Глава I
ОСНОВЫМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА И СТАЛИ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ
ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА И СТАЛИ
ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА
Чугун получают в доменных печах, сооружаемых с применением огнеупорных материалов. Производство чугуна основано на методе плавки исходных материалов, в результате чего происходит восстановление железа и насыщение его углеродом и другими элементами. Основные исходные материалы для плавки чугуна – топливо, руды и флюсы.
В металлургическом производстве в качестве топлива применяют главным образом каменноугольный кокс, мазут и природный газ, представляющие собой вещества органического происхождения. В их состав входят углерод, водород, кислород, азот, сера, а также влага и минеральные примеси, дающие золу. Топливо сжигают в плавильных и нагревательных печах и устройствах.
В современном доменном производстве применяют каменноугольный кокс, который, являясь топливом, обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры и протекание химических реакций восстановления железа из железных руд при плавке.
Железными рудами (железняками) называют полезные ископаемые, представляющие собой горные породы или минеральные вещества, добываемые из недр земли. Для производства чугуна применяют красный, бурый магнитный и шпатовый железняки, а также марганцевую руду, содержащие много рудного вещества (оксидов железа) и мало пустой породы, т. е. минералов, которые легко отделяются от железной руды при ее подготовке к плавке (обжиганию) и переходят в шлаки при плавке (не загрязняют выплавляемый чугун).
К вредным примесям руды относятся сера, мышьяк и фосфор.
Основное назначение флюсов – перевод пустой породы железных руд и золы кокса в шлак, располагающийся над жидким чугуном в доменной печи, и придание ему достаточной жидкотекучести.
Количество и виды флюсов зависят от количества и химического состава пустой породы железных руд, а также вида выплавляемого чугуна. Пустая порода железных руд обычно содержит кремнезем, поэтому в доменном процессе, как правило, применяют в качестве флюса известняк.
ПРОДУКТЫДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
Продукты доменной печи – чугун, шлак и доменный газ. Чугун – это сплав железа с углеродом (2,14–6,67%) с примесями марганца и кремния, а также вредных примесей фосфора и серы.
В зависимости от назначения чугун выплавляют трех сортов: передельный, литейный и специальный (ферросплавы).
Передельный чугун предназначен для переработки в сталь. Его производство составляет более 80% от общего объема выпускаемого чугуна.
Литейный коксовый чугун предназначен для изготовления чугунных отливок различного профиля (фасонных) методом литья в формы.
Ферросплавы предназначены для производства стали. Они отличаются от передельных и литейных чугунов повышенным содержанием марганца или кремния и называются соответственно ферромарганец и ферросилиций.
Шлаки, образующиеся при выплавке чугуна, широко используют в гранулированном виде при производстве цемента, шлаковой ваты для теплоизоляции, шлаковых блоков и других строительных материалов.
Доменные газы после очистки от пыли используют как газообразное топливо для подогрева воздуха, идущего в доменные печи (в воздухонагревателях-кауперах), нагрева ковшей, а также для других печей металлургического завода.
ПРЯМОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА
Прямое восстановление железа является весьма перспективным, благодаря высокой его чистоте. При этом способе железо восстанавливается непосредственно из руды, в результате чего металл не загрязняется серой и другими примесями из кокса, как это происходит в доменном процессе.
Получаемое железо (продукт восстановления) представляет собой твердый железорудный материал, в котором большая его часть находится в металлическом виде. Из этого железа получают стали с высокими механическими, электротехническими и другими свойствами.
При содержании в продукте восстановления 90–94% металлического железа его называют металлизованным сырьем, при большем содержании – губчатым железом.
Продукты восстановленного железа в основном используют для переплавки в сталь в дуговых сталеплавильных печах. При прямом восстановлении железа в качестве исходного железорудного сырья применяют агломерат, окатыши, а в качестве восстановителя – твердое топливо или газ, содержащий Н2 и СО. Наиболее известны два способа восстановления железа: восстановление газом в толстом слое и восстановление твердым углеродом.
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ
Сталью называют сплав железа с углеродом при содержании его до 2%, т. е. углерода в стали содержится меньше, чем в чугуне. Кроме углерода в стали содержатся те же примеси, что и в чугуне (марганец, кремний, сера, фосфор и др.), но в значительно меньших количествах.
Процесс производства стали основан на методах плавления чугуна или его сочетании с металлоломом (скрапом) и рудой. При плавке вводят флюсы и раскислители, а в случае необходимости специальные легирующие добавки. При этом.из железоуглеродистого сплава путем окисления удаляется избыток углерода, марганца и кремния, а также вредные примеси (сера, фосфор). Углерод соединяется с кислородом, образуется оксид углерода СО, который сгорает и улетучивается из ванны. Кремний, марганец и фосфор образуют оксиды SiO2, MnO и Р2О5, которые всплывают, формируя шлак. Затем шлак удаляют. Сера переходит в шлак в виде соединения CaS за счет добавки флюса (извести) в основном процессе плавки.
Широко применяют конвертерный (кислородно-конвертерный), мартеновский и электродуговой (в дуговых электропечах) способы выплавки стали. Наиболее высокопроизводительные способы выплавки стали – конвертерный и электродуговой. Производство стали этими способами все более возрастает. Известен ряд более дорогих и менее производительных способов: вакуумный дуговой переплав, вакуумно-индукционный переплав, электрошлаковый переплав, переплав в электронно-лучевых и плазменных печах. Эти способы называют переплавными,.так как в процессах производят переплав стали, ранее полученной конвертерным, мартеновским или обычным электродуговым способами. Эти способы позволяют получать сталь особо высокого качества.
По условиям проведения выплавки стали процесс называют кислым или основным. Кислым называют процесс выплавки стали, когда футеровка печи (конвертера), флюс и шлаки состоят из кварцита и кварца, т. е. из веществ, содержащих кремнезем SiO2 (кислотный оксид).
Основным называют процесс выплавки стали, когда футеровка печи (конвертера), флюс и шлаки состоят из известняка, доломита, доломитизированного известняка или магнезита, составной частью которых являются основные оксиды кальция СаО и магния MgO. Поэтому, например, сталь, выплавленную мартеновским способом, называют мартеновской кислой или мартеновской основной сталью в зависимости от условий проведения плавки.
КОНВЕРТЕРНЫЙ СПОСОБ
Конвертерный кислый способ выплавки стали называют бессемеровским, конвертерный основной способ – томасовским. При этих способах выплавки сталь получают в конвертерах при продувке чугуна снизу воздухом, поэтому она имеет много загрязняющих газовых включений (азот, кислород, водород и др.), а также других примесей (сера, фосфор и др.), снижающих ее качество и ухудшающих свойства.
Бессемеровский и томасовский способы выплавки стали не применяют. Их полностью заменил конвертерный способ – кислородно-конвертерный, при котором сталь получают в конвертерах с основной футеровкой при продуве чугуна сверху технически чистым кислородом.
Технологический цикл выплавки кислородно-конвертерной стали составляет 50–60 мин, а продолжительность продувки кислородом – 18–30 мин.
В современных конвертерах готовый металл выпускают не через горловину, а через летку, что исключает контакт металла с воздухом и предохраняет его от поглощения азота и других газов, так как вся поверхность стали в конвертере в период выпуска покрыта слоем шлака.
К недостаткам кислородно-конвертерного способа выплавки стали относятся: большое пылеобразование, вызванное обильным окислением и испарением железа; угар металла (6–9%), значительно больший чем при других способах выплавки стали. В связи с этим при конвертерах обязательно сооружают дорогие и сложные пылеочистительные установки.
МАРТЕНОВСКИЙ СПОСОБ
Одно из важнейших достоинств мартеновского способа – возможность использования различной шихты и разнообразного топлива. Кроме того, этот способ позволяет выплавлять углеродистые и легированные стали широкого ассортимента, за исключением высоколегированных сталей и сплавов. Недостатки мартеновского способа – большая продолжительность процесса (несколько часов) и значительный расход топлива.
Наибольшее распространение имеет основной мартеновский процесс. Он позволяет в процессе плавки удалять из стали серу и фосфор за счет введения извести.
Кислый мартеновский способ выплавки стали в отличие от основного мартеновского способа осуществляется в печах с кислой футеровкой из динасового кирпича. Флюс и шлак в этих печах кислые. Фосфор и серу при кислом способе выплавки не удаляют, так как флюс не содержит свободной извести. Шихта должна быть чистой по сере и фосфору. При таком способе сталь раскисляется лучше и при меньшем расходе раскислителей. Поэтому кислая мартеновская сталь содержит меньше, чем основная, растворенных газов, неметаллических включений и обладает более высокими механическими свойствами.
В кислых мартеновских печах выплавляют легированные высококачественные стали, так как угар (окисление) легирующих элементов в них меньше, чем в основных. Но кислая мартеновская сталь примерно в 1,5– 2 раза дороже основной мартеновской стали"
Мартеновский способ выплавки стали непрерывно совершенствуется. Внедрена автоматизация теплового режима печи для экономии топлива, а также облегчения труда сталеваров. Разработаны два направления по применению кислорода в мартеновском процессе выплавки стали для его ускорения: обогащение воздушного дутья кислородом до 25–35%, кратковременное введение в печь кислорода через водоохлаждаемые формы для интенсификации окисления примесей.
В нашей стране и некоторых зарубежных странах внедряют двухванные мартеновские печи. Они по своей производительности близки к мощным кислородным конвертерам.