Маслакова Л.П. и др. Методическое руководство к практическим работам по курсу Технология конструкционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

Рис.1.16. Схема установки для прямого восстановления железа из

руды: 1 - бункер для окатышей; 2 - грохот; 3 - бункер для просеянной

мелочи; 4 - конвейер; 5 - охлажденные окатыши; 6 - трубопровод; 7 -

установка получения газов восстановителей (H

, CO); 8 - трубопровод;

9 - шахтная печь; 10 - вагонетка.

В - восстановительная зона; 0 - зона охлаждения

Рис. 1.17. Принципиальная схема технологического процесса про-

изводства стали методом прямого восстановления железа из руды

Доменный газ

Конверсия

Железорудные

окатыши

Восстановление

железа из его оксидов

Губчатое железо

(Fe до 90-95%)

Выплавка стали

в электропечах

Природный газ

1.3.2. Принцип передела чугуна на сталь

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода и

других примесей (табл. 1.3). Вне зависимости от способа получения

стали (кислородно-конверторного, мартеновского или плавки в элек-

тропечах) можно выстроить общую принципиальную схему протекания

сталеплавильного процесса. Весь процесс можно разбить на ряд эта-

пов.

Таблица 1.3

Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали

Химический состав, % Материал

С Si Mn P S

Передельный

чугун

4,0-4,4 0,76-1,26 До 1,75 0,15-0,30 0,03-0,07

Сталь низко-

углеродистая

0,14-0,22 0,12-0,3 0,4-0,65 0,05 0,055

Первый этап - это окисление примесей. Следует заметить, что ис-

точником О

могут быть как чистый кислород, так и кислород воздуха,

подаваемого в печь для сжигания топлива:

Fe+1/2O

=FeO+Q;

Si+O

=SiO

+Q;

Mn+1/2 O

= MnO+Q;

4P+5 O

=2P

+Q;

2C+O

=2CO ⁭⁭ +Q;

S+O

=SO

⁭⁭ +Q.

Элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем

железо(Si, Mn), могут окисляться, отнимая кислород у оксидов железа,

входящих в железную руду или окалину, которые добавляют в шихту:

2FeO+Si=2Fe+SiO

+Q;

FeO+Mn=MnO+Fe+Q.

Реакции окисления – экзотермические. Выделение тепла приво-

дит к повышению температуры расплава. В процессе протекания окис-

лительных или окислительно - восстановительных химических реакций

имеет место выделение газообразных веществ (СО, SO

). Всплытие

пузырьков газообразных веществ, образующихся в результате реакций

окисления, вызывает «кипение» ванны расплавленного металла.

Удаление негазообразных оксидов происходит за счет процесса

шлакования, общий принцип которого рассмотрен выше. Процесс идет

как за счет взаимодействия оксидов с флюсом (кислым или основным),

так и за счет взаимодействия образовавшихся оксидов между собой:

SiO

+CaO→CaO·SiO

;

3(FeO)+P

→(FeO)

·P

Процесс удаления вредных примесей серы и фосфора носит на-

звание «рафинирование». Важно отметить, что удаление серы и фос-

фора возможно лишь при использовании основного флюса (извести

СаО). Сера в стали содержится в виде химического соединения FeS, а

если сталь богата марганцем, то в виде MnS:

FeS+CaO→FeO+CaS

;

шлак

MnS+CaO→MnO+CaS

шлак

Удаление фосфора идет по типовой схеме взаимодействия кислого и

основного оксида:

+4CaO→[4(CaO)·(P

)] .

шлак

Заключительным этапом любого сталеплавильного процесса яв-

ляется процесс раскисления. Он может происходить как в печи, так и в

разливочном ковше, куда вводят раскислители либов виде ферроспла-

вов (ферромарганиц, ферросилиций), либо в виде чистого алюминия.

Цель этого этапа - восстановить окисленное на первом этапе железо. В

общем виде химическую реакцию можно

представить так:

FeO+X→Fe+XО,

где Х - элемент, обладающий большим сродством к кислороду, чем же-

лезо. В реальных сталеплавильных процессах – это Si, Mn, C, CO, Al и

др.

Процесс, протекающий по вышеприведенной схеме, носит назва-

ние осаждающего раскисления. В результате данного процесса про-

исходит восстановление железа и образование оксидов MnO, SiO

и др. Образующиеся малорастворимые в металле окислы легко

отделяются от расплава и благодаря меньшей плотности, чем плот-

ность жидкого металла, всплывают в шлак. Как было сказано выше, ре-

акции, протекающие при раскислении, идут с выделением тепла.

При понижении температуры металла в изложнице (при разливке)

течение реакций раскисления может продолжиться. Вновь

образовав-

шиеся оксиды не успевают всплывать и удаляться из металла. В слу-

чае, когда требуется получить особо чистую от неметаллических вклю-

чений сталь, применяют диффузионное раскисление. При данном

методе раскислители подают на поверхность шлака. Восстанавливая

железо из его оксидов, они тем самым понижают концентрацию FeO в

шлаке. В соответствии с законом распределения оксиды железа пере-

ходят из металла в шлак. Процесс идет до тех пор, пока не установится

равновесное распределение закиси железа в шлаке и металле, соот-

ветствующее данным внешним условиям (температура и др.). Преиму-

ществом диффузионного раскисления является достижение высокой

чистоты металла по неметаллическим включениям.

Недостатком дан-

ного способа является высокий угар дорогостоящих раскислителей

(вследствие их реакции с кислородом атмосферы печи). По этой при-

чине метод диффузионного раскисления применяется реже.

Раскисление синтетическими шлаками по своему физико-

химическому принципу схож с диффузионным. В ковш, на дне которого

находится расплав шлака, не содержащего FeO, с большой высоты за-

ливают раскисляемую сталь. Струя металла дробится на капли, контакт

металла со шлаками возрастает. Благодаря этому процесс раскисле-

ния идет с большой скоростью. При этом сталь не только раскисляется,

но и снижается содержание в ней серы и фосфора, а также других не-

металлических включений.

Сталеплавительное производство включает в себя конвертерный,

мартеновский способы

получения стали и плавку в электропечах.

В середине XIX века английский изобретатель Генри Бессимер

предложил способ получения стали путем продувки жидкого чугуна в

конвертере с кислой футеровкой.

Позднее Сидней Томас предложил вести процесс в конвертерах с

основной футеровкой, что позволило получать сталь из жидких чугунов,

содержащих большое количество фосфора. Способ, предложенный

французским металлургом Пьером Мартеном (мартеновский), позволил

использовать для плавки твердые шихтовые материалы (руду, лом, от-

ходы машиностроительного производства). Разработка в середине ХХ

века кислородно-конвекторного способа позволила получать сталь, не

уступающую по качеству мартеновской. Применение электрической

энергии в качестве источника тепла для плавки стали позволяет полу-

чать высокие температуры (до 3500

С), которые при сжигании обычных

видов металлургического топлива, получить не представляется воз-

можным.

В настоящем методическом руководстве представлены лишь ос-

новные технологические параметры вышеуказанных процессов

(табл.1.4-1.6, рис. 1.18-1.24).

1.3.3. Мартеновский способ производства стали

Таблица 1.4

Техническая характеристика мартеновского процесса

Исходные

шихтовые

материалы

Источник

нагрева

(топливо)

Время

плавки,

Емкость

печи, т

Произво-

дитель-

ность, т/ч

Произво-

димые

стали

Жидкий

чугун,

чушковый

чугун, сталь-

ной лом

(скрап),

флюс

Газооб-

разное

(природ-

ный газ),

жидкое

(мазут)

6-9

200-900

100-150

(10т/м

·сут)

Углеро-

дистые и

легиро-

ванные

стали

Рис.1.18. Разновидности мартеновского сталеплавильного про-

цесса

Виды мартеновской плавки

Рудный процесс

Скрап- рудный

процесс

Скрап процесс

Шихта:

-жидкий чугун,

-флюс

Шихта:

-жидкий чугун,

-железная руда,

-ск

ап,

люс

Шихта:

-чушковый чугун,

-скрап,

люс

Химические особенности процесса

Кислый Основной

Рис.1.19. Схема устройства мартеновской (пламенной регенератив-

ной) печи: 1 - регенератор; 2 - зона смешения топлива с воздухом; 3 - ки-

слородная фурма; 4 - загрузочные окна; 5 - передняя стенка; 6 - шихта; 7 -

пламя; 8 - дымовая труба; 9 - лётка для выпуска стали; 10 - задняя стенка;

11 - свод печи; 12 - подина

Недостатком мартеновского процесса является его низкая произ-

водительность (до 150 т/ч). По этой причине в ряде

стран мира данный

способ снят с производства. В нашей стране способ имеет место в силу

исторически сложившихся причин.

Для интенсификации процесса плавки используют следующие

приёмы. В период прогрева шихты с целью повышения температуры

горения топлива в факел подаётся кислород. В период «кипения ме-

талла» кислород через специальные фурмы подаётся в ванну и про-

цесс выгорания кислорода протекает интенсивнее.

Советскими металлургами был разработан способ плавки стали в

двухванновых мартенах (рис.1.20). Две ванны располагаются под еди-

ным сводом. Процессы, протекающие в левой и правой ванне, идут

синхронно.

Когда в левой ванне происходит «кипение металла» кислородные

фурмы опущены вниз и химическая реакция 2С+О

→2CO↑+Q протека-

ет интенсивнее. В это время в правой ванне идет процесс прогрева

шихты, требующий большого количество теплоты. Кислород подается в

печное пространство, захватывая при этом выделившуюся в левой

ванне окись углерода. Химическая реакция 2СО+О

→2CO

+Q способ-

ствует росту температуры и тем самым экономии топлива.

Рис. 1.20. Принципиальная схема двухваннового мартена

1.3.4. Кислородно-конвертерный способ производства ста-

ли

Преимуществом кислородно-конверторного способа производства

стали, безусловно, является высокая производительность процесса.

Благодаря использованию основной футеровки стали, получен-

ные этим способом, содержат минимальное количество серы и фосфо-

ра.

Кислородный конвертер (рис.1.21) представляет собой сосуд гру-

шевидной формы, сваренный из листовой стали и выложенный внутри

основным огнеупорным кирпичом.

Таблица 1.5

Техническая характеристика

кислородно-конвертерного процесса

Исходные

шихтовые

материалы

Источник

нагрева

Время

плавки,

мин

Емкость

печи, т

Произво-

дитель-

ность, т/ч

Произво-

димые

стали

Жидкий

чугун,

добавки:

- лом,

- руда,

флюс (СаО)

Тепло

химиче-

ских реак-

ций окис-

ления

30-45 130-400 До 500 т/ч

Углероди-

стые и

низколе-

гирован-

ные стали

Рис.1.21. Схема устройства кислородного конвертера: 1 - сталь-

ной кожух; 2 - футеровка (основная); 3 - водоохлаждаемая кислороди-

стая фурма; 4 - носок для слива стали; 5 - расплав

1.3.5. Производство стали в электропечах

В электропечах выплавляют специальные стали и сплавы высоко-

го качества. Электрометаллургия имеет ряд теплотехнических и произ-

водственно-технических преимуществ по сравнению с другими спосо-

бами производства стали.

При использовании электрического тока при нагреве и плавке ме-

талла тепловыделение происходит непосредственно в нагреваемом

металле (индукционный нагрев); тепловые потери минимальные. Точ-

ное регулирование температуры позволяет выплавлять стали, содер-

жащие большое число легирующих элементов. Процесс лучше, чем ос-

тальные,

поддаётся механизации и автоматизации.

Рис.1.22. Разновидности плавки стали в электропечах

Таблица 1.6

Техническая характеристика процесса плавки стали

в дуговой печи

Исходные

шихто-

вые ма-

териалы

Источник

нагрева

Время

плав-

ки, ч

Емкость

печи, т

Произво-

дитель-

ность, т/ч

Произво-

димые

стали

Лом,

отходы

литья,

чугун

Электри-

ческая

дуга

3-7 До 400

Расход

энергии

600 КВт·ч/т

Высоколеги-

рованная

сталь

Плавка в электропечах

В дуговых плавильных

печах

В индукционных плавильных

печах

Рис. 1. 23. Схема дуговой плавильной печи: 1 - днище печи; 2 -

желоб; 3 - шихта; 4 - стальной кожух; 5 - боковая стенка; 6 - свод; 7 -

кабель; 8 - электрододержатель; 9 - электрод; 10 - контрольное окно;

11 - поворотный механизм; 12 - под печи

Рис.1.24. Схема индукционной тигельной печи: 1 - вихревые пото-

ки; 2 - свод печи; 3 - индуктор; 4 - тигель