Материаловедение 5 (стр. 4 из 16)

В конвертерном производстве стали 70-85% металлошихты составляет жидкий чугун, остальное —лом.

Технологический процесс начинается с загрузки скрапа. Затем заливается необходимое количество жидкого чугуна с температурой более 1320 °С. Загрузка и заливка конвертера вместимостью 300 т продолжаются 5 мин.

В поставленный вертикально конвертер заводится фурма и начинается продувка металла кислородом. Подвод кислорода интенсивен, поэтому реакции окисления примесей в конвертере протекают с высокой скоростью. Начало продувки совмещается с загрузкой в конвертер флюсов и металлодобавок. При окислении примесей под фурмой развивается температура до 2500 °С, что способствует более быстрому протеканию окисления и шлакообразования.

Более прогрессивной является комбинированная продувка: через днище, верхнюю и боковые фурмы, что позволяет перерабатывать больший процент скрапа.

При воздействии струи кислорода в основном окисляется железо (в ванне его 95%, остальное — примеси) по реакции (3.1). Образующийся оксид железа, растворяясь в шлаке, постоянно перемешивается с металлом. Вследствие этого примеси чугуна на границе металл — шлак интенсивно окисляются оксидом железа по реакциям (3.8)—(3.10). Часть оксида железа растворяется в металле, обогащая его кислородом:

[FeO] = [Fe] + [О].

Поэтому окисление примесей может проводиться также кислородом, вдуваемым в конвертер через фурму, по реакциям (3.2)—(3.4) и кислородом, растворенным в металле, по реакциям (3.5)—(3.7).

В кислородном конвертере благодаря наличию основных шлаков, в которых наряду с СаО имеется оксид железа FeO, и перемешиванию металла и шлака достаточно легко протекает реакция дефосфорации (3.11), образующийся фосфат кальция удаляется в шлак.

Продукты реакции десульфурации (3.18) — сульфиды также удаляются в шлак. Основной шлак в конвертере вследствие значительных количеств в нем оксида железа FeO затрудняет процесс десульфурации. Дополнительно около 10—20% серы в процессе плавки удаляется в газовую фазу.

Продувка конвертера прекращается по достижении заданного химического состава и требуемой температуры металла. Время продувки конвертера вместимостью 300 т составляет 12—20 мин. Для отбора проб конвертер наклоняют, на это отводится 6 мин.

Одновременно с выпуском стали проводится ее раскисление и легирование ферромарганцем, ферросилицием и алюминием, атакже легирующими элементами. Эти операции проводятся либо в конвертере, либо в ковше. Иногда раскислители вводят в струю металла при выпуске плавки (реакции раскисления (3.12)—(3.17)).

Последними операциями плавки являются слив металла и затем шлака, а также осмотр футеровки, их продолжительность 5—10 мин.

Таким образом, передел чугуна в сталь в кислородном конвертере емкостью 300 т составляет в среднем 35—40 мин, что обеспечивает очень высокую производительность процесса — 400—500 т/ч стали. Производительность мартеновских печей и электропечей составляет около 80 т/ч. В кислородно-конвертерных цехах выпуск стали на одного работающего на 30—50% больше, чем в мартеновских цехах.

В настоящее время разработаны модели и алгоритмы конвертерного процесса, позволяющие контролировать и регулировать ход плавки.

3.4.3. Производство стали в мартеновских печах

Мартеновский процесс более универсальный по составу металлошихты, значительно уступает кислородно-конвертерному по производительности, трудоемкости и капитальным затратам.

Мартеновский процесс передела чугуна в сталь осуществляется в пламенной отражательной печи, оснащенной системой регенерации, направленной на использование теплоты отходящих при горении газов для подогрева воздуха и газообразного топлива.

Устройство мартеновской печи схематически показано на рис. 3.2. Передняя стенка с завалочными (рабочими) окнами 2, задняя стенка со сталевыпускным отверстием, подом (подиной) и сводом образуют рабочее (плавильное) пространство печи 7.

С торцов плавильного пространства расположены головки 3 для смешивания топлива с воздухом (кислородом), подачи горючей смеси в плавильное пространство и отвода продуктов сгорания. Головки с помощью вертикальных каналов 4 соединены со шлаковиками 5, регенераторами 6и боровами (каналами) 7.

Топливом для мартеновских печей служит природный газ или мазут. На схеме воздух и газ поступают с правой стороны печи. Проходя через предварительно нагретые насадки, воздух и газ нагреваются до 1000—1200 °С. При сгорании топлива в рабочем пространстве возникает факел с температурой 1800—1900 °С, достаточной для расплавления шихты. Кроме того, температура факела обеспечивает нагрев металла до 1600— 1650 °С, что создает условия для выпуска стали и разливки ее. Раскаленные продукты сгорания (дымовые газы) проходят через левую головку, попадают в шлаковики, в которых улавливаются частицы плавильной пыли и шлака, а затем в левые регенераторы. В них газы разогревают насадки. Охлажденные до 500—600 "С дымовые газы из регенераторов проходят по боровам, через котел-утилизатор 9и устройство для очистки газов 10, а затем удаляются с помощью дымовой трубы 11. При достаточном охлаждении насадок правых регенераторов и нагреве левых изменяют направление движения газов с помощью перекидных клапанов 8. Циклы повторяются.

В зависимости от огнеупорных материалов, из которых выполнены пол, стены и свод рабочего пространства, мартеновские печи делятся на основные и кислые.

Наибольшее распространение получила плавка стали в мартеновских печах с основной футеровкой, так как в них можно перерабатывать металлошихту со значительным содержанием серы и фосфора и получать качественную сталь.

В зависимости от загружаемых в печь материалов мартеновский процесс делится на скрап-процесс и скрап-рудный процесс.

Более прогрессивный скрап-процесс характеризуется применением шихты следующего состава: стальной скрап (основная часть), чушковый чугун (25—45%) и другие компоненты.

На под печи с помощью завалочных машин загружают скрап и вперемежку с ним известняк или известь. После этого загружается чугун.

При завалке печи и расплавлении шихты окисляются часть углерода, кремний, большая часть марганца и часть железа. Оксиды кремния, марганца и железа с поднявшейся вверх жидкой известью образуют большое количество основного шлака. Роль шлака при мартеновской плавке велика. Еще при плавлении шихты из печи выпускается так называемый первичный «сбегающий» шлак, уносящий образовавшиеся оксиды.

Главной операцией плавки в мартеновских печах является кипение металла вследствие окисления углерода. Избыточный углерод вводится в ванну с чугуном. Кипение приводит к выравниванию температуры и химического состава ванны, удалению из металла газов, вредных примесей и неметаллических включений. Также поднимается уровень шлака. Тогда отключают подачу топлива, над ванной снижается давление, что позволяет проводить «скачивание» шлака более высокой основности, вместе с которым уходит большая часть фосфора и часть серы. Через некоторое время в печь подается топливо и шлак оседает. Для более полного удаления фосфора и серы вновь наводится, уже высокоосновный, шлак. В случае необходимости сталь легируют. Периоды кипения, раскисления и легирования называют еще общим периодом рафинирования стали.

Общая продолжительность плавки в основных мартеновских печах вместимостью 180—600 т составляет 6—10,5 ч.

3.4.4. Производство стали в электропечах

Электросталеплавильный процесс более совершенный, чем кислородно-конвертерный и мартеновский, поэтому он находит все большее применение. Это определяется возможностью получения качественной и высоколегированной стали, практически неограниченным сортаментом выплавляемой стали, использованием для нагрева металла электрической энергии.

Корпус дуговой электрической печи (рис. 3.3) состоит из кожуха 5 (части корпуса выше порога рабочего окна 3), днища 2 и сливного носка 10. Корпус состоит из наружной стальной обечайки с внутренней футеровкой (основной или кислой). В корпусе печи имеются два отверстия: рабочее окно 3 — для управления ходом плавки, загрузки ферросплавов, взятия проб и скачивания шлака, а также летка для слива готовой стали и шлака. Рабочее окно закрывается заслонкой 4. Наклоны печи в сторону рабочего окна (10—15°) или сливного желоба (40—45°) осуществляются с помощью специального механизма 11 с гидравлическим приводом 1.

Съемный свод Охарактеризуется наименьшей долговечностью футеровки. В своде имеются отверстия, через которые пропускаются три графитизированных электрода 7диаметром 300—610 мм. В электропечах электрический ток (напряжением 115—600 В и силой 10—50 кА) подводится к электродам электрододержателями 8и гибкими кабелями 9. Емкость печей составляет 0,5—200 т.В дуговых электропечах прямого нагрева (рис. 3.3, а) дуга горит между электродами и расплавляемым металлом. Часть энергии дуги выделяется непосредственно на металле. Большая часть лучистой энергии дуги также попадает на поверхность металла. Таким образом, в малых объемах концентрируются большие мощности, что приводит к нагреву металла до высоких температур. При этом легко контролируются и регулируются расход теплоты и изменения температуры.

Рис. 3.3. Схемы дуговых электропечей: а — прямого нагрева; б — косвенного действия

Электродуговые печи прямого нагрева характеризуются значительным испарением легкоплавкого металла в зоне дуги, поэтому наиболее пригодны для плавления стали.