Лекция 2. Шихтовые материалы сталеплавильного производства

Материалы, используемые для выплавки стали, принято де­лить на металлическую и неметаллическую часть шихты, в свою очередь неметаллическую часть делят на шлакообразующие (флюсы) и окислители.

В качестве металлошихты используют: а) чугун (жидкий или твердый); б) стальной (а в некоторых случаях и чугунный) лом и скрап; в) продукты прямого восстановления железа из железной руды (окатыши, брикеты); г) ферросплавы и легирующие добовки.

Основную часть металлошихты составляют чугун и сталь­ной лом. В ряде стран в качестве металлошихты используется также продукт прямого восстановления железной руды — металлизованные окатыши (93-98% Fe). Самая дешевая часть металлошихты — стальной лом.

Обычно в мартеновском процессе в шихте содержится при­мерно 50—60 % чугуна (остальное лом), в конвертерном про­цессе 70—90 % шихты — жидкий чугун, остальное — лом, в электросталеплавильном доля чугуна в шихте редко превы­шает 5-25%.

В тех случаях, когда в состав завода входят сталепла­вильные цехи и доменный цех, чугун в сталеплавильный цех поступает в жидком виде. Использование в качестве шихты жидкого чугуна позволяет получать заметную экономию в расходе топлива и сокращает продолжительность плавки.

Используемые в сталеплавильном производстве чугуны в зависимости от химического состава делят на передельный П1 и П2, которые отличаются содержанием кремния 0,5-0,9% (П1) и до 0,5% (П2)..Чугуны содержащие кремния меньше 0,5% относят к химически холодным, содержащих более 0,8% - к химически горячим

Содержание марганца изменяется по группам: до 0,5% (1), 0,51-1,0% (2), 1,01-1,50% (3 группа). В настоящее время для выплавки стали используют чугуны содержащие 0,15-0,40% марганца.

По содержанию фосфора передельные чугуны делят на классы: не более 0,1% (А), до 0,2% (Б), до 0,3% (В).

По содержанию серы передельные чугуны делят на категории: менее 0,01% (1), до0,02% (ІІ), до 0,03% (ІІІ).

В зависимости от технологических или экономических требований сталеплавильщики используют чугун той или иной марки. В отдельных случаях для улучшения состава чугуна применяют методы внедоменной его обработки (для удаления излишних серы, кремния, фосфора). В частности, для выплавки трубного сортамента сталей в конвертерах содержание серы снижают до 0,002-0,005%.

Если в составе завода нет доменного цеха, то в качестве шихты в сталеплавильных агрегатах используют твердый чугун, который поступает на завод в чушках. В отдельных случаях для ускорения плавки и повышения производительности сталеплавильных агрегатов чушковый чугун предварительно расплавляют в "металлургических" вагранках или других плавильных агрегатах.

Второй составной частью металлошихты является лом. В любой промышленной стране ежегодно образуется значительное количество железосодержащего лома. Сбор этого лома и его обработка с целью рационального использования представляют важную народнохозяйственную задачу. Для ее решения существует специальная отрасль — ломоперерабатываюшая промышленность, оснащенная сложным оборудованием. Из общего количества образующегося лома около 35 % обра­зуется непосредственно на металлургических заводах (обрезь металла при прокатке, бракованные слитки, скрап и т.д.). Обычно это тяжеловесный лом, химический состав ко­торого известен. Этот лом в основной своей массе используют в качестве металлошихты на тех же заводах, где он образуется.

Около 20% общего количества лома образуется при ме­таллообработке на машиностроительных и им подобных заво­дах (стружка, отходы при штамповке и т.п.); 45-50% от общего количества лома составляет амортизационный лом (отслужившие свой срок машины, рельсы и т.п.), а также металл, извлекаемый при разработке шлаковых отвалов.

В связи с многообразием источников образования этого лома состав его далеко не всегда бывает известен. Иногда этот лом загрязнен содержащими серу смазочными маслами (стружка), цветными металлами (свинцом, алюминием, оло­вом, медью и др.), содержащимися в различных деталях сда­ваемых в лом машин.

Некоторые из этих примесей (свинец, цинк, олово) вред­ны и для обслуживающего персонала, и для агрегатов, и для качества стали. Цинк, например, при нагревании улетучива­ется, а затем в виде оксида оседает на футеровке, на эле­ментах котлов-утилизаторов и других агрегатов, выводя их из строя. Свинец проникает в мельчайшие поры кладки печи. Олово резко снижает прочность стали при повышенных темпе­ратурах.

Приходится учитывать также, что в ряде случаев загру­жаемый в сталеплавильные агрегаты лом покрыт значительным слоем ржавчины, что влияет как на величину угара металла при плавке, так и на технологию плавки.

Значительная часть лома, особенно образующегося при обработке металла резанием, а также бытового лома очень неудобна для загрузки в сталеплавильные агрегаты из-за малой плотности, больших габаритов и загрязненности (зем­лей, ржавчиной, маслом, деревом, пластмассами).

Для приведения лома в состояние, удобное для использо­вания при выплавке стали, применяют специальное оборудова­ние: прессы, дробилки, печи для обжига (с целью удаления кусков дерева, пластмасс, масел и других загрязнений); существуют даже целые заводы для переработки вышедших из строя автомобилей, бывших в употреблении консервных банок и лома других видов на удобный для переплавки лом.

Несмотря на то, что для приведения лома в состояние, удобное для переплава в сталь, требуются значительные за­траты, все же эти затраты (на 1 т железа) ниже затрат на добычу и обогащение железной руды и получение из нее чу­гуна. Поэтому лом, даже после переработки, стоит дешевле чугуна.

Особенную ценность представляют лом и отходы стали ле­гированных марок. Такие примеси, как никель, молибден, кобальт, медь, в процессе плавки не окисляются. Поэтому их количество, попадающее с ломом в агрегат, остается в готовой стали. Поскольку стоимость всех этих примесей очень высока, использование легированного лома для вы­плавки легированных марок стали экономически очень эффек­тивно. Поэтому все отходы стали легированных марок хранят отдельно и за их использованием на заводах установлен строгий контроль.

К металлической части шихты относят раскислители и легирующие добавки. Для получения металла заданного химического состава и обеспечения необходимых свойств в металл вводят различные металлы (обычно в виде сплава с железом – ферросплавы) имеющие более высокое сродство к кислороду чем железо. Они должны быть достаточно богатыми по содержанию легирующих элементов, не содержать лишних количеств углерода и других элементов – примесей, нежелательных в стали. В производстве используют как одинарные (ферромарганец, ферросилиций, ферротитан и др.) так комплексные раскислители (силикомарганец, силикокальций, алюмосиликатный и др.).

Шлакообразующие

В качестве добавочных материалов (флюсов) в сталепла­вильном производстве обычно используют: а) известняк минерал содержащий порядка 98% СаСО₃, вредными примесями в известняке являются сера и кремнезём; б) известь (хорошая свежеобожженная известь должна содержать 92,0—97,8 % СаО, до 1,50% кремнезёма; при хранении известь начинает реагировать с влагой воздуха по реакции

СаО + Н₂О = Са(ОН)_2,

в результате чего уже через несколько часов хранения содержание водорода в извести начинает заметно расти; поэтому известь используют в течении одних суток, после ее получения из известняка.

Для получения жидких шлаков и бистрого растворения извести при выплавке стали используют расжижители: боксит (в зависимости от месторождения бокситы содержат 20-60% А1₂О₃; 3-20% SiO₂; 15-45% Fe₂O₃), плавиковый шпат (флюорит) минерал содержащий 20 – 97% СаF₂. Плавиковый шпат в природе встречается редко поэтому применение его строго ограничено. Он является хорошим разжижителем шлака но действие его кратковременно так как под действием поров воды он распадается по реакции

СаF₂ + Н₂О = СаО + 2НF

Для разжижения шлаков используют отработанную шамотную футеровку (бой шамотного кирпича) содержащую 35-40% А1₂О₃ (глинозема).

В качестве окислителей применяют кислород, сжатый воз­дух, железную руду, окалину, агломерат, железорудные бри­кеты.