Металловедение

81

Р2О3 + 4СаО = 4СаО • Р2О5 и многие другие физико-химические процессы; в конце вторичной про-

дувки в конвертор вводят раскислители (см. ниже).

Затем фурму вновь поднимают, конвертор кладут, берут контрольную пробу металла, термопарой погружения измеряют его температуру, после чего сталь выпускают через боковую фурму в разливочный ковш; после слива ме-

талла скачивают оставшийся шлак и заделывают выпускное отверстие. Весь технологический цикл плавки занимает 50-60

мин, а продолжитель-

ность продувки ки-

слородом составляет от 18 до 26 мин (рис.

51).

Поворот кон-

вертора, подъем и опускание водоохла-

ждаемой кислородной фурмы, загрузка сы-

пучих добавок и неко-

торые другие техно-

логические операции осуществляются с пульта управления конвертором, распо-

ложенным на не-

сколько десятков мет-

ров от него. Опреде-

82

ление продолжительности и режима дутья, времени отбора пробы и другие па-

раметры плавки на ряде заводов определяются счетно-решающими устройст-

вами разных типов. Ведутся исследования по полной автоматизации всего кон-

верторного передела.

Порядок окисления примесей и последовательность технологических операций может существенно изменяться и отклоняться от вышеизложенного, в

зависимости от состава исходных чугунов, характера флюса и металлических добавок (железная руда, стружка, металлический лом и др..).

Благодаря тому, что окисление углерода и фосфора в кислородном кон-

верторе идет одновременно, создается возможность остановить процесс на за-

данном содержании углерода и получать в нем довольно широкую гамму угле-

родистых сталей при достаточно низком содержании фосфора и серы в металле,

которые удаляются в этом процессе в шлак с помощью извести.

Стали, более чистые по сере и фосфору, в кислородном конверторе удает-

ся получить потому, что более горячий ход плавки в таком конверторе позволя-

ет иметь более известковые шлаки. Сера, как известно, содержится в чугуне и стали в виде сульфидов и ее можно удалять по следующей схеме

FeS + CaO== FeO + CaS

(металл)(шлак)

Чем больше извести в шлаке, тем больше равновесие реакции смещается вправо, т. е. тем больше серы переходит в шлак. Выливка металла в современ-

ном конверторе проводится не через горловину, а через верхнюю летку, что также предохраняет металл от поглощения азота, так как вся поверхность стали в конверторе в это время закрыта слоем шлака.

Получение стали завершается ее раскислением, так как этот процесс но-

сит окислительный характер, а окисление примесей всегда одновременно ведет к окислению железа и растворения в нем его закиси. В разных способах полу-

чения стали раскисление ведется различно (см. ниже).

83

При получении стали в конверторах наиболее часто раскисление ведут марганцем и кремнием, а. точнее их ферросплавами, так как их окислы образу-

ют с окислами железа жидкую шлаковую фазу, помогающую вывести продукты раскисления из металла. Часть раскислителей вводят иногда в конвертор за не-

сколько минут до разливки. Завершается раскисление обычно в разливочном ковше. Общий расход технического кислорода на получение 1 т стали в кон-

верторе составляет 50-60 м3, что незначительно превышает теоретически не-

обходимое количество.

Недостатком кислородно-конверторного способа получения стали яв-

ляется большое пылеобразование, обусловленное обильным окислением и испарением железа, значительно большим, чем при других способах получения стали. Это требует обязательного сооружения при этих конверторах сложных и дорогих пылеочистительных установок.

§ 2. Мартеновские способы производства стали

Мартеновский способ является основным способом, дающим около 70%

высококачественной стали, выплавляемой в мире. В 1865 г. во Франции инже-

неру П. М а р т е н у после многочисленных попыток удалось получить на поду пламенной печи жидкую сталь, так как до этого этим путем получали сталь в тестообразном состоянии. Мартен применил для сталеплавильной печи прин-

цип регенерации тепла отходящих печных газов для подогрева топлива и воз-

духа, подаваемого в печь (разработанный инженером Ф. С и м е н с о м и ис-

пользуемый до этого в печах некоторых других производств). По этому прин-

ципу строятся и работают мартеновские сталеплавильные печи до настоящего времени.

Современные мартеновские печи (рис. 52) отапливают обычно газом (ча-

ще всего смесью доменного газа с коксовальным или природным газом) и обо-

рудуют четырьмя регенераторами (по два с каждой стороны печи), заполнен-

ными кирпичной решетчатой кладкой для раздельного подогрева

84

газообразного топлива и воздуха, подаваемых в печь. Продукты горения из рабочего пространства печи направляются в одну пару регенераторов (на-

пример, правую) и нагревают их насадку (решетчатую внутреннюю кладку), а

затем выпускаются в дымовую трубу. В это время газовое топливо и воздух по-

дают в печь через вторую пару регенераторов (например, левую), насадка кото-

рых была нагрета раньше.

Через некоторое время с помощью автоматически переключающихся клапа-

нов меняется направление выхода печных газов и по-

дачи топлива.

Мартеновские печи строят разной вместимости и производительности - от

10 до 500-900 т. На неко-

торых заводах работают печи, отапливаемые мазу-

том или природным газом,

в которых подогревается

только воздух, подающийся в печь.

В первых печах, предложенных Мартеном, под, стены и свод выкладыва-

ли из динасового огнеупорного кирпича. В 1880 г. в России была построена первая мартеновская печь с подом и стенками из доломитового кирпича, кото-

рые затем получили широкое распространение. В современном сталеплавиль-

ном производстве для кладки стен и пода печей применяют и кислые, и основ-

ные огнеупоры; этим отличается устройство основных и кислых мартеновских печей.

85

Ванна печи, удерживающая расплавленные материалы, имеет форму ча-

ши, и ее длину и ширину обычно определяют на уровне порогов садочных окон, через которые и производят загрузку в печь твердых материалов. Совре-

менная 500-тонная печь имеет ванну 16,4 м длины, 5,9 м ширины и более 1 м

глубины. Произведение этой длины на ширину принято считать условной пло-

щадью пода мартеновской печи. Глубиной ванны считают размер в самой глу-

бокой ее части, которая расположена около выпускного отверстия, от подины,

до уровня порогов садочных окон.

Боковую кладку и под укрепляют снаружи прочными стальными балка-

ми. До недавнего времени своды мартеновских печей делали арочными и вы-

кладывали из динасового кирпича. Такие своды не допускали их нагрев выше

1700° С, что тормозило производительность печей; эти своды обычно выдер-

живали 200-250 плавок. Теперь своды делают из термостойкого хромомагнези-

тового кирпича. Изменилась и конструкция свода. Отдельные блоки свода под-

вешивают на тягах к поперечным балкам каркаса печи и свод получается под-

весным. Применение хромомагнезита и новой конструкции свода позволяют нагревать его до 1800° С. Такие подвесные хромомагнезитовые своды выдер-

живают 500 плавок.

Горячий газ подают в печь по центральному каналу, воздух - по двум бо-

ковым. Сходясь в рабочем пространстве печи, эти каналы образуют так назы-

ваемую головку печи, формирующую газовое пламя. Внутрь стенок головки обычно вставляют кессоны, в которых циркулирует вода для сохранения огне-

упоров головки от быстрого разгара. Перед регенераторами в мартеновской пе-

чи устанавливают шлаковики для сбора пыли и капель шлака, выносимых из печи с отходящими газами, и предохранения регенераторов от быстрого загряз-

нения. Загрузку твердой шихты в печь производят через окна с помощью зава-

лочных машин. Выпуск стали и шлака из мартеновской печи после завершения плавки проводят через летку, которую располагают в так называемой задней

86

продольной стенке печи, не имеющей загрузочных окон. Некоторое количество шлака выпускают иногда через так называемые ложные пороги загрузочных окон на лицевую сторону печи. На время плавки летку (выпускное отверстие)

заделывают магнезитовым порошком и огнеупорной глиной.

Кроме стационарных мартеновских печей иногда для переработки чугу-

нов, содержащих много фосфора, применяют качающиеся мартеновские печи,

рабочее пространство которых располагают на катках, что облегчает и ускоряет удаление (скачивание) по ходу передела фосфористых шлаков и тем самым по-

вышает производительность печи.

Мартеновский способ получил широкое применение благодаря возмож-

ности использования различного сырья и разнообразного топлива. В настоящее время мартеновский процесс различают в зависимости от используемого сырья:

скрап-процесс, если его шихта состоит из стального лома (60-70%) и твердого чушкового чугуна (30-40%). Эта разновидность процесса применяется на заво-

дах, не имеющих доменного производства (Московский завод «Серп и молот» и

др.). Широко применяется и скрап-рудный процесс, характерный тем, что его шихта состоит на 20-50% из скрапа и на 50-80% из жидкого чугуна, который после выпуска из доменных печей хранится в больших бочкообразных футеро-

ванных внутри огнеупорным кирпичом хранилищах, называемых м и к с е -

р а м и . Этот процесс называется скрап-рудным потому, что для ускорения окисления примесей чугуна в печь загружают, кроме того, гематитовую желез-

ную руду в количестве 15-30% от массы металлической части шихты.

Скрап-рудный процесс в кислой и основной мартеновских печах прохо-

дит различно (меняется состав флюсов и некоторых других шихтовых материа-

лов, по-разному идет окисление примесей). Поэтому различают кислый и ос-

новной мартеновские процессы.

Рассмотрим кратко сущность широко применяемого на наших заводах основного скрап-рудного процесса. Мартеновские печи работают циклами, но

87

нагрев печи ведется непрерывно, поэтому подготовка новой плавки стали начи-

нается с осмотра печи и устранения изъяна в подине и боковых откосах печи путем их заварки новым слоем доломита или магнезита еще во время выпуска предыдущей плавки. После выпуска металла выпускное отверстие заделывают и шихту загружают для новой плавки. Сыпучие шихтовые материалы (руда, из-

вестняк, скрап) загружают обычно первыми и отдельные их слои хорошо про-

гревают. На подину принято сначала загружать железную руду, а потом извест-

няк и сверху стальной лом. Все эти материалы подвозят к печам составом платформ в так называемых мульдах (металлические коробки с приспособле-

нием для захвата их хоботом завалочной машины).

Завалочная машина современных крупных печей - это самоходная тележ-

ка, перемещающаяся по рельсам вдоль продольных лицевых стенок нескольких мартеновских печей, обычно располагающихся в одну линию. На самоходной тележке установлен механизм управления с кабиной машиниста и загрузочный механизм с длинным штоком (хоботом). Хобот завалочной машины поднимает с платформы мульду с шихтой, вносит ее в печь и, поворачивая, высыпает ее содержимое, затем выносит пустую мульду из печи и ставит ее на платформу.

Во время загрузки твердых материалов в печь расходуется максимальное количество топлива для обеспечения быстрого прогрева и расплавления шихто-

88

вых материалов. Жидкий чугун загружают в печь через окно с помощью встав-

ляемого в него стального желоба, футерованного изнутри огнеупором. Жидкий чугун подают к печи в чугуновозном ковше с помощью мостового крана (рис. 53). Чугун заливают в печь, когда твердая шихта прогрета и начинает оплав-

ляться. С заливкой жидкого чугуна резко ускоряется плавление металлической части шихты. Одновременно с прогревом шихты начинается окисление приме-

сей. К моменту расплавления шихты почти полностью окисляется кремний, бо-

лее половины марганца, третья часть фосфора и частично углерод. Во время плавления образуется значительное количество закиси железа, так как количе-

ство воздуха, подаваемого в мартеновскую печь, обычно значительно больше необходимого для сжигания топлива (125% теоретически необходимого) и

пламя в мартеновской печи бывает окислительным.

Образующаяся закись железа, растворяясь в шлаке и металле, окисляет примеси

Si + 2FeO = 2Fe + SiO2; 2P + 8FeO = 5Fe + 3FeO • Р2О5;

Mn + FeO = Fe + MnO; C + FeO = Fe + CO

Окисление углерода в еще не прогретой ванне вызывает вспенивание шлака. Этим пользуются для удаления из печи самотеком через пороги загру-

зочных окон (в некоторых печах есть и отдельные летки ) части первичного шлака, содержащего значительное количество фосфора в виде 3FeO • P2O5 и

кремнезем. Скачивание шлака продолжается в крупных печах в течение 1-2 ч;

оно сокращает потребность в известняке и уменьшает слой шлака в печи, бла-

годаря чему улучшается прогрев металла. К концу плавления шихты известняк,

прогревшись, переходит в известь СаСОз СаО + СО2 и, всплывая, растворяется в шлаке.

После расплавления шихты начинается период доводки стали. В печи об-

разуется ванна металла, покрытая сверху слоем шлака, содержащего значи-

89

тельное количество окислов железа. Окись железа, имеющаяся в шлаке, взаи-

модействует с металлом

Fe203 + Fe = 3FeO

Образующаяся закись железа частично растворяется в шлаке, но частично переходит и в металл, так как она хорошо растворяется в нем. Растворившаяся в металле закись железа продолжает окислять примеси, в том числе и углерод:

FeO+C = Fe + CO

Образующаяся окись углерода в виде газовых пузырьков хорошо пере-

мешивает ванну и способствует выделению из металла газовых и других вклю-

чений. Этот процесс выделения угарного газа называют кипением ванны. В это время для интенсификации процесса кипения в печь добавляют железную руду.

Увеличение окислов железа в шлаке ускоряет процесс. При перемешивании шлака образовавшаяся в нем закись железа, соприкасаясь с окислительными га-

зами печи, переходит в окись, которая в свою очередь окисляет металл.

Таким образом, шлак в ванне мартеновской печи, интенсивно перемеши-

ваемый тепловыми потоками и выделяющимся из металла газом, передает ме-

таллу тепло и кислород.

В этот же период из шихтовых материалов удаляют фосфор путем перио-

дического скачивания шлака. Важную роль для связывания окислов фосфора в этот период играет известь, так как соединения типа ЗFеО-Р2О5 при высоких температурах оказываются не стойкими. Фосфор связывают в этих условиях с известью по уравнению

3FeO • Р2O5 + 4СаО = 4СаО • Р2O5 + 3FeO

Для успешного удаления фосфора необходимо иметь в шлаке максималь-

ное количество извести, не связанное кислотными окислами (главным образом

SiO2). Однако большой избыток извести затрудняет мартеновскую плавку, так как такие шлаки тугоплавки. Наличие свободной окиси кальция способствует

90

также и переводу в шлак соединений серы, присутствующих в металле в виде сульфидов железа и марганца, по уже известной нам реакции

FeS + CaO = FeO +CaS

Но в условиях мартеновской плавки эта равновесная реакция не доводит-

ся до конца, поэтому присутствие серы в компонентах шихты крайне нежела-

тельно.

Процесс доводки металла до нужного химического состава производится в так называемый период чистого кипения металла, начинающегося после пре-

кращения добавок в него железной руды. Чистое кипение ванны протекает не менее одного часа. Готовность заданной плавки стали определяют взятием про-

бы и экспресс-анализом в цеховой лаборатории.

После этого проводится раскисление и выпуск стали в ковши, из которых ее разливают в слитки. Общая продолжительность получения стали в мартенов-

ской печи занимает несколько часов. Раскисление стали в ванне мартеновской печи проводят сначала доменным ферромарганцем, а затем доменным ферро-

силицием. Кремний ферросилиция отнимает кислород от закиси железа и обра-

зует сложные силикаты железа и марганца, которые обладают низкой темпера-

турой плавления и малой плотностью. Они всплывают в ванне и переходят в шлак. После этого сталь начинают выпускать из печи и завершают раскисление в ковше (или на желобе, по которому она вытекает в ковш), богатым ферроси-

лицием (45% или 75% Si), и вводят небольшое количество более сильного вос-

становителя - обычно алюминия или силикоалюминия

3FeO + 2Al = Al2O3 + Fe

Алюминий является активным раскислителем стали, но образующаяся окись алюминия тугоплавка и в виде тонкой взвеси почти вся остается в стали.

Принято считать, что эти частички окиси алюминия являются центрами кри-

сталлизации при формировании слитка, и с увеличением количества алюминия,

вводимого для раскисления, можно получить более мелкую структуру слитка