Получение железа и различных сортов (марок) стали

Основные вопросы.. Принципиальная схема передела чугуна на сталь (основные эта­пы: окисление примесей, шлакование, рафинирование, раскисление); понятие спокойной Процесс прямого восстановления железа из руды с последующей плавкой и кипящей стали.

Основные способы получения стали (кислородно-конвертерный, мартеновский, в электропечах). Характеристика каждого из указанных способов:

- исходные материалы;

- работа и устройство печи;

- источники тепловой энергии;

- химические особенности процесса (кислый и основной);

- время плавки и технико-экономические показатели работы ста­леплавильных печей; пути интенсификации мартеновской плавки, принцип работы двухваннового мартена.

Разливка стали (в изложницы сверху и снизу, непрерывная раз­ливка); строение стального слитка спокойной и кипящей стали.

Пути повышения качества стального слитка (обработка синтети­ческими шлаками, вакуумная дегазация; электрошлаковый, вакуумно- дуговой, электронно-лучевой, плазменно-дуговой переплавы).

Основные способы производства стали

Сталь - сплав железа с углеродом, содержание которого в спла­ве не превышает 2,14%. Сталь, основными компонентами которой яв­ляются железо и углерод, носит название углеродистой. Содержание в ней сопутствующих химических элементов (Si, Мп, S, Р) не должно превышать определенных значений (рис.5.13).

Рис.5.13. Химический состав углеродистой (нелегированной) стали

В отличие от углеродистой, легированная сталь обладает более высокими механическими свойствами (после термической обработки).

Легирование стали - процесс введения в ее состав химических элементов (Sі, Мп, Сг, Ni, Мо, Ті и др.) с целью придания ей определен­ных химических и механических свойств.

Способы производства стали представлены на рис.5.14. Основной метод получения стали - передел чугуна на сталь. Лишь незначитель­ный процент всей получаемой стали производят, используя способ прямого восстановления железа из руды.

Рис.5.14. Структура сталеплавильного производства (принципиальная схема)

Рис.5.15. Схема установки для прямого восстановления железа из руды: 1 - бункер для окатышей; 2 - грохот; 3 - бункер для просеянной мелочи; 4 - конвейер; 5 - охлажденные окатыши; 6 - трубопровод; 7 - установка получения газов восстановителей (Н2, СО); 8 - трубопровод; 9 - шахтная печь; 10 - вагонетка. В - восстановительная зона; 0 - зона охлаждения

В печах шахтного типа, работающих по принципу противотока, происходит восстановление железорудных окатышей до твердого губчатого железа (рис.5.15). Восстановителями являются водород и окись углерода - продукты конверсии природного и доменного газа. На рис.5.16 представлен алгоритм данного технологического процесса.

Рис. 5.16. Принципиальная схема технологического процесса производства стали методом прямого восстановления железа из руды

Принцип передела чугуна на сталь.

Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода и других примесей (табл. 1.3). Вне зависимости от способа получения стали (кислородно-конверторного, мартеновского или плавки в элек­тропечах) можно выстроить общую принципиальную схему протекания сталеплавильного процесса. Весь процесс можно разбить на ряд эта­пов.

Таблица 5.3 Материал Химический состав, % С Si Мп S Б Передельный чугун 4,0-4,4 0,76-1,26 До 1,75 0,15-0,30 0,03-0,07 Сталь низко­углеродистая 0,14-0,22 0,12-0,3 0,4-0,65 0,05 0,055

Первый этап - это окисление примесей. Следует заметить, что источником О₂ могут быть как чистый кислород, так и кислород воздуха, подаваемого в печь для сжигания топлива:

Fе+1/20₂=Fе0+Q; (5.5)

Si+0₂=Si0₂+ Q; (5.6)

Мп+1/2 0₂= Мп0+Q (5.7)

4Р+5 0₂=2Р₂0₅+Q; (5.8)

2С+0₂=2С0 +Q; (5.9)

S+0₂=S0₂ +Q. (5.10)

Элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо(Si, Мп), могут окисляться, отнимая кислород у оксидов железа, входящих в железную руду или окалину, которые добавляют в шихту:

2Fе0+Si=2Fе+SiO₂+Q; (5.11)

Fе0+Мп=Мп0+Fе+Q. (5.12)

Реакции окисления - экзотермические. Выделение тепла приво­дит к повышению температуры расплава. В процессе протекания окис­лительных или окислительно - восстановительных химических реакций имеет место выделение газообразных веществ (СО, S0₂). Всплытие пузырьков газообразных веществ, образующихся в результате реакций окисления, вызывает «кипение» ванны расплавленного металла.

Удаление негазообразных оксидов происходит за счет процесса шлакования, общий принцип которого рассмотрен выше. Процесс идет как за счет взаимодействия оксидов с флюсом (кислым или основным), так и за счет взаимодействия образовавшихся оксидов между собой:

Si0₂+Са0®Са0∙Si0₂; (5.13)

3(Fе0)+Р₂0₅®(FeO)₃∙ Р₂0₅. (5.14)

Процесс удаления вредных примесей серы и фосфора носит на­звание «рафинирование». Важно отметить, что удаление серы и фос­фора возможно лишь при использовании основного флюса (извести СаО). Сера в стали содержится в виде химического соединения FеS, а если сталь богата марганцем, то в виде МпS:

FеS+Са0®Fе0+СаS ; (5.15)

шлак

МпS+Са0®Мп0+СаS (5.16)

шлак

Удаление фосфора идет по типовой схеме взаимодействия кислого и основного оксида:

Р₂0₅+4Са0®4(Са0)∙( Р₂0₅) . (5.17)

шлак

Заключительным этапом любого сталеплавильного процесса яв­ляется процесс раскисления. Он может происходить как в печи, так и в разливочном ковше, куда вводят раскислители либов виде ферроспла­вов (ферромарганиц, ферросилиций), либо в виде чистого алюминия. Цель этого этапа - восстановить окисленное на первом этапе железо. В общем виде химическую реакцию можно представить так:

Fе0+Х®Fе+Х0, (5.18)

где Х - элемент, обладающий большим сродством к кислороду, чем же­лезо. В реальных сталеплавильных процессах - это Si, Мп, С, С0, А1 и др.

Процесс, протекающий по вышеприведенной схеме, носит название осаждающего раскисления. В результате данного процесса про­исходит восстановление железа и образование оксидов Мп0, SiO₂, А1₂0₃ и др. Образующиеся малорастворимые в металле окислы легко отделяются от расплава и благодаря меньшей плотности, чем плот­ность жидкого металла, всплывают в шлак. Как было сказано выше, ре­акции, протекающие при раскислении, идут с выделением тепла.

При понижении температуры металла в изложнице (при разливке) течение реакций раскисления может продолжиться. Вновь образовав­шиеся оксиды не успевают всплывать и удаляться из металла. В слу­чае, когда требуется получить особо чистую от неметаллических вклю­чений сталь, применяют диффузионное раскисление. При данном методе раскислители подают на поверхность шлака. Восстанавливая железо из его оксидов, они тем самым понижают концентрацию Fе0 в шлаке. В соответствии с законом распределения оксиды железа пере­ходят из металла в шлак. Процесс идет до тех пор, пока не установится равновесное распределение закиси железа в шлаке и металле, соот­ветствующее данным внешним условиям (температура и др.). Преиму­ществом диффузионного раскисления является достижение высокой чистоты металла по неметаллическим включениям. Недостатком дан­ного способа является высокий угар дорогостоящих раскислителей (вследствие их реакции с кислородом атмосферы печи). По этой при­чине метод диффузионного раскисления применяется реже.

Раскисление синтетическими шлаками по своему физико- химическому принципу схож с диффузионным. В ковш, на дне которого находится расплав шлака, не содержащего Ре0, с большой высоты за­ливают раскисляемую сталь. Струя металла дробится на капли, контакт металла со шлаками возрастает. Благодаря этому процесс раскисле­ния идет с большой скоростью. При этом сталь не только раскисляется, но и снижается содержание в ней серы и фосфора, а также других не­металлических включений.

Сталеплавительное производство включает в себя конвертерный, мартеновский способы получения стали и плавку в электропечах.

В середине XIX века английский изобретатель Генри Бессимер предложил способ получения стали путем продувки жидкого чугуна в конвертере с кислой футеровкой.

Позднее Сидней Томас предложил вести процесс в конвертерах с основной футеровкой, что позволило получать сталь из жидких чугунов, содержащих большое количество фосфора. Способ, предложенный французским металлургом Пьером Мартеном (мартеновский), позволил использовать для плавки твердые шихтовые материалы (руду, лом, от­ходы машиностроительного производства). Разработка в середине ХХ века кислородно-конвекторного способа позволила получать сталь, не уступающую по качеству мартеновской. Применение электрической энергии в качестве источника тепла для плавки стали позволяет полу­чать высокие температуры (до 3500⁰С), которые при сжигании обычных видов металлургического топлива, получить не представляется воз­можным .

В настоящем методическом руководстве представлены лишь ос­новные технологические параметры вышеуказанных процессов (табл.5.4-5.6, рис. 5.17-5.23).

Техническая характеристика мартеновского процесса

Мартеновский способ производства стали

Таблица 5.4 Исходные шихтовые Источник нагрева Время плавки, ч Емкость печи, т Произво­ дитель­ ность, т/ч Произво­ димые стали материалы (топливо) Жидкий Газооб-         чугун, разное     100-150 Углеро­ чушковый (природ- 6-9 200-900 (10т/м2сут) дистые и чугун, сталь- ный газ),     легиро- ной лом жидкое       ванные (скрап), (мазут)       стали флюс

Рис.5.17. Разновидности мартеновского сталеплавильного про­цесса

Воздух

Рис.5.18. Схема устройства мартеновской (пламенной регенеративной) печи: 1 - регенератор; 2 - зона смешения топлива с воздухом; 3 - ки­слородная фурма; 4 - загрузочные окна; 5 - передняя стенка; 6 - шихта; 7 - пламя; 8 - дымовая труба; 9 - лётка для выпуска стали; 10 - задняя стенка; 11 - свод печи; 12 - подина

Недостатком мартеновского процесса является его низкая произ­водительность (до 150 т/ч). По этой причине в ряде стран мира данный способ снят с производства. В нашей стране способ имеет место в силу исторически сложившихся причин.

Для интенсификации процесса плавки используют следующие приёмы. В период прогрева шихты с целью повышения температуры горения топлива в факел подаётся кислород. В период «кипения ме-

талла» кислород через специальные фурмы подаётся в ванну и про­цесс выгорания кислорода протекает интенсивнее.

Советскими металлургами был разработан способ плавки стали в двухванновых мартенах (рис.1.20). Две ванны располагаются под еди­ным сводом. Процессы, протекающие в левой и правой ванне, идут синхронно.

Когда в левой ванне происходит «кипение металла» кислородные фурмы опущены вниз и химическая реакция 2С+0₂^-200|+0 протека­ет интенсивнее. В это время в правой ванне идет процесс прогрева шихты, требующий большого количество теплоты. Кислород подается в печное пространство, захватывая при этом выделившуюся в левой ванне окись углерода. Химическая реакция 2С0+0₂^200₂+0 способ­ствует росту температуры и тем самым экономии топлива.

Рис. 5.19. Принципиальная схема двухваннового мартена

Кислородно-конвертерный способ производства ста­ли

Преимуществом кислородно-конверторного способа производства стали, безусловно, является высокая производительность процесса.

Благодаря использованию основной футеровки стали, получен­ные этим способом, содержат минимальное количество серы и фосфо­ра.

Кислородный конвертер (рис.5.20) представляет собой сосуд гру­шевидной формы, сваренный из листовой стали и выложенный внутри основным огнеупорным кирпичом.

Таблиц 5.5

Техническая характеристика кислородно-конвертерного процесса

Исходные шихтовые материалы	Источник нагрева	Время плавки, мин	Емкость печи, т	Произво­дитель­ность, т/ч	Произво­димые стали
Жидкий чугун, добавки: лом, руда, флюс (СаО)	Тепло химиче­ских реакций окисления	30-45	130-400	До 500 т/ч	Углероди стые и низколегирован- ные стали

Рис.5.20. Схема устройства кислородного конвертера: 1 - стальной кожух; 2 - футеровка (основная); 3 - водоохлаждаемая кислородиая фурма; 4 - носок для слива стали; 5 - расплав

Производство стали в электропечах

В электропечах выплавляют специальные стали и сплавы высоко­го качества. Электрометаллургия имеет ряд теплотехнических и произ­водственно-технических преимуществ по сравнению с другими спосо­бами производства стали.

Техническая характеристика процесса плавки стали в дуговой печи

При использовании электрического тока при нагреве и плавке ме­талла тепловыделение происходит непосредственно в нагреваемом металле (индукционный нагрев); тепловые потери минимальные. Точ­ное регулирование температуры позволяет выплавлять стали, содер­жащие большое число легирующих элементов. Процесс лучше, чем ос­тальные, поддаётся механизации и автоматизации.

Рис.1.21. Разновидности плавки стали в электропечах

Таблица 5.6 Исходные шихто­вые ма­териалы Источник нагрева Время плав­ки, ч Емкость печи, т Произво­дитель­ность, т/ч Произво­димые стали Лом, отходы литья, чугун Электри­ческая дуга 3-7 До 400 Высоколеги­рованная сталь Расход энергии 600 КВт-ч/т

Рис. 5. 22. Схема дуговой плавильной печи: 1 - днище печи; 2 - желоб; 3 - шихта; 4 - стальной кожух; 5 - боковая стенка; 6 - свод; 7 - кабель; 8 - электрододержатель; 9 - электрод; 10 - контрольное окно; 11 - поворотный механизм; 12 - под печи

Рис.5.23. Схема индукционной тигельной печи: 1 - вихревые пото­ки; 2 - свод печи; 3 - индуктор; 4 – тигель

5.4. Cамостоятельная работа №4

Технология разливки и строение стального слитка

Основные вопросы..Выпуск плавки. Методы разливки стали. Кристаллическая структура и дефекты стального слитка и заготовки.

Продукцией сталеплавильного производства являются слитки, которые получают путем заливки жидкого металла в изложницы (рис. 5.25) или методом непрерывной разливки стали (рис.5.26). Классифи­кация способов разливки стали представлена на рис. 5.24.

Рис. 5.24. Классификация способов разливки стали

Рис.5.25. Разливка стали в изложницы: а - сверху; б - снизу (сифо­ном); 1 - стопорный ковш; 2 - стальной поток; 3 - литник; 4 - огнеупор­ная трубка; 5 - изложница; 6 - поддон; 7 - канал (питатель)

Рис.5.26. Схема установки непрерывной разливки стали: 1 - раз­ливочный ковш; 2 - промежуточная емкость; 3 - кристаллизатор; 4 - ме­талл; 5 - тянущие ролики; 6 - охлаждающее устройство; 7 - зона реза; 8 - газовый резак

Формирование слитка - кристаллизация (переход металла из жидкого состояния в твердое) подчиняется общим законам кристалли­зации, которые изучает наука металловедение. Размер кристаллита (зерна) зависит от числа центров кристаллизации и скорости охлажде­ния. При высокой скорости охлаждения (ближе к изложнице) формиру­ются мелкие кристаллы. Медленное охлаждение (сердцевина слитка) приводит к формированию крупных кристаллов.

Направленный отвод способствует формообразованию вытянутых в направлении отвода тепла кристаллов (дендритов). При отводе тепла во все стороны одинаково формируются равноосные кристаллы.

Указанные особенности можно наблюдать на слитке спокойной (полностью раскисленной перед разливкой) стали (рис.5.27).

Строение слитка кипящей стали более однородное. Усадочная раковина отсутствует (рис.5.28). Из-за неполного раскисления кипящей стали в печи и ковше процесс раскисления продолжается в изложнице. Выделяющаяся при этом окись углерода увлекает с собой водород и азот, растворенные в стали, что и создает впечатление кипения. Газы, не успевшие выделиться из металла, застревают в нем и образуют ме­жду дендритами сотовые пузырьки. Газовые пузырьки хорошо завари­ваются при прокатке.

Рис.5.27. Строение слитка спокойной стали: 1 - усадочная раковина; 2 - зона мелких дез­ориентированных кристаллов; 3 - зона крупных ориентиро­ванных кристаллов (дендритов); 4 - зона крупных дезори­ентированных кристаллов

Рис.5. 28. Строение слитка кипя­щей стали: 1 - зона плотных мелких кристаллов; 2 - вытяну­тые кристаллы; 3 - продольные пузырьки; 4 - зона крупных дез­ориентированных кристаллов; 5 - вторичные круглые пузырьки

Слитки сталей, к которым предъявляются особо высокие требо­вания, подвергаются дополнительной обработке. Способы повышения качества металла представлены на рис.5.29. Один из способов - электрошлаковый переплав был разработан советскими учеными (рис.5.30).

Рис.5.29. Классификация способов переработки слитка

Рис.5.30. Схема электрошлакового переплава: 1 - расходуемый слиток; 2 - шлаковая ванна; 3 - капли металла; 4 - расплавленный ме­талл; 5 - шлаковая корочка; 6 - формирующийся слиток; 7 - кристалли­затор; 8 - затравка; 9 - поддон

Практическая работа: «Сравнительная характеристика основных способов производства железа и его сплавов».

Задача. Провести анализ основных технологических параметров процессов получения железа и его сплавов.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Чернега Д.Ф., Богущевський В.С. та ін. - Основи металургійного виробництва металів і сплавів. Київ. Вища школа, 2006р.-503стор.

2.Денисов С.И. Улавливание и утилизация пылей и газов(на предприятиях черной металлургии) Київ. Вища школа,1992р.-333стор.

3. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. Москва МКЦ «Академкнига» 2005-768с; 253 ил (учебник для вузов)

4.Г.Г., Гиммельфарб А.А., Левченко В.Е. - Металлургия Ефименко чугуна. Киев. Вища школа, 1981г.-496с.

5.Поволоцкий Д.Я., Рощин В.Е. и др. - Злектрометаллургия стали и ферросплапвов. М. Металлургия, 1984г.-568с.

6.Абросимов И.И., Аншенс И.И. и др. - Металлургия стали. М. Металлургия, Москва, 1961г.-680с.

^[1] Условно обозначим искомый элемент индексом Ме (от слова «металл»).