Производство стали (основы теории и технология).

Г.Н. Ойкс

Металлургия , 1974 г.

 На рис. 5 изображена диаграмма состояния железо — углерод. На этой диаграмме в одной системе компонентами являются железо и карбид железа (Fe—Fe3C)—сплошные линии, а в другой системе железо и графит (Fc—С) — наклонные и горизонтальные пунктирные линии. Система Fe—Fe3C, в которой возможен необратимый процесс распада Fe3C, приводящий к выделению свободного углерода в пиде графита, теоретически не является полностью равновесной и поэтому ее называют метастабилыюй, а систему Fe—С, и которой отсутствуют необратимые процессы, называют равновесной или стабильной.

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 точкиплавления 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~. Коэффициентдиффузии 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 футеровкиконвертера 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 -*