Производство стали.
В
стали по сравнению с чугуном
содержится меньше углерода, кремния,
серы и фосфора. Для получения
стали из чугуна необходимо снизить
концентрацию веществ путем окислительной
плавки.
В
современной металлургической промышленности
сталь выплавляют в основном в
трех агрегатах: конвекторах, мартеновских
и электрических печах.
1.
Производство стали
в конверторах.
Конвертор
представляет собой сосуд грушевидной
формы. Верхнюю часть называют козырьком
или шлемом. Она имеет горловину,
через которую жидкий чугун и
сливают сталь и шлак. Средняя
часть имеет цилиндрическую форму.
В нижней части есть приставное днище,
которое по мере износа заменяют новым.
К днищу присоединена воздушная
коробка, в которую поступает
сжатый воздух.
Емкость
современных конвекторов равна 60
– 100 т. и более, а давление воздушного
дутья 0,3-1,35 Мн/м. Количество воздуха необходимого
для переработки 1 т чугуна, составляет
350 кубометров.
Перед
заливкой чугуна конвектор поворачивают
до горизонтального положения, при
котором отверстия фурм оказываются
выше уровня залитого чугуна. Затем
его медленно возвращают в вертикальное
положение и одновременно подают
дутье, не позволяющее металлу проникать
через отверстия фурм в воздушную
коробку. В процессе продувки воздухом
жидкого чугуна выгорают кремний,
марганец, углерод и частично железо.
При достижении необходимой концентрации
углерода конвектор возвращают в
горизонтальное положение и прекращают
подачу воздуха. Готовый металл раскисляют
и выливают в ковш.
Бессемеровский
процесс. В конвертор заливают жидкий
чугун с достаточно высоким содержанием
кремния (до 2,25% и выше), марганца
(0,6-0,9%), и минимальным количеством серы
и фосфора.
По
характеру происходящей реакции
бессемеровский процесс можно разбить
на три периода. Первый период начинается
после пуска дутья в конвертор
и продолжается 3-6 мин. Из горловины
конвертора вместе с газами вылетают
мелкие капли жидкого чугуна с
образованием искр. В этот период окисляются
кремний, марганец и частично железа
по реакциям:
Si
+ O2
= SiO2,
2Mn
+ O2 =
2MnO,
2Fe
+ O2
= 2FeO.
Образующаяся
закись железа частично растворяется
в жидком металле, способствуя дальнейшему
окислению кремния и марганца.
Эти реакции протекают с выделением
большого количества тепла, что вызывает
разогрев металла. Шлак получается кислым
(40-50% SiO2).
Второй
период начинается после почти полного
выгорания кремния и марганца.
Жидкий металл достаточно хорошо разогрет,
что создаются благоприятные
условия для окисления углерода
по реакции C + FeO = Fe + CO, которая протекает
с поглощением тепла. Горение углерода
продолжается 8-10 мин и сопровождается
некоторым понижением температуры жидкого
металла. Образующаяся окись углерода
сгорает на воздухе. Над горловиной конвектора
появляется яркое пламя.
По
мере снижения содержания углерода в
металле пламя над горловиной
уменьшается и начинается третий
период. Он отличается от предыдущих периодов
появлением над горловиной конвертора
бурого дыма. Это показывает, что
из чугуна почти полностью выгорели
кремний, марганец и углерод и
началось очень сильное окисление
железа. Третий период продолжается не
более 2 – 3 мин, после чего конвектор
переворачивают в горизонтальное положение
и в ванну вводят раскислители
(ферромарганец, ферросилиций или алюминий)
для понижения содержания кислорода в
металле. В металле происходят реакции
FeO + Mn = MnO + Fe,
2FeO + Si = SiO2 + Fe,
3FeO + 2Al = Al2O3 + 3Fe.
Готовую сталь выливают из конвектора
в ковш, а затем направляют на разливку.
Чтобы
получить сталь с заранее заданным
количеством углерода (например, 0,4
– 0,7% С), продувку металла прекращают
в тот момент, когда из него углерод
еще не выгорел, или можно допустить
полное выгорание углерода, а затем
добавить определенное количество чугуна
или содержащих углерод определенное
количество ферросплавов.
Томасовский
процесс. В конвертор с основной футеровкой
сначала загружают свежеобожженную известь,
а затем заливают чугун, содержащий
1,6-2,0% Р, до 0,6%Si и до 0,8% S. В томасовском конвекторе
образуется известковый шлак, необходимый
для извлечения и связывания фосфора.
Заполнение конвектора жидким чугуном,
подъем конвертора, и пуск дутья происходят
также как и в бессемеровском процессе.
В
первый период продувки в конвекторе
окисляется железо, кремний, марганец
и формируется известковый шлак.
В этот период температура металла
несколько повышается.
Во
второй период продувки выгорает углерод,
что сопровождается некоторым понижением
температуры металла. Когда содержание
углерода в металле достигнет
менее 0,1%, пламя уменьшится и исчезнет.
Наступает третий период, вовремя
которого интенсивно окисляется фосфор
2P
+ 5FeO + 4CaO = (CaO)4*P2O5 + 5Fe.
В
результате окисления фосфор переходит
из металла в шлак, поскольку тетрафосфат
кальция может раствориться только в нем.
Томасовские шлаки содержат 16 – 24% Р2О5.
Данная
реакция сопровождается выделением
значительного количества тепла, за
счет которого происходит более резкое
повышение температуры металла.
Перед
раскислением металла из конвертора необходимо
удалить шлак, т.к. содержащиеся в раскислителях
углерод, кремний, марганец будут восстанавливать
фосфор из шлака, и переводить его в металл.
Томасовскую сталь применяют для изготовления
кровельного железа, проволоки и сортового
проката.
Кислородно-конверторный
процесс. Для интенсификации бессемеровского
и томасовского процессов в последние
годы начали применять обогащенное кислородом
дутье.
При
бессемеровском процессе обогащения дутья
кислородом позволяет сократить
продолжительность продувки и увеличить
производительность конвертора и долю
стального скрапа, подаваемого в
металлическую ванну в процессе
плавки. Главным достоинством кислородного
дутья является снижение содержания
азота в стали с 0,012-0,025(при воздушном
дутье) до 0,008-0,004%(при кислородном
дутье). Введение в состав дутья смеси
кислорода с водяным паром
или углекислым газом позволяет
повысить качество бессемеровской стали,
до качества стали, выплавляемой в мартеновских
и электрических печах.
Большой
интерес представляет использование
чистого кислорода для выплавки
чугуна в глуходонных конверторах сверху
с помощью водоохлаждаемых фурм.
Производство
стали кислородно-конверторным способом
с каждым годом увеличивается.
2.Производство
стали в мартеновских
печах.
В
мартеновских печах сжигают мазут
или предварительно подогретые газы
с использованием горячего дутья.
Печь
имеет рабочее (плавильное) пространство
и две пары регенераторов(воздушный
и газовый) для подогрева воздуха и газа.
Газы и воздух проходят через нагретую
до 1200°
С огнеупорную насадку соответствующих
регенераторов и нагреваются до 1000-1200°
С. Затем по вертикальным каналам направляются
в головку печи, где смешиваются и сгорают,
в результате чего температура под сводом
достигает 1680-1750° С. Продукты горения
направляются из рабочего пространства
печи в левую пару регенераторов и нагревают
их огнеупорную насадку, затем поступают
в котлы-утилизаторы и дымовую трубу.
Когда огнеупорная насадка правой пары
регенераторов остынет, остынет так что
не сможет нагревать проходящие через
них газы и воздух до 1100° С, левая пара регенераторов
нагревается примерно до 1200-1300° С. В этот момент переключают
направление движения газов и воздуха.
Это обеспечивает непрерывное поступление
в печь подогретых газов и воздуха.
Большинство
мартеновских печей отапливают смесью
доменного, коксовального и генераторного
газов. Также применяют и природный
газ. Мартеновская печь, работающая на
мазуте, имеет генераторы только для
нагрева воздуха.
Шихтовые материалы (скрапы, чугун,
флюсы) загружают в печь наполненной
машиной через завалочные окна.
Разогрев шихты, рас плавление
металла и шлака в печи происходит
в плавильном пространстве при
контакте материалов с факелом
раскаленных газов. Готовый металл
выпускают из печи через отверстия,
расположенные в самой низкой
части подины. На время плавки
выпускное отверстие забивают
огнеупорной глиной.
Процесс плавки в мартеновских
печах может быть кислым или
основным. При кислом процессе
огнеупорная кладка печи выполнена
из динасов ого кирпича. Верхние
части подины наваривают кварцевым
песком и ремонтируют после
каждой плавки. В процессе плавке
получают кислый шлак с большим
содержанием кремнезема (42-58%).
При
основном процессе плавки подину и
стенки печи выкладывают из магнезитового
кирпича, а свод – из динасов ого
или хромомагнезитового кирпича. Верхние
слои подины наваривают магнезитовым
или доломитовым порошком и ремонтируют
после каждой плавки. В процессе
плавки получают кислый шлак с большим
содержанием 54 – 56% СаО.
Основной
мартеновский процесс. Перед началом
плавки определяют количество исходных
материалов (чушковый чугун, стальной
скрап, известняк, железная руда) и последовательность
их загрузки в печь. При помощи заливочной
машины мульда (специальная коробка) с
шахтой вводится в плавильное пространство
печи и переворачивается, в результате
чего шихта высыпается на подину печи.
Сначала загружают мелкий скрап, затем
более крупный и на него кусковую известь
(3 – 5 % массы металла). После прогрева загруженных
материалов подают оставшийся стальной
лом и предельный чугун двумя тремя порциями.
Этот
порядок загрузки материалов позволяет
их быстро прогреть и расплавить. Продолжительность
загрузки шихты зависит от емкости
печи, характера шихты, тепловой мощности
печи и составляет 1,5 – 3 ч.
В
период загрузки и плавления шихты
происходит частичная окисление
железа и фосфора почти полное
окисление кремния и марганца
и образования первичного шлака.
Указанные элементы окисляются сначала
за счет кислорода печных газов и
руды, а затем за счет закиси железа
растворенной в шлаке. Первичный
шлак формируется при расплавлении
и окислении металла и содержит
10 –15% FeO, 35 –45% CaO, 13 – 17% MnO. После образования
шлака жидкий металл оказывается изолированным
от прямого контакта с газами, и окисление
примесей происходит под слоем шлака.
Кислород в этих условиях переносится
закисью железа, которая растворяется
в металле и шлаке. Увеличение концентрации
закиси железа в шлаке приводит к возрастанию
ее концентрации в металле.
Для
более интенсивного питания металлической
ванны кислородом в шлак вводят железную
руду. Кислород, растворенный в металле,
окисляет кремний, марганец, фосфор и
углерод по реакциям, рассмотренным
выше.
К
моменту рас плавления всей шихты
значительная часть фосфора переходит
в шлак, так как последний содержит
достаточное количество закиси железа
и извести. Во избежание обратного
перехода фосфора в металл перед
началом кипения ванны 40 – 50% первичного
шлака из печи.
После
скачивания первичного шлака в печь
загружают известь для образования
нового и более основного шлака.
Тепловая нагрузка печи увеличивается,
для того чтобы тугоплавкая известь
быстрее перешла в шлак, а температура
металлической ванны повысилась.
Через некоторое время 15 – 20 мин
в печь загружают железную руду,
которая увеличивает содержание
окислов железа в шлаке, и вызывает
в металле реакцию окисления
углерода