Ii.2.1. Производство чугуна и стали

 

Чистое железо (Fe) – вязкий и ковкий металл, плотность его 7,87 г/см³ при 20 °С, температура плавления 1535 °С, кипения 2450 °С.

Железо с углеродом образует различные железоуглеродные сплавы. Сплавы, содержащие до 2 % углерода, называют сталями; сплавы с бóльшим содержанием углерода – чугунами. Содержание углерода определяет свойства сплавов. Чугун тверд, хрупок и трудно поддается обработке. С увеличением содержания углерода повышается твердость и прочность стали и одновременно понижается ее пластичность.

Помимо углерода в чугуне обычно присутствуют кремний, хром, марганец, случайные и попутные металлы, а также вредные примеси – сера и фосфор, газы – кислород, водород, азот.

Сера сообщает металлу свойство красноломкости (непрочность при температуре красного каления). Фосфор делает металл хрупким при обычных и пониженных значениях температуры.

Современная металлургия железа включает две основные стадии, или передела: 1) восстановительная плавка железных концентратов в доменной печи с получением чугуна; 2) рафини­рование чугуна в сталеплавильных агрегатах различных типов с получением стали. Разрабатываются также процессы получения стали или железа непосредственно из руд (бездоменные).

по химическому и минералогическому составу железные руды подразделяют на четыре типа: бурый, красный, магнитный и шпатовый железняки. Бурый железняк - это гидроксид железа Fe₂О₃ × n Н₂О. Красный железняк, или гематит, содержит железо в виде безводного оксида железа Fe₂О₃. Магнитный железняк содержит магнетит Fe₃О₄. Шпатовый железняк, или сидерит, представляет собой карбонат железа FeСО₃. Распространены также руды, в которых железо представлено ильменитом (FeTiO₃). Из перечисленных минералов наибольшее распространение получил магнетит, поэтому железные руды обогащают, в основном, магнитными методами. Получаемые концентраты содержат 60-65 % железа. Их подвергают шихтовке, окускованию и затем плавят в смеси с коксом в доменной печи.

Шихтовка концентратов проводится с целью усреднения их состава, а также смешения с требуемыми флюсами. Флюсы в доменной плавке применяют для связывания оксидов пустой породы и золы кокса в шлаки определенного состава, обеспечивающего необходимые физические свойства шлаков (вязкость, плотность и др.). В качестве флюса обычно используют известняк.

Окускование шихты необходимо по условиям работы доменной печи. Наличие в шихте мелкого материала резко ухудшает газопроницаемость столба шихты в печи, вызывает большие потери материала с пылевыносом. Оптимальная крупность материала для доменной плавки 30-100 мм. Окускование может осуществляться двумя методами: агломерирующим обжигом и окатыванием.

Агломерирующий обжиг проводится на ленточных агломашинах, лента которых состоит из секций (паллет), имеющих дырчатую поверхность. На ленту укладывают слой шихты, состоящей из железного концентрата (40-50 %), оборотного агломерата (20-30 %), угля (4-6 %), флюсов (15-20 %), влаги (6-9 %). При движении ленты каждая секция (паллета) попадает сначала под зажигательный горн, где воспламеняется уголь, содержащийся в шихте. При дальнейшем движении сквозь секции просасывается воздух, продолжается горение угля и развивается высокая температура (1500 °С). В результате происходит частичное оплавление материала и он спекается в крупные куски (агломерат). После схода с машины агломерат охлаждают, дробят и отгрохачивают до нужного класса крупности.

При окусковании окатыванием железный концентрат в смеси с флюсом окатывают в шарики (окатыши) диаметром 20-35 мм в чашевых или барабанных грануляторах. Для механического упрочнения окатышей их подвергают высокотемпературному (900-950 °С) обжигу.

Таким образом, первым основным исходным продуктом доменной плавки является агломерат или окатыши.

Второй обязательный исходный продукт плавки - кокс, который служит восстановителем оксидов металлов и источником тепла для плавки. Он должен отвечать следующим требованиям: 1) обладать высокой теплотой сгорания; 2) характеризоваться достаточной прочностью и термостойкостью; 3) обладать неспекаемостью в условиях доменного процесса; 4) иметь достаточную чистоту по содержанию вредных примесей – серы и фосфора.

Рис.Ii.1. Схема доменной печи 1 – горн; 2 – заплечики; 3 – распар; 4 – шахта; 5 – колошник; 6 – возду- ховод; 7 – фурма

Третьим исходным продуктом доменной плавки является воздушное дутье. Воздух необходим для сгорания кокса.

Доменная печь имеет объем от 2000 до 5000 м³ и более. Собственно доменная печь - это печь шахтного типа (рис.Ii.1), состоящая из фундамента, горна, заплечиков, распара, шахты, колошникового устройства и засыпного аппарата. Печь армирована стальным водоохлаждаемым кожухом и футерована внутри шамотным кирпичом или графитовыми блоками. В верхней части горна печи имеется фурменная зона, где расположены 18-20 фурм для вдувания в печь нагретого воздуха. Чугун и шлак выпускают через летки, представляющие собой каналы в кирпичной кладке, расположенные соответственно на расстоянии 0,5 и 1,4-1,9 м от уровня лещади. В промежутках между выпусками чугуна и шлака летки закрывают.

сверху через колошник в печь порциями загружают агломерат (окатыши) и кокс, а снизу через фурмы подают воздух. Доменная плавка – это совокупность химических, физических, теплообменных и механических процессов, в результате которых из загруженных в доменную печь исходных материалов – агломерата (окатышей), кокса и флюса – получают продукты плавки – чугун, шлак и колошниковые газы. В процессе плавки шихтовые материалы перемещаются сверху вниз, а газы - снизу вверх. Скапливающиеся в горне печи чугун и шлак периодически выпускают.

Основными процессами, протекающими в печи, являются: горение топлива; восстановление оксидов; образование чугуна и шлака.

В районе фурм происходит интенсивное горение кокса за счет кислорода вдуваемого воздуха. углерод сгорает преимущественно по реакции

С + О₂ = СО₂ + 395 кДж,

в результате чего развивается температура 1700-1900 °С.

По мере продвижения газов к оси печи и уменьшения содержания в них кислорода углекислый газ реагирует с кусками раскаленного кокса по реакции

С + СО₂ = 2СО – 172 кДж.

Восстановление высшего оксида железа Fe₂O₃ при температуре выше 570 °С происходит ступенчато:

Fe₂O₃ ® Fe₃O₄ ® FeO ® Fe.

Восстановителем могут являться твердый кокс и оксид углерода (СО), содержащийся в печных газах. Кинетически предпочтительней оксид углерода, который и является основным восстановителем железа:

3Fe₂O₃ + СО = 2Fe₃O₄ + СО₂ + 63,2 кдж;

Fe₃O₄ + СО = 3FeO + СО₂ - 23,5 кдж;

FeO + СО = Fe + СО₂ + 13,2 кдж.

Основная масса оксидов железа восстанавливается в доменной печи в зонах нижнего горизонта шахты, распара и заплечиков. При высоких значениях температуры (более 1000 °С) в этих зонах и при наличии в шихте кусков кокса развиваются реакции прямого восстановления оксидов железа твердым углеродом:

FeO + С= Fe + СО – 158,8 кДж.

Восстановление оксидов железа сопровождается его науглероживанием по реакции

3Fe + 2СО = Fe₃С + СО₂.

Науглероженное железо плавится на уровне распара и заплечников и каплями стекает по кускам кокса, дополнительно растворяя углерод.

Одновременно с железом могут восстанавливаться и примеси, содержащиеся в шихте, основные из которых марганец, кремний, хром, фосфор:

МnO + CO = Mn + CO₂;

SiO₂ + 2C = Si + 2CO.

Восстановленное, науглероженное железо плавится, растворяет в себе восстановившиеся примеси и в виде слоя расплавленного чугуна скапливается на дне горна. Следует отметить, что реакция науглероживания железа полезна с энергетических позиций, так как температура плавления науглероженного железа на 300-400 °С ниже, чем чистого.

Минералы пустой породы взаимодействуют друг с другом а также с оксидами флюсов, образуют легкоплавкие соединения и в виде слоя расплавленного шлака скапливаются над слоем чугуна. Доменный шлак в основном состоит из трех оксидов: 30-40 % SiO₂, 10-20 % Al₂O₃ и 40-50 % СаО.

 

Таким образом, конечными продуктами доменной плавки являются чугун, шлак и колошниковый газ.

Чугун выпускается, в основном, двух типов - передельный и литейный. Они отличаются содержанием примесей (в литейном их больше). Передельный чугун служит сырьем для получения стали, а литейный поступает на изготовление малоответственных чугунных деталей. В доменной печи выплавляют также специальные чугуны (фосфористый, зеркальный) и ферросплавы – ферромарганец и ферросилиций.

Шлак, выпускаемый из печи, обычно гранулируют в воде, и он используется в строительстве.

Колошниковый газ, содержащий 8-12 % СО₂, 27-32 % СО, 0,2-0,4 % СН₄, 2,5-4 % Н₂ и 57-58 % N₂, после трехстадиальной очистки от пыли используется как топливо для внутренних нужд предприятия.

Необходимым условием для нормальной работы доменной печи является подогрев исходного воздушного дутья до 1000-1100 °С. Современная доменная печь потребляет в сутки 15-20 тыс.т воздуха, для подогрева которого применяют подогреватели (3-4 шт. на одну печь).

Подогреватель представляет собой вертикальный металлический цилиндр (диаметр около 9 м, высота до 36 м), внутренняя полость которого по вертикали разделена на две части. Одна часть является топкой, в которой в струе воздуха сгорает колошниковый газ. Другая часть заполнена насадкой из пористого огнеупорного материала. поверхность насадки 25-30 м²/м³. Горячие газы, образующиеся в топке, проходят сквозь насадку, отдавая ей свое тепло. После того, как температура насадки достигнет порядка 1100 °С, сжигание колошникового газа прекращают. И в подогреватель в обратном направлении подается холодный воздух, который, проходя насадку, нагревается и поступает из нагревателя в доменную печь. Подогреватели работают попеременно: одни нагреваются, другие подогревают воздух.

Производство стали – второй этап двухстадиальной схемы извлечения железа из руд путем передела чугуна и металлоотходов в сталь.

Чтобы понять сущность сталеплавильных процессов, необходимо представлять различие в составе чугуна и стали: чугун

Fe + С (больше 2 %) + примеси;

сталь

Fe + С (меньше 2 %) + легирующие добавки.

При этом примеси в чугуне - это случайные элементы, попадающие в него при доменной плавке. Их состав и количество определяется составом перерабатываемой руды (в основном это кремний, марганец, фосфор и сера). Легирующие добавки в стали - это строго определенные элементы, добавляемые в заданном количестве.

В нашей стране существует ГОСТ 1050-60 на обозначение легирующих и маркировку стали:

 

Легирующая добавка	С	Mn	Si	Cr	Ni	Mo	W	V	Al	Ti
Обозначение стали	У	Г	С	Х	Н	М	В	Ф	Ю	Т

 

В соответствии с маркировкой стали цифра перед буквами обозначает десятые доли процента углерода, цифры после буквы - содержание легирующих добавок в процентах. Если после буквы нет цифры, то содержание легирующей составляет около 1 %. Следовательно, сталь марки 2Х2Н4М содержит: 0,2 % углерода, 2 % хрома, 4 % никеля и 1 % молибдена.

Для превращения чугуна в сталь необходимо: уменьшить в нем содержание углерода; удалить все примеси и добавить необходимое количество легирующих.

Процессы получения стали из чугуна включают:

1. Окисление углерода и примесей (кремния, марганца, фосфора, серы и др.). Окислителем является кислород. Источником же кислорода могут быть: воздух или технический кислород, оксиды железа, кислород, растворенный в металле. Поэтому реакцию окисления углерода чугуна можно записать так:

2С + О₂ = 2СО;

С + (О) = СО;

С + [O] = СО,

где О₂ - газообразный кислород; (О) - кислород оксидов; [O] - кислород, растворенный в металле.

В промышленных способах получения стали наибольшее значение имеют две первые реакции. Таким же способом окисляются и примеси. Реакции окисления углерода и примесей сильноэкзотермичны, и их тепла с избытком хватает для проведения процесса получения стали.

2. Ошлакование окислившихся примесей. Оксиды примесей вступают во взаимодействие с другими оксидами (шлакующими) и образуют легкоплавкие соединения – шлак, который скапливается на поверхности расплавленного металла. Источником шлакующих оксидов являются футеровка агрегата и добавляемые флюсы. Образующийся шлак по мере накопления удаляют с поверхности металла.

3. Раскисление стали. В результате окисления металл насыщается избыточным кислородом. Для его удаления (раскисления) в металл после удаления шлака добавляют кремний или алюминий (обычно в виде сплава с железом). Поскольку эти элементы имеют большое сродство к кислороду, они взаимодействуют с ним, образуют оксиды и шлакуются.

4. Легирование стали. В очищенный металл вводят необходимые легирующие добавки в требуемом количестве.

Все эти процессы обязательны независимо от того, каким способом получают сталь.

Основные способы получения стали из чугуна: 1) конвер­терный (~60 %); 2) мартеновский (~20 %); 3) электропечной (~20 %).

Сущность конвертерного способа состоит в том, что через расплавленный чугун продувают воздух (томасовский и бессемеровский процессы) или технический кислород (кислородно-конвертерный процесс). В настоящее время наибольшее распространение получил последний.

Кислородный конвертер представляет собой цилиндрический сосуд с суживающимся верхом (горловиной). Изнутри он футерован огнеупорным кирпичом (рис.Ii.2). В районе горловины имеется летка для слива шлака и выпуска стали. Конвертер может поворачиваться вокруг горизонтальной оси. Сначала в конвертер через горловину заливают жидкий чугун, добавляют необходимые флюсы и опускают в него водоохлаждаемую трубу - фурму, по которой подают под высоким давлением (9-14 ат.) технический кислород. Струя кислорода перемешивает ванну жидкого чугуна, при этом происходит интенсивное окисление углерода и примесей. Одновременно образуется шлак. После окончания процессов окисления и ошлакования подачу кислорода прекращают, фурму выводят из конвертера и его наклоняют для выпуска сначала шлака, а затем стали. Сталь выпускают в ковши, при этом в струю металла вводят раскислители. Легирование стали осуществляется в ковшах.

Рис.Ii.2. Схема кислородного конвертера

Емкость конвертеров составляет 50-400 т стали. Процесс кислородно-конвертерного получения стали характеризуется очень высокой интенсивностью. Так, например, варка стали в 300-тонном конвертере занимает всего 20-40 мин.

Сущность мартеновского способа состоит в том, что чугун перерабатывают в сталь на поду пламенной отражательной печи. В обычной печи невозможно достичь температур, необходимых для получения стали. П.Мартен предложил подавать в печь топливо и воздух, предварительно подогретые до 1100 °С, используя для подогрева тепло отходящих газов. Это позволяет поднимать температуру в печи до 1800 °С.

Мартеновская печь - это емкость прямоугольной формы, подина, стенки и свод которой футерованы огнеупором. С торцевых сторон печи имеются головки, в которых расположены фурмы для подачи воздуха и топлива, а также каналы для отвода печных газов. Печь с каждой стороны снабжена двумя регенераторами (полости, заполненные пористой огнеупорной насадкой). Движение газов в печи периодически изменяется (реверсируется). Сначала через предварительно нагретую пару регенераторов в печь подают топливо и воздух, а горячие печные газы отводят через другую пару регенераторов (рис.Ii.3). По мере нагрева второй пары генераторов и остывания первой пары направление газов автоматически изменяют. Теперь в нагретые регенераторы начинает поступать топливо и воздух, а в остывшие - печные газы. В передней стенке печи имеются закрывающиеся рабочие окна, через которые производится загрузка исходных продуктов плавки.

Рис.Ii.3. Схема мартеновской печи 1 – регенераторы; 2 – шлаковики; 3 – вертикальные каналы; 4 – головки; 5 – рабочее пространство; 6 – вентилятор; 7 – переводные клапаны; 8 - горизонтальные каналы; 9 – задвижки

Для окисления примесей чугуна необходим кислород и, хотя атмосфера в мартеновской печи окислительная, кислорода печных газов недостаточно для ведения процесса окисления. Поэтому необходимым условием мартеновской плавки является присутствие в исходных продуктах железного лома (скрапа), кислород оксидов которого и является окислителем примесей чугуна. Если не хватает и его, то в шихту добавляют железную руду. Мартеновский способ получения стали - трудоемкий, длительный процесс (одна плавка занимает 7-12 ч), поэтому в настоящее время вытесняется более прогрессивными (например, конвертерным).

Рис. 11.4. Схема дуговой электропечи 1 - механизм качания; 2 – рабочее окно; 3 – электроды; 4 - огнеупорная футеровка; 5 – жидкая ванна металла; 6 – выпускное отверстие с желобом

Сущность электропечного способа состоит в том, что сталь из чугуна получают в электродуговой печи. Она представляет собой емкость круглого сечения, футерованную изнутри огнеупорным кирпичом (рис.Ii.4). Через свод печи в нее опущены три графитовых электрода. Электродуга, возникающая между электродами и ванной расплава, является источником тепла для плавки. Такие печи выпускаются емкостью 12, 25, 50, 100 и 200 т. Большими преимуществами электроплавки являются: возможность быстрого достижения высокой температуры, точная регулировка температуры, создание в печи любой атмосферы. В настоящее время все высококачественные стали получают электропечным способом.