Материал: Курс Теория конструкционных материалов (ТКМ)

6. Схема и принцип работы доменной печи.

Чугун выплавляется из железных руд в специальных печах, называемых доменными. Отсюда процесс получения чугуна из железных руд называется доменным процессом.

Доменная печь имеет большое количество специальных устройств и механизмов, обеспечивающих беспрерывность процесса. Большинство механизмов работает автоматически.

1-скип; 2-засыпной аппарат; 3-доменная печь; 4-фурменные отверстия; 5- чугунная летка; шлаковая летка; 7-воздухонагреватели; 8-газоочистительные устройства; 9-дымовая труба

Смесь из руды, кокса и флюса подготовляется в определенной пропорции для загрузки в доменную печь. Такая смесь называется шихтой. Специальный подъемник — скип 1 перемещающийся по наклонным путям, доставляет шихту к верхней части доменной печи, откуда она через засыпной аппарат 2 поступает в печь 3.

Для поддержания интенсивного горения загружаемого кокса необходимо большое количество воздуха. Воздух подается в печь через специальные

отверстия 4 в нижней части печи, которые называются фурменными отверстиями. Чтобы воздух пробил высокий столб шихты и проник во все части печи, а также чтобы имелось достаточное количество кислорода для сгорания всего топлива, воздух вдувают в печь под давлением в 1—2 ати. Воздух подогревается до температуры 600—800°, так как вдувание большого количества холодного воздуха снижает температуру внутри печи, в результате чего процесс плавки руды замедляется.

Подогрев воздуха осуществляется в воздухонагревателях 7, которые строятся рядом с доменной печью. Воздухонагреватели отапливаются доменным (колошниковым) газом, получающимся при выплавке чугуна. Доменный газ предварительно очищается от пыли в специальных газоочистительных устройствах 8. Продукты сгорания из воздухонагревателей удаляются через дымовую трубу 9.

Полученный в печи жидкий чугун опускается в нижнюю ее часть, откуда периодически выпускается через отверстие 5, называемое чугунной леткой. В специальных ковшах большой емкости чугун от доменной печи отвозится в сталеплавильные цехи для переработки в сталь или к разливочной машине для получения чугунных чушек.

Пустая порода, флюсы и зола топлива образуют в печи жидкий шлак, который имеет меньший удельный вес, чем чугун, и поэтому располагается над жидким чугуном. Шлак выпускается из печи через шлаковую летку 6 и направляется для переработки и дальнейшего использования в качестве строительного материала или в шлаковый отвал.

Доменная печь работает беспрерывно по принципу противотока: исходные материалы загружаются сверху, постепенно опускаются вниз, превращаясь в чугун и шлак, а газы, нагревшиеся в нижней зоне печи, поднимаются кверху навстречу исходным материалам.

Печь имеет наружную стальную оболочку, которая называется кожухом, и внутреннюю кладку, или футеровку. Футеровка должна устойчиво сопротивляться износу от трения беспрерывно опускающихся столбом исходных материалов, выдерживать действие высоких температур, не расплавляясь и не давая деформаций. Поэтому для футеровки применяется высококачественный огнеупорный (шамотный) кирпич.

7. Сущность процесса передела чугуна на сталь.

Сталь является основным видом металла, применяемым для создания современной техники. Это объясняется тем, что сталь обладает высокими прочностью и износостойкостью, хорошо сохраняет приданную форму в изделиях, сравнительно легко поддается различным видам обработки. Основной компонент стали -железо - является широко распространенным элементом в земной коре.

Сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне.

В процессе плавки стали происходит взаимодействие между металлической, шлаковой и газовой фазами и футеровкой плавильного агрегата, различными по агрегатному состоянию и химическому составу. В результате этого взаимодействия осуществляется переход химических элементов из одной фазы в другую. Обменные процессы сопровождаются химическими превращениями, главным образом на границе металлической фазы со шлаком. Металлическая фаза состоит из расплава химических элементов, шлаковая - из расплава оксидов и их соединений. Поэтому переход элемента из одной фазы в другую возможен только при протекании химической реакции образования или восстановления оксида. Так как примеси по своим физико-химическим свойствам различны, то для их удаления в плавильном агрегате создают определенные условия, используя основные законы физической химии.

Чем больше оксида железа содержится в жидком металле, тем активнее окисляются примеси. Для ускорения окисления примесей в сталеплавильную ванну добавляют железную руду, окалину, содержащие много оксидов железа. Таким образом, основное количество примесей окисляется за счет кислорода оксида железа.

Скорость окисления примесей зависит не только от их концентрации, но и от температуры металла и подчиняется принципу Ле Шателье, в соответствии с которым химические реакции, выделяющие теплоту, протекают интенсивнее при более низких температурах или при некотором понижении температуры, а реакции, поглощающие теплоту, протекают активнее при высоких температурах или при некотором повышении температуры. Поэтому в начале плавки, когда температура металла невысока, интенсивнее идут процессы окисления кремния, фосфора, марганца, протекающие с выделением теплоты, а углерод интенсивно окисляется только при высокой температуре металла (в середине и конце плавки).

После расплавления шихты в сталеплавильной печи образуются две несмешивающиеся среды: жидкий металл и шлак. Шлак представляет собой сплав оксидов с незначительным содержанием сульфидов. Образование шлака связано с окислением элементов металлической фазы во время плавки и образованием различных оксидов с меньшей плотностью, чем металл, собирающихся на его поверхности. В соответствии с законом распределения (закон Нернста), если какое-либо вещество растворяется в двух соприкасающихся, но несмешивающихся жидкостях, то распределение вещества между этими жидкостями происходит до установления определенного соотношения (константы распределения), постоянного для данной температуры. Поэтому большинство компонентов (Мп, 81, Р, 8) и их соединения, растворимые в жидком металле и шлаке, будут распределяться между металлом и шлаком в определенном соотношении, характерном для данной температуры.

Нерастворимые соединения в зависимости от плотности будут переходить либо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака, можно менять соотношение между количеством примесей в металле и шлаке так, что нежелательные примеси будут удаляться из металла в шлак. Убирая шлак

с поверхности металла и наводя новый путем подачи флюса требуемого состава, можно удалять вредные примеси (серу, фосфор) из металла. Поэтому регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управления металлургическими процессами.

8. Сравнительная характеристика основных способов производства стали: в конвертерах, мартеновских печах, электропечах.

Мартены в основном остаются работать в нашей стране и по сей день, хотя они уже морально устарели, и очень сильно загрязняют окружающую среду. В кислородных конвертерах выплавляют конструкционные стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные.

В кислородных конвертерах трудно выплавлять стали, содержащие легкоокисляющиеся легирующие элементы, поэтому в них выплавляют низколегированные (до 2-3 % легирующих элементов) стали. Легирующие элементы вводят в ковш, расплавив их в электропечи, или твердые ферросплавы вводят в ковш перед выпуском в пего стали. Плавка в конвертерах вместимостью 130-300 т заканчивается через 25-50 мин. Кислородно-конвертерный процесс более производительный, чем плавка стали в мартеновских печах. Самым лучшим вариантом является электропечь, т.к. электричество является дешевым видом энергии, и экологическим, электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами, так как в них можно получать высокую температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет выплавлять сталь любого состава, раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений — продуктов раскисления. Поэтому электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сталей и сплавов.

9. Кислородно-конвертерный способ получения стали: исходные материалы, технология, технико-экономические показатели.

Кислородно-конвертерный процесс - это выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму.

Кислородный конвертер - это сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кирпичом. Вместимость конвертера 130—350 т жидкого чугуна. В процессе работы конвертер может поворачиваться на цапфах вокруг горизонтальной оси на 360°С для завалки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30 %), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит (А12О3), плавиковый шпат (CaF2), которые применяют для разжижения шлака.

Технология плавки. Перед плавкой конвертер наклоняют, через горловину с помощью завалочных машин загружают скрап, заливают чугун при температуре 1250—1400°С. После этого конвертер поворачивают в вертикальное рабочее положение (рис. 2.4, в), внутрь его вводят водоохлаждаемую фурму и через нее подают кислород под давлением 0,9-1,4 МПа. Одновременно с началом продувки в конвертер загружают известь, боксит, железную руду. Струи кислорода проникают в металл, вызывают его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Благодаря интенсивному окислению примесей чугуна при взаимодействии с кислородом в зоне под фурмой развивается температура до 2400°С.

В зоне контакта кислородной струи с чугуном в первую очередь окисляется железо, так как его концентрация во много раз выше, чем примесей. Образующийся оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Кислород, растворенный в металле, окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и содержание их понижается. При этом происходит разогрев ванны металла теплотой, выделяющейся при окислении примесей, поддержание его в жидком состоянии.

В кислородном конвертере благодаря присутствию шлаков с большим содержанием СаО и FeO, перемешиванию металла и шлака создаются условия для удаления из металла фосфора по реакции в начале продувки ванны кислородом, когда ее температура еще невысока. В чугунax перерабатываемых в конвертерах, не должно быть более 0,15 % Р. При повышенном (до 0,3 %) содержании фосфора для его удаления необходимо сливать шлак и наводить новый, что снижает производительность конвертера.

Удаление серы из металла в шлак протекает в течение всей плавки по реакциям (7) и (8). Однако высокое содержание в шлаке FeO (до 7-20 %) затрудняет удаление серы из металла. Поэтому для передела в сталь в кислородных конвертерах применяют чугун с содержанием до 0,07 % S.

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рис. 2.4, г).

При выпуске стали из конвертера ее раскисляют в ковше осаждающим методом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием; затем из конвертера сливают шлак (рис. 2.4, д).

В кислородных конвертерах выплавляют конструкционные стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные.

В кислородных конвертерах трудно выплавлять стали, содержащие легкоокисляющиеся легирующие элементы, поэтому в них выплавляют низколегированные (до 2-3 % легирующих элементов) стали. Легирующие элементы вводят в ковш, расплавив их в электропечи, или твердые ферросплавы вводят в ковш перед выпуском в пего стали. Плавка в конвертерах вместимостью 130-300 т заканчивается через 25-50 мин. Кислородно-конвертерный процесс более производительный, чем плавка стали в мартеновских печах.

10. Схема кислородного конвертера.

Кислородный конвертер - это сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кирпичом. Вместимость кон­вертера 130—350 т жидкого чугуна. В процессе работы конвертер может поворачиваться на цапфах вокруг горизонтальной оси на 360°С для завалки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Технология плавки и схема конвертера. Перед плавкой конвертер наклоняют, через горловину с помощью завалочных машин загружают скрап (рис, 2.4, а), заливают чугун при температуре 1250—1400°С (рис. 2.4, б). После этого конвертер поворачивают в вертикальное рабочее положение (рис. 2.4, в), внутрь его вводят водоохлаждаемую фурму и через нее подают кислород под давлением 0,9-1,4 МПа. Одновременно с началом продувки в конвертер загружают известь, боксит, железную руду. Струи кислорода проникают в металл, вызы­вают его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Благодаря интенсивному окислению примесей чугуна при взаимодей­ствии с кислородом в зоне под фурмой развивается температура до 2400°С.

В зоне контакта кислородной струи с чугуном в первую очередь окисляется железо, так как его концентрация во много раз выше, чем примесей. Образующийся оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Кислород, раство­ренный в металле, окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и содержание их понижается. При этом происходит разогрев ванны металла теплотой, выделяющейся при окислении примесей, под­держание его в жидком состоянии.

В кислородном конвертере благодаря присутствию шлаков с большим содержанием СаО и FeO, перемешиванию металла и шлака создаются условия для удаления из металла фосфора по реак­ции в начале продувки ванны кислородом, когда ее температура еще невысока. В чугунax перерабатываемых в конвертерах, не дол­жно быть более 0,15 % Р. При повышенном (до 0,3 %) содержании фосфора для его удаления необходимо сливать шлак и наводить но­вый, что снижает производительность конвертера.

Удаление серы из металла в шлак протекает в течение всей плавки по реакциям (7) и (8). Однако высокое содержание в шлаке FeO (до 7-20 %) затрудняет удаление серы из металла. Поэтому для передела в сталь в кислородных конвертерах применяют чугун с со­держанием до 0,07 % S.

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному. После этого конвертер поворачи­вают и выпускают сталь в ковш (рис. 2.4, г).

При выпуске стали из конвертера ее раскисляют в ковше осаждающим методом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием; затем из конвертера сливают шлак (рис. 2.4, д).

В кислородных конвертерах выплавляют конструкционные стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные.

В кислородных конвертерах трудно выплавлять стали, содержа­щие легкоокисляющиеся легирующие элементы, поэтому в них вы­плавляют низколегированные (до 2-3 % легирующих элементов) стали. Легирующие элементы вводят в ковш, расплавив их в электро­печи, или твердые ферросплавы вводят в ковш перед выпуском в пего стали. Плавка в конвертерах вместимостью 130-300 т заканчива­ется через 25-50 мин. Кислородно-конвертерный процесс более производительный, чем плавка стали в мартеновских печах

11. Мартеновский способ получения стали: исходные материалы, технология, технико-экономические показатели.

Устройство и работа мартеновской печи. Мартеновская печь - пламенная отражательная регенеративная печь. Она имеет рабочее плавильное пространство, ограниченное снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стен­кам печи. Футеровка печи может быть основной и кислой. Если в процессе плавки стали в шлаке преобладают основные окислы, процесс называют основным мартеновским процессом, а если кис­лые — кислым. Основную мартеновскую печь футеруют магнезито­вым кирпичом, на который набивают магнезитовый порошок. Кис­лую мартеновскую печь футеруют динасовым кирпичом, а подину набивают из кварцевого песка. Свод мартеновской печи делают из динасового кирпича или магнезитохромитового кирпича. В передней стенке печи имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней — отверстие 9 для выпуска готовой стали.

В нашей стране работают мартеновские печи вместимостью 200— 900 т жидкой стали. Характеристикой рабочего пространства является площадь пода печи, которую условно подсчи­тывают на уровне порогов загрузочных окон. Например, для печи вместимостью 900 т площадь пода составляет 115 м2. Головки печи 2 служат для смешения топлива (мазута или газа) с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство.

Для подогрева воздуха и газа (при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора 1. Регенератор—это камера, в которой размещена насадка — огнеупорный кирпич, выложенный в клетку. Отходящие из печи газы имеют температуру 1500-1600°C. Попадая в регенераторы, газы нагревают насадку до 1250-1280°С. Через один из регенераторов, например, правый подают воздух, который, проходя через насадку, нагревается до температуры 1100-1200 °С и поступает в головку печи, где смешивается с топливом на выходе из головки образуется факел 7, направленный на шихту 6. Отходящие газы проходят через противоположную головку (левую) очистные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа частиц шлака и пыли, и направляются во второй (левый) регенератор нагревая его насадку. Охлажденные газы покидают печь через дымовую трубу 8. После охлаждения насадки правого регенератора переключают клапаны и поток газов в печи изменяет направление: через нагретые левый регенератор и головку в печь поступает воздух, а правый нагревается теплотой отходящих газов.

Факел имеет температуру 1750—1800°С и нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса: 1) скрап-про­цесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25— 45 % чушкового передельного чугуна; процесс применяют на заво­дах, где нет доменных печей, но расположенных в промышленных центрах, где много металлолома; 2) скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55—75 %), скрапа и железной руды; процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи. Наибольшее количество стали производят скрап-рудным процессом в мартеновских печах с основной футеров­кой, что позволяет переделывать в сталь различные шихтовые ма­териалы.

Плавка стали скрап-рудным процессом в основной мартеновской печи. В печь с помощью завалочной машины загружают же­лезную руду, и известняки после их прогрева подают скрап. По окончании прогрева скрапа в печь заливают жидкий чу­гун, который взаимодействует с железной рудой и скрапом. В и период плавления за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна: кремний, фосфор по реакции (6), мар­ганец и частично углерод. Оксиды SiO2, Р2О5, МnО, а также СаО и извести образуют шлак с высоким содержанием FeO и МnО (желе­зистый шлак).

Кислый мартеновский процесс. Этим способом выплавляют каче­ственные стали.

Основные технико-экономические показатели производства стали в мартенов­ских печах следующие: производительность печи, определяемая съемом стали с 1м2 площади пода в сутки (т/м2 в сутки) и расход топлива на 1 т выплавляемой стали (кг/т). Средний съем стали с 1м2 площади пода в сутки составляет 10 т/м, а расход условного топлива — до 80 кг/т

1 – ванны печи; 2 – фурмы; 3 – шлаковики; 4 – водоохлаждаемая заслонка; 5 – амбразура для отбора воздуха из вертикального канала; 6 – футерован­ный воздухопровод; 7 – амбразура в своде печи; 8 – эжектор использования СО и частичного улавливания пыли в самом рабочем пространстве создана двух ванная сталеплавиль­ная печь (рис. 123).

Рабочее пространство такой печи разделено переводом на две ванны. Обе ванны имеют общий .свод, так что про­дукты сгорания, образующиеся в одной ванне, проходят вторую часть рабочего пространства.

Устройство работы двухванной печи

Печь работает следующим образом: в одной ванне (го­рячей) происходит плавление и доводка с интенсивной про­дувкой металла кислородом, а во второй ванне (холодной) в то же время идет завалка и прогрев твердой шихты. Га­зы из горячей части печи направляются в холодную и со­стоят до 35% из оксида углерода. В холодной части печи СО догорает до СО₂ и за счет выделяющегося тепла проис­ходит нагрев твердой шихты. Недостающее для процесса нагрева тепло восполняется подачей природного газа через горелки, установленные в своде печи. Сгорание природного газа и догорание СО совершаются за счет дополнительного кислорода.