Производство стали в конверторах

Конвертор представляет собой сосуд грушевидной формы. Верхнюю часть называют козырьком или шлемом. Она имеет горловину, через которую жидкий чугун и сливают сталь и шлак. Средняя часть имеет цилиндрическую форму. В нижней части есть приставное днище, которое по мере износа заменяют новым. К днищу присоединена воздушная коробка, в которую поступает сжатый воздух.

Емкость современных конвекторов равна 60 – 100 т. и более, а давление воздушного дутья 0,3-1,35 Мн/м. Количество воздуха необходимого для переработки 1 т чугуна, составляет 350 кубометров.

Перед заливкой чугуна конвектор поворачивают до горизонтального положения, при котором отверстия фурм оказываются 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 воздухом жидкого чугуна выгорают кремний, марганец, углерод и частично железо.

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

Производство стали в мартеновских печах

В мартеновских печах сжигают мазут или предварительно подогретые газы с использованием горячего дутья. Печь имеет рабочее (плавильное) пространство и две пары регенераторов (воздушный и газовый) для подогрева воздуха и газа. Газы и воздух проходят через нагретую до 1200° С огнеупорную насадку соответствующих регенераторов и нагреваются до 1000-1200° С. Затем по вертикальным каналам направляются в головку печи, где смешиваются и сгорают, в результате чего температура под сводом достигает 1680-1750° С. Продукты горения направляются из рабочего пространства печи в левую пару регенераторов и нагревают их огнеупорную насадку, затем поступают в котлы-утилизаторы и дымовую трубу. Когда огнеупорная насадка правой пары регенераторов остынет, остынет так что не сможет нагревать проходящие через них газы и воздух до 1100° С, левая пара регенераторов нагревается примерно до 1200-1300° С. В этот момент переключают направление движения газов и воздуха. Это обеспечивает непрерывное поступление в печь подогретых газов и воздуха.

Большинство мартеновских печей отапливают смесью доменного, коксовального и генераторного газов. Также применяют и природный газ. Мартеновская печь, работающая на мазуте, имеет генераторы только для нагрева воздуха.

Шихтовые материалы (скрапы, чугун, флюсы) загружают в печь наполненной машиной через завалочные окна. Разогрев шихты, рас плавление металла и шлака в печи происходит в плавильном пространстве при контакте материалов с факелом раскаленных газов. Готовый металл выпускают из печи через отверстия, расположенные в самой низкой части подины. На время плавки выпускное отверстие забивают огнеупорной глиной.

Процесс плавки в мартеновских печах может быть кислым или основным. При кислом процессе огнеупорная кладка печи выполнена из динасов ого кирпича. Верхние части подины наваривают кварцевым песком и ремонтируют после каждой плавки. В процессе плавке получают кислый шлак с большим содержанием кремнезема (42-58%).

При основном процессе плавки подину и стенки печи выкладывают из магнезитового кирпича, а свод – из динасов ого или хромомагнезитового кирпича. Верхние слои подины наваривают магнезитовым или доломитовым порошком и ремонтируют после каждой плавки. В процессе плавки получают кислый шлак с большим содержанием 54 – 56% СаО.

Производство стали в электрических печах

Для выплавки стали используют электрические печи двух типов: дуговые и индукционные (высокочастотные). Первые из них получили более широкое применение в металлургической промышленности.

Дуговые печи имеют емкость 3 - 80 т и более. На металлургических заводах устанавливают печи емкостью 30 –80 тонн. В электрических печах можно получать очень высокие температуры (до 2000° С), расплавлять металл с высокой концентрацией тугоплавких компонентов иметь, иметь основной шлак, хорошо очищать металл от вредных примесей, создавать восстановительную атмосферу или вакуум (индукционные печи) и достигать высокого раскисления и дегазации металла.

Нагревание и расплавление шихты осуществляется за счет тепла, излучаемого тремя электрическими дугами. Электрические дуги образуются в плавильном пространстве печи между вертикально подвешенными электродами и металлической шихтой.

Дуговая печь имеет следующие основные части: сварной или клепанный кожух цилиндрической формы, со сфероидальным днищем; подины и стенок; съемный арочный свод с отверстиями для электродов; механизм для закрепления 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.

В сталеплавильных печах применяют угольный и графитированные электроды. Диаметр электродов определяется мощностью потребляемого тока и составляет 350 – 550 мм. В процессе плавки нижние концы электродов сгорают. Поэтому электроды постепенно опускают и в необходимых случаях наращивают сверху.

Ваграночная плавка

Рис.6. Вагранка с копильником

Вагранка (рис. 6) представляет собой шахтную печь, выложенную изнутри шамотным кирпичом 12. Снаружи вагранка имеет металлический кожух 13 из листовой стали.

Шахта вагранки опирается на кольцо 7, установленное на опорных колоннах 6. Снизу шахта имеет днище 5, которое перед началом работы закрывается, а после плавки открывается. В верхней части расположено загрузочное окно 16, через которое вагранка определенными порциями – колошами пополняется шихтовыми материалами в течение всей плавки.

Для предохранения кирпичной кладки от ударного действия загружаемой шихты верхнюю часть шахты выкладывают чугунным кирпичом 15. В нижней части имеется воздушная коробка 11, из которой необходимый для горения топлива воздух подается в вагранку через отверстия — фурмы 10. Фурмы могут быть расположены в один или несколько рядов.

Расплавленный чугун стекает в нижнюю часть шахты 8, называемую горном, откуда непрерывной струей попадает через переходную лётку 4 в копильник 1, служащий для сбора металла. Из копильника по мере накопления металл выпускают через лётку 3. Для выпуска шлака в копильнике имеется лётка 2. При производстве мелкого сложного литья используются вагранки без копильника, а для крупных отливок — с копильником.

В случае работы вагранки без копильника в нижней части горна выполняется отверстие для выпуска чугуна — чугунная лётка, а в верхней части (ниже фурм) делается отверстие для выпуска шлака — шлаковая лётка. Из этих отверстий по желобам, выложенным огнеупорными материалами, чугун и шлак при выпуске сливаются в ковши.

Верхнюю часть вагранки, расположенную выше загрузочного окна, называют трубой. На ней устанавливается искрогаситель 18. Для удобства обслуживания вагранки устраивают загрузочную площадку 14.

Загрузка вагранки начинается после тщательного ремонта, футеровки и набивки пода лещади 8. Вначале на подготовленный под укладывают дрова и зажигают их. Когда дрова разгорятся, на всю нижнюю часть вагранки, выше верхнего ряда фурм, загружается кокс.

Эта часть топлива называется холостой колошей 9. Она служит для поддержания находящихся сверху рабочих колош 20, 21 и разогрева вагранки. Верхняя часть холостой колоши (выше уровня фурм на 600—1000 мм) находится в плавильном поясе вагранки. Здесь развивается максимальная температура и происходит расплавление металла.

Загрузку рабочих колош (металлических и топливных) производят бадьями 19 с помощью загрузочных кранов 17 или скиповых подъемников. После полной загрузки шахты вагранки включают дутье.

Тепловые процессы в вагранке со­стоят в основном из горения кокса и передачи тепла горячими продуктами горения расплавляемому сырью. Зона горения топлива находится над фурмами. При горении кокса происходит химическая реакция соединения углерода кокса с кислородом воздуха. Горение может быть полным с образованием двуокиси углерода СО₂:

С + О₂=СО₂ + 398000 кДж(к моль)

или неполным с образованием окиси углерода СО:

С+0,5О₂=СО + 116500 кДж/(к моль).

В свою очередь, окись углерода может взаимодейство­вать с кислородом воздуха и сгорать в СО₂:

С + 0,5 О₂ =СО₂ + 283 000 кДж/(к моль).

По мере горения кокса в дутьевом воздухе уменьшается содержание О₂ и увеличивается количество СО₂ и СО. Одновременно растет температура. На некоторой высоте температура достигает максимального значения (около 1600^oС). Эта высота примерно соответствует и максимальному содержанию С0₂.

Реакция горения прекращается после израсходования всего кислорода воздуха на окисление углерода кокса. Выше зоны горения при соприкосновении продуктов сгорания с раскаленным коксом СО₂ может восстанавливаться до СО:

СО₂ + С =2СО – 166000 кДж/(к моль).

Реакция восстановления нежелательна, так как происходит она с поглощением тепла. Она прекращается при падении температуры продуктов горения до 1000-1100^oС. Чем выше содержание СО в отходящих газах, тем больше потерь тепла от химической неполноты сгорания топлива, тем ниже КПД вагранки. В соответствии с физическими и химическими процессами, происходящими в вагранке, в ней можно выделить пять зон по высоте сверху вниз. Деление на зоны условное, между отдельными зонами нет четкого разграничения. Размеры зон зависят в первую очередь от свойств расплавляемого сырья:

I зона – зона подогрева

II зона – зона плавления

III зона – редукционная (восстановительная) зона

IV зона кислородная

V зона расположена ниже фурменного пояса – от фурменного пояса до пода вагранки

Общее требование к сырью для вагранок – недопустимость фракций менее 20 мм, которые резко увеличивают аэродинамическое сопротивление столба шихты. Оптимальный размер кусков сырья зависит от вида сырья. Кроме гранулометрического состава важной характеристикой сырья является механическая прочность кусков, которая должна быть не менее 1,5 Мпа.

К топливу для вагранки помимо малой реакционной способности предъявляются еще и такие требования: достаточная механическая и термическая прочность, поскольку топливо сразу же попадает и область высоких температур, подвергается ударам загружаемых сверху кусков сырья, а при опускании – трению и давлению в условиях быстро возрастающей температуры; количество золы должно быть в пределах 8-9%, так как она переходит в расплав и влияет на его состав; содержание серы не должно превышать 1,5%.

Основной вид топлива для вагранок – каменноугольный кокс, который характеризуется большой теплотворной способностью (27 000 – 30 000 кДж/кг), малым содержанием летучих веществ, высокой механической и термической прочностью (ρо=400-450 кг/м 3).

Важнейшим эксплуатационным показателем качества кокса является размер кусков. Наиболее предпочтителен крупный кокс размером 80-120 мм.

Производительность вагранки зависит от вида сырья, его гранулометрического состава, равномерности загрузки сырья, интенсивности дутья и расхода кокса.

Обязательное условие нормальной работы вагранок – однородность кусков сырья и кокса и равномерная загрузка. Одинаковые по размеру куски сырья и кокса создают равномерное сопротивление движению газового потока по площади поперечного сечения шахты и способствуют спокойному ходу плавления.

Наиболее эффективно повышается производительность вагранки при интенсивности дутья. С увеличением расхода воздуха, подаваемого в фурмы, производительность вагранки увеличивается, так как ускоряется горение кокса. Однако повышать интенсивность дутья можно до определенного предела, сверх которого сни­жается температура расплава, увеличивается его вяз­кость и производительность резко уменьшается.

В процессе плавки вагранка должна быть полностью загружена шихтой, для чего по мере опускания столба шихтовых материалов она должна пополняться очередными колошами.

При плавке в вагранке перегрев чугуна происходит сразу после расплавления во время протекания капель чугуна через слой раскаленного кокса. Эта особенность является большим преимуществом ваграночной плавки перед другими способами, так как при этом нет необходимости ждать, пока расплавленный металл примет надлежащую температуру.

Работа вагранки может протекать непрерывно, пока производится загрузка ее колошами топлива, чугуна и флюса.

Расплавляемый в вагранке металл подвергается химическим изменениям, которые зависят от времени нахождения расплавляемого металла в зоне наивысших температур. Поэтому в целях уменьшения изменения химического состава расплавляемого металла и, в частности, в целях уменьшения угара, нужно, чтобы плавильный пояс вагранки был возможно тоньше.

Для увеличения срока службы огнеупорной футеровки применяют водяное охлаждение кожуха вагранки, а иногда и фурм.