Безпалько В.И. Технология конструкционных и трубопроводо-строительных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

поступают через бункер 2 в загрузочные вагонетки (скипы) 1, Аг-

ломерат, руду, флюс и кокс, поступающие в печь в определен-

ном соотношении, называют шихтой. Скиповый подъемник пред-

ставляет собой наклонный рельсовый мост, по которому движут-

ся две вагонетки. Скип поднимается стальным канатом до верхней

точки рельсового моста и опрокидывается. Через загрузочное уст-

ройство 4 шихта попадает в доменную печь. Печь состоит из ко-

лошника 5, шахты 6, распара 7, заплечиков 10 и горна 9.

Доменные печи, как и все шахтные печи, работают по прин-

ципу противотока. Сверху опускаются шихтовые материалы, а снизу

им навстречу движутся газы, образующиеся в процессе горения

топлива.

Сущность доменной плавки сводится к раздельной загрузке в

верхнюю часть доменной печи {колошник) шихтовых материалов,

располагающихся в шахте печи слоями. В результате нагрева ших-

ты за счет горения кокса во вдуваемом горячем воздухе в печи

идут сложные физико-химические процессы, приводящие к по-

степенному опусканию шихты навстречу поднимающимся горя-

чим газам. В результате взаимодействия компонентов шихты и га-

зов в нижней части печи {горне) образуются два несмешиваю-

щихся жидких слоя — чугун и шлак.

Колошник имеет цилиндрическую форму и предназначен для

загрузки шихты в печь и отвода газов. Он оборудован литыми сталь-

ными сегментами, защищающими огнеупорную футеровку от раз-

рушения при ударах загружаемой в печь шихты.

Загрузочное устройство, расположенное над колошником и

состоящее из двух поочередно опускающихся конусов, подает в

домну в определенной последовательности составляющие шихты.

Из скипа материалы сначала попадают на малый конус, а затем

на большой. Для обеспечения более равномерной загрузки шихты

большой конус поворачивается вокруг оси. Малый и большой ко-

нусы опускаются попеременно, предотвращая тем самым выброс

доменных газов и пыли из печи в атмосферу.

Расширяющаяся книзу шахта обеспечивает опускание мате-

риалов и способствует равномерному распределению газов по се-

чению печи. В шахте происходят процессы восстановления окси-

дов железа.

Ниже шахты расположена самая широкая цилиндрическая часть

доменной печи — распар. Здесь происходит плавление пустой по-

роды и флюсов с образованием шлака, которое заканчивается в

заплечиках, имеющих форму сужающегося книзу усеченного ко-

нуса. Нижнее основание заплечиков имеет меньший диаметр за

счет сокращения объема материалов при их плавлении.

Расположенный еще ниже горн имеет цилиндрическую форму

В верхней части горна расположены водоохлаждаемые медные

фурмы, через которые в доменную печь поступает нагретый воз-

дуx Здесь происходит горение кокса, а в нижней части горна — на

лещади 8 скапливаются жидкие чугун и шлак, которые периоди-

чески выпускаются через специальные отверстия — летки. Чугун-

ная летка расположена на 0,5 м выше лещади, а шлаковая — на

1,5 м. Постоянно остающийся на лещади полуметровый слой жид-

кого чугуна предохраняет ее от разрушения. Жидкий чугун в отли-

чие от шлака выпускают реже — каждые 2...3 ч (в крупных печах

ежечасно) поочередно через две или три летки, которые для это-

го вскрывают с помощью электробура.

Чугун выпускают в чугуновозные ковши, шлак — в шлаковоз-

ные чаши. Чугунные и шлаковые летки между выпусками чугуна и

шлака забиваются пробкой из огнеупорной глины с помощью

электромагнитной пушки.

Доменная печь оснащена несколькими воздухонагревателями —

кауперами. Их число обычно не менее трех (чаще четыре), из кото-

рых один нагревается отходящими газами, другой нагревает хо-

лодный воздух, а третий находится в резерве. На схеме показаны

два воздухонагревателя {13 и 14). Воздуходувная машина подает

холодный воздух в воздухонагреватель 14, где он проходит через

разогретую насадку, нагревается до 1 200... 1 300 °С и поступает че-

рез фурмы в доменную печь. Насадка воздухонагревателя 13 нагре-

вается за счет теплоты от горения доменного и природного газов,

поступающих к его горелкам после устройства газоочистки //. Про-

дукты горения удаляются через дымовую трубу 12. Когда насадка

воздухонагревателя 14 остынет, а воздухонагревателя 13 разогре-

ется, происходит их автоматическое переключение. Подогрев дутья

позволяет существенно интенсифицировать доменный процесс.

Для повышения производительности доменных печей и эко-

номии кокса успешно применяются дутье постоянной влажно-

сти, повышенное давление под колошником, обогащенное кис-

лородом дутье и вдувание через фурмы природного газа, мазута и

угольной пыли. Все основные процессы — подготовка и загрузка

шихтовых материалов, подогрев и обогащение дутья, обеспече-

ние нормального хода работы печи, выпуск и транспортирование

чугуна и шлака — механизированы и автоматизированы.

Физико-химические процессы, протекающие в различных зо-

нах доменной печи, определяются существующими там темпера-

турными условиями.

Условно процесс, протекающий в доменной печи, можно раз-

делить на следующие этапы: горение углерода топлива и образо-

вание восстановителей, разложение компонентов шихты, восста-

новление оксидов, науглероживание железа и образование чугу-

на, шлакообразование. Эти этапы происходят в печи одновремен-

но, но с различной интенсивностью и на разных уровнях печи.

При загрузке в колошник шихтовые материалы попадают в

область низких температур 200... 300 °С. По мере опускания мате-

риалов окружающая температура повышается, достигая максиму-

ма 1 900...2 100°С на уровне фурм (через которые подается горя-

чий воздух) и снижаясь до 1 450 °С в горне.

На уровне фурм раскаленный кокс сгорает в струе нагретого

воздуха с выделением большого количества теплоты Q:

С + О

= СО

+ Q

Образующийся углекислый газ, поднимаясь, реагирует с твер-

дым углеродом кокса и восстанавливается до оксида углерода. Эта

реакция идет с поглощением теплоты Q:

СО

+ С = 2СО - Q

В результате образуется восстановитель СО, который в присут-

ствии железа диссоциирует по реакции

2СО = С + СО

с образованием атомарного {сажистого) восстановителя.

Главная цель доменного процесса состоит в восстановлении

железа из его оксидов. Этот процесс может осуществляться окси-

дом углерода (СО), углеродом и водородом, который образуется

из влаги и природного газа, поступающих в печь при дутье. Глав-

ную роль в восстановлении оксидов железа играет оксид углерода

и атомарный (сажистый) углерод.

Восстановление оксидов железа идет по следующей схеме:

-» Fe

-» FeO -> Fe

Встречая руду, оксид углерода восстанавливает оксиды желе-

за, превращаясь в углекислый газ:

3Fe

+ СО = 2Fe

+ СО

+ СО = 3FeO + СО

FeO + СО = Fe + СО

Восстановление железа оксидом углерода называют непрямым

или косвенным восстановлением. Суммарный тепловой эффект кос-

венного восстановления положителен. Этот процесс протекает в

нижней части шахты доменной печи при сравнительно низких

температурах.

Прямым восстановлением называют восстановление железа твер-

дым углеродом кокса. Восстановление твердым углеродом в ос-

новном происходит по следующим реакциям:

3Fe

+ С = 2Fe

+ CO

+ С = 3FeO + CO

FeO + С = Fe + CO

Эти реакции эндотермические (идут с поглощением теплоты)

и протекают при более высоких температурах в зоне распара и

верхней части заплечиков доменной печи.

При температурах выше 900... 1 000 °С оксид железа (FeO) вос-

станавливается только прямым путем. Обычно в доменной печи

газами, т.е. косвенным путем, восстанавливается примерно

60... 70 % Fe, а твердым углеродом (прямым восстановлением) —

30...40 %. После завершения процесса восстановления при темпе-

ратуре 1 300... 1 400 °С железо находится в твердом состоянии и име-

ет вид пористой губчатой массы.

При взаимодействии губчатого железа с оксидом углерода или

непосредственно с углеродом происходит науглероживание желе-

за с образованием карбида железа (цементита) Fe

3Fe + 2СО = Fe

C + СО

3Fe + C=Fe

Цементит хорошо растворяется в железе, в результате чего об-

разуется сплав железа с углеродом, имеющий более низкую тем-

пературу плавления, чем у чистого железа. В высокотемператур-

ных зонах (распаре, заплечиках) такой сплав (чугун) переходит в

жидкое состояние и стекает в горн. Одновременно с восстановле-

нием и науглероживанием железа происходит восстановление ок-

сидов кремния, марганца, фосфора, некоторых других элементов

и их растворение в металле.

Весь фосфор, попавший в доменную печь с шихтовыми мате-

риалами, восстанавливается и полностью переходит в чугун. Регу-

лирование концентрации фосфора в чугуне возможно лишь соот-

ветствующим подбором шихты. Основным источником другой вред-

ной примеси — серы являются кокс, в меньшей степени — руда и

известь. Примерно половина серы удаляется с колошниковыми

газами в виде SO

и H

S в верхних горизонтах печи. Необходимы-

ми условиями более полного удаления серы (десульфурации) яв-

ляются избыточное содержание извести в шлаках, их высокая ос-

новность, а также высокая температура в горне доменной печи.

Сера находится в металле в виде хорошо растворимого в нем суль-

фида железа FeS. Ее удаление происходит в ходе реакции

FeS + СаО = CaS + FeO

Сульфид кальция нерастворим в чугуне и переходит в шлак.

Образование шлака начинается в области распара при темпе-

ратуре около 1 200 °С в процессе сплавления пустой породы с из-

вестью. Образующийся шлак стекает в горн, скапливается над слоем

чугуна и периодически выпускается через шлаковую летку. Шлак

состоит главным образом из основных и кислых оксидов. Важней-

шей характеристикой доменного шлака является его основность,

которая характеризуется отношением суммы кислотных оксидов

к сумме основных. Степень основности шлака определяется из

соотношения: (SiO

+ А1

)/(СаО + MgO).

Степень основности шлаков при выплавке разных чугунов и

ферросплавов колеблется в пределах от 0,9 до 1,4. Чем выше ос-

новность, тем легче происходит десульфурация чугуна.

При выпуске из печи чугун стекает по желобу в специальные

чугуновозные ковши вместимостью до 100 т, в которых по желез-

нодорожным путям он направляется либо на разливочную маши-

ну, либо, в случае передела в сталь, его сливают в специальные

обогреваемые копильники — миксеры. Выдержка в миксере спо-

собствует выравниванию химического состава чугуна.

Разливочная машина представляет собой замкнутый конвейер

из чугунных форм, в которые заливается чугун. Чугун в них за-

твердевает, охлаждается, после чего формы опрокидываются и

полученные чугунные чушки массой до 45 кг попадают прямо в

железнодорожные вагоны для отправки на другие заводы. Все опе-

рации при работе разливочной машины механизированы и авто-

матизированы.

2.2.5. Продукты доменного производства

и их использование

Продуктами доменного производства являются чугун, шлак и

доменный газ.

Чугун выплавляют в зависимости от назначения трех сортов:

передельный, литейный и специальный (ферросплавы).

Передельный чугун идет на переработку в сталь, его производ-

ство составляет более 80 %. Как правило, он направляется в жид-

ком виде из доменного цеха в расположенный рядом сталепла-

вильный цех.

Литейный чугун используется в качестве шихты при плавке чу-

гуна в литейных цехах. В основном он используется в виде чушек.

Его выпускают около 16% от всего производства чугуна. Литей-

ный чугун содержит повышенное количество кремния.

Доменные ферросплавы применяют при производстве стали (как

присадки и для раскисления) в сталеплавильных печах. Их вы-

плавляют примерно 4 % от всего производства чугуна. Ферроспла-

вы отличаются от передельных и литейных чугунов повышенным

содержанием марганца и кремния.

Шлак. Образующиеся при плавке чугуна доменные шлаки обыч-

но подвергают грануляции водой для получения мелкозернистой

массы. Их широко используют для изготовления цемента, кирпи-

чей, шлакоблоков и других строительных материалов.

Газы, выделяющиеся из доменной печи, называют колошнико-

выми. С ними вместе из печей выносится огромное количество пыли

(50 кг на 1 т чугуна). Газ содержит 26...32% СО, 9... 14% СО

54...58% N. Теплотворная способность такого газа 4000 Дж

(850...950 кал) на 1 м

, поэтому его широко используют после

очистки от пыли как топливо для подогрева воздуха, идущего в

доменные печи, для нагрева ковшей и т.д.

2.2.6. Технико-экономические показатели работы

доменной печи

Основными показателями работы доменной печи являются

коэффициент использования полезного объема (КИПО) и рас-

ход кокса на 1 т выплавленного чугуна. КИПО представляет собой

отношение полезного объема печи К (объема от уровня чугунной

летки до максимального уровня засыпки сырых материалов) к

суточной выплавке чугуна G, м

/т: КИПО = V/G.

Чем меньше численное значение КИПО, тем лучше работает

доменная печь и более форсированно ведется плавка. Значения

КИПО колеблются в широких пределах (0,5... 1,3 м

/т) и зависят

от содержания железа в руде, подготовки шихтовых материалов и

сорта выплавляемого чугуна. У хорошо работающих печей КИПО

находится в пределах 0,6...0,75.

Стоимость кокса составляет 40... 50 % от стоимости чугуна. Удель-

ный расход кокса зависит от качества шихты, температуры нагре-

ва дутья и его обогащения кислородом, а также восстановитель-

ной способности газов. Средний удельный расход кокса на 1 т

передельного чугуна составляет 550 кг и при повышении интен-

сификации процесса снижается.

Важными мероприятиями для дальнейшей интенсификации

процесса являются увеличение полезного объема доменных пе-

чей, обогащение дутья кислородом, использование природного

газа, улучшение подготовки шихты, замена железной руды агло-

мератом и окатышами, автоматизация всех процессов.

2.3. Производство стали

2.3.1. Физико-химические процессы получения стали

Сталь по сравнению с чугуном содержит меньшее количество

углерода и, как правило, имеет пониженное содержание крем-

ния, марганца, фосфора и серы. Для получения стали из чугуна

необходимо снизить содержание этих элементов путем окисли-

тельной плавки, проводимой в сталеплавильных агрегатах.

Основными способами производства стали являются плавка в

кислородных конвертерах, плавка в мартеновских и электричес-

ких печах.

Для выплавки стали используются следующие исходные ма-

териалы: металлошихта (лом), металлодобавки, флюсы и окис-

лители.

Основная масса металлошихты — передельный чугун и сталь-

ной лом. В состав металлошихты могут входить также продукты

прямого восстановления железа из руд и ферросплавы.

Металлодобавки в виде ферросплавов вводятся в сталь для ее

раскисления и легирования.

Флюсами (добавочными материалами) являются известняк, бок-

сит и плавиковый шпат. Известняк способствует образованию шла-

ка, а боксит и плавиковый шпат делают его жидкоподвижным.

Для окислительных процессов источником кислорода является

газовая среда (кислород, печная атмосфера) или твердые окис-

лители (железная руда, агломерат, окатыши, окалина).

Выбор материала футеровки сталеплавильных агрегатов опре-

деляется составом и свойствами шлаков, образующихся в процес-

се плавки. В соответствии с этим различают кислый и основный

сталеплавильные процессы, осуществляемые в основных конвер-

терах, кислых и основных мартеновских и электродуговых печах.

Рассмотрим для примера основный сталеплавильный процесс.

Железо при взаимодействии с кислородом окисляется по ре-

акции

(2.1)

Газы — окислители печной атмосферы, взаимодействуя с ме-

таллом, окисляют и другие элементы, растворенные в металле, в

(2.2)

(2.3)

(2.4)

Окисление примесей также может происходить растворенным

в металле кислородом:

(2.5)

(2.6)

(2.7)

* Элементы, стоящие в квадратных скобках, входят в состав металла, в круг-

лых — шлака.

Элементы с большим химическим сродством к кислороду, чем

железо, окисляются оксидом железа, содержащимся в шлаке:

(2.8)

(2.9)

(2.10)

В сталеплавильном агрегате под шлаком (преимущественно FeO

и СаО) и при сравнительно невысокой температуре из расплава

удаляется фосфор (дефосфорация металла):

(2.11)

Убирая шлак с поверхности металла (скачивание шлака) и

наводя новый (путем подачи флюса требуемого состава), можно

удалить значительную часть вредных примесей (серы и фосфора)

из металла.

Регулирование состава шлака с помощью флюсов является од-

ним из основных путей управления металлургическим процессом.

Когда окисление примесей почти завершено, начинают обра-

зовываться оксиды железа. Растворяясь в стали, они повышают в

ней содержание кислорода. Кислород ухудшает прочность и в осо-

бенности пластичность и вязкость стали, что способствует появ-

лению трещин при ее пластическом деформировании. Поэтому

обязательной завершающей операцией при выплавке стали явля-

ется ее раскисление, т.е. уменьшение содержания в ней кислорода

до допустимых норм. Для этого раскисление проводят путем ввода

в сталь элементов (раскислителей) с большим сродством к кис-

лороду, чем железо. Образующиеся оксиды уходят в шлак. В каче-

стве раскислителей используют кремний (в виде ферросилиция),

марганец (ферромарганец), алюминий и щелочно-земельные ме-

таллы (ЩЗМ).

В сталеплавильных агрегатах применяют осаждающее раскисле-

ние по реакциям:

(2.12)

(2.13)

(2.14)

Образующиеся оксиды имеют меньшую плотность по сравне-

нию со сталью и удаляются в шлак. Однако часть их остается в

стали, что снижает ее качество.

В агрегатах с окислительной атмосферой (конвертеры, марте-

новские печи) иногда используется диффузионное раскисление:

(2.15)

(FeO) + С = СО + [Fe] (2.16)

3(FeO) + 2A1 = (A1

) + 3[Fe] (2.17)

В этом случае раскислители в мелкоизмельченном виде загружа-

ют на поверхность шлака. Восстанавливая оксид железа, раскисли-

тели уменьшают его содержание в шлаке и способствуют переходу

оксида железа, растворенного в стали, в шлак. Образующиеся при

таком способе раскисления оксиды остаются в шлаке, а восстанов-

ленное железо переходит в сталь, что уменьшает содержание в ней

неметаллических включений и повышает ее качество.

Для удаления серы наводят шлак с большим содержанием СаО.

К этому времени ванна с металлом доводится до высокой темпе-

ратуры. Сера в виде сульфидов удаляется в шлак:

[FeS] + (СаО) = (CaS) + (FeO) (2.18)

Образующееся соединение (CaS) растворимо в шлаке, но не

растворяется в железе, в результате чего оно переходит в шлак.

При выплавке стали в печи с кислой футеровкой процесс про-

текает при кислом шлаке (55...58 % SiO

). Условия для раскисле-

ния стали более благоприятные: кремнезем, обладающий силь-

ными кислотными свойствами, связывает FeO в соединение типа

FeO • SiO

. После длительной выдержки под кислым шлаком со-

держание оксида железа в стали резко уменьшается. Окончательно

сталь раскисляют небольшой добавкой ферромарганца.

В зависимости от степени раскисленности выплавляют кипя-

щие, спокойные и полуспокойные стали.

Кипящая сталь раскисляется в печи неполностью. Ее раскисле-

ние продолжается в изложнице при взаимодействии содержащих-

ся в металле оксида железа и углерода. Образующийся в результа-

те реакции

FeO + С = Fe + CO

оксид углерода выделяется из стали, способствуя удалению из нее

азота и водорода. Газы выделяются из стали в виде пузырьков,

вызывая ее кипение. Кипящая сталь практически не содержит не-

металлических включений — продуктов раскисления и поэтому

обладает хорошей пластичностью. Газовые пузыри, оставшиеся в

большом количестве в теле слитка, устраняются при последую-

щей горячей прокатке.

Спокойная сталь получается при полном раскислении ее в печи

и ковше при последовательном раскислении металла ферромар-

ганцем, ферросилицием и алюминием. После введения раскисли-

телей выделение пузырьков оксида углерода прекращается и ме-

талл «успокаивается». Эта сталь наиболее качественная, но и наибо-

лее дорогая. В верхней части слитка образуется усадочная ракови-

на, значительно снижающая выход годного металла за счет того,

чтоо эту часть слитка впоследствии удаляют и отправляют в пере-

плав.

Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность

между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и

ковше, а частично в изложнице в результате взаимодействия ок-

сида железа и углерода, содержащихся в стали.

В случае необходимости плавку завершают легированием — вво-

дом в сталь легирующих элементов.

Легирование стали осуществляют введением в расплав ферро-

сплавов или чистых металлов в необходимом количестве. Легиру-

ющие элементы, сродство к кислороду которых меньше, чем у

железа (Ni, Co, Мо, Си и др.), при плавке и разливке практичес-

ки не окисляются, и поэтому их вводят в печь в любое время

плавки (обычно вместе со стальной шихтой). Легирующие эле-

менты, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si,

Mn, A1, Cr, V, Ti и др.), вводят в металл при его раскислении

или после него, а иногда непосредственно в ковш.

2.3.2. Основные компоненты в сталях

Постоянными компонентами в углеродистых сталях являются

углерод, марганец, кремний, сера, фосфор, а также скрытые ком-

поненты в виде примесей-газов (кислорода, азота и водорода).

Кроме того, в этих сталях присутствуют такие случайные компо-

ненты, как Сг, Ni, Си и др., наличие которых обусловлено за-

грязненностью шихтовых материалов.

Полезными компонентами являются марганец и кремний, ко-

торые, как правило, содержатся в шихте. Их также вводят в сталь

при ее раскислении:

FeO + Mn -» Fe + MnO

2FeO + Si -> 2Fe + SiO

Марганец является необходимой примесью в количестве

0,4...0,8 % при производстве различных сталей. В этих пределах он

полностью растворяется в феррите и упрочняет его, увеличивает

прокаливаемость стали. Марганец, устраняя вредное влияние вклю-

чений оксида железа (FeO), способствует получению плотных сталь-

ных слитков (без газовых пузырей). В отличие от других раскислите-

лей (кремния и алюминия) марганец при взаимодействии с серой

FeS + Mn -> MnS + Fe

предотвращает образование сульфидов железа, повышенное со-

держание которых является причиной хрупкости стали, особенно

при высоких температурах {красноломкость стали).

Кремний при раскислении стали, как и марганец, устраняет

вредное влияние оксида железа и способствует получению плот-

48 49

ных слитков. Кремний повышает предел текучести стали и умень-

шает ее склонность к хладоломкости. Содержание кремния в угле-

родистых сталях находится в пределах от 0,3 до 0,5 %.

Вредными примесями в стали являются сера и фосфор. Основным

источником серы в стали является исходное сырье — передельный

чугун. Сера снижает пластичность и вязкость стали, способствует ее

красноломкости при прокатке и ковке. Сера образует хорошо ра-

створимое в железе соединение FeS (сульфид железа). Благодаря

высокой ликвации серы в стали может образоваться легкоплавкая

эвтектика Fe — FeS (t

= 988 °С), которая располагается по грани-

цам зерен. При нагреве стальных заготовок до температур горячей

деформации включения легкоплавкой эвтектики придают стали

хрупкость, а при некоторых условиях могут плавиться и при де-

формировании заготовки образовывать в ней трещины и надрывы.

Поэтому содержание серы в стали должно быть минимальным.

Основной источник фосфора в стали — руды, из которых вы-

плавляется исходный чугун. Фосфор является вредной примесью,

способной в количестве до 1,2 % растворяться в феррите. Раство-

ряясь в феррите, фосфор уменьшает его пластичность. Фосфор

резко отличается от железа типом кристаллической решетки, ди-

аметром атомов и их строением, тем самым сильно искажает ре-

шетку феррита, делая его хрупким. Обычно включения фосфора

располагаются вблизи границ зерен и способствуют их охрупчи-

ванию, повышая температурный порог хладноломкости.

Скрытые примеси — кислород, азот и водород находятся в ста-

ли в виде твердого раствора в феррите, или образуют химические

соединения (нитриды, оксиды), либо присутствуют в свободном

состоянии в порах металла. Кислород и азот мало растворимы в

феррите. Они загрязняют сталь хрупкими неметаллическими вклю-

чениями, способствуя снижению вязкости и пластичности стали.

Водород находится в стали в виде твердого раствора и особенно

сильно увеличивает ее хрупкость. Повышенное содержание водо-

рода, особенно в хромистых и хромоникелевых сталях, приводит

к образованию внутренних трещин — флокенов.

Даже небольшие концентрации газов оказывают резко отрица-

тельное влияние на свойства стали, ухудшая ее пластические ха-

рактеристики. Поэтому важной операцией для улучшения свойств

стали является вакуумирование, т.е. проведение плавки и разливки

стали при пониженном давлении, в результате чего происходит

частичное удаление газов из жидкой стали (см. подразд. 2.3.8).

2.3.3. Влияние легирующих элементов на свойства стали

Легирующими элементами называют специальные добавки,

вводимые в сталь для изменения ее строения и свойств. Стали,

содержащие легирующие элементы, называются легированными.

Появление и широкое распространение легированных сталей

обусловлено непрерывным ростом требований, предъявляемых к

материалам по мере развития и совершенствования техники. Ле-

гирование стали изменяет ее механические свойства (прочность,

пластичность, вязкость), физические (электропроводность, маг-

нитные характеристики, радиационная стойкость) и химические

свойства (коррозионная стойкость в разных средах).

Концентрация некоторых легирующих элементов может быть

очень малой. Легирование стали, когда концентрация вводимо-

го элемента составляет 0,1 % и менее, называют .микролегирова-

нием.

Основными легирующими элементами являются Mn, Si, Cr,

Ni, W, Mo, Co, Ti, V, Zr, Nb и др. Легирующие элементы по-

разному влияют на свойства стали.

Марганец повышает прочность, износостойкость, а также глу-

бину прокаливаемости стали при термической обработке.

Кремний способствует получению более однородной структу-

ры, положительно сказывается на упругих характеристиках ста-

ли, способствует повышению магнитных свойств стали, а при

содержании его в стали в количестве 15... 20 % придает ей кисло-

тоупорность.

Хром повышает твердость, прочность, а при термической об-

работке увеличивает глубину прокаливаемое™ стали, оказывает

положительное влияние на жаропрочность и жаростойкость, по-

вышает коррозионную стойкость стали.

Никель действует так же, как и марганец. Кроме того, он повы-

шает электросопротивление стали и снижает значение коэффи-

циента линейного расширения.

Вольфрам уменьшает величину зерна, повышает твердость и

прочность, улучшает режущие свойства стали при повышенной

температуре.

Молибден действует, как и вольфрам, а также повышает корро-

зионную стойкость стали.

2.3.4. Кислородно-конвертерный процесс

В основе конвертерного процесса лежит обработка жидкого

чугуна газообразными окислителями без подвода извне дополни-

тельной теплоты. Процесс выплавки стали в конвертере осуще-

ствляется только за счет химической теплоты экзотермических

реакций окисления примесей с учетом физической теплоты жид-

кого чугуна. Продувка чугуна производится сверху или через дни-

ще в специальных агрегатах — конвертерах. Конвертерную плавку

характеризует высокая производительность за счет большой реак-

ционной поверхности металл — окислитель и высокой скорости

окисления примесей.

Современные кислородные кон-

вертеры имеют корпус грушевидной

формы, выполненный из стального

листа. Внутри конвертер футерован

основными огнеупорными материа-

лами (магнезитовый или хромомаг-

незитовый кирпич, магнезитовый

порошок или доломит). Футеровка

выдерживает без дополнительной об-

работки до 2 000 плавок.

Кислородные конвертеры (рис.

2.2) имеют горловину 3 в виде усе-

ченного конуса с леткой 1 для вы-

пуска стали, цилиндрический кор-

пус 4 и полусферическое днище 6.

Нижний усеченный конус конвер-

тера служит ванной для металла. Ра-

бочее пространство имеет цилинд-

рическую форму, заполняется ме-

таллом, шлаком и при продувке —

газом. Объем рабочего пространства

в 7—10 раз больше объема, зани-

маемого спокойным металлом. Верх-

ний усеченный конус сокращает

потери металла и теплоты. Через

горловину загружают шихтовые ма-

териалы, отводят образующиеся

газы, сливают шлак и при необхо-

димости ремонтируют футеровку.

Раздельный слив стали и шлака не-

обходим, так как при этом исключается переход серы и фосфора

из шлака в сталь.

Конвертер поворачивается вокруг своей горизонтальной оси

на цапфах 5 при помощи приводных механизмов. Рабочее поло-

жение конвертера вертикальное. По оси конвертера сверху опус-

кается охлаждаемая водой фурма 2, по которой под давлением

1,6... 1,8 МПа подается технически чистый кислород. Вместимость

кислородных конвертеров 50... 500 т.

В конвертерном производстве стали 70...85 % металлошихты со-

ставляет жидкий чугун, остальное — лом.

Рассмотрим технологию плавки и физико-химические процес-

сы, происходящие в кислородном конвертере.

В свободный наклоненный конвертер загружают лом, затем за-

ливают необходимое количество жидкого чугуна с температурой

более 1 320 °С. Загрузка и заливка конвертера вместимостью 300 т

продолжается около 5 мин.

В поставленный вертикально конвертер вводится фурма и на-

чинается продувка металла кислородом. Подвод кислорода интен-

сивен, поэтому реакции окисления примесей в конвертере про-

текают с высокой скоростью. Начало продувки совмещается с за-

грузкой в конвертер флюсов и металлодобавок. При окислении

примесей температура под фурмой поднимается до 2 500 °С, что

способствует более быстрому протеканию процессов окисления и

шлакообразования.

Более прогрессивной является комбинированная продувка: че-

рез днище, верхнюю и боковые фурмы, что позволяет перераба-

тывать больший процент лома.

При воздействии струи кислорода в основном окисляется же-

лезо (в ванне его 95 %, остальное — примеси) по реакции (2.1).

Образующийся оксид железа, растворяясь в шлаке, постоянно

перемешивается с металлом. Вследствие этого примеси чугуна на

границе металл — шлак интенсивно окисляются оксидом железа

по реакциям (2.8) — (2.10). Часть оксида железа растворяется в ме-

талле, обогащая его кислородом:

[FeO] = [Fe] + [О]

Поэтому окисление примесей может проводиться также кис-

лородом, вдуваемым в конвертер через фурму, по реакциям (2.2) —

(2.4) и кислородом, растворенным в металле, по реакциям (2.5) —

(2.7).

В кислородном конвертере благодаря наличию основных шла-

ков, в которых наряду с СаО имеется оксид железа FeO, и пере-

мешиванию металла и шлака достаточно легко протекает реакция

дефосфорации (2.11), образующийся при этом фосфат кальция

удаляется в шлак.

Продукты реакции десульфурации (2.18) — сульфиды также

удаляются в шлак. Основный шлак в конвертере вследствие содер-

жания в нем значительных количеств оксида железа FeO затруд-

няет процесс десульфурации. Дополнительно около 10... 20 % серы

в процессе плавки удаляется в газовую среду.

Продувка конвертера прекращается по достижении заданного

химического состава и требуемой температуры металла. Время про-

дувки конвертера вместимостью 130...300 т составляет 12...20 мин.

Для отбора проб конвертер наклоняют, на это отводится около 6 мин.

Общая длительность плавки в конвертерах составляет 25...50 мин.

Производительность конвертера вместимостью 300 т достигает

400...500 т/ч.

Одновременно с выпуском стали производится ее раскисление

и легирование. Эти операции проводятся либо в конвертере, либо

в ковше.

Последними операциями плавки являются слив стали и шла-

ка, после которых производят осмотр футеровки печи.

Конвертерный процесс является самым высокопроизводитель-

ным способом производства стали. В конвертерах выплавляют ста-

ли обыкновенного качества и качественные, низкоуглеродистые

и низколегированные.

Недостатком кислородно-конвертерного производства являет-

ся большое пылеобразование, связанное с сильным окислением

и испарением железа, что приводит к значительному угару метал-

ла (6...9 %). Величина угара значительно больше, чем при других

способах получения стали. Это требует обязательного сооружения

при конвертерах сложных и дорогостоящих пылеочистительных

установок.

2.3.5. Производство стали в мартеновских печах

Устройство печи. Мартеновская печь является пламенной реге-

неративной печью (рис. 2.3). В рабочем пространстве печи сжигает-

ся газообразное или жидкое топливо. Необходимая высокая тем-

пература для выплавки стали обеспечивается за счет регенерации

теплоты отходящих газов. Мартеновская печь имеет верхнее и ниж-

нее строение.

Верхнее строение мартеновской печи состоит из рабочего про-

странства 6, в котором симметрично расположены головки 5 для

подвода топлива и воздуха и отвода продуктов горения. Головки

соединены с нижним строением печи вертикальными газовыми 3

и воздушными 4 каналами.

Плавильное пространство печи ограничено передней стенкой

с рабочими (завалочными) окнами 9, задней стенкой с выпуск-

ным отверстием, снизу — подиной 7 и откосами, сверху — сво-

дом 8, с торцов — головками 5. Через рабочие окна в печь загру-

жают шихту и по ходу плавки дополнительные материалы, удаля-

ют и наводят шлак, берут пробы металла и шлака. Через отверстие

в задней стенке, находящееся на уровне подины, производят вы-

пуск стали и шлака. На время плавки отверстие забивают магнези-

товым порошком.

Нижнее строение мартеновской печи расположено под рабо-

чей площадкой. Оно состоит из шлаковиков (на рис. 2.3 не показа-

ны), в которых происходит отделение частиц шлака и пыли от

дымовых газов, выходящих из рабочего пространства печи, газо-

вых 1 и воздушных 2 регенераторов с насадками 10 и боровов 11 с

перекидными устройствами 12.

В рассматриваемом рисунке показана работа мартеновской печи

при поступлении топлива и воздуха с правой стороны; стрелками

показано движение газов. В рабочем пространстве печи топливо

смешивается с воздухом и сгорает с образованием факела пламе-

ни, имеющего температуру 1 800... 1 900 "С. Газообразные продук-

ты горения поступают в каналы противоположной левой голов-

ки, затем в вертикальные каналы, шлаковики и регенераторы. Тем-

пература дымовых газов, поступающих в регенераторы, составля-

ет 1 500... 1 550°С.

Регенераторы представляют собой камеры с выложенными в

виде ячеек насадками из шамотного кирпича. При прохождении

дымовых газов насадки одной пары регенераторов, в нашем слу-

чае левых, нагреваются до 1 300... 1 400 °С. После поворота пере-

кидных устройств движение топлива, воздуха и газов меняется на

противоположное. Через один из нагретых регенераторов в рабо-

чее пространство направится газообразное топливо, через дру-

гой — воздух. Проходя через насадки, они нагреваются до

1 100... 1 200 "С. В это время другая пара регенераторов нагревает-

ся, аккумулируя теплоту отходящих газов. После охлаждения на-

садок первой пары регенераторов до определенной температуры

происходит очередной поворот перекидных устройств и процесс

повторяется в обратном направлении. Из регенераторов дымовые

газы идут по боровам в дымовую трубу, по пути проходят через

котел-утилизатор и газоочиститель.

Мартеновские печи, работающие на жидком топливе (мазуте),

с каждой стороны имеют только по одному регенератору для по-

догрева воздуха, что значительно упрощает конструкцию и эксп-

луатацию печей.

В качестве газообразного топлива обычно используют смесь

доменного и коксового газов. В последнее время широко применя-

ют природный газ, который добавляют к коксово-доменной газо-

вой смеси. Воздух для сжигания топлива дополнительно обогаща-

ют кислородом (до 25...30 %). Форсунки и устройства для подачи

мазута, природного газа и кислорода в факел расположены в го-

ловках мартеновской печи.

Обычно применяют стационарные мартеновские печи, но

для выплавки стали из фосфористых чугунов и облегчения ска-

чивания шлака используют качающиеся печи. Рабочее простран-

ство качающихся печей заключено в прочный стальной кожух,

рама которого опирается на катки и имеет возможность повора-

чиваться.

Рабочее пространство печи футеровано огнеупорным кирпи-

чом. В зависимости от вида футеровки различают основные и кис-

лые мартеновские печи.

В основных печах подину и откосы выкладывают основным маг-

незитовым кирпичом, а сверху наваривают слой магнезитового

или доломитового порошка. Подвесной свод выполняют из хро-

момагнезитового кирпича. Использование основной футеровки

позволяет загружать в печь известь, получать основный шлак и

удалять вредные примеси — серу и фосфор.

В кислых печах подину и откосы футеруют динасовым кирпи-

чом, а верхний слой наваривают кварцевым песком. Свод печи

также выполняют из динаса. Из-за невозможности удаления серы

и фосфора кислый процесс применяют значительно реже основ-

ного. В кислых печах в качестве шихты используют либо чистые по

сере и фосфору чугун и стальной лом, либо переливают расплав-

ленный металл из основной печи после удаления из нее вредных

примесей в кислую {дуплекс-процесс: основная — кислая марте-

новская печь). Сталь, выплавленная в кислых мартеновских пе-

чах, содержит меньшее количество растворенных газов, лучше

раскислена, характеризуется меньшим содержанием неметалли-

ческих включений, оптимальной формой и равномерным распре-

делением в объеме металла.

Плавка стали. Обычно основную мартеновскую плавку ведут

скрап-процессом или скрап-рудным процессом.

Скрап-процесс. Плавку стали в основных мартеновских печах

скрап-процессом в отличие от скрап-рудного процесса ведут на тех

заводах, где нет доменных печей и жидкий чугун не производится.

Основный скрап-процесс обычно применяют в печах малой вме-

стимости (до 100 т) на машиностроительных заводах.

Процесс плавки стали в мартеновской печи состоит из несколь-

ких последовательных периодов: заправки печи, завалки шихто-

вых материалов, их плавления, периода кипения или доводки,

раскисления и выпуска металла.

В процессе эксплуатации печи ее под, стенки и откосы изна-

циваются. Для поддержания в рабочем состоянии их поверхность

периодически обновляют, осуществляя заправку печи. Для за-

давки печи применяют обожженный, молотый и просеянный

доломит или металлургический магнезит, а иногда дробленый до-

ломит. На заправку печи затрачивают минимальное время, чтобы

исключить окисление пода. Обычно эта операция занимает не бо-

лее 15 мин. Заправку заканчивают заделкой выпускного отверстия

магнезитовым порошком.

Чем быстрее производят завалку, тем меньше продолжитель-

ность плавки. На под загружают мелкий чистый лом (10... 20 % от

общего количества стального лома в шихте); на лом — известняк

(6...7 % массы металлической шихты). Иногда вместо известняка

применяют известь, что сокращает плавку стали и уменьшает рас-

ход чугуна в шихте. Поверх известняка загружают боксит, после

чего в течение 10... 15 мин прогревают известняк. На прогретый

известняк заваливают передельный чугун (10... 15 % от массы ме-

таллической шихты), затем стальную стружку, на которую пода-

ют крупный лом. После хорошего прогрева металлической части

шихты загружают остальной чугун.

Период плавления в печах, работающих скрап-процессом, длится

условно от конца завалки до полного расплавления шихты и яв-

ляется самым длительным периодом работы мартеновской плав-

ки. Во время плавления чугуна и лома происходит образование

шлака и удаление фосфора. При плавлении полностью окисляют-

ся кремний и частично углерод, марганец, фосфор. Из оксидов

(SiO

, MnO, FeO, CaO) образуется жидкий шлак, покрывающий

металл, в результате чего прекращается непосредственный кон-

такт металла с кислородом печных газов. Дальнейшее окисление

примесей металла происходит через слой шлака за счет раство-

ренного в нем FeO. Фосфор удаляется в результате протекания

следующих экзотермических реакций:

2Р + 5FeO = Р

+ 5Fe + Q

+ 3FeO = P

-3FeO + Q

• 3FeO + ЗСаО = Р

• ЗСаО + 3FeO + Q

Период плавления для дефосфорации наиболее благоприятен:

в это время температура металла низкая и активный железистый

шлак имеет достаточную основность. Во избежание восстановле-

ния фосфора из шлака в металл большую часть шлака после его

расплавления скачивают и наводят новый шлак с введением до-

полнительных порций извести.

В период кипения тепловой режим печи форсируют, вводя не-

большими порциями железную руду для окисления углерода ме-

талла:

С + FeO = Fe + CO - Q

Пузырьки оксида углерода проходят сквозь толщу металла и

вызывают его кипение. При кипении происходит энергичное пе-

ремешивание металла, что облегчает удаление газов, всплытие в

шлак взвешенных неметаллических включений и равномерный

прогрев металла по глубине ванны. Оптимальная длительность

кипения обеспечивается при выгорании 0,4...0,6% углерода.

Эффективная десульфурация стали с удалением серы в шлак

происходит в конце периода кипения:

FeS + СаО = CaS + FeO

Этому способствует высокая температура металла и шлака,

высокая основность шлака и снижение в нем содержания FeO.

После удаления вредных примесей и получения заданной кон-

центрации углерода производят раскисление стали. Этот процесс

проводят в два этапа: предварительное раскисление в печи и окон-

чательное — в ковше. Ферромарганец и доменный ферросилиций

(12% Si) вводят в печь, ферросилиций (45% Si) и алюминий —

в ковш во время выпуска стали. Основным скрап-процессом вы-

плавляют только спокойную сталь.

Если выплавляется легированная сталь, то неокисляющиеся в

стальной ванне легирующие элементы (никель, медь, молибден)

вводят в завалку или по ходу плавки. Слабоокисляющиеся эле-

менты (хром, марганец) вводят в печь в виде ферросплавов после

предварительного раскисления, сильно окисляющиеся элементы

(кремний, титан, ванадий, алюминий, бор) вводят в ковш при

выпуске стали.

Скрап-рудный процесс применяют на больших металлургичес-

ких заводах, имеющих жидкий чугун. Плавку обычно ведут как в

средних, вместимостью 150...400 т, так и в крупных мартеновс-

ких печах вместимостью 600 т и более. В качестве шихты в печь

загружают стальной лом (20...40%) и заливают жидкий чугун

(60...80%). Содержание чугуна в шихте увеличено по сравнению

со скрап-процессом. Из-за повышенного содержания примесей

окислительные процессы форсируют, вводя в завалку твердые

окислители — железную руду или агломерат, что и определяет

название процесса. Основные периоды и протекающие при этом

реакции те же, что и при скрап-процессе.

Для интенсификации процесса в период плавления и кипения

металла применяют кислород, который обогащает воздух при сжи-

гании топлива в процессе продувки ванны через специальные

фурмы, расположенные в своде печи. При использовании кисло-

рода производительность мартеновских печей повышается на

20...25% при одновременном снижении расхода топлива на

10...20%.

Скрап-рудным процессом выплавляют углеродистые стали мас-

сового применения, скрап-процессом — углеродистые и легиро-

ванные стали. Вместе с тем скрап-рудный процесс экономичнее

скрап-процесса.

Вместимость современных мартеновских печей достигает 900 т,

а продолжительность плавки — 1... 12 ч в зависимости от вмести-

мости печи и условий производства. Производительность марте-

новских печей зависит от массы плавки, процесса работы печи,

вида топлива и т.д.

Наибольшая производительность достигает 80 т/ч в печах боль-

шой вместимости. Кислые печи имеют, как правило, меньшую

вместимость, чем основные, продолжительность плавки в них

значительно больше, что ведет к снижению их производительно-

сти.

2.3.6. Производство стали в электрических печах

Электроплавка — наиболее совершенный способ получения

стали, имеющий ряд преимуществ по сравнению с производством

стали в конвертерах и мартеновских печах. Простота регулировки

теплового режима и высокие температуры процесса позволяют

использовать шлаки высокой основности, что облегчает более

полное удаление из металла вредных примесей. Восстановитель-

ная атмосфера печи способствует глубокому раскислению стали.

В электрических печах выплавляют высококачественные конструк-

ционные, инструментальные, жаростойкие и другие специальные

стали и сплавы. Для выплавки стали применяют дуговые и индук-

ционные электрические печи.

Дуговые электрические печи. Вместимость наиболее широко

применяемых дуговых печей колеблется в широких пределах от 0,5

до 360 т. Печи средней и большой вместимости обычно использу-

ют на металлургических заводах для получения слитков, а печи

малой вместимости — на машиностроительных предприятиях при

производстве стальных отливок. Источником теплоты в печах яв-

ляется электрическая дуга, которая возникает между графитовы-

ми электродами и металлической шихтой.

Схема устройства дуговой электропечи с тремя электродами

приведена на рис. 2.4. Печь имеет цилиндрический сварной кожух

с плоским или сферическим дном. Изнутри печь футерована огне-

упорным кирпичом. Сверху печи расположен съемный свод 8 с

тремя отверстиями для электродов, снизу — подина 6. Электроды 9

удерживаются электрододержателями и автоматически перемеща-

ются в вертикальной плоскости с помощью механизма подъема и

опускания электродов 10. Механизм наклона печи 3 позволяет ус-

танавливать печь под углом к ее вертикальной оси, при этом сек-

тор наклона печи 5 перемещается по ее опоре 4. При выпуске