Металлургическое производство

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАЗДЕЛ ІІ

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО



Содержание

Введение

1. Материалы для производства цветных металлов и сплавов

1.1 Руда

1.2 Флюсы

1.3 Топливо

1.4 Огнеупорные материалы

2. Производство чугуна

2.1 Подготовка руд к плавке

2.2 Обогащение руды

2.3 Окускование железных руд

2.4 Устройство доменной печи

3. Производство стали

3.1 Сущность процесса получения стали

3.2 Томасовский процесс получения стали

3.3 Устройство и принцип работы мартеновской печи

3.4 Технология выплавки стали в дуговых печах

3.5 Технико-экономические показатели работы электродуговых печей

3.6 Разливка стали

3.7 Непрерывная разливка стали



Введение

Заключается в получении металлов и сплавов методом выплавки из руд и обработке при высоких температурах.

Основными сплавами, получаемыми в металлургии, является сталь и чугун, поэтому металлургическое производство состоит из доменного производства и сталеплавильного: доменные печи, мартеновские печи, конвертеры и электропечи.

Для производства чугуна, стали и сплавов цветных металлов применяют исходные сырые материалы - руду, топливо, флюсы, а также огнеупорные материалы.



1. Материалы для производства цветных металлов и сплавов

1.1 Руда

В природе большинство металлов находится в виде различных химических соединений (окислов, силикатов, карбонатов), входящих в состав сложных минералов и образующих горные породы. Для получения металлов добывают те горные руды, которые содержат в значительном количестве какой-либо металл и извлечение его экономически целесообразно. Такие породы называют рудами. Кроме соединений, содержащих добываемый металл, в руде присутствуют другие соединения, составляющие так называемую, пустую породу. В процессе обработки руды и плавки из этих соединений частично извлекаются элементы, которые становятся примесями в добываемом металле. Большая же часть пустой породы отделяется или сплавляется с флюсами, образуя шлак. Например, железная руда наряду с окислами железа содержит пустую породу, которая в основном состоит из окиси кремния, алюминия, кальция и магния, которые находятся в виде различных сложных соединений.

В зависимости от количества добываемого металла руды бывают богатыми и бедными. Богатые железные руды содержат 45-50% железа и более. Бедные руды имеют меньшее содержание железа и их подвергают специальной обработке (обогащению) для удаления из нее части пустой породы и получению продукта (концентрата) с увеличенным содержанием железа.

Пылевидные железные руды подвергаются спеканию в пористый кусковый продукт, называемый агломератом.

Процессами обработки железных руд, а также процессами непосредственного получения металлов и сплавов, и занимаются предприятия металлургической промышленности.



1.2 Флюсы

Флюсами называется материал, загружаемый в плавильную печь для образования легкоплавкого шлака нужного состава. При производстве чугуна в шлак сплавляют: пустую породу руды, агломерата, окатышей, а также флюс, золу кокса. При производстве стали, шлак образуется из флюса, а также из окислов, сульфидов и др. соединений, получающихся из плавки. Шлак имеет меньший удельный вес, чем выплавляемый металл, поэтому он располагается над металлом и может быть удален. Во многих случаях шлак служит для защиты металла от печных газов и воздуха.

Флюсом может служить кварцевый песок при плавке в кислых печах, а также известняк или известь при плавке в основных печах.

В доменном процессе флюсом служит известняк (СаСО3), в котором более 50% СаО или доломитизированный известняк, содержащий СаСО3 и МаСО3.

1.3 Топливо

На промышленных предприятиях применяют твердое, жидкое и газообразное топливо. Оно может быть естественным (природным) или искусственным.

Основными видами топлива, применяемого в металлургических печах, является кокс, коксовый газ, мазут, доменный газ, генераторный газ и природный газ. В некоторых печах и устройствах используют также древесный уголь, торф, дерево, каменный уголь.

Кокс - основное топливо доменных печей. Получение кокса производится при нагревании без доступа воздуха коксующихся сортов каменного угля. Коксовые батареи состоят из 40 - 75 печей, представляющих собой относительно узкие (0,4 - 0,5 м) камеры высотой 4,5 - 6,0 м, выложенные огнеупорным кирпичом. Между рабочими камерами имеются обогревающие простенки, где происходит сгорание газа, нагревающего стенки печи до 1 350 - 1 420°С.

Размолотый и слегка увлажненный каменный уголь загружают в камеры, где он при нагревании, сперва размягчается, при этом из него начинают выделяться газообразные продукты, а затем спекается и отвердевает в виде пористой массы кокса, которая в процессе выделения газов растрескивается, а затем распадается на куски. Газ, выделяющийся из камеры через отверстие в своде печи, направляется в химическое отделение, где из него извлекают аммиак, бензол, смолу и др. ценные химические продукты. После этого коксовый газ используют в качестве топлива. Его теплота сгорания около 4500 ккал/м3.

Раскаленную массу ("коксовый пирог") выталкивают из камеры в специальный вагон и охлаждают (тушат) водой или инертными газами, а затем отправляют на сортировку. Процесс получения кокса длится 14 - 16 ч. Прочные пористые куски кокса размером от 25 до 100 - 200 мм светло серого цвета являются хорошим топливом для доменных печей. Теплота сгорания кокса в среднем 7000 ккал/кг. Химический состав кокса в зависимости от месторождения угля: 80 - 88 % С, 0,5 - 1,8% S, до 0,015 - 0,04 % Р, 8 - 12 % золы, до 5 % влаги.

Древесный уголь - почти не содержит фосфора и серы, золы всего 1 - 2 %, поэтому способствует получению высококачественных сортов чугуна. Но он мало прочен и легко разрушается, поэтому в больших доменных печах не применим. Его теплота сгорания 7000 ккал/кг.

Мазут - является очень хорошим жидким топливом для мартеновских и др. металлургических печей. В его составе содержится: 84 - 86 % С, 10 - 13 % Н, 0,2 - 0,7 % S, 0,2 - 0,3 % золы, 0,5 - 0,8 % N. Теплота сгорания его - 9 500 - 10 000 ккал/кг.

Доменный или колошниковый газ получается как побочный продукт в доменном производстве. Его применяют после очистки от пыли в смеси с коксовым газом, как топливо в мартеновских печах. Или же отапливают воздухонагреватели или др. печи и устройства. Теплота сгорания - 900 - 1 000 ккал/м3.

Генераторный газ - получают в результате специального сжигания твердого топлива (дерева, бурого угля, торфа) в газогенераторах. Его используют в качестве топлива в мартеновских и др. печах. Теплота сгорания - 1 150 - 1 500 ккал/м3.

Природный газ - применяют как топливо в различных металлургических печах. Его теплота сгорания 7 900 - 12 000 ккал/м3. Природный газ является лучшим топливом для мартеновских печей.

1.4 Огнеупорные материалы

В большинстве промышленных способов получения металлов и сплавов имеют место процессы плавки при высоких температурах. Поэтому внутреннюю облицовку (футеровку) металлургических печей и др. устройств, а также ковшей для разливки металла делают из материалов, обладающих огнеупорностью, способностью выдерживать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температур и химическому воздействию шлака и печных газов. Огнеупорные материалы применяют в виде кирпичей разных форм и размеров, фасонных изделий (трубок, пробок), а также порошков и растворов для заполнения швов между кирпичами при кладке печей.

По химическим свойствам огнеупорные материалы бывают кислые, основные и нейтральные.

Материалы, в которых содержится большое количество кремнезема (SiO2), называются кислыми.

Материалы, в которых много извести (СаО) и окиси магния (MgO) называются основными.

Материалы с высоким содержанием глинозема (Al2O3) или окиси хрома (Сr2O3) относятся к нейтральным.

Если рабочее пространство плавильной печи выложено из кислых огнеупорных материалов, то печь называется кислой, а если из основных материалов, то основной.

По степени огнеупорности материалы разделяют на огнеупорные (1580 - 1770°С), высокоогнеупорные (1770 - 2000°С) и высшей огнеупорности (выше 2000°С).

К кислым материалам относятся:

1. кварцевый песок, в котором не менее 95% SiO2. Применяют для наварки и набивки подин кислых сталеплавильных печей.

2. динасовый кирпич и изделия изготовляемые из кварцита и кварцевого песка, содержащего более 93 - 97% SiO2. Огнеупорность динаса не менее 1690 - 1720°С. Им футеруют мартеновские, електросталеплавильные печи, конвертеры, коксовые печи.

К основным материалам относятся:

1. магнезитовый металлургический порошок, который получается после отжига природного магнезита (MgCO3). Он содержит 85 - 88 % MgO и применяется для наварки и набивки подин основных сталеплавильных печей.

2. магнезитовый кирпич изготовляют из обожженного магнезита. Он содержит не менее 86 - 90% MgO, его огнеупорность более 2000° С, применяется для кладки пода и стен основных мартеновских и электросталеплавильных печей. Обладает относительно невысокой термостойкостью.

3. магнезитохромитовый кирпич содержит 60 % MgO и 8 - 13 % Сr2O3. Обладает огнеупорностью свыше 2000°С, термостойкостью и шлакоустойчивостью, применяется для кладки сводов мартеновских печей.

4. доломитовый порошок получают после обжига доломита (MgCO3•СаCO3) он содержит 32 - 36 % MgO и 50 - 58 % СаО. Применяется вместе с магнезитовым порошком для наварки подин и откосов основных сталеплавильных печей.

5. хромомагнезитовый кирпич содержит 42 % MgO и 15 - 20 % Сr2O3. Огнеупорность свыше 2000°С. Применяется в мартеновских печах.

К нейтральным материалам относятся:

1. шамотный кирпич и изделия. Их изготавливают из смеси сырой и обожженной глины. В их составе содержится 50 - 60 % SiO2 и 30 - 42 % Al2O3. Огнеупорность шамота 1580 - 1730°С. Шамотные изделия применяют для футеровки доменных печей, разливочных ковшей, газогенераторов и др..

2. углеродистый кирпич, блоки и др. изделия содержат 92 % С, они высокоогнеупорные, применяются для кладки доменных печей, электролизных ванн для получения алюминия, сталеразливочных ковшей, тиглей для плавки медных сплавов.



2. Производство чугуна

Чугуном называется сплав железа с углеродом от 2,14 % до 6,67 %. Кроме того, в чугане имеются постоянные примеси: Si, Mn, S и P.

Чугун получается из железных руд или железоуглеродистых материалов которые подвергают плавке в доменных печах.

В зависимости от состава исходных материалов и условий плавки выплавляют чугун различного состава и назначения:

- передельный чугун, предназначенный для переработки в сталь;

- литейный чугун, используемый на машиностроительных заводах для производства отливок;

- доменные ферросплавы, служащие добавками и раскислителями при производстве отливок и слитков.

1. Материалы, применяемые в доменном производстве

Основными материалами, необходимыми в производстве чугуна, являются руда, топливо и флюсы.

1. Железные руды

Для получения чугуна используют четыре вида железных руд, содержащих железо в различных соединениях.

· Красный железняк - содержит Fe2O3. Руда кусковая, пористая, легковосстановимая, чаще всего красного цвета. Добывается на Криворожье, Курском, Ангаро-Питском и др. месторождениях.

· Бурый железняк - содержит Fe2O3 · Н2О. Руда желто-бурого цвета, кусковая, мягкая, порошковая. Добывается: Керченское, Лисаковское, Байкальское.

· Магнитный железняк содержит Fe3O4. Руда в виде плотных пород серого цвета. Добывается в Магнитогорском, Курском, Качканарском и др. месторождениях.

· Шпатовый железняк - содержит FeCO3 . Встречается в виде плотных пород серого цвета - Байкальское месторождение.

Содержание железа в рудах колеблется от 15...16% (Качканарское) до 55…65% (Криворожское и Курское).

Криворожское месторождение занимает площадь около 300 км2 . Разработка ведется как закрытым (25 %) так и открытым способами (75 %).

Пустая порода криворожских руд состоит в основном из кремнезема. Содержание серы не превышает 0,05 %, фосфора - не более 0,02…0,04 %.

2. Марганцевые руды.

Железные руды содержат мало марганца, который необходим для выплавки чугуна. Поэтому в шихту добавляют марганцевые руды. Заводы Украины обеспечиваются марганцевыми рудами Никопольского и Чиатурского (Грузия) месторождений.

Флюсы.

Флюсы бывают основные - известняк, доломитизированный известняк и доломит, кислые - кварцит, и нейтральные - бокситы.

Так как пустая порода железных и марганцевых руд содержат в основном кремнезем, то и флюсы, применяемые в черной металлургии, в большинстве - основные (известняк).

Топливо.

Топливо в доменной печи служит одновременно носителем тепла, восстановителем и разрыхлителем шихты.

В этой связи к нему предъявляются следующие требования:

· высокая механическая прочность, сохраняющаяся при нагревании до высоких температур;

· отсутствие мелких, а тем более пылевидных фракций;

· высокая пористость, обеспечивающая интенсивное горение;

· высокая теплота сгорания;

· низкое содержание золы, серы и фосфора;

· низкое содержание летучих веществ;

· небольшая стоимость.

Основным видом топлива в доменной печи является каменноугольный кокс. Используются также природный газ и мазут.

2.1 Подготовка руд к плавке

Исходные материалы (шихта) перед загрузкой в печь специально подготавливают. В последнее время подготовке шихты к плавке уделяют большое внимание, так как от ее качества зависит производительность доменных печей.

Затраты на подготовку шихты значительно возросли и составляют 26 - 28 % всех расходов, при затратах на добычу - 25 - 27 %.

Наиболее просто подготавливают кокс. Отсеивают мелочь на роликовых или дисковых грохотах.

Флюсы дробят в дробилках, а затем отсеивают мелочь на грохотах.

Подготовка руд к плавке состоит из следующих операций:

· дробление;

· сортировка на классы по крупности;

· обогащение - для повышения содержания полезного окисла металла и снижение вредных примесей;

· окускование мелочи, получившейся в результате дробления или обогащения;

· усреднение химического состава.

Дробление руды.

Дробление руды может быть как самостоятельной операцией, так и подготовительной для дальнейшего обогащения и окускования. Для обеспечения нормального хода доменной печи руда и концентрат должны иметь пористость и определенные размеры кусков от 30 до 80 мм. Поэтому богатые руды с кусками больших размеров (более 100 мм) дробят, затем сортируют.

Процесс дробления заключается в разрушении кусков руды раздавливанием, раскалыванием, ударом, истиранием или комбинацией этих видов дробления.

Применяются щековые, конусные, грибовидные и валковые дробилки. Мягкие и хрупкие материалы дробят на молотковых дробилках.

Измельчение руды происходит в шаровых или стержневых мельницах.

Процессы дробления чередуются с рассевом - грохочением в стационарных или передвижных грохотах.

2.2 Обогащение руды

В практике известно несколько процессов обогащения:

1. Промывка - перетирание комьев и отмывка глинистых частиц. Применяется для бурых железняков с песчано-глинистой пустой породой.

2. Гравитационное обогащение основано на разделении минералов по удельному весу в какой - либо среде. Например, отделение руды от другой более мелкой породы путем пропускания струи воды через дно вибрационного сита, на котором лежит руда. При каждом колебании сита пульсирующая струя отделяет более легкую пустую породу от более тяжелой руды и уносит ее.

3. Магнитное обогащение основано на различии магнитных свойств разделяемых компонентов. Оно заключается в том, что тонко измельченную бедную руду подвергают действию магнита, который притягивает к себе частицы руды, содержащие окислы железа, отделяя их от пустой породы. Применяют для этого сепараторы барабанного типа.

4. Магнетизирующий обжиг руд состоит в нагреве руды до 600 - 800°С в печах с целью перевода слабомагнитной окиси железа Fе2О3 в сильно магнитную закись железа Fе3О4 . Руду после обжига направляют на магнитное обогащение.



2.3 Окускование железных руд

При добыче железных и марганцевых руд, а также при дроблении и отсеве руд образуется много мелочи. Рудная мелочь в доменной печи препятствует движению газового потока и плавному сходу шихтовых материалов. Поэтому в доменную печь можно загружать только кусковой материал.

Способы окускования мелких руд и концентратов делятся на три группы:

· брикетирование;

· спекание;

· окатывание.

Брикетирование - прессование руд в куски одинаковой формы. За прессованием следует термическая или химическая обработка брикетов, улучшающая их прочность.

Однако низкая производительность, невозможность удаления вредных примесей, снижение содержания железа и низкая прочность брикетов препятствует широкому применению брикетирования.

Агломерация (спекание).

Состоит в том, что руду, концентрат или их смесь с добавкой топлива смешивают до образования комочков, загружают на колошниковую решетку агломерационной машины, нагревают, горючее шихты не воспламенится и не начнет гореть за счет просасываемого атмосферного воздуха. При горении топлива рудные зерна нагреваются, частично плавятся и спекаются в куски.

Для агломерации используют рудную мелочь размером менее 10 мм, колошниковую пыль и рудный концентрат.

В процессе агломерации удаляется до 98 % сульфидной и до 70 - 80 % сульфатной серы. Фосфор, цинк, свинец и медь обычно не удаляется и полностью переходят в агломерат.

Агломерат имеет достаточную механическую прочность, высокую пористость. Железо из агломерата хорошо восстанавливается в доменной печи. Применение агломерата увеличивает производительность печи и сокращает расход топлива на 1 тонну чугуна.

Окомкование.

Процесс основан на способности тонко измельченных концентратов в увлажненном состоянии при обработке во вращающихся барабанах, чашах или других устройствах (окомкователях) окатываться в шарики диаметром 15 - 38 мм (окатыши). Последующий обжиг увеличивает прочность окатышей. Окатыши прочны, пористы и являются хорошим сырым материалом для доменной печи.

2.4 Устройство доменной печи

Современная доменная печь имеет большие размеры, (общая высота достигает 70 м) и высокую производительность (до 5000 т чугуна в сутки для печей объемом 2700 м3). Они работают на коксе с применением воздушного дутья.

Доменная печь - это вертикальная печь шахтного типа. В стальном кожухом кожухе стенки печи выложены из огнеупорного шамотного кирпича. Рабочее пространство печи имеет 5 частей: колошник, шахта, распар, заплечики и горн.

Колошник - верхняя цилиндрическая часть в сочетании с засыпным аппаратом обеспечивает распределение материалов, что определяет характер распределения газового потока.

Шахта - усеченный конус с большим основанием внизу. Коническая форма шахты обеспечивает плавный сход шихтовых материалов. В шахте происходят основные процессы восстановления окислов.

Распар - средняя цилиндрическая часть печи, соединяющая шахту и заплечики.

Заплечики - усеченный конус с большим основанием вверху. В заплечиках происходят процессы плавления и шлакообразования, горения кокса, получение чугуна. Это наиболее ответственная часть доменной печи.

Горн состоит из 3 частей: лещадь, металлоприемник и фурменная зона.

Нижнее основание, которым доменная печь опирается, называется лещадью. В верхней части горна расположены воздухоохлаждаемые медные фурмы для подачи горячего воздуха в доменную печь. В лещади накапливается чугун и шлак, которые затем выпускаются через летки.

Выше лещади, до уровня шлаковых леток, располагается металлоприемник. Лещадь, фурменная зона и металлоприемник заключены в броню и охлаждаются плитовыми холодильниками.

Чугунная летка расположена на 400 - 500 мм выше лещади, потому на лещади всегда остается слой жидкого чугуна, предохраняющий его от разрушения. Чугунная летка между выпусками чугуна забивается огнеупорной массой. Шлаковая летка приподнята над лещадью на 1,5 - 1,6 м. Она представляет собой латунную или медную коническую водоохлаждаемую круглую коробку.

4. Работа доменной печи

Сырьевые материалы, прошедшие предварительную подготовку к плавке, поступают в специальных вагонах на рудный двор, расположенный параллельно линии печей. При помощи мостового крана материалы со склада перегружают в приемные бункеры доменной печи. Кокс подают в бункеры специальным транспортером. При помощи вагон-весов шихту подвозят в загрузочной (скиповой) яме. Через воронку шихта попадает в вагонетку (скип), которая поднимается стальным канатом по рельсам наклонного подъемника доменной печи до самой верхней точки и там опрокидывается. Через загрузочное устройство (приемную воронку малого конуса, воронку большого конуса) шихта поступает в доменную печь. Конусы поочередно опускаются и поднимаются. Приемная воронка с малым конусом после загрузки очередной порции шихты может поворачиваться на 60°. Это позволяет равномерно распределять шихту на поверхности большого конуса перед загрузкой ее в печь.

В доменную печь загружают большое количество шихты. Так для производства 1 тонны передельного чугуна требуется 1900 кг агломерата офлюсованного и руды, примерно 700 кг кокса, 2200 м3/мин воздуха. При этом кроме чугуна, получается примерно 700 кг шлака и 3000 м3 доменного газа. сплав цветной металл руда

Для обеспечения современных доменных печей необходимым количеством горячего воздуха строят крупные воздухонагреватели (кауперы) и применяют мощные турбовоздуходувки, производительностью 5000 м3/мин и давлением воздуха 4,3 - 4,5 атм.

Воздухонагреватель заключен в стальной сварной кожух. Стенки и купол его выкладывают шамотным кирпичом. Внутри воздухонагревателя имеется камера горения и огнеупорная насадка, выполненная из шамотного кирпича с просветами (ячейками) между кирпичами.

Холодный воздух, подаваемый воздуходувной машиной, проходит через нагретую огнеупорную насадку каупера, где подогревается до 800 - 1200°С и поступает через фурмы в горн печи.

Обычно воздухонагреватель работает при нагреве воздуха не менее 1 ч. Для бесперебойной работы доменной печи необходимо иметь 3 каупера: из них один нагревается, другой отдает тепло холодному воздуху, а третий - в резерве.

1. приемная воронка малого конуса;

2. малый конус;

3. приемная воронка большого конуса;

4. большой конус;

5. колошниковая фурма;

6. колошник;

7. шахта;

8. распар;

9. заплечики;

10. горн;

11. лещадь;

12. фурмы;

13. чугунная летка;

14. шлаковая летка;

15. металлоприемник;

16. шлаковоз;

17. чугуновоз;

18. скиповая яма;

19. скип;

20. кауперы

5. Процессы, протекающие в доменной печи

Процесс превращения руды в чугун происходит в результате взаимодействия потока медленно опускающихся материалов и потока подымающихся газов, которые, соприкасаясь с материалами, нагревают и восстанавливают их. Все рабочее пространство печи занято шихтовыми материалами, которые загружаются на колошник через засыпной аппарат. По мере сгорания кокса вблизи фурм в печи образовывается свободное пространство. Это вызывает перемещение (сход) материалов в нижние горизонты печи навстречу движущемуся потоку раскаленных газов. Наиболее высокие температуры (до 1900 0 С) достигаются вблизи фурм. Здесь происходит горение кокса благодаря кислороду воздуха, подогретого до 1200°С по реакции:

С + О = СО2



В результате этой реакции выделяется большое количество тепла. Образовавшаяся двуокись углерода соприкасается с раскаленным коксом и разлагается по реакции:

СО2 + С = 2 СО

Газообразные продукты в зоне горна и нижней части заплечиков содержат много окиси углерода и обладают резко восстановительными свойствами.

В доменной печи роль восстановителя выполняют углерод, окись углерода и водород. Восстановление окислов при помощи окиси углерода называется косвенным, и при помощи углерода - прямым.

Прямое восстановление требует больших затрат тепла, поэтому желательно, чтобы доля косвенного восстановления была возможно большей.

Восстановление окислов железа идет по пути последовательного отнятия атомов кислорода по схеме

Fe2O3 > Fe3O4 > FeO > Fe

При температурах до 900°С протекают реакции косвенного восстановления железа:

3 Fe2O3 + СО = 2 Fe3O4 + СО2 + выделяется тепло

Fe3O4 + СО = 3 FeO + СО2

FeO + СО = Fe + СО2

При более высоких температурах свыше 1000 - 1100°С получают развитие реакции прямого восстановления:

FeO + СО = Fe + СО2



До 50 - 60 % железа образуется по реакциям косвенного восстановления, а 40 - 50 % - прямого.

Прямое восстановление железа происходит в распаре печи и тем лучше, чем выше температура находящихся здесь материалов, так как эта реакция идет с поглощением тепла. Образующееся металлическое железо находится в твердом состоянии, так как имеет высокую температуру плавления 1539°С. В присутствии окиси углерода и раскаленного кокса железо постепенно науглероживается, в результате чего температура его плавления понижается до 1150 - 1200 °С. Науглероженное железо, содержащее 1,8 - 2 % С, переходит в жидкое состояние и стекает между кусками раскаленного кокса на лещадь печи. При этом происходит дополнительное насыщение железа углеродом до 3,5 - 4,0 % С. Аналогично происходит и процесс восстановления железа водородом.

Параллельно с восстановлением и науглероживанием железа в доменной печи происходит частичное восстановление марганца, кремния и фосфора. Эти элементы переходят в металл и изменяют его химический состав. Их восстановление происходит только за счет углерода кокса.

Марганец образуется в результате в результате взаимодействия его низшего окисла с углеродом:

MnО + С = Mn + СО

Эта реакция протекает с поглощением тепла при температуре выше 1100 - 1200°С. Для нее требуется увеличить расход кокса и иметь более высокую температуру дутья 800 - 1000°С.

Кремний восстанавливается из кремнезема по реакции:

SiO2 + 2 C = Si +2 CO



Наиболее активное восстановление кремния идет при температуре 1100С.

Фосфор восстанавливается из фосфатно-кальциевых солей в присутствии кремнезема:

P2O5 (CaO)4 +5 C + 2 SiO2 = 2 P + 2 (CaO)2 SiO2 + 5 CO

Эта реакция развивается в доменной печи до конца, поэтому фосфор полностью переходит в чугун.

Сера частично удаляется с колошниковыми газами в виде SO2 и H2S , но основное ее количество остается в виде сульфидов и распределяется между шлаком и чугуном. Наиболее нежелательным является сульфид железа FeS, который хорошо растворяется в металле.

При большом насыщении шлака известью (45 - 50 %) в горне печи происходят реакции:

FeS + CaO + C = Fe + CaS + CO

MnS + CaO + C = Mn + CaS + CO

В результате сера переходит в шлак в виде нерастворимого в металле серистого кальция CaS. Часть серы в виде S и FeS растворяется в чугуне.

Чугун скапливается в горне печи и периодически (6 - 10 раз в сутки) выпускается через чугунную летку. Жидкий чугун сливается в чугуновозные ковши емкостью 100 тонн и более и транспортируют к разливочной машине, где его разливают в изложницы и получают слитки (чушки) весом 40 - 60 тонн.

В нижней части доменной печи (распаре, заплечиках) образуется шлак. Образование шлака начинается тогда, когда основная масса железа уже восстановлена. Шлак образуется в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы кокса. Шлак формируется постепенно, изменяя состав по мере стекания в горн, где он скапливается над слоем чугуна и выпускается через шлаковую летку. Для транспортировки жидкого шлака от доменной печи служит шлаковоз, представляющий собой тележку со шлаковой чашей, емкостью до 16 - 24 м3. Для удобства транспортировки и дальнейшего использования доменный шлак гранулируют: жидкий шлак поливают струей воды, охлаждаясь он рассыпается на мелкие куски.

Продукты доменного производства

К продуктам доменного производства относят чугун, шлак и доменный (колошниковый газ).

В доменных печах выплавляются следующие чугуны:

1. передельный - около 80 %;

2. литейный - около 16 %;

3. специальный и ферросплавы - 4 %.

Передельный чугун предназначен для переработки в сталь. Этот чугун разделяют на 3 класса:

1. мартеновский чугун М-1 и М-2 содержит 1,5 - 2,2 % Mn и 0,4 - 1,5 % Si;

2. бессемеровский чугун Б-1 и Б-2 содержит 0,6 - 1,5 % Mn и 0,9 - 2 % Si;

3. томасовский чугун Т-1 содержит 0,8 - 1,3 % Mn и < 0,6 % Si и 1,6 - 2 % Р.

Литейный чугун используют для производства фасонного чугунного литья. Его выплавляют при большом расходе кокса из шихты с достаточным количеством кремнезема. Марки ЛК-00, ЛК-0, ЛК-1, ЛК-2 и до ЛК-5. В зависимости от марки содержится 1,25 - 4,25 % Mn и до 1,3 % Si.

Выплавляют также специальные чугуны: хромоникелевые, ванадиевые, ферохром и др.

Доменные ферросплавы применяют в качестве раскислителей или присадки к выплавляемой стали.

К ним относят:

· ферромарганец - 70 % Mn и более;

· ферросилиций - 9 - 13 % Si;

· зеркальный чугун - 10 - 25 %Mn и до 2 % Sі.

Шлаки доменных печей состоят из 33 - 40 % SiO2; 42 - 48 % (СаО + МgО); 10 - 20 % Al2O3. На 1 тонну чугуна получается 0,6 тонны шлака. Шлаки используют для получения цемента, кирпича, брусчатки, ваты, ситаллов и др. материалов для строительства.



3. Производство стали

3.1 Сущность процесса получения стали

Сталь представляет собой железоуглеродистый сплав, содержащий до 2,14 % С, а также постоянные примеси: Si, Mn, P, S. Легированные марки стали могут иметь легирующие элементы: Cr, Ni, Mo, W, V, Ti и др.

Основными исходными материалами для получения стали являются: передельный чугун и стальной лом (скрап).

Выплавку стали производят в плавильных печах: конвертерах, мартеновских, электропечах и др.

Чугун отличается от стали повышенным содержанием углерода и примесей. Чугун и стальной скрап помещают в печь и одновременно нагревают и подвергают окислению. В результате окислительного процесса в металле уменьшается содержание углерода и примесей.

Углерод, соединяясь с кислородом, превращается в газ - который удаляется в атмосферу печи. Si, Mn, P, Fe и S образуют окислы и другие соединения, нерастворимые или мало растворимые в металле. Они при благоприятных условиях плавки всплывают на поверхность расплавленного металла и вместе с флюсом образуют шлак. Образующаяся при окислении закись железа FeО частично растворяется в металле и этим ухудшает его свойства. Поэтому обязательным процессом, который завершает процесс получения стали, является ее раскисление (уменьшение содержания в ней кислорода). Сталь выпускают из печи в разливочный ковш, а затем разливают, в результате чего получаются слитки.

Производство стали в конвертерах

Конвертер представляет собой сосуд грушевидной формы. Верхнюю часть конвертера называют козырьком или шлемом. Она имеет горловину, через которую заливают жидкий чугун и сливают сталь и шлак. Средняя часть конвертера имеет цилиндрическую форму. В нижней части конвертера имеется приставное днище, которое по мере износа заменяется новым. В днище имеется ряд отверстий, в каждое из которых вставляют фурмы от 7 до 12 шт. для продувки жидкого чугуна воздухом. К днищу присоединена на болтах воздушная коробка, в которую поступает сжатый воздух. Кожух конвертера сделан из листовой стали и футерован изнутри огнеупорным кирпичом. Кожух охватывается снаружи стальным опорным кольцом, снабженным двумя цапфами.

Эти цапфы служат для закрепления конвертера в опорных кронштейнах и поворота его вокруг горизонтальной оси при помощи зубчатой передачи механизма поворота. Воздушное дутье попадает в воздушную коробку через одну из двух цапф опорного кольца, сделанную полой и шарнирно соединенной с коленом воздухопровода.

1. кожух;

2. футеровка;

3. горловина 3а. шлем;

4. днище;

5. отверстия для фурм;

6. воздушная коробка;

7. цапфы крепления;

8. воздуховод;

9. опорные кронштейны.

Подготовленный к работе конвертер наклоняют в горизонтальное положение и заполняют жидким чугуном так, чтобы отверстия фурм были выше уровня залитого чугуна. Затем его медленно возвращают в вертикальное положение и одновременно подают дутье, не позволяющее металлу проникать через отверстия фурм в воздушную коробку.

В процессе продувки происходят химические реакции между кислородом воздуха и элементами, содержащимися в чугуне.

При этом образуются окислы, которые удаляются из металла в шлак и атмосферу печи. За счет реакций окисления элементов происходит нагрев металла до температуры 1550 - 1600°С. Таким образом используется физическое тепло чугуна, и химическое тепло, выделяемое при окислении элементов. Наличие избыточного тепла позволяет использовать при плавке в качестве шихты до 5 - 7 % стального скрапа. Это приводит к снижению температуры металла и увеличению выхода годной стали от 89 - 91 % до 92 - 94 %. Длительность процесса плавки в зависимости от емкости конвертера 12 - 28 мин.

При достижении необходимой концентрации углерода конвертер возвращают в горизонтальное положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл раскисляют и выливают в ковш.

Различают два процесса плавки в конвертере: бессемеровский и томасовский.

Бессемеровский процесс получения стали

Конвертер имеет кислую футеровку из динассового кирпича. В нем перерабатывают на сталь чугуны Б1 и Б2. Чугун заливают в конвертер при температуре 1300 - 1350°С. При этом различают три периода плавки.

І период: происходит интенсивное окисление железа, кремния и марганца. Окислы SiO2, MnO, и частично FeO всплывают на поверхность металла и образуют шлак (кислый), который в своем составе имеет около 50 % SiO2. Углерод в этот период плавки окисляется медленно. Через горловину конвертера выделяются газы, короткое слабосветящееся пламя и искры, образующиеся от горения брызг металла в воздухе. Этот период продолжается 3 - 6 мин, при этом температура металла быстро повышается.

ІІ период плавки: характеризуется активным окислением углерода. Окись углерода выделяется из металла в атмосферу вместе с другими газами, вызывая бурное клокотание металла и сильный шум. Окись углерода сгорает в воздухе, образуя длинный факел пламени (до 5- 7 м). Температура металла медленно повышается до 1600°С. Период длится 8 - 12 мин. В конце второго периода содержание углерода в металле снижается до десятых долей процента и пламя над конвертером постепенно укорачивается.

ІІІ период плавки: носит название периода дыма. Появление над конвертером бурого дыма показывает, что из чугуна почти полностью выгорели Si, Mn и С и началось очень сильное окисление железа. ІІІ период продолжается не более 2 - 3 мин, после чего конвертер поворачивают в горизонтальное положение и в ванну вводят раскислители: зеркальный чугун, ферромарганец либо ферросилиций и алюминий для понижения содержания кислорода в металле. После некоторой выдержки, необходимой для всплывания продуктов раскисления из металла в шлак, готовую сталь, нагретую до температуры 1600 - 1650°С выливают в ковш и направляют на разливку.

При плавке в кислом конвертере не условий для удаления из металла Р и S, из чугуна они полностью переходят в сталь. В процессе продувки воздухом в металле растворяется до 0,012 - 0,025 % N, много неметаллических включений.

Полученную сталь при низком содержании С (0,1 - 0,2 %) используют для изготовления сварных труб, болтов, винтов, тонкой жести. Сталь с содержанием С 0,5 - 0,7 % используют для прокатки рельсов, строительных балок и др.

При емкости бессемеровских конвертеров 10 - 35 т, длительность всей плавки - 20 - 30 мин (от выпуска до выпуска). Выход годной стали 87 - 90 % от массы чугуна, заливаемого в конвертер.

3.2 Томасовский процесс получения стали

Конвертер имеет основную футеровку из молотого обожженного доломита. Форма конвертера такая же, но он имеет больший объем.

В конвертер вначале загружается в качестве флюса обожженная известь в количестве 8 - 12 % от объема металла. Затем заливают чугун марки Т, который имеет 1,6 - 20 % Р до 0,08 % S до 0,6 % Si и температуру 1200 - 1250°С.

При воздушном дутье также различают 3 периода плавки:

І период:енергично окисляются Mn, Si, и Fe и незначительно углерод. Температура металла медленно повышается. Часть тепла расходуется на нагревание извести, хотя она в первом периоде и не расплавляется полностью.

ІІ период: характеризуется окислением углерода. От горения окиси углерода над конвертером появляется пламя, которое становится ярко-желтым. Всплески металла протекают более бурно и уровень содержимого конвертера поднимается до верхних частей горловины. После выгорания большей части углерода начинается окисление Р, которе сопровождается большим выделением тепла.

ІІІ период плавки: когда углерод почти весь выгорел (до 0,1 %), начинается енергичное окисление Р и Fe. В результате окисления Р переходит из металла в шлак. Температура металла резко повышается ввиду выделения тепла при реакциях окисления Р. ІІІ период продолжается 3 - 5 мин и приостанавливается, как только содержание Р уменьшается до 0,05 - 0,07 %. По мере уменьшения Р наблюдается усиленное горение железа, что сопровождается выделением бурого дыма.

После поворота конвертера и остановки дутья из печи сливают основную часть шлака, а затем в сталь вводят раскислители. Так как сталь к концу процесса имеет низкое содержание С, то науглероживание стали проводят путем добавки в ковш перед разливкой зеркального чугуна или ферромарганца.

S в І и ІІ периоде плавки не удаляется. В ІІІ периоде при наличии в шлаке свободной извести, часть S удаляется в шлак в виде СаS. Небольшое количество S окисляется в процессе плавки и удаляется из металла в виде SО2. Наименьшее содержание S, получаемое в основной стали - 0,05 %.

Выплавляемая сталь применяется для изготовления рельсов, сортового проката, листа, болтов.

Шлак, имеющий ценные фосфатные соединения, используют как удобрение.

При емкости конвертеров 12 - 70 т продолжительность продувки 16 - 22 мин, а длительность всей плавки - 25 - 40 мин. Выход готовой стали - 85 - 89 % от массы чугуна.

Кислородно-конверторный способ производства стали

Конверторный процесс является самым производительным способом получения стали. Однако бессемеровская и томасовская сталь, полученная с применением воздушного дутья, имеет много азота, фосфора и неметаллических включений, что ухудшает ее физико-механические свойства. Детали машин, изготавливаемые из такой стали, становятся хрупкими при пониженных температурах.

Улучшение качества стали достигается применением кислородного дутья. Кислородно-конвертерный процесс производится в основных конвертерах с продувкой металла сверху технически чистым кислородом (95,8 - 99,6 %). Полученная при этом сталь не уступает мартеновской и превосходит ее по способности к глубокой вытяжке и штампуемости.

Конвертер 1 отличается тем, что имеет сплошное дно. Для его футеровки применяют доломитовый или доломито - магнезитовый кирпич. Для продувки металла кислородом через горловину в конвертер вводят водоохлаждаемую фурму 2 на расстояние 300 - 800 мм над уровнем металла. Давление кислорода составляет 9 - 15 кг/см2. Температура в печи в области вдувания кислорода - 3000°С. Исходным сырьем для плавки может служить как обычный передельный мартеновский чугун, так и высоко фосфористый чугун, кроме того, появляется возможность переплавлять значительное количество лома (20 - 35 %), а также использовать в шихте железную руду до 8 %. Чугун , используемый в процессе, обычно содержит: 3,7 - 4,4 % С, 0,4 - 2,5 % Mn, 0,3 - 1,7 % Si, 0,03 - 0,08 % S, < 0,3 % P.

Для интенсификации процессов выгорания S и Р применяют как кусковую, так и порошкообразную вдуваемую в струе кислорода известь. Благодаря продувке чугуна сверху в самом начале плавки образуется известковожелезистый шлак.

Особенность процесса плавки состоит в том, что процесс окисления железа и примесей происходит как при непосредственном взаимодействии с кислородом дутья, струя которого происходит в металл, так и при помощи шлака. Высокая температура процесса и наличие активного известковожелезистого шлака способствует тому, что окисление фосфора и углерода происходит с самого начала продувки чугуна. Процесс плавки протекает при значительном избытке тепла. Поэтому для охлаждения металла добавляют скрап и железную руду.

В результате плавки на кислородном дутье получают сталь с пониженным содержанием азота (0,002 - 0,005 %) фосфора и серы.

Содержание серы снижается на 35 - 50 %. Продолжительность плавки в конвертере емкостью 130 т - 30 мин. Производительность конвертеров больше, чем производительность мартеновских печей из-за быстрого процесса плавки.

Технико-экономические показатели

конвертерного процесса

Футеровка стен бессемеровского конвертера выдерживает 1000 - 3000 плавок, томасовского - около 75. Выход жидкой стали - 88 - 91 %. Расход воздуха на 1 т стали - 86 - 90 м3.

По качеству сталь, получаемая кислородно-конвертерным способом не уступает мартеновской и можно выплавлять не только углеродистые, но и легированные стали.

Мартеновский способ получения стали

В мартеновских печах выплавляют углеродистую конструкционную и инструментальную сталь, а также легированную сталь различных марок.

Исходные материалы.

Используют большое количество стального скрапа, а также жидкий и твердый чугун.

В зависимости от материалов применяют два способа плавки:

1. скрап-рудный процесс;

2. скрап-процесс.

При плавке в основных печах применяют преимущественно скрап-рудный процесс.

В этом случае шихта состоит из жидкого чугуна (55 - 70 %), скрапа и окислителей (железной руды, мартеновского агломерата).

Сравнительно реже применяют скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального скрапа (до 70%) и твердого передельного чугуна.

При плавке в основной печи флюсом является известняк, боксит, а при плавке в кислой печи - кварцевый песок, шамотный бой.

Топливом мартеновских печей чаще всего служит смесь коксового и доменного газа, а также природный газ в смеси с мазутом. Мазут и природный газ являются высококалорийными видами топлива и могут употребляться без предварительного подогрева.

3.3 Устройство и принцип работы мартеновской печи

Мартеновская печь представляет собой пламенную регенеративную печь.

Рабочее плавильное пространство печи снизу ограничивается подиной, сверху сводом, а с боков передней и задней стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. Сырые материалы (шихту, флюс) загружают на подину со стороны рабочей площади через загрузочные окна, расположенные в передней стенке печи, а готовую сталь сливают через летку в задней стенке печи.

К плавильному пространству печи с обеих сторон примыкают головки печи, в которые поступают газ и воздух, нагретые в регенераторах. Регенератор представляют собой камеру, в которой размещена насадка, выполненная из огнеупорного кирпича. Регенераторов по 2 с каждой стороны - воздушный и газовый. Газ и воздух проходят через нагретую до 1200°С насадку соответствующих регенераторов, нагреваются до 1000 - 1100°С и по вертикальным каналам направляются в головку печи, где смешиваются и сгорают, в результате чего температура под сводом печи достигает 1680 - 1750°С. Продукты горения направляются из рабочего пространства печи в левую пару регенераторов, нагревают их огнеупорную насадку. Когда насадки правой пары регенераторов остывают специальное перекидное устройство переключает направление газов и работает левая пара регенераторов.

Разогрев шихты, расплавление металла и шлака в печи происходит в плавильном пространстве при контакте материалов с флюсом раскаленных газов (1800 - 1900°С).

1. Рабочее плавильное пространство;

2. подина;

3. свод;

4. головка печи;

5, 6, 7, 8. регенераторы;

9. перекидное устройство.

10. Принцип работы мартеновской печи

При выплавке стали в мартеновских печах различают следующие периоды:

1. осмотр и заправка подины;

2. завалка шихты;

3. плавление шихты;

4. кипение металла;

5. раскисление и легирование металла;

6. выпуск готового металла.

Основной мартеновский процесс.

На заводах, имеющих доменное производство в основной печи ведут скрап-рудный процесс, как наиболее экономичный.

Заправка печи заключается в заделке поврежденных участков подины, откосов и простенков печи путем засыпки магнезитовым или доломитовым порошком, который при высокой температуре приваривается к основному материалу.

Завалку шихты производят одной или двумя завалочными машинами, которые вносят шихту в печь в специальных металлических ящиках (мульдах) и, опрокидывая их, высыпают шихту на подину печи. Сначала загружают мелкий скрап, затем более крупный и на него кусковую известь (3 - 5 % от массы металла). После прогрева загруженных материалов подают оставшийся стальной лом и передельный чугун 2 - 3 порциями. Этот порядок загрузки шихты позволяет быстро их прогреть и расплавить. Продолжительность загрузки зависит от емкости печи и характера шихты и составляет 1,5 - 3 ч. Заливку чугуна в печь производят большими ковшами (80 - 100 т) в конце периода прогрева, когда шихта начинает охлаждаться

Плавление шихты - самый длительный процесс плавки. В этот период активного окисления примеси чугуна. От обильного окисления углерода выделяется много газов, что вызывает бурление (кипение) металла и шлака. Это усиливает процесс окисления и шлакообразования, что вызывает необходимость скачивания (удаления) первичного шлака через 10 - 20 мин после заливки чугуна в печь. Шлак вытекает из печи через шлаковое отверстие в задней стенке и через порог загрузочного окна в специальные чаши. Вместе со шлаком из ванны удаляется значительная часть окислов Si, Mn, P и Fe, а также соединений S. После этого в печь загружают известняк и боксит, которые к моменту полного расплавления шихты образуют шлак с повышенным содержанием СаО. К этому времени Si, содержащийся в чугуне и стальном ломе, окисляется почти полностью, Mn на 60 - 80 %, P - 30 - 40 % углерод на 25 - 40 %.

Доводку металла до нужного химического состава производят периодическим добавлением на шлак железной руды и повышением теплового режима печи. Это усиливает окисление углерода и вызывает кипение ванны. В процессе кипения из металла выделяется окись углерода, происходит перемешивание металла, что способствует очищению металла от растворенных газов и неметаллических включений. В период доводки заканчивается удаление Р и S, достигается нужное содержание Mn.

Добавку легирующих элементов, не окисляющихся в процессе плавки (Ni, Cu, Mo), производят в начале плавки, а легкоокисляющиеся элементы (Cr, Ti, Si, Al) вводят в сталь после предварительного раскисления.

В процессе раскисления стали происходит удаление кислорода в виде FeO и попутно освобождение ее от газов H2, N2. Раскисление металлическими раскислителями (ферромарганцем, ферросилицием, кусками алюминия) производится непосредственно в ванне печи и может быть закончено в разливочном ковше.

После взятия контрольных проб сталь выпускают из печи через выпускное отверстие в задней стенке и через желоб выливают в разливочный ковш.

Для интенсификации мартеновского процесса используют применение кислорода, который вдувается в расплавленный металл через сводовые фурмы.

Общая продолжительность плавки в мартеновских печах зависит от емкости печи и условий производства. Например, для печей емкостью в 200 т - 8 - 9 часов, 400 - 500 т - 12 ч.

Среднесуточный съем стали с 1 м2 пода печи составляет от 9 до 12 т/м2.

Производство стали в электропечах

Электропечи для плавления металла наиболее совершенны и дают большие возможности для выплавки стали. В электропечи можно вести плавку стали при более высокой температуре, чем при мартеновской, и получать стали наиболее высокого качества, в том числе и легированные.

Используют печи двух типов:

1. дуговые;

2. индукционные (высокочастотные).

Наиболее широкое применение нашли дуговые электропечи. Емкость их от 5 до 180 т.

Устройство и работа дуговых электропечей

В дуговой сталеплавильной печи для расплавления и нагревания металла используется электрическая дуга, образующаяся между 3 вертикально расположенными электродами (графитизированными или угольными). Электрический ток (переменный трехфазный) от трансформатора посредством гибких кабелей и медных шин подводится к электрододержателям и течет от электрода через дугу и металл к другому электроду и далее возвращается в сеть.

Дуговая печь имеет следующие части: сварной или клепанный кожух цилиндрической формы со сфероидальным днищем; подины и стенок; съемный арочный свод с отверстием для электродов; механизм для закрепления и вертикального перемещения электродов; две опорные станины ; механизм наклона печи, позволяющий поворачивать печь при выпуске стали по желобу и в сторону загрузочного окна для скачивания шлака.

Свод печи выкладывают из динасовых кирпичей, подину чаще делают основной.

Шихта для плавки состоит из скрапа углеродистой или легированной стали.

Диаметр электродов определяется мощностью потребляемого тока и составляют 350 - 550 мм. В процессе плавки нижние концы электродов сгорают, поэтому их постепенно опускают и при необходимости наращивают сверху. Мощность печного трансформатора зависит от емкости печи, технологического процесса и составляет 25 000 - 40 000 кВт. Расход электроэнергии в дуговых печах при работе на твердой шихте 600 - 900 кВт/т стали, расход электродов 6 - 9 кг/т стали.



3.4 Технология выплавки стали в дуговых печах

В зависимости от чистоты шихтовых материалов применяют две разновидности процесса плавки:

· с окислением примесей;

· без окисления примесей.

Плавка с окислением примесей

Технология такой плавки в основной дуговой печи подобна технологии плавки в мартеновских печах (скрап - процессом).

Используется шихта с содержанием углерода на 0,5 - 0,6 % выше, чем в готовой стали. На подину печи загружают мелкий стальной лом, затем более крупный. Скрап укладывается как можно плотнее для устойчивого горения дуги. В дуговые печи малой и средней емкости загружают мульдами или лотками через завалочное окно, а в печи большей емкости (30 - 80т) через свод, который отводят в сторону вместе с электродами. После загрузки шихты электроды опускают до легкого соприкосновения с шихтой. Подложив под нижние концы электродов кусочки кокса (для более плавного зажигания дуги) включают ток и начинают плавку стали.

...