Металлургия черных и цветных металлов

Значение теплового эффекта невелико, и большинство ис­ следователей считают его слабо экзотермическим. Графическая зависимость растворенных углерода и кислорода в железе в равновесии при 1620 °С представлена гиперболой (рис. V.5).

§ 3. Возникновение и рост пузырьков монооксида углерода в расплаве металла

При малых размерах зародышевых пузырьков капиллярное давление может быть так велико, что становится непреодоли­ мым препятствием их образования. Сопоставление изменения давления выделения монооксида углерода рсо и внешнего дав­ ления рвнеш в зависимости от радиуса пузырька позволяет опре­ делить критический размер пузырька гкр, выше которого он устойчив и может расти (гкр>0,5-10_6 м). Для зарождения та­ ких пузырьков в объеме металла должно быть сильное пересы­ щение его кислородом, поэтому вероятность образования пу­ зырьков СО в металлическом расплаве очень мала. Более ве­ роятно образование пузырьков СО на границе фаз металл — шлак и металл — керамика.

§ 4. Кинетика окисления углерода, полировка металла, чистое кипение

Изменение содержания углерода и других составляющих ме­ талла и шлака представлено диаграммой плавки в период по­ лировки-доводки (см. рис. V.4). Присадки руды или продувка ванны кислородом интенсифицирует окисление углерода — кон­

служить масштабом реакционной зоны. Проникновение кисло­ рода, а следовательно, и развитие реакции в глубь фазы могут

быть для п= 1 оценены величиной -у/р01Кх.р как масштабом реакции, так как проникновение кислорода в глубину металли­ ческой фазы зависит от соотношения скорости переноса кисло­ рода и скорости реакции. Рис. V.6 графически отображает урав­ нение (V.23). Разные отношения /Сх.р/Ро определяют разный наклон прямых; с увеличением отношения усиливается падение концентрации кислорода, на меньшей глубине заканчивается возможность реагирования углерода и кислорода и действи­ тельно po/Кх.р является масштабом реакции.

В металлическом расплаве сталеплавильной ванны концен­ трация кислорода более или менее постоянная. Очевидно, эта

рода 25; 5; 3 мм при соответствующих соотношениях скорости химической реакции и массопереноса кислорода. Очевидно, что глубина 25 мм предельная для любого сталеплавильного про­ цесса в подовых печах. Ценность решения задачи заключается не только в аналитическом определении возможной глубины развития реакции обезуглероживания, но и в физическом пред­ ставлении зоны реагирования. В результате обезуглерожива­

из смеси трех фаз: металла, шлака, газа. Такая зона эмульги­ рования универсальна для процесса обезуглероживания в лю­ бых сталеплавильных процессах, связанных со взаимодейст­ вием шлаковой и металлической фаз. Высота этой трехфазной зоны в мартеновской ванне в зависимости от интенсивности ки­ пения колеблется от нескольких до сотен миллиметров, а ве­ личина межфазной поверхности металл — шлак в сотни раз превышает номинальную площадь ванны. Содержание углерода в металле переходной зоны значительно меньше, чем в объеме металла. В металле переходной зоны окисляется большая доля углерода ванны (до 40%). Окисление углерода складывается из перехода (FeO) из шлака в металл и реакции с углеродом:

(FeO) = [FeO] — 121,057

[С] + [FeO] = [Fe] + СО + 45,971

IQ + (FeO) = [Fe] + CO—75,086 кДж/моль.

Переход (FeO) определяет эндотермичность обезуглерожи­ вания металла под шлаком. Средняя скорость окисления угле­ рода в период чистого кипения 0,30—0,10 % С/ч.

§ 5. Применение кислорода в мартеновском процессе

Кислород для сжигания топлива подается в факел трубками диаметром 25—32 мм, уложенными с двух сторон газового кес­ сона. При обогащении воздуха кислородом объем продуктов сгорания уменьшается, что повышает температуру факела, а также теплопередачу и коэффициент использования тепла. Факел становится жестче и короче воздушного. Обогащение по­ зволяет повысить тепловую нагрузку и окислительную способ­ ность печи. Обычно обогащают воздух до 24—25 % при сред­ нем расходе кислорода 27—50 м3/т. Обогащение дутья кисло­ родом особенно целесообразно в наиболее теплоемкие пе­ риоды— завалки и плавления. Интенсификация процесса уве­ личивает приход тепла от окислительных реакций и особенно от догорания выделяющегося монооксида углерода над поверх­ ностью расплавов:

плавка разделяется на два периода: в первом проводится концентрированно дефосфорация, во втором— окисление примесей подобно полировке-доводке обычного мартенования.

Передел фосфористого чугуна в 350-т качающихся мартенов­ ских печах по способу «Азовстали» состоит в следующем: при выпуске готовой продукции большую часть, а иногда весь ко­ нечный шлак оставляют в печи, металла оставляют ~ 10 т. Со­ став шихты: 30—35 % скрапа, 65—70 % чугуна, 12—14 % же­ лезной руды, 6—8 % известняка. Состав чугуна: 0,5 % Si, 1,7— 2,2 % Мп, 0,06% S, 1,5—1,6% Р. Завалку скрапа производят на жидкий шлак. В периоды завалки и прогрева применяют кислород, обогащая дутье до 26%. После заливки чугуна пре­ кращают подачу кислорода в факел, но ванну продувают кис­ лородом с расходом 10—13 м3/т. Через 30—50 мин основную массу шлака удаляют с содержанием 12—14 % Р2О5. Добавки известняка и окалины создают обновленный шлак более высо­ кой основности, к расплавлению Достигающей 1,5. К расплавле­ нию в металле оказывается 1,4—1,6 % С и 0,15—0,20 % Р. Руд­ ное кипение проводится при добавках окалины и железной руды; создается второй фосфатный шлак с 14—16% Р2О5, ко­ торый тоже удаляется. Добавками извести, боксита, окалины формируется шлак, под которым заканчивается рудное и чистое кипение. В металле остается 0,020—0,025 % Р> основность ко­ нечного шлака 2,8—3,5 при содержании 5—7 % Р2О5 . Особен­ ностью способа является высокоокислительные условия на про­ тяжений всего процесса, обеспечивающие глубокое удаление фосфора.

§ 2. Качающиеся мартеновские печи

Качающиеся печи дают возможность изменять положение ра­ бочего пространства печи. Между подвижным пространством печи и неподвижными головками оставлены зазоры. Эти за­ зоры дают возможность наклонять печь в сторону задней стенки для полного удаления металла и в сторону передней стенки для выпуска шлака. Вся печь опирается на балочную клетку н два поперечных сегмента. Сегменты опираются на катки, уложенные в станинах, которые закреплены на железо­ бетонных опорах. Остальные элементы конструкции сущест­ венно не отличаются от элементов стационарных печей.

новлении кремния до 0,25 % отпадает необходимость раскис­ лять металл ферросилицием. Период кипения в кремневосстано­ вительном процессе мало чем отличается от периода кипения активного процесса. Среднюю скорость выгорания углерода на уровне 0,25—0,40 % С/ч поддерживают малыми присадками руды. Во второй половине кипения скорость обезуглероживания замедляется до 0,10—0,12 % восстановленного кремния, шлак к этому времени содержит до 50—52 % Si02. К этому времени восстановление кремнезема происходит не только углеродом, марганцем, но и железом. При горячем ходе печи марганец восстанавливается до 0,35—0,45 %. Сталь кислого процесса со­ держит меньше растворенных газов, так как силикатные шлаки менее газопроницаемы. Среднее содержание газов в стали:

.0,006—0,015 % 0 2, 2—4 см3/ 100 г Н2 и 0,0010—0,0015 % N. Ме­ ханические свойства кислой мартеновской стали стабильнее свойств основной. Если прочностные свойства можно считать одинаковыми, то пластические (относительное сужение, удар­ ная вязкость) выше у кислой стали. Меньшее содержание вред­ ных примесей и включений в кислой стали позволяет получить большие слитки с меньшей неоднородностью свойств и состава. Кислую сталь применяют для элементов машин особой ответ­ ственности. Однако развитие кислого мартенования ограничи­ вается его дороговизной и успешным развитием качественного сталеварения в электропечах.

Глав а 8. СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА

ВМАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ

§1. Мартеновская печь как теплообменный агрегат

Мартеновская печь как теплообменный агрегат подчиняется законам тер­ модинамики. Первый закон лежит в основе теплового баланса плавки. Второй закон выражен следующим: так как движущей силой теплопередачи в тепло­ обменной системе является разность температур, то интенсифицировать тепло­ обмен в мартеновской печи возможно увеличением разности температур между факелом и поверхностью шихты или расплавов. Выплавить сталь, если темпе­ ратурный уровень в печи <1480 °С, невозможно. Даже высококалорийное топ­ ливо, сжигаемое с холодным воздухом, выделяет тепла столько, что после нагрева продуктов сгорания до 1480 °С остается четвертая часть для нагрева ванны и самой печи. Этого количества недостаточно. Если же воздух нагреть в регенераторах, то 50—60 % тепла топлива используется полезно. При регенерировании тепла температурный уровень, считая его по температуре отходящих газов, достигает 1700—17506С. В этом случае полезное тепло как разность между теплом внесенным и теплом отходящих газов будет доста­ точно для сталеварения. Без регенерации тепла сталеварение в мартеновских печах невозможно.

§ 2. Газовые потоки

Для транспортирования большого количества газов в марте­ новской печи, преодолевающих к тому же сложный путь, дол­ жна быть тяга. При естественной тяге разрежение создается

трубой и определяется уравнением Дртр = Ятр(увоэд—Удим)- Продукты сгорания, уходящие в трубу, уносят 30—35 % тепла топлива, сжигаемого в печи. Установка котлов-утилизаторов экономически целесообразна, при этом дым отводится дымосо­ сом, установленным за котлом. Воздух со стороны головки, об­ разующей факел, поступает за счет избыточного давления пе­ ред сжигательными устройствами. Движение воздуха и газа происходит при расходовании кинетической энергии поступаю­ щих потоков. Напор воздуха и газа в любой точке определя­ ется уравнением

ширения газов; g — ускорение свободного падения. Факел фор­ мируется за счет скоростей потоков окислителя и газа, особенно последнего. Выходная скорость газового потока не менее 50— 55 м/с. Чем выше скорость и больше угол встречи воздушного и газового потоков, тем . выше турбулентность и смешение. На­ клоны газового и воздушных пролетов головки на 10—20° при­ жимают факел к ванне. Хорошо организованный факел обеспе­ чивает полноту сгорания топлива, для этой цели дают избыток

до 3; СО 0,5. При хорошо организованном факеле его темпера­ тура на отдельных участках достигает 1830—1870 °С.

§ 3. Теплопередача в печи

Передача тепла теплопроводностью следует закону:

q7 = KiS (T .-T .y d ,

Ат — константа. Передача теплопроводностью происходит, глав­ ным образом, в твердых телах. Теплопроводностью прогрева­ ется керамика насадки регенераторов, твердая шихта от нагре­ тых поверхностей вглубь.