Методические указания к
Лабораторной работе № 5
Сущность и химические процессы выплавки стали.
Принцип работы и устройство мартеновской печи.
по дисциплине
ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Направление подготовки:
150400 «Технологические машины и оборудование»
Форма обучения - очная
Тула 2010 г.
Методические указания к лабораторной работе составлены профессором А.С. Рыбаковым и обсуждены на заседании кафедры СЛ и ТКМ механико-технологического факультета
протокол № 1 от 31 августа 2010 г.
Зав. кафедрой СЛ и ТКМ А.А. Протопопов
Методические указания к лабораторной работе пересмотрены и утверждены на заседании кафедры СЛ и ТКМ механико-технологического факультета
протокол № от «» 20 г.
Зав. кафедрой СЛ и ТКМ А.А. Протопопов
1. Цель и задачи работы
Изучение процесса выплавки стали, шихтовые материалы и подготовка их к плавке, устройство и принцип работы мартеновских печей.
2. Теоретические сведения
Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне.
Поэтому 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.
Примеси отличаются по своим физико-химическим свойствам, поэтому для удаления каждой из них в плавильном агрегате создают определенные условия, используя основные законы физической химии. В соответствии с законом действующих масс скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ.Поскольку в наибольшем количестве в чугуне содержится железо, то оно окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи
Fe + 1/2О2, = FeO + 263,68 кДж. (1)
Одновременно с железом окисляются Si, Р, Мn, С и др.
Образующийся оксид железа при высоких температурах растворяется в железе и отдает свой кислород более активным элементам—примесям в чугуне, окисляя их:
2FеО + Si = SiO2 + 2Fе + 330,5 кДж; (2)
5FеО + 2Р = Р2O5 + 5Fе + 225,94 кДж; (3)
FеО + Мn = МnО + Fе + 122,59 кДж; (4)
FеО + С = СО + Fе - 153,93 кДж. (5)
Чем больше оксида железа содержится в жидком металле, тем активнее окисляются примеси. Для ускорения окисления примесей в сталеплавильную печь 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. Металл и шлак разделяются из-за различных плотностей. 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 (Мn, Si, P, S) 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 шлакетак, 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.
Процесс выплавки стали осуществляют в несколько этапов.
Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. На этом этапе температура металла невысока; интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей Si, Р, Мn по реакциям (1) – (4). Наиболее важная задача этого этапа: удаление фосфора – одной из вредных примесей в стали. Для этого необходимо проведение плавки в основной печи, в которой можно использовать основной шлак, содержащий СаО. Выделяющийся по реакции (3) фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение (FеO)3´Р2О5. Оксид кальция СаО - более сильное основание, чем оксид железа, поэтому при невысоких температурах связывает ангидрид Р2О5, переводя его в шлак:
2[Р] + 5 (FеО) + 4(СаО) = (4СаО´Р2O5) + 5 [Fе]. (6)
Реакция образования фосфорного ангидрида протекает с выделением теплоты, поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье для удаления фосфора из металла необходимы невысокие температуры ванны металла и шлака. Из реакций (3) и (6) следует также, что для удаления фосфора из металла необходимо достаточное содержание в шлаке F е О. Для повышения содержания FеО в шлаке в сталеплавильную печь в этот период плавки добавляют окалину, железную руду, наводя железистый шлак. По мере удаления фосфора из металла в шлак содержание фосфора в шлаке возрастает. В соответствии в законом распределения удаление фосфора из металла замедляется. Поэтому для более полного удаления фосфора из металла с его зеркала убирают шлак, содержащий фосфор, и наводят новый со свежими добавками СаО.
Второй этап – “кипение” металлической ванны – начинается по мере ее прогрева до более высоких температур, чем на первом этапе. При повышении температуры металла в соответствии с принципом Ле Шателье более интенсивно протекает реакция (5) окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты. Поскольку в металле содержится больше углерода, чем других примесей, то в соответствии с законом действующих масс для окисления углерода в металл вводят значительное количество руды, окалины или вдувают кислород. Образующийся в металле оксид железа реагирует с углеродом по реакции (5), а пузырьки оксида углерода СО выделяются из жидкого металла, вызывая “кипение” ванны. При “кипении” уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам СО, а также другие газы, проникающие в пузырьки СО. Все это способствует повышению качества металла. Поэтому этап “кипения” ванны является основным в процессе выплавки стали.
В этот же период создаются условия для удаления серы из металла. Сера в стали находится в виде сульфида (FеS), который растворяется также в основном шлаке (FeS). Чем выше температура, тем большее количество FeS растворяется в шлаке, т. е. больше серы переходит из металла в шлак. Сульфид железа, растворенный в шлаке, взаимодействует с оксидом кальция, также растворенным в шлаке:
(FеS) + (СаО) = (СаS) + (FеО). (7)
Эта же реакция протекает на границе металл – шлак между сульфидом железа в стали (FеS) и (СаО) в шлаке:
(FеS) + (СаО) = (СаS) + (FеО). (8)
Образующееся соединение СаS растворимо в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак.
Как следует из реакций (7) и (8), чем больше в шлаке (СаО) и меньше (FеО), тем полнее удаляется из стали сера. Поэтому при плавке в основных печах можно снизить содержание углерода и серы в стали, выплавлять сталь из шихты любого химического состава.
В сталеплавильных печах с кислой футеровкой нет условий для уменьшения количества фосфора и серы в стали, так как использовать основной шлак с высоким содержанием (СаО) нельзя из-за разрушения футеровки, а содержание (FeO) в шлаке недостаточно. Поэтому в кислых печах можно выплавить сталь только из шихтовых материалов с малым количеством серы и фосфора.
Третий этап (завершающий) – раскисление стали – заключается в восстановлении оксида железа, растворенного в жидком металле. При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород – вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах. Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным.
Осаждающее раскисление осуществляют введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы (Мn, Si, Аl и др.), которые в данных условиях обладают большим сродством к кислороду, чем железо. В результате раскисления восстанавливается железо и образуются оксиды МnО, SiO2, А12O3 и другие, которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак. Однако часть их может остаться в стали, что понижает ее свойства.
Диффузионное раскисление осуществляют раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и другие раскислители в мелкоразмельченном виде загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. В соответствии с законом распределения оксид железа, растворенный в стали, начинает переходить в шлак. Образующиеся при таком способе раскисления оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, что уменьшает содержание неметаллических включений и повышает ее качество.
При плавке в кислой печи процесс плавки протекает при кислом шлаке (55 … 58 % SiO2) и условия для раскисления стали более благоприятные: кремнезем, обладающий сильными кислотными свойствами, связывает FеО в соединение типа FеО´SiO2. После длительной выдержки под кислым шлаком содержание оксида железа в стали резко уменьшается и окончательно сталь раскисляют небольшой добавкой ферромарганца.
В зависимости от степени раскисленности выплавляют спокойные, кипящие и полуспокойные стали.
Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше.
Кипящая сталь раскислена в печи не полностью. Ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка, благодаря взаимодействию FeO и углерода, содержащихся в металле. Образующийся при реакции
FеО + С = Fе + СО.
Оксид углерода выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода. Газы выделяются в виде пузырьков, вызывая ее “кипение”. Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений – продуктов раскисления, поэтому обладает хорошей пластичностью.
Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично в изложнице благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.
Выплавку легированных сталей осуществляют введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, сродство к кислороду которых меньше, чем у железа (Ni, Co, Mo, Cu), при плавке и разливке практически не окисляются и поэтому их вводят в печь в любое время плавки (обычно вместе с остальной шихтой). Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Мn, Аl, Cr, V, Ti и др.), вводят в металл после или одновременно с раскислением, в конце плавки, а иногда непосредственно в ковш.
Устройство и работа мартеновской печи
Мартеновская печь (рис. 2.1) – пламенная отражательная регенеративная печь. Она имеет рабочее плавильное пространство, ограниченное снизу подиной 3, сверху сводом, а с боков передней и задней 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 смесью из кварцевого песка.
Свод мартеновской печи 1 делают из динасового кирпича или магнезитохромитового кирпича. В передней стенке печи имеются загрузочные окна 2 для шихты и флюса, а в задней – отверстие для выпуска готовой стали.
В нашей стране работают мартеновские печи вместимостью 500…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 служат для смешения топлива (мазута или газа) и подачи этой смеси в плавильное пространство.
Для подогрева воздуха или газа при работе на низкокалорийном газе печь имеет две пары регенераторов 6, 6’, 7, 7’. Регенератор – это камера, в которой размещена насадка из огнеупорного кирпича в клетку. Отходящие из печи газы имеют температуру 1500…1600 оС. Попадая в регенераторы, газы нагревают насадку до 1250…1280 оС.
Через один из регенераторов, например, правый, подают воздух по каналам 5, который, проходя через насадку, нагревается до температуры 1100…1200 оС и поступает в головку печи, где смешивается с топливом. На выходе из головки образуется факел, направленный на шихту. 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 4.
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.
Рис. 2.1. Схема мартеновской печи
Факел имеет температуру 1750…1800оС и нагревает рабочее пространство печи и шихту и 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 известняк, после их прогрева подают скрап. По окончании прогрева скрапа в печь заливают жидкий чугун, который взаимодействует с железной рудой и скрапом. В период плавления за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна: кремний, фосфор, марганец и частично углерод (по реакциям 2, 3, 4, 5, лекция 1.6). Оксиды SiO2, Р2O5, МnО, а также СаО образуют шлак с высоким содержанием FеО и МnО (железистый шлак).
После расплавления шихты, окисления значительной части примесей и разогрева металла проводят период “кипения” ванны: в печь загружают железную руду или продувают ванну подаваемым по трубам 3 (см. рисунок) кислородом. Углерод в металле интенсивно окисляется, образуется оксид углерода. В это время отключают подачу топлива и воздуха в печь и удаляют шлак.
Для удаления из металла серы наводят новый шлак, подавая на зеркало металла известь с добавлением боксита или плавикового шпата для уменьшения вязкости шлака. Содержание СаО в шлаке возрастает, а FеО уменьшается. Это создает условия для интенсивного протекания реакций (6, 7, 8, лекция 1.6) и удаления из металла фосфора и серы.
В период “кипения” углерод интенсивно окисляется. Поэтому для “кипения” ванны шихта должна содержать избыток углерода (на 0,5…0,6%) сверх заданного в выплавляемой стали. В процессе “кипения” металл доводится до заданного химического состава, его температура выравнивается по объему ванны, из него удаляются газы и неметаллические включения. Процесс “кипения” считают окончившимся, если содержание углерода в металле соответствует заданному, а содержание фосфора минимально.
После этого металл раскисляют в два этапа: 1) в период “кипения” прекращают загрузку руды в печь, вследствие чего раскисление идет путем окисления углерода металла, одновременно подавая в ванну раскислители – ферромарганец, ферросилиций, алюминий; 2) окончательно раскисляют алюминием и ферросилицием в ковше при выпуске стали из печи. После отбора контрольных проб сталь выпускают в сталеразливочный ковш через отверстие в задней стенке печи.
В основных мартеновских печах выплавляют стали углеродистые конструкционные, низко- и среднелегированные (марганцовистые, хромистые), кроме высоколегированных сталей и сплавов, которые получают в плавильных электропечах.
Кислый мартеновский процесс
Этим способом выплавляют качественные стали. Поскольку в печах с кислой футеровкой нельзя навести основной шлак для удаления фосфора и серы, то применяют шихту с низким содержанием этих составляющих. Стали, выплавляемые в кислых мартеновских печах, содержат меньше водорода и кислорода, неметаллических включений, чем выплавленные в основных печах. Поэтому кислая сталь имеет более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, и ее используют для особо ответственных деталей: коленчатых валов крупных двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников.
Основные технико-экономические показатели производства стали в мартеновских печах следующие: производительность печи, определяемая съемом стали с 1м2площади пода в сутки (т/м2 в сутки) и расход топлива на 1 т выплавляемой стали (кг/т). Средний съем стали с 1 м2 площади пода в сутки составляет 10 т/м2, а расход условного топлива – до 80 кг/т.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с теоретическими положениями, изложенными в методических указаниях.
2. Изучить устройство мартеновской печи, используя плакаты.
3. Изучить огнеупорные материалы.
4. Изучить шихтовые материалы для мартеновских печей.
5. Оформить отчет по работе.
Указания по оформлению отчета
Отчет по работе должен содержать: цель и задачи работы, характеристику шихтовых материалов, устройство и принцип работы мартеновской печи, основные этапы выплавки стали мартеновским способом, сущность выплавки стали скрап – рудным процессом и в мартеновской печи с кислой футеровкой.
Контрольные вопросы.
1. Назовите основные части мартеновской печи?
2. Охарактеризуйте сущность плавки стали скрап – рудным процессом?
3. Какие огнеупорные материалы используются при производстве стали?
4. Какие шихтовые материалы используются в производстве стали?
5. Охарактеризуйте сущность выплавки стали кислым мартеновским процессом.
6. Охарактеризуйте основные этапы выплавки стали мартеновским способом?
7. Какими способами достигается удаление вредных примесей фосфора и серы при производстве стали мартеновским способом?
Список рекомендуемой литературы
Технология конструкционных материалов: учебник для студентов машиностроительных ВУЗов/ под общей редакцией А.М. Дальского – М.: Машиностроение, 2002. – 512с.
2. Технология конструкционных материалов: учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов: в 4 ч. Ч 2. Сварочное производство/ А.А. Протопопов, В.А. Судник, А.С. Рыбаков и др; под общей ред. Э.М. Соколова, С.А. Васина, Г.Г. Дубенского. – Тула: Изд-во ТулГУ. – 2007. – 544 с.
3. Технология конструкционных материалов (Технологические процессы в машиностроении): учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов: в 4 ч. ч. 3. Производство заготовок / О.В. Мартынов, С.П. Яковлев, Л.Г. Юдин и др.; под общей ред. Э.М. Соколова, С.А. Васина, Г.Г. Дубенского. - Тула: изд-во ТулГУ. - 2007. - 582 с.: ил.
4. Технология конструкционных материалов (Технологические процессы в машиностроении): учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов: в 4 ч. ч. 1. Машиностроительные материалы / Е.М. Гринберг, Г.В. Маркова, В.А. Алферов; под общей ред. Э.М. Соколова, С.А. Васина, Г.Г. Дубенского. - Тула: изд-во ТулГУ. - 2007. - 476 с.: ил.
5. Технология конструкционных материалов (Технологические процессы в машиностроении): учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов: в 4 ч. ч. 4. Обработка заготовок / В.В. Любимов, Ю.Н. Федоров, А.С. Ямников и др.; под общей ред. Э.М. Соколова, С.А. Васина, Г.Г. Дубенского. - Тула: изд-во ТулГУ. - 2007. - 600 с.: ил.