книги из ГПНТБ / Головнина, Т. В. Производство стали с основами товароведения (учебное пособие)

м о с к о в с к и й

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА

имени Г. В. ПЛЕХАНОВА

Кафедра технологии важнейших отраслей промышленности

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ С ОСНОВАМИ ТОВАРОВЕДЕНИЯ

(учебное пособие)

М о с к в а 1 9 7 4

/

Учебное пособие «Производство стали с основами товаро­ ведения» является продолжением изданных ранее учебных пособий: «Сырые материалы доменного производства» и «Доменный процесс производства чугуна», составленных по действующим программам: «Технология важнейших отраслей промышленности» и «Товароведение промышленных материа­ лов и промышленного оборудования», утвержденных Ми­ нистерством высшего и среднего специального образования РСФСР.

В работе изложены современные способы производства стали: конвертерный на воздушной и кислородной продувке, мартеновский процесс и электроплавка, приводятся их тех­ нико-экономические показатели, методы интенсификации про­ цессов и повышения качества стали. Кратко освещены новей­ шие методы производства высококачественной стали и спла­ вов. В пособии также представлены современные способы разливки стали и краткая товароведческая характеристика стали.

© Издание МИ ИХ, 1974 г.

обеспечивала получения высокой температуры, необходимой для выплавки расплавленного металла, отсутствовали и высококачественные огнеупоры, первоначально железо по­ лучали в тестообразном состоянии.

Первым способом получения тестообразного железа был сыродутный. Плавка велась в сыродутном горне (построен­ ном у горы), позднее в невысокой шахтной печи-домнице. Сырьем при сыродутном способе служила железная руда, топ­ ливом—древесный уголь, которые поочередно вводились в

печь. Снизу продувался холодный воздух примитивными спосо­ бами. При сгорании топлива температура в печи повышалась, углерод восстанавливал из руды железо, отдельные кусочки которого в виде спекшейся массы, скапливались на дне, они были загрязнены шлаком. Для удаления шлака масса про­ ковывалась под молотом, куски железа при этом сваривались, прев)ра1цаясь в сварочное железо, однако, некоторое количе­ ство металла при сыродутном способе науглероживалось, об­ разуя чугун, который благодаря малой пластичности долгое время считался нежелательным продуктом; полученные из него изделия называли чушками. Лишь в начале XIV века нашей эры чугун стали использовать для производства желе­ за кричным способом. Расход топлива при сыродутном спо­ собе был очень велик, а производительность низкая, качество сварочного железа невысокое, но за неимением более рента­ бельных процессов он существовал длительное время. В крич­ ном способе процесс плавки проводился в кричном горне. Взамен руды использовался чушковой чугун, который рядами укладывался на древесный уголь. Образовавшаяся тестооб­ разная масса — крица, как и в сыродутном способе, отковы­ валась под молотом для удаления шлака. Кричный способ оказался более рентабельным, повысилось и качество металла.

Во второй половине восемнадцатого века использовалй пудлинговый способ. Пудлингование проводилось в пламен­ ных печах, отапливаемых любым топливом (дрова, каменный уголь и др.). При использовании калорийного топлива тем­ пература в печи повышалась до 1350°, чугун расплавлялся, но по мере окисления примесей металл загустевал, образуя тестообразную массу. Удаление шлака осуществлялось на специальном станке. Качество пудлингового железа было еще выше, а процесс экономичнее предыдущих.

В 1740 году возник первый способ получения жидкой, расплавленной стали. Плавка велась в графитовых тиглях (тигельная сталь). Тигли емкостью около 50 кг обогревались снаружи древесным углем в жаровнях или устанавливались в пламенную печь. В качестве шихты использовалось пудлин­ говое железо, шлак при этом всплывал на поверхность и лег­ ко удалялся. Сталь подвергалась раскислению. Качество ти­ гельной стали было весьма высоким, в тиглях была впервые получена булатная сталь, позднее в тиглях стали выплавлять высококачественную, высоколегированную сталь. Несмотря на значительный расход топлива и малую производительность, способ этот существовал до тридцатых годов текущего сто­ летия и был вытеснен электроплавкой.

КОНВЕРТЕРНЫЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ

БЕССЕМЕРОВСКИЙ СПОСОБ

В 1855 году англичанином Бессемером был предложен способ получения стали продувкой жидкого чугуна воздухом в сосуде грушевидной формы — конвертере. Реакции окисле­ ния примесей чугуна протекают с выделением тепла (экзотермично), этого количества тепла оказалось достаточным для поддержания образующейся стали в расплавленном со­ стоянии. Процесс протекает очень быстро, обеспечивая высо­ кую производительность. Футеровка бессемеровского кон­ вертера — кислая (динасовый кирпич). Основная масса тепла выделяется при окислении кремния, содержание кото­ рого в заливаемом в конвертер чугуне колеблется в пределах 0,7— 1,75%. Вредные примеси в кислом процессе сталеварения

которые не могли перерабатываться бессемеровским спосо­ бом, поэтому в 1878 году англичанином Томасом было пред­

4

ложено использовать в конвертере основную футеровку (маг­ незитовую или доломитовую), что разрешило вопрос об использовании фосфористых чугунов, содержащих около 2% фосфора. Было установлено, что реакция окисления фосфора также протекает с выделением большого количества тепла и потребность в топливе, как и в бессемеровском процессе, отпадает. Кожух конвертера изготавливается из стальных листов, внутри кожуха выкладывается огнеупорная футе­ ровка. Конвертер, устанавливается на двух цапфах и может поворачиваться. Одна цапфа пустотелая, через нее в днище

(горловину) в конвертер из миксера заливается расплавлен­

Окислы кремния, марганца и др. образуют шлак.

Реакции шлакообразования протекают по следующей схеме:

FeO + Si02 = FeO ■БЮг

MnO + Si02 = MnO • БЮг,

образовавшийся шлак всплывает на поверхность. Бессемеровский процесс протекает в три периода: первый

начинается с момента подачи дутья и характеризуется интен­ сивным окислением кремния и марганца, частично окисляет­ ся железо и образуется шлак, из горловины конвертера выры­ вается неяркое, короткое пламя с искрами. Это период шла­ кообразования длится от 3—5 мин. За счет экзотермических реакций окисления этих примесей температура металла по­

5

вышается незначительно, начинает окисляться углерод, окись углерода при выходе из горловины сгорает, образуя яркое, белое пламя высотой 5—6 м. Третий период характеризуется догоранием кремния и марганца, начинает гореть железо, из горловины конвертера выделяется бурый дым (период дыма), что указывает на готовность стали. Таким образом, при отсутствии приборов в конвертере можно выплавлять только мягкую углеродистую сталь, содержащую менее 0,2— 0,3% углерода, хотя не исключается возможность останавли­ вать продувку на заданном содержании углерода. Перед выпуском стали в конвертер вводят раскислители (зеркаль­ ный чугун, ферромарганец, ферросилиций и другие, способ­ ствующие восстановлению железа из закиси (раскисляя сталь). Раскисление проходит по следующим реакциям:

Полученные слитки в основном идут в прокатный цех.

ТОМАСОВСКИЙ СПОСОБ

В томасовском конвертере реакции окисления примесей чугуна также протекают в три периода, но третий, завершаю­ щий период характеризуется горением фосфора, для удале­ ния которого из металла на дно конвертера перед наполне­ нием его чугуном вводят около 10°/0 от жидкого чугуна обожженную известь (СаО). Удаление фосфора протекает по­ следовательно:

В томасовском процессе частично удаляется и сера, на­ ходящаяся в металле в виде сернистого железа и марганца:

FeS + C aO i? CaS + FeO, MnS + CaO iS CaS + MnO .

Однако ввиду обратимости реакций сера полностью не уда­ ляется.

6

Шлак томасовского производства (томас-шлак) содержит до 20% фосфорного ангидрида и используется в качестве фосфорного минерального удобрения. Наличие значительного количества шлака затрудняет введение раскислителей непо­ средственно в конвертер, поэтому они вводятся на дно раз­ ливочного ковша перед наполнением его сталью. Введением раскислителей металл также доводится до заданного ана­ лиза, по содержанию марганца и кремния; введением соответ­ ствующих количеств алюминия можно регулировать размер зерна и качество стали.

По способу раскисления различают сталь спокойную и кипящую. Спокойная сталь полностью раскислена до разлив­ ки, и при наполнении изложниц никакого «кипения» и выде­ ления газов не наблюдается, сталь получается плотной с ми­ нимальной газонасыщенностью; сталь, кипящая до разливки, раскислена неполностью, оставшаяся закись железа, взаимо­

окись углерода частично задерживается в металле, образуя

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ КОНВЕРТЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ НА ВОЗДУШНОЙ ПРОДУВКЕ

К преимуществам конвертерных процессов относят: сравнительно несложное 'устройство конвертеров, малые, капиталовложения, высокую производительность и экономию топлива. К недостаткам — ограниченный ассортимент шихты (в основном используется жидкий чугун), выплавляется только мягкая углеродистая сталь и большой угар металла

(до 10-13% ).

КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНЫЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ

С целью повышения качества, расширения ассортимента шихтовых материалов и готовой продукции в последние годы начинает широко использоваться продувка чугуна техниче- ски-чистым кислородом. Способ этот вытесняет менее совер-

шенные: бессемеровский и томасовский конвертеры на воз­ душной продувке. Днище кислородного конвертера сплошное,

В нижней части конвертера, на уровне расплава, расположе­ но отверстие для выпуска шлака, стали, взятия проб на эксп­ ресс-анализ и другого назначения. Ведутся опыты по исполь­ зованию газов, выходящих из горловины конвертера, содер­ жащих значительный процент окиси углерода и имеющих высокую температуру. При продувке кислородом отсутствует азот, сталь получается плотной с минимальной газонасыщенностью. Все тепло экзотермических реакций поступает в ме­ талл, перегретая сталь имеет мелкозернистую структуру и повышенные физико-механические свойства. Для продувки в кислородном конвертере практически можно использовать любой передельный чугун, включая мартеновский, в качест­ ве охладителей можно вводить до 20—30% скрапа или же­ лезной руды. Значительно расширяется и ассортимент гото­ вой продукции; выплавляются все марки углеродистой стали и некоторые марки низколегированной. Качество кислород­ но-конвертерной стали приравнивается к мартеновской.

Емкость современных кислородных конвертеров— 100— 140 т, продолжительность плавки менее часа, устанавливаются 270-тонные конвертеры. Директивами XXIV съезда КПСС намечено использовать 350-тонные конвертеры. К концу те­ кущей пятилетки этим способом будет выплавлено не менее 30% общего объема производства стали в стране.

МАРТЕНОВСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ

В 1865 г. французский инженер Мартен впервые получил сталь в пламенной печи регенеративного типа. Пламенная печь использовалась еще в пудлинговом процессе, при сжи­ гании в ней калорийного топлива температура достигала 1350°; применение принципа регенерации, т. е. 1Иопол1Ь301в1ан:ие тепла отходящих из печи газов, повысило температуру в мар­ теновской печи до 1700° и более, тем самым стало возможно получать жидкую, расплавленную сталь.

Первая мартеновская печь в России была пущена в экс­ плуатацию на Сормовском заводе инженером Износковым в 1870 году, применение кислой футеровки регламентировало состав шихты, в 1880 году стали использовать основную футеровку. Мартеновские печи бывают стационарные (не-

8

подвижные), значительно реже— поворачивающиеся. Печь может работать на твердой и жидкой шихте. В качестве шихты используется доменный, передельный мартеновский чугун и до 80% скрапа. Возможность утилизации большого количества скрапа способствовало значительному расшире­ нию мартеновского производства. Мировое производство мар­ теновской стали составляет 70—80% от общего объема. В мартеновской печи используется жидкое топливо (мазут) или газообразное: генераторный, коксовый, природный газ, вследствие низкой теплотворной способности, колошниковый газ может использоваться лишь в смеси с более калорийным газом.

В мартеновских печах можно выплавлять все марки угле­ родистой, низколегированной стали и некоторые марки высоколегированной. В зависимости от футеровки подины можно получать кислую или основную сталь, по способу раскисления — спокойную или кипящую. Мартеновский про­ цесс значительно более продолжительный, чем конвертер­ ный, в среднем длительность плавки 5—7 час и более, в те-