Темы 5. Производство чугуна и стали.

Вопросы:

1. Исходные материалы и продукты доменной плавки.

2. Доменная печь, ее устройство и работа.

3. Способы производства стали.

4. Разливка стали.

1. Исходные материалы для производства чугуна:

1.Железные руды:

-красный железняк, или гематит Fе₂О₃; содержит в среднем 51…66 % Fе, а чистый ге­матит – 70 % Fе.

-бурый железняк – лимонит – кри­сталлогидрат оксида железа Fе₂О₃∙nН₂О; содер­жит железа от 55 до 30 % и ниже.

-магнитный железняк – магнитный оксид же­леза FеО Fе₂О₃ (Fе₃О₄); массовое содержание железа от 50 до 72 %.

-шпатовый железняк, или сидерит FеСО₃, содержит 30…42 % Fе.

Топливо. Основным топливом для доменных печей является ка­менноугольный кокс. Для снижения расхода кокса и интенсифика­ции выплавки чугуна в доменную печь вдувают природный газ, а также мазут, угольную пыль.

Флюсы. Во всех железных рудах, а также в золе от кокса в из­бытке содержатся кремнезем и глинозем, поэтому в шихту в каче­стве флюса добавляют известняк или доломит; они способствуют также шлакованию серы, вредной примеси в чугуне.

Смесь топлива, железных руд и флюсов называется шихтой.

Подготовка руд к доменной плавке. Руду дробят, затем руду обрабатывают промывкой (для обогащения руд), обжигают (для удаления влаги, углекислоты и частичного выжигания серы) и подвергают магнитному обогащению (используют магнитные сепараторы).

2 . Доменная печь (рис. 14, а) является шахт­ной печью, которую выкладывают в стальном корпусе шамотным кирпичом. У доменной печи выделяют (рис. 16, а) колошник, шахту, распар, заплечики и горн. Через колошниковый затвор в доменную печь загружают шихту. Шахта имеет форму усеченного кону­са, расширяющегося книзу, что способствует свободному опу­сканию шихты по мере плав­ления. На уровне распара и заплечиков образуется губча­тое железо, которое затем на­углероживается, плавится и стекает в горн. Заплечики от распара суживаются к горну, поэтому твердая шихта удер­живается в распаре и шахте.

В горне на лещади 6 нака­пливается жидкий чугун. Его плотность 6,9 г/см³, а плот­ность шлака около 2,5 г/см³, поэтому над чугуном находит­ся слой шлака. Накопившийся шлак периодически выпускают Рис.14

через летку 5, а чугун – через летку 1. Окислительное дутье для горения топлива подается через фурмы 4 под давлением до 500 кПа; оно предварительно нагревается в регене­ративных печах – воздухонагревателях. Эти же фурмы используют для подачи в печь природного газа и других топливных добавок (мазута, пылевидного топлива). На колошнике находится засыпной аппарат 3 и газоотвод 2 для доменного (колошникового) газа. Глав­ной характеристикой печи является ее полезный объем – внутрен­ний объем, исчисленный по полезной высоте печи.

Доменный процесс. В печи непрерывно движутся: сверху вниз – поток шихты, снизу вверх – поток газов, образующихся при горе­нии топлива и реакциях с составляющими шихты. Сущность домен­ной плавки состоит в восстановлении железа из оксидов в руде, науглероживании железа и ошлаковании пустой породы и золы топлива.

Восстановление оксидов и образование чугуна начинается с вос­становления оксидов железа монооксидом углерода в средней части шахты. При опускании шихты к распару эти реакции развиваются и протекают быстрее:

3Fе₂О₃ + СО = 2Fе₃О₄ + СО₂ + dН;

Fе₃О₄ + СО = ЗFеО + СО₂ – dН;

FеО + СО = Fе + СO₂ + dН.

Науглероживание железа начинается в шахте вслед за его вос­становлением с образованием карбида железа по реакции:

3Fе + 2СО = Fе₃С + СО₂.

3. Продукты доменной плавки:

-передельные чугуны, идущие в переплавку на сталь (а также частично для литейного производства);

-литейные чугуны, применяемые исключительно для фасонного литья;

-ферросплавы, служащие при производстве стали для ее раскисления и легирования, имеют повышенное (более 10 %) массовое содержа­ние одного или нескольких элементов (например, марганца, крем­ния, хрома и др.);

-доменный газ отходит в среднем 3000 м³ на 1 т выплавленного чугуна, шлака – до 0,6 т; содержит 25…34 % СО, 1…3 % Н₂, остальное – N и СО₂. Газ отводится с колошника, про­ходит очистку от пыли, захваченной из шихты, и часть его (около 25 %) используется на подогрев дутья доменной печи, остальная часть – для нагрева коксовых батарей, нагревательных печей в прокатных цехах, котлов и т. д.;

-шлак из доменной печи по желобу стекает в ковш. Затем его гра­нулируют струей воздуха или пара над водяным бассейном. Из гранулированного шлака приготовляют шлакобетон, шлаковый кирпич; при гранулировании паром из шлака получают шлаковую вату для тепловой изоляции.

3. Шихтовыми материалами для выплавки стали являются жидкий или твердый чугун, стальной и чугунный лом, стружка, обрезки (скрап), железорудные окатыши, ферросплавы (перечисленные ма­териалы называют металлошихтой); известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, марганцевая руда, кварцевый песок (флюсы); железная руда, окалина, агломерат, кислород, воздух (окисли­тели).

В производстве стали широко используют кислородно-конвертерные процессы. Стационарный конвертер (рис. 15) имеет два бандажа 4, каждый из которых опирается на два ролика 1. Горловина конвертера имеет симметричную форму. Внутри стального кожуха конвертеры вы­кладываются смолодоломитовым кирпичом. Летка 3 предназначена для слива готовой стали.

Вместимость кислородных конвертеров от 50 до 400 т. Сущность кислородно-конвертерного процесса заклю­чается в том, что загруженную в конвертер шихту про­дувают сверху струей кислорода под давлением до 1,5 МПа. Большое давление кислорода обеспечивает хо­рошее перемешивание металла. В начале продувки окис­ляются кремний, марганец и другие элементы, которые переходят в шлак. После первого периода продувки кисло­родом (длится 16 мин), фурму подни­мают, наклоняют конвер­тер, сливают шлак и берут пробу металла. В конвер­тер добавляют известь, Рис.15

ставят его вновь в верти­кальное положение, вво­дят фурму и начинают второй период продувы кислородом. Во второй пе­риод продувки продолжа­ются реакции окисления примесей, выгорает угле­род, идут реакции шлако­образования и другие физико-химические процессы. В конце второго периода продувки в конвертер вводят часть раскислителей. После удаления фурмы конвертер наклоняют, берут контрольную пробу стали и выпускают сталь в разливоч­ный ковш, где завершается процесс ее раскисления фер­ромарганцем, ферросилицием или комплексными раскислителями.

Общая продолжитель­ность составляет 40...60 мин, а продолжительность продувки кислородом — 18...30 мин. Преимущества: хорошее качество, высокая производительность и меньшая себестоимость. Недостат­ок: боль­шой угар металла (6...9%).

Мартеновское производство стали приме­няют в металлургии с 1864 г. выпуска плавки. Основными разновидностями мартеновской плавки являются скрап-рудный процесс и скрап-процесс. Шихта для скрап - процесса состоит из 60...70% стального лома (скрапа) и 30...40% чушкового чугуна. Шихта для скрап-рудного процесса состоит из 50...80% жидкого передельного чугуна, 20...50% скрапа к 15…30% (от массы металлической части шихты) желез­ной руды и известняка. Скрап-рудным процессом вы­плавляют основную массу стали в крупных мартеновских печах металлургических заводов, где работают доменные печи.

Рис. 16. Схема мартеновской печи:

1, 5 – головки печи; 2 – газовые и воздушные каналы в головке печи; 3 – свод печи; 4 – рабочее пространство печи; 6, 9 – газовые и воздушные ре­генераторы; 7 – подина печи; 8 – завалочные окна

Продолжительность плавки от 2 до 12 ч. Печи для скрап-рудного процесса имеют вместимость от 100 до 1000 т. Основными недостатками мартеновского процесса яв­ляются большой расход топлива и большая продолжи­тельность плавки, а преимуществом – универсальность процесса по применяемой шихте и маркам выплавляемых сталей.

В электропечах получают в основном легированные стали высокого качества, из которых изготовляют особо ответственные детали машин и инструменты. По конструкции электропечи делятся на дуговые (рис. 17) и индукционные (рис. 18).

В дуговых печах плавление шихты идет под дейст­вием теплоты электрической дуги, а в индукционных – вихревых токов.

Дуговые печи строят вместимостью до 400 т. Шихта состоит из стального лома и 10% твердого или жидкого чугуна. Используют так­же известь, ферросплавы и другие добавки. Рабочее на­пряжение 160...600 В, сила тока 1...10 кА. В процессе плавки с металла несколько раз удаляют шлак. Для ин­тенсификации плавки металл продувают кислородом. Продолжительность плавки составляет 4...8 часов.

Ин­дукционные печи изготовляют вместимостью от 60 кг до 25 т. Шихта для них состоит из отходов легированных сталей или чистого по сере и фосфору углеродистого скрапа и ферросплавов. Ток создает переменный магнит­ный поток, пронизывая куски металла в тигле, наводит в них мощные вихревые токи, нагревающие металл до расплавления. После расплавления шихты сталь рас­кисляют и легируют. Длительность плавки 1...3 ч.

Рис. 17. Принципиальная схема дуговой электропечи: Рис. 18. Схема устройства

1 – электроды; 2 – съемный свод; 3 – рабочее окно; индукционной печи:

4 – корпус пе­чи; 5 – сектор для наклона печи; 1 – огнеупорный тигель; 2 – ин­дуктор; 6 – желоб для выпуска плавки; 7 – электрододержатели 3 – металл

4. Применяют следующие способы разливки (рис. 19): сверху в изложницы, снизу (сифон­ная) в несколько изложниц одновременно, непрерывно в кристаллизатор.

Рис. 19. Схема разливки стали в изложни­цы:

а – сверху; б – сифоном

Рис. 25. Схема установки для непрерывной разливки стали:

1 – разливочное устройство; 2 – водоохлаждаемый кристаллизатор; 3 – жидкий металл; 4 – зона вторичного охлаждения; 5 – тянущие валки

Схема установки непрерывной разливки (УНРС) по­казана на рисунке 20. Сталь по­ступает в водоохлаждаемый медный кристаллизатор с двойными стенка­ми. В начале разливки нижняя часть кристаллизатора закрывается стальной штангой со сменной плоской го­ловкой на конце, которая является временным дном кристаллизатора. Вследствие интенсивного охлаждения кристаллизатора водой, циркулирующей в нем, жидкая сталь кристаллизуется у его стенок и в нижней части. Временное дно опускается вместе со слитком, который проходит зону вторичного водяного охлаждения разбрыз­гиванием. Слиток, опускаясь, доходит до установки, ко­торая разрезает или рубит его на заготовки мерной дли­ны. Недостаток вертикальных УНРС – их большая высо­та (до 45 м). Преимуществами УНРС – отпадает необходимость нагрева слит­ков для прокатки на крупных обжимных станах, нет необходимости иметь большое количество изложниц и поддонов, в слитках отсутствуют усадочные раковины