книги / Металлургия, технология угля и неметаллических полезных ископаемых
..pdfвого шлака в середине продувки позволяют выплавлять углеро дистую сталь из высокофосфористых чугунов.
Степень десульфурации металла при кислородно-конвертерном процессе составляет 20—45% и возрастает при использовании плавикового шпата для разжижения шлака.
При необходимости в конвертер по ходу плавки вводят охлаж дающие добавки (скрап или руду).
Ри€. 20. Изменение состава металла по ходу плавки в кислородном конвертере при про дувке передельного чугуна
Продувку заканчивают при заданном содержании углерода и затем металл выпускают в разливочный ковш. Раскислители по дают в струю металла. При выплавке легированной стали леги рующие элементы вводят в ковш.
Сталь, выплавленная в кислородном конвертере, обычно содер жит 0,002—0,007% азота, количество которого снижается с повы шением чистоты технического кислорода.
Длительность продувки в конвертерах емкостью 100—250 г составляет 30—60 мин.
О т х о д я щ и е из к о н в е р т е р а г а з ы содержат 80—90% СО и 10—12% С02; выход газов 70—80 нм3/т чугуна. Кроме того, газы содержат около 20—25 г/т3 пыли в основном мелкодисперс ных частиц окислов железа (менее 0,8 мк). Поэтому необходима очистка газов, что усложняет оборудование и повышает стоимость сооружения кислородно-конвертерных цехов.
Обычно в систему газоочистки входят котел-утилизатор, в ка мине которого догорает окись углерода, электрофильтры, скруб бера и дезинтеграторы. Содержание пыли в газах после очистки не должно превышать 0,1 г/л*3.
Ко н т р о л ь и а в т о м а т и з*а ц и я кислородно-ковертерного процесса весьма сложны из-за быстрого протекания самого про цесса и влияния на его ход большого числа параметров. Быстрое определение состава и температуры металла является основным условием своевременного регулирования процесса продувки.
Применение электронно-счетных машин для решения уравнений материального и теплового балансов плавки с использованием данных по составу, температуре чугуна и стали, составу скрапа, руды, извести и других показателей позволяет получать данные о количестве кислорода, охладителей и шлакообразующих. Во мно гих цехах автоматизированы операции дозирования и подачи в ^конвертер сыпучих материалов.
Технико-экономические показатели кислородно-конвертерного процесса
Расход на |
1 т |
стали: |
|
45—60 |
|
кислорода, |
м3 |
|
|||
извести, % |
|
|
5—12 |
||
плавикового шпата, |
|
0,15—0,35 |
|||
боксита, °/ |
|
|
0,5—1,5 |
||
руды, |
% . |
|
|
До |
8 |
скрапа, % . . . |
. |
» |
25 |
||
Выход годного металла, |
/6 |
87—92 |
|||
Производительность, пг]ч |
|
До 300 |
|||
Р а з н о в и д н о с т и |
|
к и с л о р о д н о-к о н в е р т е р н о г о |
|||
п р о ц е с с а |
разработаны |
для эффективной переработки высоко- |
фосфористых чугунов. Эти процессы позволяют быстрее осущест влять формирование активного известково-железистого шлака1.
При процессе ОЛП (Франция) в конвертер струей кислорода вводится порошкообразная известь. Продувка чугуна состоит из двух периодов. Сначала продувают чугун до содержания в нем 0,8—1,2% углерода и 0,1—0,3% фосфора. Затем скачивают фосфо ристый шлак (~20% Р20 5) и операцию продувки продолжают до необходимого содержания углерода в металле. Десульфурация металла достигает ~70Со
процесс ЛД — АС (Австрия). Около 7з общего количества из вести загружают в конвертер в кусковом виде до начала продув ки. В остальном этот процесс аналогичен процессу ОЛП.
Процесс Калдо (рис. 21) осуществлен на металлургическом за воде Домнарвет (Швеция) во вращающемся (30 об/мин) наклон ном конвертере. Вращение конвертера улучшает теплоотдачу от стенок к металлу и улучшает его перемешивание, в результате чего устраняются местные перегревы металла и уменьшается ис парение железа.
Футеровка конвертера смолодоломитовая, что позволяет пере рабатывать фосфористые чугуны состава: 1,8—2,0% Р; 0,2—0,3% S; 0,5% Мп.
Подача кислорода к ванне в наклонном положении фурмы и перемешивание ванны обеспечивают быстрое шлакообразование. В этих условиях окисление фосфора завершается ранее окисления углерода. Продутый металл обычно содержит 0,015—0,020% Р; 0,010—0,020% S и 0,001—0,002% N2.
1 Процессы ОЛП и ЛД—АС.
Продолжительность продувки чугуна в 30-тонном конвертере составляет 35—40 мин. Выход жидкой стали 92%; расход кисло рода 65—70 м3/т чугуна. Расход извести 13—14%, железной руды 12—14% от веса чугуна.
1 — газоотвод; |
2—4 — положение |
конвертера при заливке чугу |
на, |
загрузке извести |
и руды, сливе стали |
На металлургическом заводе в Обернхаузене (ФРГ) выплавка стали была осуществлена в горизонтальном роторном конвертере (рис. 22), футерованном магнезитовым кирпичом со смолодоломи товой набойкой, вращающемся со скоростью 0,1—0,5 об/мин.
Рис. 22. Роторный конвертер
Отличительной особенностью данного процесса является ис пользование двух кислородных фурм. Одна фурма, погруженная в металл, служит для прямого окисления кислородом примесей чугуна, другая, расположенная над поверхностью ванны, обеспе
чивает дожигание выделяющейся из металла окиси углерода в рабочем пространстве.
Дефосфорация металла практически заканчивается при содер жании в нем 1—1,5% С. Расход кислорода до 75 м3/т стали. Дли тельность плавки весом 60 т составляет около 2 ч.
Бессемеровский процесс
Б е с с е м е р о в с к и й к о н в е р т е р представляет собой сосуд грушевидной формы (см. рис. 17), футерованный динасовым кир
пичом. Кожух конвертера |
состоит из трех частей: средней цилин |
|||||||
|
|
|
|
дрической |
с |
опорным |
коль |
|
|
|
|
|
цом и цапфами; верхней в |
||||
|
|
|
|
форме усеченного конуса, с |
||||
|
|
|
|
горловиной; |
нижней, |
состоя |
||
|
|
|
|
щей из приставного днища с |
||||
|
|
|
|
фурмами |
и |
воздушной ко |
||
|
|
|
|
робки (рис. 23). |
|
|
||
|
|
|
|
Одну из цапф выполняют |
||||
|
|
|
|
полой и соединяют с возду |
||||
|
|
|
|
хопроводом. Через эту |
цап |
|||
|
|
|
|
фу и патрубок дутье посту |
||||
|
|
|
|
пает к воздушной коробке и |
||||
|
|
|
|
фурмам. На |
второй |
цапфе |
||
|
|
|
|
крепят зубчатое колесо, свя |
||||
|
|
|
|
занное с приводом для вра |
||||
|
|
|
|
щения конверт'ера. |
|
|
||
|
|
|
|
Число фурм в днище кон |
||||
Рис. 23. |
Приставное днище |
бессемеров |
вертера составляет |
7—30 в |
||||
зависимости |
от его емкости. |
|||||||
|
ского конвертера: |
|
Площадь |
сечения сопел из |
||||
1 — корпус; |
2 — днище; |
3 — воздушный патрубок, |
||||||
4 — воздушная |
коробка; 5 — фурма |
меняется |
в |
пределах |
8— |
|||
|
|
|
|
15 см2/т |
продуваемого |
чу |
||
|
|
|
|
гуна. |
|
|
|
|
Внутренний объем конвертера обычно в 6—10 раз превышает объем заливаемого чугуна. Это необходимо для того, чтобы избе жать выбросов металла воздухом, который раздробляет чугун и значительно повышает его уровень.
В с о с т а в б е с с е м е р о в с к о г о ч у г у н а входят кремний, марганец, сера и фосфор. Так как сера и фосфор при наличии кислых шлаков из чугуна не удаляются, то их содержание в чу гуне должно быть на 0,010—0,015% ниже максимально допусти мого содержания в готовой стали. Бессемеровский чугун должен иметь 0,70—1,25% кремния и 0,50—0,80% марганца. Температура
заливаемого чугуна обычно |
составляет |
1250—1300° С. |
О п е р а ц и я п р о д у в к и |
ч у г у н а |
(рис. 24) условно делится |
на три периода. Первый период продувки (шлакообразования или искр) характеризуется быстрым выгоранием кремния и мартан-
ца; при этом частично окисляется железо. В результате обра зуется кислый железисто-марганцовистый шлак. Интенсивное про текание экзотермических реакций обеспечивает повышение темпе ратуры металла на 200—300° С. Продолжительность этого перио
да 3—5 мин.
При очень большой удельной поверхности контакта дутья с металлом, что характерно для всех процессов с донным воздуш ным дутьем, подаваемого кислорода недостаточно для одновре менного окисления всех примесей чугуна. Поэтому в соответствии с сродством элементов к кислороду (при данной температуре и кон центрации в чугуне) в первую очередь будет окисляться железо по реакции
Few + - L О2= (FeO).
Образующаяся закись железа., вступая затем во взаимодействие с растворенными в чугуне крем нием и марганцем, частично вос станавливается, а кремнезем и закись марганца переходят в шлак;
[Si] + 2 (FeO) = (Si02) -f 2Fe(}K);
[Mn] + (FeO) = (MnO) -f Fe(Hc).
Рис. 24. Изменение состава и тем пературы металла по ходу продув ки бессемеровского чугуна
Углерод в первом периоде почти не окисляется.
Второй период продувки (период пламени) продолжительно стью 6—9 мин отличается интенсивным окислением углерода, ко торое может осуществляться по реакциям:
[С]+ .1 -0 , = СО;
[С] + (FeO) = СО + Fe.
Окислению углерода способствует повышение температуры ме талла, а также практически полное выгорание кремния и значи тельной доли марганца.
В горловине конвертера окись углерода окисляется кислоро дом воздуха, образуя яркое пламя. В конце второго периода в связи с уменьшением концентрации углерода пламя постепенно укорачивается.
Третий период продувки (период дыма или передувки) харак теризуется окислением железа, так как кремний, марганец и уг лерод почти полностью выгорели. Поэтому продувку ведут только
до определенного содержания углерода в металле, соответствую щего составу стали. Передувка обычно приводит к повышенному угару железа и насыщению стали азотом и кислородом.
Конечный бессемеровский шлак имеет следующий состав: 55—
65% Si02; 15-25% FeO; |
15-20% MnO; 3 -6% (А120 3, Fe20 3, |
|
CaO, MgO). Выход шлака |
составляет 7—9% от веса чугуна. |
|
Т е п л о в ы е у с л о в и я |
|
п р о ц е с с а характеризуются непре |
рывным восполнением потерь тепла с отходящими газами и через кожух конвертера теплом, выделяющимся при окислении примесей чугуна. «Основным топливом» бессемеровского процесса является кремний, тепловой эффект реакции окисления которого при темпе ратуре 1600° С равен 4550 ккал/кг. Марганец, как источник тепла, занимает второе место (1385 ккал/кг)\ при окислении углерода до СО выделяется 1040 ккал/кг. Однако в зависимости от количе ства окисляющихся элементов приход «химического тепла» про цесса окисления распределяется следующим образом: углерод и кремний дают по 18—24% тепла, марганец и железо по 2—5%, а всего на долю химического тепла примесей в чугуне ^приходится около 50%. Такое же количество тепла поступает с расплавлен ным чугуном как «физическое тепло» данного процесса.
В зависимости от температуры и состава чугуна технологиче ские и теплотехнические условия продувки могут существенно из меняться. Это потребовало разработки различных вариантов бес семеровского процесса (русского, шведского, американского и
др-)- При недостатке тепла в процессе* в конвертер обычно вводят
45% ферросилиция или ведут продувку в наклонном положении конвертера для дожигания значительной части окиси углерода. Для охлаждения металла при горячей операции используют скрап или руду.
К а ч е с т в о б е с с е м е р о в с к о й с т а л и значительно хуже качества мартеновской и кислородно-конвертерной. Большое со держание в стали азота (0,010—0,025%) способствует развитию хладноломкости, определяет склонность к старению, низкую плас тичность и свариваемость. Все это ограничивает область примене ния бессемеровской стали сортовым прокатом для строительных конструкций, арматуры, болтов, гаек и др.
Технико-экономические показатели бессемеровского процесса
Емкость конвертеров, т |
. . |
10—35 |
|
Продолжительность плавки, |
мин |
20—30 |
|
Выход годной стали, % |
|
87—90 |
|
Расход |
воздуха, м */т . . . . |
300—350 |
|
Расход |
динасового кирпича, |
к г / т |
3—5 |
Несмотря на высокую производительность бессемеровских кон вертеров, выплавка стали этим процессом постепенно снижается, уступая место кислородно-конвертерному процессу. Производство бессемеровской стали в 1962 г. составило всего лишь 0,9% миро вой выплавки стали.
Томасовский процесс
Томасовский процесс — это основной конвертерный процесс, разработанный в 1878 г. С. Томасом. Наличие основных шлаков в процессе плавки позволяет удалять серу и эффективно перера батывать фосфористые чугуны.
Томасовский конвертер по конструкции аналогичен бессемеров скому (см. рис. 17 и 23). Футеровка стен конвертера выполняется
из смолодоломитового |
кирпича |
|
^ |
|
|
|
|
ш/ |
1650 |
||||
(8—12% |
смолы), а днище наби- |
|
I |
|
П |
|
|||||||
вается из смолодоломитовой мас |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
сы и обжигается. |
|
|
|
|
|
|
£ |
|
/ |
1500 I |
|||
Стойкость футеровки томасов-° Р |
|
|
|
1/ |
|||||||||
|
|
|
’ |
||||||||||
ских |
конвертеров |
составляет |
| |
|
|
|
|
|
|
I |
|||
250—400 плавок, стойкость днищ g |
|
|
4 |
|
|
|
|||||||
60—100 плавок. |
м а т е р и ал а м и ^ |
|
|
|
|
|
|
1350 ъ |
|||||
С ы р ы м и |
|
/ |
|
|
|
|
t |
||||||
томасовского |
процесса служат | |
|
/ |
|
|
|
\ р |
||||||
жидкий фосфористый |
чугун, из- |
|
|
|
|
|
|
|
1200 Ч |
||||
весть, железная руда и скрап. |
^ |
|
|
|
Мп |
\ |
|
X |
|||||
|
S/ |
N |
|
|
|||||||||
Чугун обычно содержит 1,6— |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
2,0% |
Р; 0,2—0,6% |
Si; |
0,8-1,3% |
|
|
|
Время, периоды |
|
|
||||
Мп; не более 0,08% S и 2,8— |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
3,3% |
С. |
Особые |
требования |
|
|
Рис. |
25. |
Изменение состава |
и тем |
||||
предъявляются |
к |
содержанию |
|
|
пературы |
металла |
по |
ходу |
продув |
||||
фосфора и кремния в чугуне. Со |
|
|
|
ки |
томасовского |
чугуна |
|||||||
держание |
фосфора |
должно быть |
|
|
|
|
|
|
|
|
не менее 1,6%, так как фосфор является основным «топливом»
процесса и обеспечивает необходимую |
концентрацию Р2О.5 |
|
в фосфат-шлаках. Количество |
кремния в |
чугуне должно быть |
минимальным, так как высокое |
содержание |
SiC>2 в шлаке приво |
дит к быстрому износу основной футеровки и затрудняет окис ление фосфора.
П р о ц е с с п л а в к и состоит из следующих операций. В кон вертер загружают 12—18% извести от веса чугуна, заливают чу гун, подают дутье (давление 3,0—3,5 ат) и конвертер поворачи вают в вертикальное рабочее положение (см. рис. 17).
Первые два периода продувки чугуна весьма схожи с соответ ствующими периодами бессемеровского процесса (рис. 25). В пер вом периоде (шлакообразования) продолжительностью 3—5 мин окисляется кремний, марганец и железо, и образуется кислый шлак, в котором, однако, не успевает раствориться известь. Вто рой период продолжительностью 8— 10 мин характеризуется бур ным окислением углерода и сопровождается выбросами металла.
К концу второго периода температура ванны |
повышается до |
1500° С, что способствует растворению извести в |
шлаке. |
В третьем периоде продувки чугуна происходит окисление фос-
фора и удаление его в основной шлак по следующим реакциям, протекающим одновременно:
2 [Р] + 8(FeO) = (3FeO.P2Ob) + 5Fe«
(3FeO-PA) + 3 (CaO) = (ЗСаО-РА) + 3 (FeO)
2 [P] + 5 (FeO) 4 3 (CaO) = (3CaO • P2Ob) + 5Fe:K.
В шлаке возможно также образование тетрафосфата кальция (4Са0-Р20 5) и силикофосфатов (силикокарнотит и др.).
Непосредственное окисление фосфора кислородом воздушного дутья с образованием Р20 5 маловероятно.
Быстрому окислению фосфора способствует высокая основ ность шлака (при низком содержании в нем кремнезема) и доста точная его окисленность.
Одновременно с фосфором в третьем периоде продувки окис ляется железо, причем тем больше, чем меньше в металле фосфо ра. Поэтому продувку заканчивают при содержании фосфора в ме талле в пределах 0,050—0,080%. Продолжительность третьего пе риода продувки 2,5—4,0 мин.
Наличие основных шлаков способствует удалению из чугуна 15—20% содержащейся в нем серы. Отрицательное влияние на десульфурацию металла оказывает высокое содержание окислов железа в шлаке.
Для предотвращения обратного перехода фосфора в металл сначала сливают фосфористый шлак, затем сталь раскисляют и выпускают в ковш. Ферромарганец обычно вводят в конвертер, а ферросилиций и алюминий — на струю металла.
Т о м а с о в с к и й ш л а к |
не только участвует в процессе, обес |
печивая удаление фосфора |
из металла, но и представляет собой |
ценный побочный продукт плавки, используемый в качестве удоб рения в сельском хозяйстве
Состав конечного томасовского шлака: 16—24% Р20 5; 42—45%
СаО; |
6—13% |
Si02; 8—15% FeO; 7—10% MnO; |
4 -5% |
(MgO, |
|
A1A, |
F e A ). |
Выход шлака составляет |
20—25% |
от веса |
чугуна. |
К а ч е с т в о |
т о м а с о в с к о й с т а л и |
так же, |
как и бессеме |
ровской, весьма низкое. Поэтому ее используют для изготовления сортового проката, проволоки, листа и рудничных рельсов. Этим процессом также выплавляют автоматную сталь.
Разработаны технологические приемы ведения томасовского процесса с двумя шлаками, позволяющие получать сталь с пони женным содержанием фосфора и серы. Для снижения содержания азота в стали используют обогащенное кислородом дутье, продув ку чугуна парокислородной смесью и смесью кислорода и углекис лого газа. При этих условиях можно получать сталь, содержащую 0,006—0,008% азота.
1См. часть III.
Технико-экономические показатели
томасовского |
процесса |
Емкость конвертеров, m . . . |
12—70 |
Продолжительность плавки, мин |
25—40 |
Выход годной стали, % |
85—89 |
Расход воздуха, м3/ т . . |
350—450 |
Расход огнеупоров, к г /т |
8— 10 |
В СССР томасовским процессом сталь не выплавляют, но весьма широко используют этот процесс в металлургии стран За падной Европы.
§4. Выплавка стали в мартеновских печах
Врегенеративных отражательных реверсивных печах, называе мых мартеновскими, можно перерабатывать в сталь любой чугун
искрап в различных пропорциях. Мартеновский процесс значи тельно расширяет возможность выплавки легированных сталей, поэтому он является самым распространенным сталеплавильным
процессом.
Разновидности и особенности мартеновского процесса
В зависимости от состава и типа используемой металлической шихты мартеновский процесс делят на несколько разновидностей.
Скра п - проце с с основан на применении в шихте 55—75% скрапа и 25—45% твердого чушкового чугуна. Этот процесс обыч но применяют на металлургических и машиностроительных заво дах, где нет доменных печей и имеется достаточное количество металлолома.
С крапруд ный п р о ц е с с предназначен для переработки в сталь жидкого чугуна и стального лома. Увеличение количества чугуна в шихте до 55—75% вызывает необходимость использова ния в завалку также железной руды.
Скрап-рудный процесс получил наибольшее распространение на заводах с полным металлургическим циклом.
С к р а п-у г о л ь н ы й (карбюраторный) процесс предназначен для переработки металлической шихты, состоящей из 100% сталь ного лома. В завалку используется уголь, кокс или антрацит. Для массового производства металла этот процесс не применяется.
В зависимости от типа материала пода печи и, следовательно, состава шлака мартеновский процесс может быть основным или кислым. Причем скрап-рудный процесс применяется только как основной, а скрап-процесс может быть основным или кислым. Кислый мартеновский процесс находит в промышленности весь ма ограниченное применение.
Плавка стали в мартеновских печах имеет ряд технологиче ских особенностей.
Первой особенностью плавки является окислительный харак тер газовой фазы печи. Через рабочее пространство печи над ван ной проходит большое количество газов, содержащих СО, НгО, СО2, 62 'и N2. Причем парциальное давление кислорода в газовой фазе превышает 10-2 атм, а парциальное давление кислорода, рав новесное с железом, менее 10-9 атм. Это соотношение обеспечива ет непрерывный переход кислорода из атмосферы печи в металл. За плавку ванна поглощает 1—3% кислорода от массы металла. Этот кислород расходуется на окисление примесей металла и час тично железа.
Второй особенностью плавки является передача тепла сверху от факела через шлак к металлу. Перепад температур между шлаком и металлом и неравномерный нагрев различных слоев металла в основном по глубине уменьшаются при кипении ванны в результате выделения пузырей СО, возникающих при окислении углерода.
Третья особенность плавки заключается в том^ что все управ ление тепловым и физико-химическим процессом осуществляется через шлак. Химический состав, физическое состояние и количест во шлака оказывают решающее влияние на скорость и полноту протекания соответствующих реакций и, следовательно, опреде ляют качество стали.
Четвертая особенность плавки — это участие пода печи в про текающих процессах. При сравнительно большой продолжитель ности плавок влияние взаимодействия металла с подиной оказы вается весьма ощутимым.
Мартеновская печь
Мартеновская печь условно делится на верхнее и нижнее строения.
Верхнее строение печи (рис. 26) расположено над рабочей площадкой мартеновского цеха и состоит из рабочего пространст ва печи, включающего свод арочного типа, наклонные стены и подину, из головок и вертикальных каналов.
В нижней точке подины имеется отверстие для выпуска стали. На задней стенке большегрузных печей обычно располагаются шлаковые летки.
Передняя стенка печи выше уровня ванны состоит из столбов и крышек рабочих окон, через которые осуществляется завалка твердой шихты и заливка жидкого чугуна (по специальному при ставному желобу), а также подача шлакообразующих материалов и раскислителей.
Верхний слой основной подины изготовляют из магнезитового порошка, который наваривают тонкими слоями на основание, вы полненное из магнезитового кирпича. Стены печи и откосы также