Металлургические процессы в машиностроительном производстве: Учебное пособие

Кочеткова Л.П.

Киров, 2004 г.

  4. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ
Сталеплавильное ПРОИЗВОДСТВО - это получение стали из чугуна и стального лома. По сравнению с чугуномсталь содержит меньшее количество углерода и примесей. Поэтому основная задача переделачугуна в сталь состоит в удалении углерода и примесей с помощью окислительных процессов, протекающих в сталеплавильных агрегатах.
4.1. Сталеплавильные шлаки
Шлак образуется в процессе окисления железа и его примесей, а также из оксидовфутеровки печи, флюсов и руды. По свойствам шлакообразующие компоненты можно разделить на основные (CaO. MgO. FeO, МиО и др.). кислотные (SiO2, P2O5, TiO2, V2O5 и др.) и амфотерные (А12О3, Fe2O3, Cr2O3 и др.) оксиды. Так как наибольшую долю в основных шлаках составляют СаО и SiO2, отношение этих элементов CaO/SiO2 характеризуют основность шлаков. Если (CaO)/(SiO2) < 1,5, то такие шлаки называют низкоосновными; если это отношение равно 1,8 - 2.2, - высокоосновными. При переделе фосфористых чугуновшлаки содержат много Р2О?. В этом случае основностьшлака представляет собой отношение (CaO)(SiO2 + Р2О5).
Кислые шлаки характеризуются их кислотностью, выражаемой отношением (SiO2) / (FeO + MnO). Содержание в шлаке FeO определяет его окислительную способность.
В зависимости от характера шлаков сталеплавильные процессы называются основными или кислыми. Обычно и огнеупорные материалы, из которых сделана сталеплавильная ванна, соответствует характеру процесса (характеру шлака). Роль шлака в сталеплавильном производстве чрезвычайно велика. шлаки связывают все оксиды (кроме СО); служат передатчиком кислорода из печной атмосферы к жидкому металлу: в мартеновских и дуговых сталеплавильных печах через Шлак происходят передача тепла металлу; шлаки защищают металл от насыщения газами. Удаление из металла вредных примесей ( Р и S) заключается в их переводе в Шлак и создании условий, препятствующих обратному переходу.
4.2. Основные реакции сталеплавильных процессов
Для осуществления окислительных реакций кислород поступает из атмосферы, из железной руды и других окислителей, а также при продувкеванны газообразным кислородом.
Окисление углерода происходит по реакции [СО] + 2[О] = {СО}.
Примечание: скобки в уравнениях показывают, в какой фазе находятся вещества: квадратные [ ] - в металл1шеской; круглые ( ) - в шлаковой; фигурные { } - в газовой.
Образующаяся при окислении углерода газовая фаза (пузырьки СО) перемешивает ванну, создает впечатление кипящей жидкости. При этом выравнивается состав и температура металла, происходит удаление газов и неметаллических включений. Эту реакцию называют основной реакцией сталеплавильного производства.
Окисление и восстановление марганца можно представить следующими реакциями:
[Мп] + [О] <-> (MnO): [Mn] + (FeO) <-> (Mo) + [Fe].
С повышением температуры и основностишлакаконцентрация Мп в металле увеличивается. Так как почти все стали содержат Мп. то его восстановление в процессеплавки - явление положительное.
Окисление и восстановление кремния. Кремнии обладает большим сродством к кислороду (больше, чем марганец) и практически полностью окисляется уже в период плавления по реакциям [Si] + 2[0] = (SiO2); [Si] + 2(FeO) = (SiO2) + 2[Fe].
Эти реакции сопровождаются выделением очень большого количества тепла.
При плавке с основным шлаком SiO2 связывается в прочный силикат (СаО)2 * SiO2. что обеспечивает почти полное удаление Si из шихты. При кислом процессекремний восстанавливается. Восстановить кремний из кислого шлака могут Fe, С, Мп.
Окисление и восстановлениефосфора (дефосфорация). Так как фосфор в стали является вредной примесью, то его содержание в сталях ограничено до 0,05%. Окисление фосфора можно представить следующей суммарной реакцией: 2[Р] + 5(FeO) + 4(СаО) = (СаО)4 - Р2О5 + 5[Fe].
Реакция идет с выделением тепла. Таким образом, условия удаления из метают фосфора (дефосфорация) заключается в следующем:
- наличием окислительной среды, высокой концентрации FeO в шлаке:
- достаточно высокой основностишлака (СаО);
- невысокой температуры.
Удаление серы <десулъфурация) из расплавленного металла в Шлак происходит в большинстве случаев в результате образования CaS:
[Fe] + [S] + (СаО) = (CaS) + (FeO). Удалению серы из металла способствуют:
- наличие основных шлаков (максимум СаО);
- низкая окисленностьшлака (минимум FeO);
- повышенная температура:
- перемешиваниеметалла со шлаком (реакция окисления серы идет на границеметалл - шлак).
Раскисление стали - это процесс удаления кислорода, растворенного в стали, путем связывания его в оксиды металлов, имеющих большое сродство к кислороду, чем железо. Раскисленная сталь при охлаждении ведет себя «спокойно», из нее почти не выделяются газы, поэтому такую сталь называют спокойной. Если операцию окисления не проводить, то при ее охлаждении в изложнице будет протекать реакция между растворенном в металлекислородом и углеродом [О] + [С] = {СО}. Образующиеся пузырьки СО будут выделяться из слитка, металл будет бурлить. Такая сталь называется кипящей. Если проводить раскисление таким образом, чтобы удалить из нее не весь кислород, то происходит кратковременное «кипение» металла. Такая сталь называется полу спокойной. Строение слитков спокойной, полуспокойной и кипящей стали рассмотрены в разделе 6.2.
В зависимости от условий ввода расы юлите л ей в металл различают два метода раскисления: глубинное (осаждающее) и диффузионное раскисление.
При глубинном раскислении раскислители вводят в глубину металла. В качестве раскислителей обычно применяют марганец (в виде ферромарганца), кремний (в виде ферросилиция), алюминий, сплавы редкоземельных металлов и др.
Раскисление протекает по следующим реакциям:
[Мп] + [О] = (МпО); [Si] + 2[О] = (SiO2); 2[А1] + 3[0] = (А12О3); 2[Се] + 3[О] = (Се2О3).
Все эти реакции сопровождаются выделением тепла. Продукты раскисления - оксиды Mn. Si. A1. Се - всплывают в шлак.
При диффузионном раскислении раскислению подвергают шлак. Раскислители в тонкоизмельченном виде подают на шлак. Сначала происходит раскисление шлака
(FeO) + [С] = {СО} + [Fe]; 2(FeO) + [Si] = (SiO2) + 2[Fe],
3(FeO) + 2[A1] = (А12Оз) + 3[Fe]. а затем кислород из металлапереходит в Шлак [О]->(О).
При диффузионном раскислении не происходит загрязнения металла неметаллическими включениями.
4.3. Кислородно-конвертерный процесс
Кислородно-конвертерный процесс представляет собой способ выплавки стали из жидкого чугуна без затраты топлива путем продувкичугуна в основном конвертере кислородом, подаваемым сверху через водоохлаждаемую фурму. За рубежом этот способ называют процессом ЛД - по первым буквам городов Линце и Донавице в Австрии, где впервые в 1952 - 1953 гг. был осуществлен кислородно-конвертерный процесс. За короткий срок кислородно-конвертерный процесс получил широкое распространение во всем мире. Так, если в 1980 г. доля кислородно-конвертерной сталисоставила 4% мировой выплавки стали, то в 1998 г. - 60%. Такое быстрое развитие кислородно-конвертерного производства объясняется его преимуществами по сравнению с другими сталеплавильными процессами:
- возможностью переработки чугунов практически любого состава:
- высокой производительностью - до 500 т/ч (мартеновские и электропечи до 140 т/ч);
- более низкими капитальными затратами:
- меньшими затратами по переделу (не требуется топливо);
- возможностью использования металлолома (до 30%);
- гибкостью процесса и высоким качеством продукции.
В настоящее время работаютконвертерыемкостью от 20 до 450 т. продолжительность плавки в которых составляет 30 - 50 мин.
Устройство кислородного конвертера. Конвертер - сосуд грушевидной формы с концентрической горловиной (рис. 16). через которую в полостьконвертера подается шихта, вводится кислородная фурма, отводятся газы и сливается шлак. Корпус конвертера выполняется сварным из листовой стали толщиной от 20 до ПО мм. Футеровка состоит из двух слоев: арматурного (магнезитового пли хромомагнезитового), прилегающего к корпусу, и рабочего (смолодоломитового - 35 - 50% MgO, 45 - 60% СаО). Общая толщина футеровки в зависимости от емкостиконвертера составляет 700 - 1000 мм.
К центральной части корпуса прикреплены цапфы, которыми Конвертер опирается на роликовые опорные подшипники, закрепленные в опорных станинах. Подшипники обеспечивают возможность вращения конвертера вокруг осп цапф. Конвертер может поворачиваться вокруг горизонтальной осп на 360° со скоростью 0.01 до 2 об/мин.
В шлемной части конвертера имеется летка для выпуска стали.
кислород в Конвертер поступает по водоохлаждающей фурме, изготовленной из трех цельнотянутых труб, входящих одна в другую. кислород подается по центральной трубе, две внешние трубы служат для подвода и отвода воды. температура отходящей воды не должна превышать 40°С. Фурмы устанавливают вертикально, строго по осп конвертера. Высоту расположения Фурмы над уровнем металла изменяют по ходу плавки.
Внизу фурма заканчивается сменяемым медным наконечником - головкой, которая имеет веерообразно расходящиеся сопла Лаваля, наклонные под углом 6 - 15° к оси фурмы. Стойкостьфурм - 70 - 300 плавок.
Шихтовые материалы кислородно-конвертерного производства состоят из металлического лома, жидкого чугуна (3,9 - 4,3% С; 0,5 - 1,0% Si; 0,7 - 1,7% Мп; 0.03 - 0,06% S: 0,015 - 0,15% Р), шлакообразующих (известняк, известь, боксит, плавиковый шпат) и добавок (легирующих и раскислптелей).
Технологияплавки (рис. 17)
1. Загрузка лома (рис. 17а). Стальной лом в количестве до 30% от массы металлической шихты загружают в наклоненный конвертер. Загрузка длится 2
- 4 мин.
2. Запивка чугуна (рис. 176). Жидкий чугун при температуре 1300 - 1450°С заливают в наклоненный Конвертер одним ковшом в течение 2-3 мин.
3. Продувка (рис. 17в). После заливки чугунаКонвертер поворачивают в вертикальное положение, вводят сверху фурму и включают подачу кислорода. фурму вначале устанавливают в повышенном положении (для ускорения шлако¬образования), а через 2-4 мин опускают до оптимального уровня (1,0 - 2.5 м).
Одновременно с началом продувки загружают первую порцию шлакообразуюших и железной руды (иногда для охлаждения).
В течениепродувки происходят следующие металлургические процессы:
- окисление избыточного углерода, всего кремния, марганца (~ 70%) и немного железа: газообразные Продукты (СО и СО2) удаляются через горловину конвертера, другие оксидыпереходят в шлак;
- шлакообразование; с первых секунд продувки образуется шлак, состоящий из продуктов окисления (SiO2, MnO, FeO, Fe2O3) и растворяюшпейся извести (СаО), вносимой в шихту. основностьшлака к концу продувки достигает 2.7 -3.6:
- дефосфорация и десульфурацпя; условия дефосфорацпп в конвертере благоприятные, особенно в начальный период продувки (раздел 4.2), степеньдефосфорация составляет 15 - 90%; условиядесульфурация несколько хуже, чем дефосфорация из-за присутствия FeO в шлаке (8 - 20%), поэтому степеньдесульфурация обычно не превышает 30%:
- нагрев металла до требуемой перед выпускомтемпературы (1600 - 1660°С) за счет тепла, выделяющегося при протекании экзотермических реакций окисления примесей.
4. Отбор проб, замер температуры, ожидание анализа, корректировка (рис. 17г). Окончив продувку, из конвертера выводят фурму, а Конвертер поворачивают в горизонтальное положение; берут пробуметалла на анализ и измеряют температуру. Если параметры соответствуют заданным, то плавку выпускают. В противном случае проводят корректирующие операции: при избыточном содержании углерода вводят кратковременную продувку, при излишне высокой температуре в Конвертер вводят охладители - лом, руду, известняк. На отбор и анализпроб затрачивается 2-3 мин; корректировочные операции вызывают дополнительные простои конвертера и поэтому нежелательны.
5. Выпуск (рнс.17д). стальвыпускают через летку в сталеразливочный ковш при температуре 1600°С. Выпуск длится 3-7 мин. Одновременно со сливомстали по специальному желобу в ковш подают раскислители и легирующие добавки. При необходимости проводят внепечную обработку стали, для чего ковш транспортируют на соответствующие установки.
4.4. Мартеновское ПРОИЗВОДСТВО стали
В металлургии происходит постепенное вытеснение мартеновского производства стали кислородно-конвертерным. Например, в Японии мартеновские печи к настоящему времени полностью заменены конвертерами, во многих других странах доля мартеновской стали постоянно снижается. Тем не менее существующие мартеновские цехи продолжают работать, постоянно совершенствуется и интенсифицируется мартеновский процесс.
Сущность мартеновского процесса состоит в переработке чугуна и металлического лома на поду пламенной отражательной печи. Газовая атмосфера печи имеет окислительный характер, т.е. в ней содержится избыточное количество кислорода. Благодаря этому металл мартеновской печи в течение всей плавки подвергается прямому или косвенному воздействию окислительной среды. В результате этого во время плавки происходит окисление железа и других элементов, содержащихся в шихте. Образующиеся при этом оксидыметалла FeO, Fe2O3, SiO2, MnO, CaO, Р2О5 и др. вместе с частицами постепенно разрушаемой футеровки, а также примесями, вносимыми шихтой, образуют шлак. Шлак легче металла, поэтому он покрывает металл во все периоды плавки.
Мартеновская печь представляет собой пламенную (в рабочем простран¬стве сжигается газообразное или жидкое топливо), регенеративную (используется тепло отходящих газов) печь. печь названа по имени французского инженера П.Мартена, впервые построившего в 1864 г. регенеративную отражательную печь для плавки металла.
Мартеновская печь (рис.19) условно делится на верхнее и нижнее строение. К верхнему строению относятся рабочее пространство (сжигается топливо и осуществляется плавка), головки и вертикальные каналы, которые располагаются выше рабочей площадки печи (для подачи топлива и воздуха и отвода продуктов сгорания). К нижнему строению под рабочей площадкой относятся шлаковики (предназначены для осаждения пыли и частиц шлака), регенераторы (воздушные и газовые), где происходит подогрев поступающих в печь газа и воздуха, и борова - каналы для воздуха, газа и продуктов сгорания.
Мартеновская печь - агрегат, симметричный относительно вертикальной осп (рис.20). топливо и воздух поступают в рабочее пространство то с правой, то с левой стороны. В результате сгорания топлива в рабочем пространстве возникает факел (1800°С). Продукты сгорания отводятся из рабочего пространства через головку противоположной стороны и после шлаковиков при температуре 1500 - 1600°С сверху поступают в регенератор.
Технология мартеновской плавкистали имеет ряд особенностей:
- окислительный характер газовой фазы печи во все периоды плавки (СО, различные углеводороды, СО2, О2);
- тепло к ванне поступает сверху, поэтому температурашлака выше, чем металла. Толщина шлака в мартеновской печи колеблется от 50 до 500 мм, глубинаванны от 500 до 1500 мм. Перепад температуры по глубиневанны составляет 70 - 100°С. несмотря на то. что кипениеванны способствует выравниванию температуры:
- участие пода печи в протекающих процессах. Плавка в мартеновской печи продолжается несколько часов, поэтому влияние взаимодействия металла с подиной оказывается ощутимым;
- жидкий металл все время находится под слоем шлака. Практически все вводимые в печь добавки попадают на Шлак или проходят в металле через шлак. кислород из атмосферы печи в металлпереходит также через шлак. По существу руководство ходом плавки осуществляется через шлак.
Мартеновскую плавку ведут одним из способов:
- скрап-процессом, при котором основной составляющей частью шихты является Стальной скрап:
- скрап-рудным процессом, при котором основная массашихты - жидкий чугун (55-75%).
Рассмотрим ход плавки при основном скрап-процессе. Этот процесс получил наибольшее распространение на машиностроительных заводах, где нет доменных печей и жидкого чугуна. Он состоит из нескольких последовательных периодов: заправки печи, завалки шихты, плавления, кипения, раскисления, легирования и выпускастали (рис.21).
Цель заправки заключается в исправлении неровностей футеровки (бугров, ям), полученных от предыдущей плавки.
Далее идет завалка шихты, в состав которой входят следующие компоненты:
- металлолом - 60 - 80%;
- чушковый передельный чугун - 20 - 40%;
- железная руда (твердый окислитель):
неокисляющиеся легирующие элементы (никель, медь, молибден):
- известь (СаО) - 8 - 12% от массы металла.
Период плавления начинается сразу же после загрузки шихты. В этот период в печь подается максимальное количество топлива. При плавлении за счет оксидов руды п скрапа окисляются С. Mn. Si и Р. и в результате Продуктыреакции MnO, SiO2, P2O5 с СаО образуют Шлак с высоким содержанием МпО и FeO. Толстый слой образовавшегося шлака вспенивается газом СО (результат окисления углеродом) и начинает «сбегать» из печи в шлаковые чаши -происходит скачивание шлака.
В период плавления полностью окисляется Si. почти полностью Мп, большая часть углерода и интенсивно удаляется фосфор.
После расплавленияшихты химический составметалла не соответствует заданному составу: температураметалла при этом относительно невысока. Поэтому продувают ваннукислородом или вводят дополнительное количество железной руды. Наступает период кипенияванны - наиболее ответственный период мартеновской плавки. Период кипения разделяют на две части. Вначале происходит интенсивное окисление углерода за счет введенных окислителей. Образующиеся пузырьки СО вырываются на поверхность металла, пробивают слой шлака и создают впечатление кипения. При подъеме вверх пузырьки СО захватывают значительное количество растворенных в металле других газов, а также неметаллических частиц, присутствие которых в готовой стали ухудшает ее качество.
Второй период кипения - это чистое кипение, когда окисление растворенного в металлеуглерода продолжается без каких-либо добавок за счет растворенного в шлаке и металле кислорода. В этот период кипенияметалл окончательно доводится до требуемой температуры и заданного химического состава.
фосфор удаляется на протяжении плавления (наиболее благоприятные условия дефосфорации) и кипенияванны с образованием фосфата кальция, который удаляется из ванны вместе со скачивающимся шлаком:
Сера наиболее интенсивно удаляется в период кипения ванны, когда температура достигает высокого значения и имеется достаточное количество извести:
FeS + CaO-»CaS + FeO. в шлак
Завершающий период плавки - раскисление. марганец (в виде ферромар¬ганца) вводят в печь, а кремний (в виде ферросилиция) и алюминий вводят в ковш во время выпуска плавки.
Если выплавляют легированную сталь, то слабо окисляющиеся элементы (Сг, Мп) вводят в печь в виде ферросплавов после раскисления ферромарганцем, а сильно окисляющиеся элементы (Si, Ti, V, А1, В) вводят в ковш при выпуске плавки. температуравыпускастали 1600 - 1700°С.
Скрап-процессом выплавляют углеродистые и легированные спокойные стали, скрап-рудным - только углеродистые спокойные стали.
Продолжительность мартеновской плавки - 6 - 12 ч. Емкость печей - до 100 т (скрап-процесс), до 400 т (скрап-рудный процесс).
Совершенствование мартеновского производства привело к созданию двухванных печей. Эта печь представляет собой агрегат, в котором объединены как бы две мартеновские ванны (рис.22). Когда в левой ванне идет Продувка жидкого металла кислородом, в правую ванну через завалочные окна загружают твердую шихту (металлолом, флюсы). Образующиеся во время продувки газы с большим теплосодержанием из левой ванны направляются в правую, и твердая шихта нагревается. Если этого тепла недостаточно, можно подключить сводовые кислородно-топливные горелки. К концу продувкиметалла в левой ванне должна быть закончена завалка шихты в правой ванне.
Во время выпуска готовой стали m левой ванны в правую ванну на разогретую шихту заливают жидкий чугун. После этого в правой ванне начинается Продувкаметалла кислородом, и образующиеся при этом газы направляются в левую ванну, где в это время начинается завалка шихты, и цикл повторяется. Достоинство двухванных печей: высокая производительность.
Двухванные печи работают скрап-рудным процессом, доля жидкого чугуна в завалке составляет около 50% металлической шихты. Плавка в каждой ванне состоит из тех же периодов и операций, какие были рассмотрены в мартеновской печи. Эти печи имеют высокую производительность. Их недостаток связан с необходимостью четкой синхронизации работы обеих ванн.
Основные технико-экономические показателиработы мартеновской печи -съем стали в тоннах за сутки с 1 м площади пода печи (это примерно 10 т/(м -сутки); часовая производительность - т/ч: годовая производителъностъ -т/г.
Например, если площадь пода 250-тонной печи составляет 15 м2. Плавка длится 6 часов (четыре плавки в сутки) и за каждую плавку получают в среднем 245 т годных слитков, то для такой печи:
съем стали
245-475 = 13,0 т(м2сут.);
часовая производительность 245/6 = 41,0 т/ч;
годовая производительность
245 * 4 * 340 = 330 тыс. т/г (при 340 рабочих сутках в году - продолжи¬тельность горячих и холодных ремонтов в году составляет 6 - 7%, т.е. из 365 дней в году 340 - 343 суток печь работает и 22 - 25 суток находится в ремонте).
В мартеновских печах выпускаютстали качественные и высококачественные.