Производство стали (основы теории и технология).

Диаграммой Fe—Fe3С пользуются при изучении стали и сплавов, в которых пет свободного углерода (графита)—белых чугунов, а диаграммой Fe—С —при изучении структур сплавов, в которых уг­лерод находится в свободном состоянии в виде графита (серые, по­ловинчатые и ковкие чугуны).

Кремний в железе. Радиус атома кремния равен I.34A, т.е.

он больше радиуса атома железа (1,26А). Это указывает на невоз­можность формирования твердого раствора внедрения. В то же вре­мя значительный тепловой эффект растворения кремния в чугуне (18000—19200 кал/моль) свидетельствует о том, что кремний обра­зует в железе при температурах выше точки плавления сплава [50% (ат.) Si и 50% (ат.) Fe] группировки типа химического соеди­нения FeSi (силицид железа). Имеются теоретические исследования, в которых, по аналогии с возможностью существования углерода в жидком железе в форме ионов С'+, допускают вероятность рас­творения кремния в железе в форме ионов Si''+.

Марганец, никель, хром, кобальт и молибден е железе. Радиус

атома марганца равен 1,31 А, т.е. он очень близок по величине к ра­диусу атома железа (1,26А). Свойства и строение атомов марганца и железа почти одинаковы. Тип и параметры решеток высокотемпе­ратурной модификации Miig и Fe д очень близки. Эти условия объ­ясняют неограниченную растворимость марганца в железе. Атомы марганца замещают в отдельных элементарных решетках атомы же­леза, формируя твердый раствор замещения. При этом создается ти­пичная металлическая связь. Раствор марганца в жидком железе близок к идеальному, так как растворение марганца проходит без выделения или поглощения тепла (Д//=0).

Природа расплавов Fc—Ni, Fe—Со, Fe—Cr, Fc—Mo, по-видимо­му, аналогична указанной для расплава Fe—Mn. Все указанные элементы формируют в железе растворы замещения. При этом создается типичная металлическая связь их атомов с атомами рас­творителя и электронным газом, т. е. они отдают свои валентные электроны в общую массу электронного газа и присутствуют в форме ионов.

Сера в железе. Радиус атома серы равен 1,05А. Сера—типич­ный металлоид, легко приобретает два электрона, превращаясь в ион S2~. Коэффициент диффузии серы в жидком железе равен по различным экспериментам: Сера сильно поверхностно активна и в двойных (Fe—S) и в тройных (Fe—С—S; Fc -Si -S) сплавах. В результате многочисленных ис­следований пришли к выводу, что сера существует в двух формах в расплавленном железе: п одном случае сера формирует в жидком железе раствор внедрения; в другом сера в жидком железе форми­рует не только растворы внедрения, но н частично и растворы заме­щения. Установлено, что при наличии в расплаве углерода и кремния существенно повышается активность серы. Этим объясняют большие возможности для десульфурации чугуна, чем стали.

Широко распространено мнение, что сера в жидком железе об­разует группировки (квазимолекулы) Fe—S. Сера в жидком железе может неограниченно растворяться. При этом считают, что сера фор­мирует раствор внедрения.

Фосфор в железе. Предполагают, что в жидком железе, содер­жащем фосфор, присутствуют группировки Fe—Р, подобные моле­кулам Fe2P. Фосфор поверхностно активен и насыщает поверхност­ные слои металла даже при малых его концентрациях в растворе. Однако в присутствии марганца в сплавах Fe—С—Р фосфор пере­стает быть поверхностно активным, что объясняют формированием устойчивых группировок в расплаве, подобных молекулам Мп5Р2. Пока нет ясности, где располагаются и как ориентированы группи­ровки (или молекулы в растворе с железом) в элементарной решетке. По мнению академика Н. Т. Гудцова, атомы фосфора фор­мируют раствор внедрения.

Кислород в железе. Раньше считали, что кислород находится в жидком железе в форме молекул закиси железа FeO.

Позднее появились работы, свидетельствующие о вероятности присутствия кислорода в расплаве железа в форме иона 02~. Ради­ус иона кислорода равен 1.32А, он значительно больше радиуса иона углерода С4+ (0,2Л), чем можно объяснить малую скорость его диффузии. Для более ясного представления о форме кислорода, на­ходящегося D жидком железе, необходимы дальнейшие исследова­ния. В настоящее время известно, что в элементарной решетке кисло­род формирует раствор внедрения. При затвердевании стали кисло­род выделяется в таком количестве, что в твердой стали ои практически отсутствует в растворе и находится лишь в соединении с другими элементами (в форме неметаллических вклю­чений) .

Водород и азот в железе. На основании исследований было установлено, что растворимость водорода (или азота) в железе при определенной температуре пропорциональна квадратному корню из парциального давления водорода (или азота) в газовой фазе, нахо­дящейся в равновесии с железом. Из этого следует, что водород (или азот) растворяется в железе в виде атомов. Если бы водород (или азот) растворялся в виде молекул, то растворимость определялась бы парциальным давлением водорода (азота) в газовой фазе. Кон­центрацию водорода в железе вычисляют в процентах по массе или в смэ/100 г металла. Связь между этими величинами выражают уравнением [Н], %=0,89-10-4[Н] см3/Ю0 г. Концентрацию азота вычисляют в процентах по массе металла.

ШЛАКИ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ

В процессе выплавки стали исключительно велика роль шлака. Химические реакции между шлаком и ме­таллом направлены в сторону достижения равновесия. Поэтому состав металла к концу плавки во многом опре­деляется составом шлака. От химического состава шла­ка зависят его физические свойства — вязкость, тепло­проводность, поверхностное натяжение. Эти свойства шлака влияют на интенсивность размывания огнеупор­ной футеровки конвертера или подины мартеновской пе­чи и растворения ее в шлаке; интенсивность теплопере­дачи от факела к ванне в' мартеновской печи, от чего за­висит скорость нагрева ванны и производительность пе­чи; скорость поступления в мартеновскую ванну кисло­рода, а следовательно, скорость окисления примесей. В зависимости от этих свойств шлак может быть лучшим или худшим защитным покровом, предохраняющим от поглощения жидкой ванной азота, водорода, серы из фа­кела в рабочем пространстве мартеновской печи.

Роль шлака о процессе плавки

Рассмотрим на примере мартеновской плавки роль шлака в различные ее периоды. Так как для каждого из них условия кислородопоглощеиня порой различны, то шлак должен быть регулятором направления процесса в сторону окисления или восстановления; создавать наи­более благоприятные условия для рафинирования метал­ла от вредных примесей; адсорбировать всплывающие окислы примесей из металлической ванны; создавать ус­ловия, обеспечивающие минимальные потерн железа и других ценных компонентов ванны; обладать вязкостью, обеспечивающей свободное выделение газов при кипении ванны.

Шлак образуется из окислов компонентов металличе­ской части шихты, флюсов н руды, футеровки агрегата, загрязнений металлической шихты (земли, песка).

По свойствам шлакообразующие компоненты могут быть разбиты на три категории (табл. 4).

Основное влияние на свойства шлака оказывают окис­лы SiO2 и СаО. Содержание в шлаке окислов железа, в 4    частности FeO, в свободном (не связанном химически) состоянии   определяет  его активность, т. е. окислитель­ную способность.

Изменение состава шла­ка по ходу процесса. В свя­зи с тем, что весь кремний и большая часть марганца, находящиеся в шихте, окис­ляются в начальной стадии плавки, а введенная в ших­ту известь попадает в шлак постепенно, основными со­ставляющими первичного шлака являются FeO, MnO и SiO2. В шлаках первичного периода главную роль иг­рают силикатные образования железа и марганца с низ­кой точкой плавления. Однако в случае основного процесса в шлак уже в самом начале переходят окислы фосфора Р2О6 сначала в виде трифосфата желе­за (FeO)3P2O5, а затем и тетрафосфата кальция (СаО)4Р2Ов.

Известь, концентрация которой нарастает в шлаке, вытесняет из силикатов окислы железа и марганца, об­разуя ряд силикатов кальция:

2FeO-SiO2 + 2СаО = (CaO)2SiO2 + 2FeO; 2MnO-SiO2 + 2СаО = (CaO)2SiO2 + 2MnO.

В шлаках основного процесса по ходу плавки нара­стает концентрация СаО, причем минералогический со­став шлаков усложняется (рнс. 12).

Наряду с образованием в основных шлаках силикатов железа и кальция в них могут образовываться соедине­ния СаО с окислами железа — феррит кальция, а также MnO, MgO, А12О3 и другие компоненты, способные да­вать химические соединения.

Процесс шлакообразования можно рассматривать как процесс нейтрализации кислотных окислов основными с образованием солей.

Таким образом, химическая теория шлаков позволяет формально правильно описывать протекающие реакции между шлакообразующими и металлом и осуществлять термодинамические расчеты. На этой основе была созда­на теория сталеплавильных процессов, и металлурги по­лучили возможность сознательно управлять плавкой.

Но в то же время химическая теория шлака подменя­ла физическую сущность явлений, протекающих в шла­ковом расплаве, и поэтому даже самое лучшее соответ­ствие расчетных величин опытным данным не могло слу­жить свидетельством правильности структурной модели жидкого шлакового расплава. Ряд установленных фак­тов, такие как электролиз расплавленных шлаков, дан­ные об электропроводности в сопоставлении с вязкостью, результаты по рентгеноструктурному анализу твердых шлаков, свидетельствует о значительной электролитиче­ской диссоциации шлаков.

КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНЫЙ ПРОЦЕСС

Конструкция и футеровка кислородных конвертеров

Конструкция. При конструировании кислородных конвертеров большой емкости выбор рациональных па­раметров осуществляют эмпирическим путем, так как пока нет теории, увязывающей аэро- и гидродинамиче­ские явления, проходящие в полости конвертера во вре­мя продувки, с его контуром.

В большинстве случаев выбирают для конвертера грушевидную форму с концентрической горловиной, при которой обеспечиваются лучшие условия для заливки чугуна и завалки лома в конвертер ирг. помощи крана. Кожух горловины иногда выполняют из чугуна с зали­тыми трубками, по которым циркулирует вода для ох­лаждения; при этом стойкость горловины увеличивается и, кроме того, она хорошо очищается от металлических и шлаковых настылей.

В настоящее время в основном конструируют конвер­теры емкостью 100, 150, 180, 250, 300 и 350 т. На рис. 44 показана схема различных профилей конвертеров боль­шой емкости. Все они выполнены с днищем чашеобраз­ной формы, цилиндрической средней частью и верхом в виде усеченного конуса. При применении такого днища уменьшается высота конвертера и снижаются потери ме­талла с выбросами.

Форму современных конвертеров выбирают в зависи­мости от емкости и определенного расхода кислорода па плавку. При данном расстоянии от наконечника фурмы до зеркала спокойной ванны, давлении и расходе кисло­рода определяют диаметр раскрытой струи в месте встре­чи ее. с металлом. Учитывают также и необходимость высокого расположения фурмы для создания желези­стых шлаков, ускоряющих растворение извести. Все это помогает определить оптимальный внутренний диаметр конвертера, необходимый не только для проведения плавки, но и повышения стойкости футеровки.

Основания для составления графика

регламентированного рео/сима работы

конвертерного цеха

Для достижения конвертерным цехом намеченной производительности очень важно правильно организо­вать работу цеха так, чтобы плавки следовали одна за другой без больших пауз. Регламентированный режим работы конвертеров и всех участков цеха легче органи­зовать при условии использования чугуна, примерно одинакового по химическому составу и температуре, оп­ределенного дутьевого, шлакового и температурного режимов плавки. Эти параметры являются основными и продолжительность продувочного времени и плавки в целом при их соблюдении может колебаться незначи­тельно и служить основой для разработки регламенти­рованных режимов работы конвертера и цеха в целом.

Полный цикл плавки складывается из времени, затра­ченного на загрузку лома, заливку чугуна, продувку, от­бор проб, ожидание анализа, измерение температуры металла, корректировку плавки по температуре и содер­жанию углерода (при необходимости), слив металла и шлака из конвертера. После плавки осуществляют межплавочный осмотр состояния конвертера, ремонтируют горловину, летку и футеровку, если это необходимо.

График работы составляют для всего цикла плавки с учетом последовательности работы конвертеров, вре­мени подачи чугуна к миксеру и от миксера к конверте­рам (или ковшей миксерного типа), времени подачи сталеразливочных ковшей и шлаковых чаш, времени транс­портировки сталеразливочных ковшей к УНРС. При составлении графика учитывают время, необходимое для доставки к конвертерам лома и чугуна, пополнения рас­ходных бункеров сыпучими материалами, выпуска стали из конвертеров и ее разливки, уборки отходов производ­ства и на другие работы, связанные с обеспечением нор­мальной работы конвертерного цеха.

Скрап-рудный (рудный) мартеновский процесс со спуском шлака. Для хранения чугуна используют мик­сер. Неактивный миксер цилиндрической формы нельзя использовать для проведения подготовительных реакций путем создания активных шлаков, так как это вызвало бы быстрый износ футеровки, а конструкция миксера исключает возможность поддержания его футеровки в исправном состоянии. В миксере проходит лишь реакция

FeS + Мп -*