книги / Технология металлов

на расположена летка для выпуска чугуна. Нагретый воздух* подводится к фурмам от кольцевого воздухопровода. В горне печи температура достигает 1750° С. Для предохранения от рас­ плавления горн, фурмы и заплечики охлаждаются водой.

Полезная высота доменных коксовых печей достигает 22,5—28,5 м, древесноугольных печей — 17—19 м. Полная вы­ сота коксовых печей составляет 27—31 м, древесноугольных пе­

чей— 19—23 м. Некоторые данные о доменных печах приведены •в табл. 3.

Т а б л и ц а 3

Некоторые данные о доменных печах

Суточная производительность коксовых доменных печей до­ стигает 1800—2500 тчугуна и больше.

Полезный объем печи выбирается исходя из заданной про­ изводительности и коэффициента использования полезного

объема.

vn = КТ,

г д е Vn— полезный объем печи, м3;

Т — суточная производительность печи, т.

Полезная и полная высота печи зависит от прочности приме­ няемого топлива. Она тем больше, чем прочнее горючее. От по­ лезной высоты зависит максимально допустимый полезный объ­ ем доменной печи.

Полной высотой доменной печи называется расстояние от оси чугунной летки до верхней кромки опорного кольца кожуха шахты, на котором покоится воронка засыпного аппарата. Та­ ким образом, полная высота больше полезной на высоту, зани­ маемую засыпным аппаратом.

С совершенствованием конструкций доменных печей и средств подачи дутья за счет повышения давления, диаметр горна по­ степенно увеличивается с 1,0—1,5 до 7—8 м. В настоящее время в нашей стране построено несколько печей с диаметром горна. 8,54 м.

Для определения высоты горна определяют объем горна на 1 тсуточной производительности в кубических метрах. Для дре­ весноугольных печей при получении передельного чугуна прини­ мают это отношение равным 0,07—0,08 м3/т сутки. Для коксо­ вых печей при выплавке томасовских чугунов 0,09—0,1, для мар­ теновских чугунов 0,1—0,11, бессемеровских 0,11—0,12, для ли­ тейных чугунов 0,12—0,14 м3/т сутки.

К полученной высоте прибавляют 400—500 мм для коксовых печей и 250—300 мм для древесноугольных печей.

Оборудование доменной печи

Подача материалов в современную доменную печь произво­ дится скиповыми подъемниками. Выгрузка материалов происхо­ дит путем опрокидывания скиповой вагонетки в загрузочное устройство печи.

Загрузочное устройство состоит из двух воронок, закрытых двумя конусами. Из вагонетки шихта ссыпается в верхнюю ма­ лую воронку, на конус. Затем конус опускается и шихта падает в нижнюю воронку, на нижний конус. Далее верхний конус под­ нимается, а нижний опускается и шихта поступает на колошник. Для правильного распределения шихты на колошнике печи ко­ нуса и верхняя воронка поворачиваются на заданный угол.

При каждой доменной печи имеются два коксовых бункера, расположенных над скиповой ямой, и около трех десятков бун­ керов для руды, агломерата, флюсов и других .материалов.

сблокирована и управляется автоматически с панельного щита.

Подача материалов в бункера доменных печей. Руды и агло­ мерат в бункера поступают из саморзагружающихся вагонов. Кокс в бункера, если коксовый цех расположен поблизости, подается ленточным транспортеро)м и в коксовых вагонах.

Воздуходувные машины. Воздух подается в доменные печи центробежными .воздуходувками. В качестве привода для возду­ ходувок применяют паровые турбины, работающие при давлении до 30 атм• Воздуходувки делают от 2500 до 3000 об/мин; их про­ изводительность 1250—3500 м3/мин при давлении от 1,4 до 2,1 атм.

Нагрев дутья. В первоначальных доменных печах строили трубчатые рекуператоры. Воздух нагревали до 350° С. С повыше­ нием нагрева воздуха чугунные трубы выходили из строя. В 1870— 1876 гг. стали вводить воздухоподогреватели системы Каупера с кирпичной насадкой. Кирпичная насадка делается из высокока­ чественного шамотного кирпича.

Образование двуокиси углерода возможно только в условиях избытка кислорода (т — п )0 2. При выходе из фурм воздух имеет свободный кислород, по мере удаления от фурм его коли­ чество убывает, а количество двуокиси углерода возрастает и на каком-то расстоянии от устья фурмы достигает максимального. Реакция С + 0 2 = С02 + 97 650 кал идет с выделением тепла, т. е. максимальной концентрации будет соответствовать и макси­ мальная температура. Это место принято называть фокусом го- рения. В кислородной зоне развиваются температуры порядка 1600—1750° С, а в фокусе горения — до 1900° С.

При таких температурах углекислота реагирует с твердым углеродом и восстанавливается по эндотермической реакции

С02 + С = 2СО — 37 1 0 0 кал.

Встречая на пути рудную колошу, окись углерода восстанав­ ливает окислы железа, а сама при этом вновь превращается в уг­ лекислоту.

Общий ход восстановления окислов железа при помощи окиси углерода может быть представлен следующими реакциями:

3Fe20 3 + СО -> 2Fe30 4 + С02 + 8870 кал\

2Fe3 0 4 + 2СО -> 6 FeO + 2С02 —9980 кал\

6 FeO + 6 СО -> 6 Fe + 6С02 + 19 500 кал.

Суммарный тепловой эффект реакции восстановления окис­ лов железа окисью углерода получается положительным. Поэто­ му температура газов в области восстановления железа окисью углерода снижается незначительно. Процесс восстановления же­

Степень восстановления железа окисью углерода зависит:

1 ) от качества руды, ее естественных свойств и характера предварительной обработки;

2 ) от температуры, при которой идет восстановление;

3 ) от состава газа-восстановителя.

Восстановление твердым углеродом железа в основном про­ исходит из закиси железа по реакции: FeO + С —-Fe + СО —

— 3 4 460 кал, с большим поглощением тепла. Этот процесс проте­ кает в области распара и в верхней части заплечиков домен­ ной печи.

Процесс восстановления железа твердым углеродом назы­ вается п р я м ы м в о с с т а н о в л е н и е м .

Восстановление марганца, кремния, фосфора, хрома, титана и ванадия. Кроме железа, в доменной печи происходит восста­ новление окислов маргп ца, кремния, фосфора и некоторых дру­ гих элементов.

Марганец восстанавливается при температуре 1100° С и выше углеродом, при этом поглощается большое количество тепла

МпО + С-^Мп + СО —61830 кал.

Кремний восстанавивается из кремнезема, всегда присутст­ вующего в шихте в больших количествах. Восстановление проис­ ходит также твердым углеродом с большим поглощением тепла по реакции

Si02 + 2С -> Si + 2 СО— 147 910 кал.

Восстановление кремния протекает тем полнее, чем выше тем­ пература; поэтому выплавка чугуна с повышенным содержанием кремния требует повышенного расхода топлива.

Восстановление фосфора. Фосфор восстанавливается твер­ дым углеродом из фосфорнокальциевой соли, находящейся в со­ ставе шихты, по следующей реакции:

2 (СаО)д Р2Об + 3Si02 + 10С = 3 (СаО) 2 Si02 + + 4Р + ЮСО—67 848 кал.

Реакция эта идет с большим поглощением тепла. Если в руде имеется хром, титан и ванадий, они восстанавливаются из окис­ лов твердым углеродом при высоких температурах.

Условия обессеривания чугуна. Сера в чугуне является вред­ ной примесью; в доменную шихту она попадает с рудой, топли­ вом и флюсом. Часть серы окисляется в верхних горизонтах до­ менной печи по реакции

FeS + 10 Fe20 3 -> 7 Fe3 0 4 + S02

и уносится с газами. Часть переходит в шлак по реакции FeS + СаО + С Fe + CaS + СО — 33 700 кал.

Итак, для лучшего перевода серы в шлак необходимо иметь: 1 ) более основные известковые шлаки; 2 ) большое количество шлаков;

3 ) высокую температуру в горне доменной печи.

Науглероживание восстановленного железа и образование чугуна

Восстановленное железо получается в виде губки, которое науглероживается по реакции

3 Fe -|“ С Fе3С

до образования растворимого в железе карбида железа. Наиболее легкоплавкий сплав углерода с железом содержит

4,3% углерода и плавится при температуре 1130° С*

3*

На конечное содержание углерода в чугуне оказывают влия­ ние другие элементы, содержащиеся в нем. Так, хром, марганец, титан и ванадий способствуют повышению содержания углерода в чугуне. Эти примеси сами образуют с углеродом соединения. Кремний, фосфор и сера, переходя в чугун, наоборот, препятству­ ют науглероживанию.

Образование шлака. В качестве флюса для ошлакования пустой породы и золы топлива в доменную печь вводят извест­ няк (СаСОз), который при температуре около 900° С распадает­ ся на известь СаО и углекислоту.

СаО, взаимодействуя с кремнеземом SiC>2 , глиноземом AI2O3 , пятиокисью фосфора Р2 О5 и другими кислотными окислами, на­ ходящимися в пустой породе и золе топлива, образует шлак, который плавится в распаре и заплечиках и стекает в горн печи. Фосфор частично восстанавливается из шлака при взаимодей­ ствии с углеродом чугуна и топлива по реакции.

Р20 5 + 5С 2Р + 5СО.

Шлак состоит в основном из суммы кислотных окислов и ос­ новных окислов.

Степенью кислотности шлаков называют отношение суммы кислотных окислов к сумме основных окислов, она определяется по формуле

Si02 + А120 3

RO ’

где RO — сумма основных окислов СаО и MgO. Наивысшая текучесть шлака получается при отношении

При плавке допускается колебание в ту или другую сторону. Правильное шлакообразование зависит от плавкости пустой поро­ ды, т. е. от температуры ее плавления и восстановления руды.

Качество шлака существенным образом влияет на качество получаемого чугуна и производительность доменной печи.

Выпуск и разливка чугуна и шлака

Чугун выпускают из доменной печи 4— 6 раз в сутки. Выпуск чугуна из доменной -печи производится через чугунную летку по желобу в ковш. Чугун, выпущенный из ковша при помощи спе­ циальной разливочной машины, отливается в чушки или пере­ дается в миксер, или же непосредственно в сталеплавильные цехи. В сталеплавильных цехах чугун заливают в сталеплавиль­ ные печи для выплавки .стали.

Шлак выпускают из доменной печи в шлаковые ковши, из ковшей шлак выливается в бассейн с водой для грануляции. Ос­ новные шлаки используют для производства цементов, шлаковых кирпичей и шлакового гравия.

Краткая характеристика чугуна

Углерод в чугуне может находиться в виде механической примеси (графита) и в виде химического соединения с железом, называемого карбидом или цементитом железа.

В зависимости от этого различают два вида чугуна: чугун, содержащий свободный графит, имеет в изломе серый или темно­ серый цвет и крупнозернистое строение. Такой чугун называют серым или литейным чугуном, его применяют для производства отливок.

Чугуны, содержащие углерод в основном в виде химического соединения с железом (БезС), имеют общий блестящий излом. Такой чугун называют белым передельным чугуном. Эти чугуны преимущественно перерабатываются в сталь.

Получение того или иного вида чугуна зависит от количества углерода, кремния, марганца, фосфора и серы в шихте, которые переходят частично в чугун, а также от процесса плавки в до­ менной печи (табл. 4).

* В передельных чугунах содержание углерода не лимитируется.

Кроме литейных и передельных чугунов, в доменных печах получают специальные чугуны и ферросплавы, заркальный чу­ гун с содержанием марганца от 10 до 25%, приооднолегированные чугуны, содержащие Сг, Ni, Ti, V и Си.

Ферросплавы: ферросилиций—сплав железа с кремнием —по­ лучают с содержанием кремния 9—13.%. Доменный ферромар­ ганец получают с содержанием марганца 70—75,%.

Технико-экономические показатели работы доменной печи

Важными показателями работы доменной печи являются.

1 ) коэффициент использования полезного объема доменной печи;

2 ) расход топлива на 1 твыплавленного чугуна.

Коэффициент использования полезного объема доменной пе­ чи К представляет собой частное от деления полезного объема печи на суточную ее производительность:

Домьч-шая печь работает тем лучше, чем меньше численное значение К. Численное значение К колеблется в пределах от 0,53 до 1,35 и зависит от следующих основных факторов: а) содержа­ ния железа в руде; б) подготовки шихтовых материалов к плазке; в) сорта выплавленного чугуна. При выплавке передельного чугуна К находится в пределах 0,7—0,9, a Tia некоторых заводах ниже 0,7, например, на Череповецком металлургическом заводе достигают 0,53 м3/т.

Расход топлива зависит от сорта выплавляемого чугуна. Так, расход кокса для выплавки одной тонны чугуна, кг, составляет:

Продолжительность работы доменной печи, т. е. длительность кампании от начала пуска (задувки) до капитального ремонта колеблется от 4 до 5 лет, а для отдельных печей 10—11 лет. Она зависит от совершенства конструкции печи, качества при­ меняемых огнеупоров для кладки и характера эксплуатации.

Время пребывания шихты в доменной печи характеризует интенсивность ее работы. В современных доменных печах время пребывания шихты составляет 6 —7 час. В последнее время на отечественных заводах ведется большая работа по интенсифика­ ции доменного процесса и улучшению технико-экономических показателей работы доменных печей. Большое влияние уделяет­ ся вопросам предварительной подготовки сырья: сортировке по крупности кусков железных руд, усреднению, агломерации, по­ лучению более качественного кокса, использованию природного газа и технического кислорода при плавке, повышению давления газа под колошником и другим мероприятиям. Например, на металлургических заводах Запорожья доля агломерата в шихте в 1961 г. увеличена до 96,4% с применением природного газа от 70 до 98 Л13/г выплавленного чугуна, расход кокса сокращен на 13—14,%, а производительность печей возросла на 2—2,5%.

При повышении давления газа под колошником с 0,65 до 0,91 ати производительность печей повысилась на 2%. Кроме этого, благодаря использованию технического кислорода в коли­ честве 50^-80 м3/мин, автоматизированному измерению темпе­ ратуры, расходу давления дутья, пара, воды, газа, температуры кладки печи и т. д., значение коэффициента использования по­ лезного объема доменных печей завода Запорожсталь улучшено с 0,830 до 0,667.

Важными мероприятиями для дальнейшей интенсификации доменного процесса являются увеличение доли использования агломерата, природного газа, увлажненного дутья, обогащения его кислородом, автоматизация всех процессов плавки.

3. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сталью называются сплавы железа с углеродом и другими элементами, которые при нагреве до высоких температур под­ вергаются пластической деформации — ковке, прокатке, штам­ повке, волочению.

Сталь содержит до 2% углерода и некоторое количество мар­ ганца, кремния, вредные примеси — фосфор и серу, удалить ко­ торые в металле полностью невозможно. Кроме этих примесей, в стали могут содержаться легирующие элементы: хром, никель, ванадий, титан и др. Уровень индустриализации любой страны в значительной мере определяется состоянием производства

за 20 лет черная металлургия достигнет уровня, позволяющего выплавлять примерно 250 млн. тстали в год.

В настоящее время сталь производят преимущественно пере­ делом чугуна. Задача переработки чугуна в сталь сводится к удалению из чугуна избытка углерода, кремния, марганца и вред­ ных примесейРазрешение этой задачи возможно потому, что углерод и другие примеси при высокой температуре соединяются

с кислородом гораздо энергичнее, чем железо и их можно уда­ лить при незначительных потерях железа.

Углерод чугуна, соединяясь с кислородом, превращается в газ окись углерода (СО) — улетучивается.

Другие примеси превращаются в окислы (S1O2 МпО и Р2О5 ), которые вследствие меньшего по сравнению с металлом удельно­ го веса всплывают и образуют шлак.

В настоящее время в промышленности в основном приме­ няются следующие мето­ ды получения, стали: кон­ вертерный, мартеновский и получение стали в элек­ трических дуговых и ин­ дукционных печах.

Конвертерный способ получения стали

Сущность конвертер­ ного способа получения стали заключается © том, что через жидкий чугун, залитый в конвертер про­ дувается воздух, кисло­ род которого окисляет углерод и другие примеси.

шевидной формы, сварен­ ный из толстой листовой стали и футерованный внутри огнеупорными ма­ териалами. Снаружи в средней части конвертера

имеются два цилиндрических выступа, называемые цапфами, ко­ торые служат для опоры и поворота конвертера. Одна из цапф делается полой 1 и соединяется с воздуховодом, от цапфы к дни­ щу воздух подводится через трубу и воздушную коробку 2. В дни­ ще конвертера имеются отверстия — фурмы 5, через которые под давлением 2,0—2,5 ат воздух подается в конвертер.

Для заливки жидкого чугуна конвертер поворачивают из вер­ тикального положения в горизонтальное. После заливки чугуна пускают дутье и конвертер поворачивают днищем вниз. Слой металла составляет Vs—7з высоты цилиндрической части конвер­ тера. Емкость современных конвертеров, работающих на воз­ душном дутье, достигает 40 т.