книги / Технология металлов
..pdfВ конвертерах применяют кислую и основную футеровку. Тепло, необходимое для нагрева жидкой стали до высоких тем ператур, в этих процессах получается за счет химических реак ций окисления примесей чугуна.
При этом примеси окисляются кислородом дутья и кислоро дом закиси железа, которая растворяется в металле. При окисле нии примесей выделяется значительное количество тепла.
Реакции окисления примесей кислородом дутья и их общий тепловой эффект следующие:
Si -f- О2 Si02 20 5J300 кал\
Mn + V2O2 -> МпО + 93 100 кал\
С + 1/2 0 2 СО + 26 570 кал\
С -j- 0 2 —>С02 -}- 97 650 кал\
Fe -p V2 0 2 —>FeO -f- 64 500 кал\
2Р + 5/2 0 2 -> Р20 5 Н- 369 400 кал.
Окисление примесей чугуна кислородом закиси железа (FeO) происходит по следующим реакциям:
Si + 2 FeO -> Si02 + 2Fe + 76 600 кал\
Mn + FeO -> MnO + Fe + 28690 кал;
C 4- FeO -> CO + Fe —37 930 кал;
2P + 5 FeO P20 5 + 5Fe + 46 900 кал.
Из приведенных тепловых реакций следует, что наибольшее количество тепла выделяют кремний, фосфор и марганец. Эти элементы являются при продувке чугуна источником тепла (крем ний в кислом, а фосфор в основном конвертере). Недостаток ко личества тепла от реакций компенсируется температурой жидко го чугуна.
Для получения стали методом продувки применяют два сор та чугунов: марки Б1 и Б2 для кислого и Т1 для основного процесса (см. табл.4).
Различие этих чугунов состоит в том, что чугун марки Б1 и Б2 содержит минимальное количество фосфора (0,07%) и серы (0,06%), чугун марки Т1 содержит фосфора 1,6—2,0%, иногда до 2,5%.
В последнее время для продувки чугуна вместо воздуха при меняют кислород, повышая тем самым скорость плавки, темпе ратуру металла, выход годной стали за счет увеличения добавки твердой шихты и уменьшения химических примесей в чугуне.
Производство стали в конвертере с кислой футеровкой (бессемеровский процесс)
Для бессемеровского процесса конвертер футеруют динасо вым кирпичом и кварцевым песком. Хороший динасовый кирпич содержит не менее 94,5% Si02, а поэтому сохраняет высокую прочность при высоких температурах и расплавляется при тем пературе 1710° С.
Динасовый кирпич не разъедается кислыми шлаками, поэто му в кислом конвертере могут перерабатываться только крем нистые чугуны. Воздух, проходящий через жидкий чугун, вносит кислород, который по закону действующих масс взаимодействует
впервую очередь с железом. Поэтому примеси окисляются сразу
вдвух направлениях: проходящим через металл кислородом воздуха и образующейся и растворяющейся в металле закисью железа.
Примеси окисляются в металле в определенной последова тельности, которую направляют температурные условия.
Если температура металла недостаточна, в нем окисляются примеси, которые выделяют тепло. Если же чугун перегрет, то протекают те реакции, которые поглощают тепло. Поэтому регу лируя температуру металла в конвертере, можно направить ход реакции.
В процессе продувки воздуха через металл различают три характерных периода в кислых конвертерах. Первый период характерен окислением железа, кремния, марганца и образова нием шлака, протекающего по реакции:
2Fe + 0 2 -+ 2FeO;
Si + 2 FeO -*■ Si02 + 2Fe;
Mn + FeO MnO + Fe.
Окислы между собой взаимодействуют по реакции MnO + Si02 MnO Si02;
FeO + Si02 -> FeO • Si02
и образуют шлак.
При недостатке Si02 за счет окисления кремния чугуна в шлак переходит кремнезем футеровки конвертера.
После выгорания кремния и марганца и нагрева металла вы деленным ими теплом начнет выгорать углерод. С этого момента наступает второй период, который характерен окислением угле рода по реакции:
С + Fe -> СО + Fe.
Эта реакция протекает с поглощением тепла, но металл не охлаждается, так как при окислении железа тепла выделяется больше, чем поглощается.
Выделяющаяся окись углерода создает сильное кипение ме талла и при выходе из конвертера в атмосфере воздуха сгорает до образования углекислоты (С02), при этом образуется факел светлого пламени. По мере выгорания углерода пламя начинает уменьшаться и затем полностью исчезает; это показывает, что углерод почти весь выгорел. На этом заканчивается второй период.
В этот момент заканчивают продувку металла, так как при дальнейшей подаче воздуха и наличии малого количества углеро да закись железа не будет восстанавливаться и железо будет окисляться в окись железа. Окислы железа выделяются в виде бурого дыма. Окончание продувки металла в конвертере контро лируют визуально, по светимости пламени.
В последнее время для окончания продувки металла в кон вертере применяют фотоэлектрический контроль. При помощи последнего можно остановить плавку в заданный момент, сохра няя необходимое количество примесей в металле. Введение
впрактику этого метода контроля дает экономию ферросплавов
иускоряет плавку.
После прекращения плавки конвертер поворачивают в гори зонтальное положение и выключают дутье. Последний третий период состоит в раскислении стали или раскислении и наугле роживании. Раскисление производят для удаления из металла кислорода, растворенного в виде закиси железа.
Растворимость закиси железа в металле зависит главным образом от температуры металла и концентрации в нем приме сей, способных восстанавливать железо из закиси железа.
Чем выше температура металла, тем больше растворимость закиси железа. При затвердевании жидкого металла закись же леза кристаллизуется по границам зерен, в результате чего ме талл будет иметь склонность к красноломкости. После продувки при содержании в металле 0,1% углерода остается 0,06—0,09% кислорода.
В качестве раскислителей обычно применяют ферросплавы: ферромарганец, ферросилиций и алюминий в чистом виде. При меняют также комплексные раскислители, состоящие из алюми ния, марганца и кремния, или алюминия и кремния. Для повыше ния содержания углерода в стали одновременно с раскислением производят и науглероживание металла. Для этой цели применя ют зеркальный чугун. Науглероживание металла можно произ водить коксом, антрацитом и графитом. Но при использовании этих материалов получается сталь неравномерного химического состава.
Продолжительность плавки в конвертере составляет 12— 20 мин.
После раскисления металл из конвертера сливают в разливоч ный ковш. Разливку стали из ковша обычно производят сверху, так как в течение суток приходится разливать больше 100 пла вок, т. е. 5—6 плавок в час. Бессемеровскую сталь разливают в крупные слитки для обжимных прокатных станов.
Из бессемеровской стали можно изготавливать различный прокат: двутавровые балки, швеллеры, лист для сварных труб, катанку, сортовое железо для строительства, арматурное желе зо, автоматную сталь и ряд других сортаментов широкого
потребления.
К недостаткам бессемеровского процесса следует отнести не возможность удаления фосфора и серы из металла, повышенный угар железа (8—15%) и насыщение стали азотом и окислами железа, снижающими ее качества.
Получение стали в малых бессемеровских конвертерах
Малым бессемерованием называют способ получения стали путем поверхностной продувки чугуна воздухом в конвертерах садкой 1,0—3,0 т. Основное отличие малого бессемерования от большого состоит в том, что продувают чугун через фурмы, рас положенные сбоку. Фурмы в конвертере располагают на такой высоте, чтобы воздух выходил на поверхность или верхние слои ванны металла.
В больших конвертерах с продувкой через днище кислород воздуха более полно используется для окисления примесей чу гуна, чем при поверхностной продувке. Однако при первом спо собе продувки углерод окисляется в основном до окиси углерода, в результате тепловой эффект окисления углерода используется только на 30%. Если такой метод является приемлемым при пе реработке в сталь больших масс чугуна, когда относительные потери тепла на 1 тпродуваемого металла не велики, то при ма лом бессемеровании они составляют большую величину и за трудняют процесс плавки. Для ведения нормального процесса плавки малого бессемерования необходимо более полное исполь зование тепла за счет дожиганияСО до С02 над поверхностью ванны. Поэтому в конвертерах с малым объемом подвод дутья осуществляется главным образом сбоку на поверхность или верх ние слои ванны.
В некоторых конструкциях конвертеров малого объема для более полного сжигания окиси углерода фурмы располагают в два ряда по высоте конвертера. В данном случае воздух, по ступающий через верхний ряд, предназначается для сжигания выделяющейся из ванны окиси углорода.
При поверхностном дутье металл в конвертере перемешивает ся не активно, поэтому в верхних слоях происходит большее окис
ление железа, чем при продувке через дно конвертера. Вследст вие этого угар всех элементов больше, он составляет 12—16%.
Для плавки стали в малом конвертере чугун выплавляют обычно в вагранках. Сера и фосфор во время плавки в малом конвертере не удаляются, поэтому исходный чугун должен иметь минимальное содержание этих примесей. Шихтовые материалы, загружаемые в вагранку, состоят из 30—70% стального лома и 70—30% бессемеровского чугуна. Для понижения содержания серы применяют обессеривание жидкого чугуна присадкой в ковш кальцинированной соды или соды и извести, или же ведут плавку в основной вагранке с основными шлаками.
При продувке воздухом рекомендуется следующий состав чу гуна: 2,8—3,0% С, 1,2—2,2% Si, 0,7—1,0% Мп, не более 0,08% Р и 0,07%'• S. При продувке кислородом 3,4—3,9% С, *0,8—0,9% Si, 0Д_0,7% Мп, 0,08— 0,07% Р и 0,05—0,06% S.
Жидкий чугун заливают в конвертер, повернутый в горизон тальное положение таким образом, чтобы не заливались фур менные отверстия. После этого подают дутье, и конвертер уста навливают под углом 18—20° так, чтобы воздух нагревался на поверхности металла. Процесс плавки в конвертере протекает при воздушном дутье от 10 до 30 мин., а при кислородном дутье 4—14 мин., и сталь нагревается до 1700° С.
Ход процесса малого бессемерования в основном определяет ся физической и химической характеристиками чугуна.
В начале продувки, как при большом бессемеровании, окис ляется кремний, марганец и железо, и медленно углерод, шлак получается богатый закисью железа. По мере повышения темпе ратуры усиливается окисление углерода и резко повышается в газах содержание С02, так как в полости конвертера происхо дит догорание окиси углерода. При дальнейшем повышении тем пературы одновременно с окислением углерода начинается энер гичное восстановление железа из шлака по реакции FeO + СО—* —►Fe + С02 — Q.
В этот период количество СО в газах настолько возрастает, что кислорода дутья нехватает для сжигания выделяющейся всей окиси углерода над ванной и в выходящих из конвертера га зах появляется значительное количество СО, вызывающее рез кий п о д ъ е м п л а м е н и над к о н в е р т е р о м . Однако вследствие замедления выделения тепла, повышения температу ры и уменьшения концентрации углерода в металле окисление его замедляется и пламя понижается. Понижение температуры и уменьшение концентрации углерода в металле создает благо приятные условия для дальнейшего окисления кремния, благо даря чему температура опять поднимается, горение углерода усиливается и начинается в т орой п о д ъ е м п л а м е н и , обычно больший, чем первый. Когда почти весь углерод выгорит.
пламя падает, горение железа усиливается, что характеризуется выделением бурого дыма. При появлении бурого дыма конвер тер поворачивают в горизонтальное положение, сливают шлак и приступают к раскислению металла или раскислению и науг лероживанию его. Процесс раскисления и науглероживания ме талла производят подобно тому, как и в больших бессемеровских конвертерах.
Сталь в конвертере нагревается до высоких температур (1700° С). При этих температурах сталь имеет хорошую жидкотекучесть, что позволяет отливать фасонные стальные детали с тонкими стенками.
Применение обогащенного кислородом дутья. Во время плав ки стали в конвертерах на воздушном дутье, значительное коли чество тепла уносится с азотом, так как в составе воздуха на одну молекулу кислорода (Ог) вносится 3,762 молекул N. Азот в окислении элементов не участвует. С увеличением процентно го содержания кислорода в дутье уменьшается содержание в нем азота, а следовательно, и уносимого из конвертера тепла. Бла годаря этому интенсифицируется процесс и~ представляется воз можным вести плавку на низкокремнистых чугунах. При повы шенном содержании кремния в чугуне можно использовать в ви де добавки значительное количество стального лома. При обогащении дутья кислородом насыщение стали азотом происхо дит в меньшей степени и качество ее получается более высокое.
Производство стали в конвертерах с основной футеровкой (томасовский процесс)
Способ получения стали в конвертере с основной футеровкой появился вследствие необходимости переработки высокофосфо ристых чугунов, которые получаются из фосфористых руд, доста точно распространенных по земной коре. В СССР имеются боль шие запасы таких руд (Керченское месторождение).
Для перевода в шлак фосфора в виде Р2О5, образующегося за счет окисления кислородом воздуха при продувке чугуна, фу теровку конвертера изготовляют из основных огнеупорных ма териалов. Стены конвертера выкладывают из магнезитового кир пича, а днище футеруют смесью доломита с каменноугольной смолой. В качестве флюса для образования шлака применяют свежеобожженную известь в кусках с минимальным содержанием кислотных окислов БЮг и AI2O3.
В томасовском чугуне содержание кремния желательно иметь не более 0,5%, так как повышенное содержание его в чу гуне приводит к увеличению расхода флюсов на нейтрализацию кремнезема.
Процесс плавки стали в томасовском конвертере ведут сле дующим образом: в конвертер сначала загружают известь, затем
заливают чугун, пускают дутье и поворачивают конвертер в вер тикальное положение.
По закону действующих масс в первую очередь будет окис ляться железо по реакции
Fe -f- V2 0 2 = FeO.
Образующаяся закись железа растворяется в металле и окис ляет примеси. Процесс плавки разделяется на отдельные'пе
риоды.
Первый период плавки характеризуется окислением кремния и марганца. Образующийся кремнезем БЮг связывается с окисью кальция по реакции
2 СаО + Si02 (СаО)2 • Si02
и переходит в шлак.
Закись марганца (МпО) и часть закиси железа (FeO) также переходят в шлак. В этот период металл нагревается. Когда ме талл нагревается, начинается второй период, который характери зуется интенсивным выгоранием углерода по реакции
С + FeO -> Fe + СО.
Содержание углерода снижается до минимальных пределов и металл охлаждается. После этого наступает третий период, который характеризуется окислением фосфора и повышением температуры металла.
В третий период идут следующие основные реакции:
2Р + 5 FeO -> Р20 5 + |
5Fe + 47 850 кал\ |
Р20 5 + 3 FeO -> (FeO)3 |
Р20 5 + 52 860 кал; |
(FeO)3 Р20 5 + 4 СаО -> (СаО)4 |
Р2Об -f- 3 FeO + 108 340 кал. |
При окислении фосфора и связывании его окислов выделяет ся значительное количество тепла и металл быстро нагревается. Образующийся фосфат кальция переходит в шлак.
После окисления фосфора и перевода его в шлак, конвертер поворачивают в горизонтальное положение, отключают дутье и сливают шлак. Сливание шлака является обязательной опера цией. Фосфор и закись железа' из шлака могут переходить в металл.
После того как шлак слит, металл раскисляют или раскисля ют и науглероживают. При томасовском процессе имеет место некоторое удаление серы в шлак за счет реакций
FeS + Mn MnS + Fe.
Сернистый марганец, всплывая на поверхность металла, на границе металл — шлак вступает во взаимодействие1с СаО по реакции
MnS + СаО -* CaS + МпО.
В шлаке имеется повышенное содержание закиси железа и закиси марганца, поэтому эти реакции имеют обратимый харак тер, вследствие чего используют чугун с малым содержанием серы. После раскисления, или раскисления и науглероживания сталь из конвертера выпускают в ковш и из ковша разливают в изложницы на слитки.
Сталь, выплавленную в конвертере с основной футеровкой, применяют для проката листового железа, проволоки и сортово го железа. После добавки углерода и марганца из этой стали прокатывают рельсы для узкой колеи.
Шлаки при томасовском процессе получают с содержанием фосфора до 10%. Их используют для получения минерального удобрения или как флюс при доменной пдавке при получении высокофосфористых чугунов.
Процесс продувки чугуна в конвертерах имеет ряд преиму ществ перед другими процессами получения стали, а именно: высокую производительность конвертеров, простоту устройства их, небольшие капитальные расходы и не требует расхода топли ва и энергии для нагрева металла.
Современный метод получения стали в конвертере с основной футеровкой
иподачей кислорода
Втечение последних лет применение кислорода при выплавке
вконвертере значительно расширилось. Для этой цели в кон вертер над жидкой ванной чугуна устанавливают трубу. Через трубу вдувают известь или смесь извести и плавикового шпата, находящуюся во взвешенном состоянии в техническом кислороде. Концентрацию извести в струе кислорода регулируют в зависи мости от состава чугуна и этапа работы конвертера.
Вэтом случае строят конвертеры со сплошным дном емкостью до 50 т. В нашей стране запроектированы конвертеры емкостью 100, 150 и 250 т.
Техническая характеристика конвертера емкостью 50 т:
Внутренний |
диаметр, мм |
3 |
|
Внутренний |
объем, |
м3 |
50 |
Внутренняя |
высота |
конвертера, м |
5,78 |
Высота ванны металла, мм |
900 |
При определении размеров |
конвертера, |
предназначенного |
для использования кислорода, |
следует учитывать сорт чугуна, |
|
из которого будет получена сталь. Размеры |
конвертера дляпе- |
реработки высокофосфористого чугуна с содержанием фосфора до 2% и чугуна, содержащего фосфора до 0,2%\ будут различны. Одним из наиболее важных факторов в этом случае является по лучаемое количество шлаков. При переработке фосфористого чугуна количество шлаков будет больше, следовательно, с уче том этого выбираются и размеры конвертера.
Конвертеры (томасовские) футеруются основными огнеупор ными материалами, т. е. магнезитовым кирпичом и доломитовым порошком для набивки подины.
Труба, через которую подается кислород, совместно с из вестью охлаждается водой. Расход воды составляет для 3-т кон вертера 20 ж3/ч, для 30-т — 35 мг/ч и для 50-т — 45 м3/ч. Известь применяется в виде тонкого порошка с величиной зерна < 2 мм. Состав извести может изменяться: 78—92% СаО, 1,5—2,7% Si02, 0,07—0,12% S. Возможность применения извести различного со става является большим преимуществом данного способа.
Подача извести в струе кислорода обеспечивает исключитель но высокую реакционную способность для удаления фосфора и серы из металла. Добавка плавикового шпата к извести еще больше повышает активность шлаков.
Кислород применяется обычного качества с содержанием 99,5,% 0 2 при давлении до 6—8 атм. Для понижения температу ры металла в конвертер во время плавки загружают стальной лом или железную стружку, или то и другое. При повышенном содержании кремния в чугуне увеличивают подачу извести с тем, чтобы получить шлак с необходимой основностью для связыва ния фосфора. При продувке томасовского чугуна, содержащего 3,6% С, 0,8%’ Мп, 0,4% S i, 1,7% Р и 0,04% S, после промежуточ ного скачивания шлака содержание углерода в металле пони жается до 0,6%, а фосфора — до 0,1%. Полученный шлак содер жит до 24% Р2Об, до 57,% СаО, 0,7% S, остальное кремнезем и другие окислы. Такой шлак является прекрасным удобрением для сельского хозяйства. После второго вдувания извести полу чают металл с содержанием 0,08% С, 0,31% Мп, 0,017% Р< 0,014% S, 0,001% N и следы кремния, т. е. по своему качеству равный или выше мартеновской стали. Расход кислорода состав ляет 60—65 ж3, а извести 130—145 кг на 1 т чугуна. Длитель ность продувки составляет от 20 до 30 мин. в 30-т конвертере. Расход футеровки до 10 кг/т чугуна.
Конвертерным способом на современном этапе развития ме таллургии производства не разрешается задача получения стали с разнообразными свойствами. Для успешного ведения конвер терного способа еще требуется чугун строго органического хи мического состава. Значительная часть железных руд позво ляет получать чугун, который является по своему химическому составу не подходящим для бессемеровского и томасовского про-
4 Н. А. Баринов и др.