Файл: Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 195
Скачиваний: 1
серы и фосфора, а для томасирования — лишь чугун с большим содержанием фосфора; чугупы с промежуточным содержанием фосфора ни тем, ни другим способом перерабатываться не могут; 4) отрицательное влияние газовых включений на физико-механи
ческие свойства стали.
Вращающаяся (роторная) печь. Вращающаяся (роторная) печь (рис. 24) рассчитана на переработку чугуна, выплавляемого из природно-легированной качканарской руды, содержащей вана дий. Для удобства скачивания шлака печи можно придать наклон в 40°. Для выпуска металла она может иметь наклон в 15°.
Печь представляет собой барабан с ванной емкостью в 20 т, футерованный изнутри ас бестом, легковесным шамотом и магнезитовым кирпичом. Пос ле заливки жидкого чугуна на жимается кнопка на пульте уп равления, и печь начинает вра щаться со скоростью 0,8 об/мин. При начале вращения в горло вину печи вдвигают две охлаж даемые фурмы, через которые подается кислород. Кислород,
поступающий в ванну, подается под давлением в 5 ати, а вдувае мый выше ванны — под давлением в 3 ати. Длительность плавки полупродукта 10 мин. Полный цикл плавки длится 50 мин. Примеси серы, фосфора и кремния выгорают быстрее и, главное, полнее, чем в конверторах. В такой печи может быть использовано до 25% скра па по отношению к массе жидкого чугуна.
§ 2. Выплавка стали в мартеновских печах
Устройство мартеновской печи. Мартеновский способ позволя ет использовать значительное количество стального и железного лома. В 1865 г. для этой цели впервые была применена регенератив ная печь. Необходимость применения регенераторов объясняется тем, что холодное топливо при сгорании в холодном воздухе раз вивает температуру до 1400°. При подогреве топлива и воздуха примерно до 1000° температура пламени повышается до 1800°, что достаточно для ведения процесса.
Печь (рис. 25) работает следующим образом. Газ и воздух проходят через предварительно разогретые до температуры при мерно 1000° камеры 6 и 6', где нагреваются до 800—900°. Сгорая, они поднимают температуру рабочего пространства 1 до 1700°. За брасываемые через окна 2 шихтовые материалы под влиянием тепла горящих газов плавятся на поду 3. Продукты горения поступают в камеры 7 И 7' и разогревают их. Ко времени охлаждения камер 6 и 6', когда они не могут уже поднимать температуру до 800°, каме ры 7 и 7' нагреваются отходящими газами до 1000°. После этого
51
поворотом перекидных клапанов 4 и 5 изменяется направление газа
ивоздуха, поступающих в печь: они направляются через камеры 7,
и7', а отходящие газы (дым) — через камеры 6 и 6'. Производительность мартеновских печей зависит от веса плав
ки, способа работы, топлива и т. д. Приведем данные производи тельности для плавки в мартеновской печи стали на твердой шихте:
Емкость печи, т |
10 |
20 |
40 |
60 |
80 |
100 |
Производительность, т/ч |
1,5—2 |
3—4 |
5— 6 |
7— 8 |
9— 10 |
10— 11 |
Расход топлива, ІО6 ккал/т |
1,75 |
1,65 |
1,5 |
1,45 |
1,4 |
1,35 |
В настоящее время около 80% стали выплавляется в мартенов ских печах. Полезная емкость современных мартеновских печей
достигает 900 г. Все производственные процессы в таких печах, на чиная от загрузки шихты в виде жидкого чугуна и кончая разлив кой выплавленной стали, полностью механизированы и автомати зированы. Электронная аппаратура позволяет автоматически регу-. лировать тепловой режим печи, подачу воздуха и горючих матери алов, контролировать весь процесс выплавки металла.
Разновидности мартеновского процесса. В зависимости от ма териала, из которого изготавливается под печи, мартеновский про цесс может быть основным или кислым. В основных печах под вы кладывается из магнезитового кирпича и наваривается магнезитом или долбмитом. В кислых печах под выкладывается из динасового кирпича и наваривается слоем кварцевого песка.
В зависимости от применяемой шихты различают рудный про цесс и скрап-процесс.
52
В первом случае шихта состоит из жидкого чугуна, лома и ру ды. Количество чугуна в шихте 70—90 %• Чистая железная руда в количестве до 20% применяется для окисления примесей. Обычно рудный процесс ведется в основных печах и дает главную массу всей производимой стали.
При скрап-процессе шихта состоит из значительного количе ства скрапа (60—85%) и меньшего количества чугуна (15—40%). Последний загружается обычно в твердом виде. Вследствие зна чительного окисления шихты в период плавления и небольшого количества примесей, которое нужно удалить из шихты, руда в печь подается в небольшом количестве. Скрап-процесс распространен на заводах, не имеющих доменных печей.
Большое распространение получил скрап-рудный процесс, ко торый ведется на шихте, состоящей из 40—60% скрапа и 40—60% чугуна в жидком виде. В шихту входит также железная руда.
Рассмотрим разновидности мартеновских процессов.
Кислый процесс. В кислых печах плавится шихта, содержащая мало серы и фосфора (5 до 0,03% и Я до 0,06%), которые при кис лом процессе не могут быть удалены в шлак. Работа ведется скраппроцессом, так как при большом количестве железной руды в ших те сильно разъедается кислый под.
При расплавлении выгорают кремний, марганец и частично углерод по реакциям:
Si + C>2 = Si02; 2 М п + 0 2 = 2 М п О; 2С-р02 = 2СО.
Наибольшее значение |
имеет непрерывное окисление |
углерода |
с образованием СО. Окись |
углерода, выделяясь, пузырит |
металл, |
и последний как бы кипит. |
Во время кипения растворенная в ванне |
закись железа раскисляется углеродом, и качество металла улуч шается. Кипение способствует перемешиванию ванны, а интенсив ное выделение пузырьков окиси углерода способствует удалению газов, растворенных в металле.
В процессе плавки железо из его закиси может восстанавли ваться благодаря наличию в жидком металле Si и Мп. Эти реакции можно представить в следующем виде:
F eO -fC = Fe + CO |
окисление примесей |
||
2 FeO -f- Si = |
Si02 -f- 2 Fe |
||
под слоем шлака |
|||
FeO -f- Mn = |
MnO -f Fe . |
||
|
Получающиеся окислы частично образуют шлак. На поверхно сти соприкосновения шлака с металлом происходят следующие ре акции.
1.Составные части шлака окисляются кислородом воздуха.
2.Окислы, образовавшиеся в шлаке, отдают свой кислород
расплавленному металлу, окисляя Fe, Si и Mn. FeO шлака окисля ется на поверхности, образуя Рез04, которая вследствие большего
53
удельного веса опускается до соприкосновения с металлической ванной, где отдает кислород: Fe30 4 + Fe = 4Fe0.
Образовавшаяся закись железа растворяется в жидком металле (рис. 26, а). Таким образом происходит непрерывное пополнение металлической ванны кислородом закиси железа. В этом процессе
шлак является посредником в передаче тепла и кислорода от ат мосферы к металлу.
Количество чистой железной руды или окалины, вводимой в
печь для ускорения процесса окисления примесей, составляет 3—10% от веса металлической шихты.
Рис. 26. Окисление примесей в мартеновской печи с кислой (а) и основ ной (б) футеровкой
В кислых мартеновских печах в качестве топлива применяется газ из дров или торфа, так как в этом случае требуется полное от сутствие серы в топливе. Перед концом плавки добавляют раскис лители, чаще всего специальные чугуны йли ферросплавы с высо ким содержанием Мп и Si, а иногда добавляют А1. Энергично выде ляемая из металла во время кипения СО увлекает за собой часть газов, растворенных в стали. Поэтому мартеновская сталь менее насыщена газами, чем конверторная.
Кислым процессом изготовляют особо ответственные сорта ста ли: шарикоподшипниковую, сталь специального назначения и т. д. Для массового производства стали этот процесс неприменим, так как требует очень чистых исходных продуктов. Кроме того, кислый процесс идет медленнее основного, так как реакции окисления в нем меньше развиты. В шлаках, получаемых при кислом мартеновском процессе, содержится 55—60% Si02.
Основный процесс. Чугуны, перерабатываемые основным спосо бом, могут содержать значительное количество фосфора (до 2%). Содержание больших количеств кремния в них нежелательно, так как это затягивает процесс и требует увеличения доли известняка в шихте, чтобы связать в прочные соли кремнекислоту Si02 и фос
форный ангидрид Р20 5 и предохранить под печи от разъедающего действия этих кислот.
Металлическая часть шихты состоит из 75—90% жидкого чу гуна, 25—10% стального скрапа и руды. Для ошлакования вредных примесей (S, Р) в печь загружается известняк в количестве до 12% от веса металлической части шихты. Известь дает с окислами фос
54
фора прочное соединение (Са0 )4 -Р 20 5 , которое уходит в шлак и удаляется из. печи, так как при сильном повышении температуры печи может начаться восстановление фосфора из шлаков по реак ции
Р2О5-|-5С—>-5СО—2Р . |
|
|
|
При рудном процессе интенсивное |
плавление |
шихтовых |
мате |
риалов начинается после заливки жидкого чугуна |
(рис. 26, б). В на |
||
чале плавки происходит окисление |
углерода |
железной |
рудой: |
C +Fe20 3= 2Fe0 + C0 или C + Fe30 4= 3Fe0 + C0.
С момента начала кипения ванны идет взаимодействие между шлаком и металлом по поверхности их соприкосновения. Железо ванны окисляется в FeO. Растворяющаяся в ванне FeO расходу ется на окисление примесей.
Шлак в основном процессе не только передает кислород и теп ло, по также способствует удалению S и Р. Шлак должен быть на грет свыше 1600° для повышения его активности.
Процесс обесфосфоривания считается законченным при содер жании в пробе металла (после скачивания шлака) 0,01—0,02% Р. В основной мартеновской печи возможно также удаление серы пе реводом ее в сернистый кальций CaS (соединение, не растворимое
вметалле):
•FeS + CaO = FeO + CaS; MnS + CaO=MnO + CaS.
Для этой реакции нужен избыток извести в шлаке.
Основный шлак более активен, чем кислый; FeO в нем свобод на, так как Si02 связывается более сильным основанием — изве стью. Поэтому в основном металле содержится повышенное количе ство FeO. Это требует тщательного раскисления металла. Окислы, обладающие кислотными свойствами (Si02, Р20 5 и др.), находятся в шлаке основного процесса в связанном состоянии (в противопо ложность кислому процессу). В шлаке, получаемом в основной мартеновской печи, содержится 54—56% СаО.
Несмотря на удаление закиси железа с помощью раскислите лей, при прочих равных условиях в основной стали закиси железа больше, чем в кислой. Вследствие этого механические качества ос новной стали несколько ниже, чем кислой. С другой стороны, так как окислы железа в основном процессе не связываются кремне кислотой, они легче проникают в ванну металла, вследствие чего процесс окисления в основной печи идет быстрее й примеси удаля ются в большей мере, чем в кислой. В результате в основной печи может быть получен металл с весьма малым содержанием приме сей. В мартеновском основном процессе Мп, Si, Р удаляются почти полностью, S — до известного предела, содержание С может быть снижено до 0,05%. Это позволяет вести передел на менее чистой шихте, чем при кислом процессе.
Принципиальное отличие основного металла от кислого со стоит в том, что первый более окислен, и раскисление его требует большего расхода раскислителей.
55
Комбинированные процессы. Комбинированными называются процессы, в которых передел стали производится в двух или трех агрегатах. Например, процесс может начинаться в конверторах, а заканчиваться в мартеновских печах или же может производиться последовательно в двух мартеновских печах: в одной происходит начальная часть процесса, а в другой — доводка металла. Комби нированные процессы имеют целью сократить время плавки и рас ход топлива и увеличить общую производительность печей.
В последнее время стал развиваться дуплекс-процесс «основ ная — кислая мартеновская печь». При этом способе в основной печи плавку на шихте обычного состава доводят до получения ста ли с малым содержанием фосфора, кремния, марганца и серы. З а тем сталь переливают в кислую печь. Оставшегося количества угле рода в стали (1,3— 1,4%) достаточно для кипения ванны. В резуль тате получается высококачественная кислая сталь.
Экономически этот способ'часто невыгоден, так как связь в ра боте печей приводит к их простоям.
При комбинированных процессах обычно применяются кача ющиеся печи и вообще требуется более сложное и дорогое оборудо вание, нежели при обычных способах получения стали.
Характеристика мартеновской стали. В мартеновских печах выплавляются стали обычные и высококачественные. В этих печах можно с большой точностью регулировать химический состав, пе риодически контролируя его в экспресс-лаборатории.
Механические качества кислой мартеновской стали выше, чем основной, так как в кислой стали содержится меньше FeO, раство ренных газов и неметаллических включений. Однакб основный мартеновский процесс получил большее распространение, так как при кислом процессе нельзя удалить серу и фосфор.
Мартеновский способ дает возможность перерабатывать метал лический лом и получать сталь высокого качества, содержащую значительно меньшее количество азота, чем бессемеровская сталь.
Технико-экономические показатели мартеновского производст ва. Основными показателями работы мартеновских печей являют ся: суточный съем стали в тоннах с 1 м2 пода печи и расход топлива на 1 тстали. Для определения съема стали суточную производи тельность печи (в тоннах) делят на площадь зеркала ванны металла (в м2), замеренную на уровне порога завалочных окон.
Мартеновские печи наших металлургических заводов работают со среднесуточным объемом стали около 9 т/м2. Передовики произ водства доводят съем стали до 12 т/м2.
Расход топлива зависит от ряда факторов — степени подогрева воздуха и газа, поступающих в головку мартеновской печи; вида шихтовых материалов (жидкий чугун или скрап); емкости печи; способа работы и др. Обеспечение нормального режима плавки тре бует расхода тепла до 1,5 • 10 6 ккал на 1 тсталш
Способы повышения производительности мартеновских печей.
Одним из важных условий повышения производительности марте новских печей является увеличение их тепловых назрузок. Допус
56