Продукты доменного производства

Современная доменная печь поглощает большое количество шихто­вых материалов и воздуха. Так, для производства каждых 100 т пере­дельного чугуна необходимо в среднем подать в печь 190 т железной руды (включая агломерат), 95 т кокса, 50 т известняка и около 350 т воздуха. В результате кроме 100 т чугуна получается около 80 т шлака и 500 т доменного газа.

В доменных печах выплавляют:

1 Передельный чугун (примерно 80—90% всего произ­водства чугуна), который направляют на переработку в сталь:

а) мартеновский чугун марок М-1 и М-2. Его получают при умерен­ном ходе доменной печи; он содержит 1, 5—2, 5% Мп; 0, 4—1, 5% Si; 0 15-0, 30% Р; 0, 03-0, 07% S;

б) бессемеровский чугун марок Б-1 и Б-2 получают при горячем ходе печи из малофосфористых руд; он содержит 0, 6—1, 0 — 1, 5% Мп; 0, 9—2, 0% Si; до 0, 07% Р; до 0, 04% S;

в) томасовский чугун марки Т-1 выплавляют из фосфористых руд при умеренном ходе печи; содержит 1, 6—2, 0 Р; 0, 8—1, 3% Мп; 0, 2—0, 6% Si;

до 0, 08% S

2 Литейный чугун, составляющий 8—17% всего произ­водства чугуна, марок ЛК-00, ЛК-0, ЛК-1 и до ЛК-5, применяют для получения отливок. Его получают при горячем ходе печи из шихты с достаточным содержанием кремнезема. В зависимости от марки чугун содержит 1, 25—4, 25% Si и до 1, 3% Мп.

3. Специальные чугуны, или доменные ферро­сплавы, составляют 2—3% всего производства чугуна: ферросили­ций (9—13% Si), бедный ферромарганец (10—25% Мп), богатый ферро­марганец (70—75% Мп) и др. Их применяют для раскисления и леги­рования сталей и некоторых других нужд.

Состав шлака зависит от состава шихты и марки чугуна. При про­изводстве в коксовых доменных печах передельного и литейного чугунов основность шлаков, т. е. отношение (CaO -f- MgO)/Si0₂, принима­ется выше единицы (1, 20—1, 5). Состав шлаков коксовых доменных пе­чей, например, таков: 35—40% Si0₂, 36—55% (CaO + MgO); 10—12% А1₂0₃. Шлаки древесноугольных доменных печей более кислые, т. е. содержат больше Si0₂.

Из доменных шлаков можно изготовлять цементы и другие матери­алы для нужд строительства (шлаковые кирпичи, шлаковую вату, шлаковую щебенку, брусчатку для покрытия дорог и т. п.). При пере­работке шлака на отечественных металлургических заводах в среднем около 40—50% его уходит в отвалы. Металлургический шлак находит широкое применение в дорожном строительстве.

Лекция № 3 ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сталь является материальной основой промышленного производства и строительства, важнейшим продуктом черной ме­таллургии. В сравнении с чугуном она имеет более высокие механи­ческие свойства, ее можно обрабатывать давлением; многие сорта стали в расплавленном состоянии, обладают достаточной жидкотекучестью для получения фасонных отливок.

Основная масса стали (до 90—92 %) подвергается обработке давлением. Стальные изделия получают также из порошков.

Шихтовыми материалами для выплавки стали являются жидкий или твердый чугун, стальной и чугунный лом, стружка, обрезки (скрап), железорудные окатыши, ферросплавы (перечисленные ма­териалы называют металлошихтой); известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, марганцевая руда, кварцевый песок (флюсы); железная руда, окалина, агломерат, кислород, воздух (окисли­тели). Отнесение перечисленных материалов к группам металло-шихты, флюсов и окислителей сделано в соответствии с основным их назначением; многие из материалов одной группы содержат элементы другой (например, в окалине, боксите есть железо, в скрапе — кисло­род и т. п.).

Задача передела чугуна в сталь состоит в том, чтобы из чугуна удалить избыток углерода, кремния, марганца и других примесей. Особенно важно при этом удалить вредные примеси серы и фосфора, придающие стали хрупкость. Углерод чугуна, соединяясь с кисло­родом, превращается в газ (оксид углерода СО), который улетучи­вается. Другие примеси переходят в различные соединения, не­растворимые или малорастворимые в металле; эти соединения вместе с флюсами образуют на поверхности металла шлак.

При окислении марганец и кремний образуют оксиды МпО и Si0₂, нерастворимые в металле. Образующийся оксид фосфора Р₂0₅ растворяется в металле и шлаке. Чтобы удалить фосфор из металла, наводят шлак с избытком извести СаО, которая и связывает Р₂0₅ в соединение (СаО)₄-Р₂0₅, нерастворимое в металле. Непосредствен­ным окислителем примесей в процессе производства стали является оксид железа FeO, растворенный в металле.

Сера растворена в чугуне в составе соединения FeS, ее удаляют с помощью марганца или извести, которые образуют с ней или плохо растворимые в металле соединения MnS или нерастворимое соединение CaS, переходящее в шлак. Конечной операцией процесса выплавки стали является ее раскисление (восстановление железа из FeO). Для легированной стали раскисление обычно совмещают с легированием.

В металлургии в основном применяют следующие способы полу­чения стали: кислородно-конвертерный, в мартеновских и двухванных печах и электротермический.

1. Конвертерные способы

Изобретателем конвертерного способа считают англичанина Г. Бес­семера, впервые осуществившего в 1854—1856 гг. получение стали без расхода топлива, продувкой воздуха через расплавленный чугун.

Конвертером принято называть большую стальную реторту, футе­рованную огнеупором. Вместимость современных конвертеров дости­гает 250—400 т. Конвертер имеет стальную цилиндрическую часть, отъемное, легко заменяемое днище и конусообразную горловину. Конвертер может наклоняться, что необходимо для его обслужи­вания (заливки исходного чугуна, взятия проб, выливки стали и т. д.).

Перед старыми способами получения стали бессемеровский способ имел два неоспоримых преимущества — очень высокую производи­тельность, отсутствие потребности в топливе. Недостатком бессемеров­ского процесса является ограниченная гамма чугунов, которые могут перерабатываться этим способом, так как при динасовой футеровке не удается удалить из металла такие примеси, как серу и фосфор, в том случае, если они содержатся в чугуне.

Новым важным этапом, вновь поставившим конвертерные способы на современный уровень и обеспечившим ему повсеместное широкое применение, явилась замена воздушного дутья кислородным.

Современный конвертерно-кислородный спо­соб, которым в ряде развитых стран получают 70—90 % общего объема стали, протекает следующим образом. На большинстве заводов для этого способа используют глуходонные конвертеры (рис. 5.1), футеро­ванные смолодоломитовым или магнезито-хромитовым кирпичом.

Кислород вдувают в конвертер вертикальной трубчатой водоохлаж-даемой фурмой, опускаемой в горловину конвертера, но не доходящей до уровня металла на 1200—2000 мм. Таким образом, кислород не про­дувается через слой металла (как воздух в старых конвертерных процессах), а подается на поверхность залитого в конвертер металла. Однако и при таком способе подвода кислорода процесс идет очень горячо, что дает возможность перерабатывать чугуны с различным содержанием примесей, а также не только вводить в конвертер жид­кий металл, но и добавлять к нему для охлаждения скрап или желез­ную руду (количество скрапа на некоторых заводах доводят до 30 % массы металла).

Началом очередного цикла в кислородном конвертере служит за­валка в него лома и других металлических отходов; на некоторых за­водах в конвертер вводят железную руду. После введения этих добавок в конвертер начинают заливать жидкий чугун, подвозимый из миксера в чугуновозных ковшах. После того как металл займет V₅ объ­ема конвертера, загружают известь, необходимую для связывания фосфора; в конвертер опускают водоохлаждаемую фурму и подают в нее технический кислород. В конвертере начинается интенсивный процесс окисления металла кислородом, который прежде всего, встре­чаясь с частичками железа, окисляет их..

Кроме железа, окисляются и примеси, но окисление их может про­исходить не только кислородом, но и перешедшей в шлак закисью железа по реакциям

Все эти реакции протекают в конвертере с кислородным дутьем одновременно, причем последняя реакция способствует перемешива­нию металла. Ход процесса иллюстрирует диаграмма на рис. 5.2.

После 15—16-минутной продувки поднимают фурму, наклоняют -конвертер, берут пробу металла на анализ и скачивают большую часть шлака; это занимает 7—8 мин; за это время экспресс-анализом определяют основные параметры стали, затем конвертер вновь ставят

Рис. 5.2. Диаграмма выгорания приме- в вертикальное положение, опускают сей в кислородном конвертере фурму и вторично продувают кислородом несколько минут в зависимости от данных анализа и за­данной марки стали.В это время продолжаются реакции окисления и интенсивно идут реакции шлакообразования

Si 0₂ + 2СаО = 2СаО. Si0₂; Р₂0₅ + 4СаО = 4СаО • Р₂0₅и многие другие физико-химические процессы; в конце вторичной про­дувки в конвертер вводя рас­кислители.Затем фурму вновь подни­мают, конвертер наклоняют, бе­рут контрольную пробу метал­ла, термопарой погружения из­меряют его температуру, после чего сталь выпускают через бо­ковую летку в разливочный ковш; после слива металла ска­чивают оставшийся шлак и за­делывают выпускное отверстие. Весь технологический цикл плавки занимает 50—60 мин, а продолжительность продувкикислородом - 18-30минНедостатком кислородно-конвертерного способа получения стали является большое пылеобразование, обусловленное обильным окисле­нием и испарением железа; угар металла составляет 6—9 %, что зна­чительно больше, чем при других способах получения стали.

.

Рис. 5.1. Получение стали в кислородном конвертере: I — завалка лома З мин; II — заливка чугуна —5 мин; III — загрузка извести 1 мин; IV — продувка (первый период 16 мин, второй 8 мин); V — выпуск стали 5 мин; V/ — слив шлака (после первой продувки 8 мин, после выпуска стали 3 мин); 1 — опорная станина; 2 — корпус конвертера; 3 — механизм поворота конвертера; 4 — выпускное от­верстие для стали; 5 — водоохлаждаемая фурма для кислорода; а — каналы для воды; б — канал для кислорода в наконечнике фурмы