часто слитки отливают массой 1–20 т. а в ряде случаев – 100 т и более.

При разливке спокойной стали сверху изложниц устанавливают прибыльные надставки, изнутри футерованные огнеупорной массой, что приводит к более длительному сохранению жидкого состояния стали в них, позволяет питать слиток металлом при усадке. Как известно, при затвердении металл уменьшается в объеме и происходит его усадка. Прибыльная часть слитка в связи с утеплением застывает в последнюю очередь и в ней сосредотачиваются все неметаллические загрязнения и усадочные пустоты, а весь слиток остается практически чистым.

Непрерывную разливку стали для получения слитков осуществляют на установках непрерывной разливки вертикального и радиального типов. Установка вертикального типа представляет собой многоэтажное сооружение. Из разливочного ковша через промежуточное разливочное устройство также в виде ковша сталь заливается непрерывной и равномерной струей в кристаллизатор. Он изготавливается в виде медного с двойной стенкой короба. Кристаллизатор слегка качается вверх и вниз и интенсивно охлаждается проточной водой, что приводит к формированию прочных и плотных стальных слитков. Из кристаллизатора слиток постепенно и непрерывно вытягивается валиками со скоростью, равной скорости кристаллизации слитка. На выходе из кристаллизатора перед тянущими валками непрерывный слиток попадает в зону вторичного охлаждения, где охлаждается водяными душами, в результате чего происходит полное его затвердевание. На выходе из валков непрерывный слиток газорезом разрезается на отдельные слитки требуемой длины.

Установка непрерывной разливки стали радиального типа более подходящая для размещения в современных сталеплавильных цехах. Принцип ее работы аналогичен рассмотренному.

На установках непрерывной разливки стали облегчаются условия труда рабочих и повышается производительность разливки стали и дальнейшей обработки стальных слитков. В зависимости от сечения и формы слитков одноручьевая установка непрерывной разливки стали может выпускать 20–150 т/ч слитков.