Конверторный способ производства стали

Стали.

Специальные чугуны (ферросплавы).

Специальные чугуны отличаются от обычных чугунов тем, что в них имеется повышенное содержание кремния и марганца или содержатся хром, титан, вольфрам и другие элементы.

Ферросплавы применяются в качестве присадок при получении чугунного литья для ответственных отливок, а также при получении стали, являясь раскислителями стали.

Ферросилиций – это чугун, в котором кремния содержится от 9 до 13 % и свыше 13 % до 15 %.

Ферромарганец содержит марганца от 70 до 75 %.

Производство стали.

Сталь является важнейшим в промышленности материалом. Основное отличие стали от чугуна по составу заключается в том, что сталь содержит меньше углерода, а также меньше вредных примесей – серы и фосфора. Для получения стали из чугуна нужно удалить часть углерода и вредных примесей.

Сталь производиться тремя способами: конверторным, мартеновским и электрическим. Конверторный способ был открыт в 1856 г. Бессемером в Англии. В России этот способ появился в конце XIX века.

Сущность конверторного способа производства стали состоит в том, что через жидкий чугун, залитый в конвертор, продувается воздух, кислород которого окисляет углерод и другие примеси. Конвертор (Рис.44.) – это грушевидный сосуд, выложенный огнеупорной кладкой и покрытый стальным кожухом. В цилиндрической части конвертор опоясан мощным стальным кольцом. К кольцу присоединены две цапфы, при помощи которых конвертор опирается на станину. Через полую цапфу в конвертор поступает воздух из воздухопровода. На конце второй цапфы насажено зубчатое колесо, соединенное с зубчатой рейкой. Рейка приводится в движение гидравлическим или электрическим приводом. Движением рейки конвертор поворачивается на требуемый угол. В нижней части конвертора находится съемное днище, выложенное огнеупорным кирпичом.

Дутье подается через полую цапфу и по трубе подается в воздушную коробку, а затем по фурмам – воздушным каналам, находящимся в днище, - в конвертор. Для заливки чугуна конвертор поворачивают в горизонтальное положение. При таком положении конвертора жидкий чугун не доходит до фурм и не заливает их. После заливки чугуна и завалки скрапа или руды и извести (в зависимости от характера процесса) начинают подавать дутье и поворачивают конвертор в вертикальное положение. Давление дутья значительно больше, давления жидкого металла, и поэтому фурмы не заливаются. После окончания продувки конвертор наклоняют в горизонтальное положение, а затем прекращают дутье. Полученную сталь после проверки ее состава выливают в ковш.

Существуют два вида конверторного процесса: кислый – бессемеровский и основной – томасовский (Рис.45.).

Рис.44. Схема устройства конвертора:

а – вертикальный разрез конвертора;

б – положение конвертора при заливки чугуном.

Бессемеровский способ. В бессемеровском конвертореогнеупорная кладка сделана из кислого огнеупора – динаса. Процесс в бессемеровском конверторе делится на три периода.

Первый период – окисление основной массы чугуна – железа, а также кремния, марганца и углерода кислородом вдуваемого воздуха за счет кислорода закиси железа FeO, образующейся в большом количестве при горении железа.

Процессы окисления протекают по реакциям:

Fe + O₂ = FeO + Q (64430 кал)

Mn + FeO = MnO + Fe +Q (32290 кал)

Si + 2FeO = SiO₂ + 2Fe +Q (78890 кал)

Выгорание примесей кремния и марганца происходит с большим выделением тепла, особенно при окислении кремния, благодаря чему температура в конверторе повышается на 300 – 400º. Этот период сопровождается бурным выделением искр, он называется периодом искр. Пламя при этом малиново–красное. Длится первый период 7-8 мин; одновременно начинается шлакообразование.

Второй период характеризуется активным окислением углерода, которое осуществляется по реакции

FeO + C = Fe + C – Q.

Выгорание углерода идет с большим поглощением тепла, поэтому температура в конверторе несколько понижается. Образующаяся окись углерода СО сгорает СО₂. пламя при этом ослепительно белое. Выгорание длится 8-10 минут. Содержание углерода в полученной стали должно быть 0,4 – 0,5 %. Если требуется выплавить сталь с меньшим содержанием углерода, то процесс выгорания углерода продолжается в третьем периоде. Факел пламени уменьшается, появляется бурый дым – признак горения железа с образованием FeО; процесс доится 3 – 4 минуты, после чего процесс продувки заканчивается.

Конвертор поворачивают в горизонтальное положение, подачу воздуха прекращают. Однако сталь нельзя считать готовой, так как в ней растворено большое количество закиси железа (FeO). Кислород в стали является вредной примесью, придающей ей хрупкость в горячем состоянии – красноломкость, поэтому для удаления кислорода применяют раскисление стали. Раскислителями являются ферросилиций, ферромарганец и алюминий. Раскисление идет по реакциям:

FeO + Mn = MnO = Fe,

2FeO + Si = SiO₂ + 2Fe,

3FeO + 2Al = Al₂O₃ + 3Fe.

Раскислители вводят прямо в конвертор, в разливочный ковш или на струю металла. Если в полученной стали недостаточно углерода, ее науглероживают в конце плавки, вводя в жидкий металл чугун, чистый в отношении серы и фосфора. После раскисления и науглероживания сталь разливают.

Бессемеровский чугун должен содержать минимальное количество серы и фосфора (не более 0,06%), так как для удаления их нельзя вводить известковый флюс CaCO₃, реагирующий с футеровкой.

Невозможность использования бессемеровского конвертора для переплавки в сталь чугуна с повышенным содержанием серы и фосфора привело к созданию томасовского или основного способа.

Томасовский способ. Этим способом переплавляют чугуны с высоким содержанием фосфора (до 1,5 -2,5 %) и низким содержанием кремния (от 0,2 до 0,9 %). Томасовский конвертор выложен основным огнеупором – смоло– доломитовыми блоками. Фосфор в томасовском процессе играет решающую роль, аналогичную той, какую играет кремний в бессемеровском, так как фосфор при выгорании выделяет большое количество тепла, необходимое для повышения температуры в конверторе. Перед заливкой чугуна в конвертор забрасывают известняк в количестве

12-20 % от веса чугуна, после заливки чугуна производят продувку.

Томасовский процесс также делиться на три периода.

Рис.45. Конверторные процессы.

Первый период – окисление кремния, марганца, железа.

Второй период характеризуется окислением углерода по реакции

С + FeO = CO + Fe – Q

Третий период – период выгорания фосфора, частично за счет свободного кислорода, но главным образом за счет кислорода FeO.

Реакции протекают следующим образом:

2Р + 5FeO = P₂O₅ + 5Fe + Q (47850 кал);

P₂O₅ + 3FeO = (FeO)₃P₂O₅ + Q (52360 кал);

(FeO)₃P₂O₅ + 4CaO = (CaO)₄P₂O₅ + 3FeO + Q (108340 кал).

Выгорание фосфора и переход его в шлак сопровождается очень большим выделением тепла.

В томасовском конверторе выплавляют главным образом малоуглеродистую сталь, так как выгорание фосфора начинается только после почти полного выгорания углерода. Для получения более высокого процента углерода в стали ее науглероживают. Раскисление производится так же, как в бессемеровском процессе, только предварительно сливают шлак.

Кислородно-конверторная плавка.

Процесс основан на продувке чугуна кислородом, подводимым сверху в глуходонный конвертор (Рис.46.). Конвертор установлен на станинах и снабжен механизмом вращения. Кладку такого конвертора делают из доломитового кирпича на смоляной связке или из специального магнезитового кирпича и высокоглиноземистого кирпича. Конвертор имеет глухое дно и у него отсутствует воздушная коробка. В конверторе переплавляется чугун обычного состава: металлический лом 21-23 % от состава шихты, железная руда, окалина. При плавке вводятся флюсы. Процесс происходит следующим образом: вначале в конвертор вводят твердую шихту, затем заливают жидкий чугун и засыпают известь, плавиковый шпат, иногда доломит. В горловину конвертора вводят водоохлаждаемую кислородную фурму, устанавливают ее на расстоянии 400-600 мм над уровнем ванны и начинают продувку кислородом.

В первый период происходит энергичное окисление примесей кремния, марганца, фосфора с образованием окислов 2FeO SiO₂, 2MnO SiO₂, 3FeO P₂O₅, переходящих в шлак, который сливается. Во втором периоде присаживается известь, окисление сопровождается бурным выделением тепла, так как идет за счет горения примесей в чистом кислороде. Температура достигает 2500º С. Присадка металлолома и руды служит для охлаждения горячего процесса и в тоже время резко увеличивается выход жидкой стали. После продувки сталь раскисляют. Полученную сталь выливают через специальный желоб, что препятствует перемешиванию металла со шлаком. Шлак выливают через горловину. Раскислители вводят в ковш или в струю металла.

Рис.46. Глуходонный конвертор с фурмой и камином. 1- камин, 2- конвертор, 3- фурма.

Камин устанавливается над горловиной для улавливания паров испаряющегося металла и пыли. Продукты горения направляются в котел – утилизатор, где тепло используется для обогрева.

Мартеновский способ производства стали.

Материалы для мартеновской плавки. Исходными продуктами являются: металлический лом (скрап), передельный (белый) чугун, железная руда. Кроме того применяются флюсы, преимущественно известняк. В зависимости от исходных продуктов в мартеновской плавке различают два важнейших процесса.

1. Скрап – процесс, в котором шихтой служат металлический лом и чушковый чугун.

2. Рудный процесс, где шихтой являются железная руда и жидкий чугун, (жидкий чугун составляет 80 -90 %).

В качестве топлива могут применять: природный газ, смесь доменного и коксовального газов, нефть и мазут.

Мартеновская печь. Мартеновская печь называется пламенной регенеративной, так как принцип ее работы основан на регенерации тепла, обеспечивающей высокую температуру печи, необходимую для ведения плавки.

Основной частью мартеновской печи является рабочее пространство А (Рис.47.). Здесь происходят: горение топлива, окисление примесей, расплавление шихты, образование металла и шлака. Сверху рабочее пространство ограничено сводом 1, снизу – подом 11, задней и передней стенками, а с боковых сторон головками 3. в передней стенке имеются завалочные окна 2, их бывает от трех до семи, в зависимости от величины печи. Завалочные окна закрываются огнеупорными заслонками.

В задней стенке внизу имеется отверстие для выпуска металла и одно или два отверстия для шлака.

.

Головки печи расположены симметрично. В них находятся каналы 4 и 5, через которые в печь поступают газ и воздух и отходят продукты горения. В нижней части головки соединяются с регенераторами 6 и 7, установленными попарно с обоих сторон печи. Регенераторы представляют собой камеры, выложенные огнеупорным кирпичом. Внутри регенераторов имеется огнеупорная насадка с вертикальными каналами. В нижней части регенераторы соединяются с каналами 8 и 9, по которым поступают воздух и газ и отходят продукты горения. Для регулирования направления движения газа и воздуха в печь, а продуктов сгорания – к дымовой трубе в каналах имеются переходные клапаны 10.

При работе на природном газе подогрев не требуется, так как при нагреве произойдет распад углеводородов со значительным снижением теплотворности газа; в этом случае газовые регенераторы отсутствуют.

Современные печи полностью выкладывают из хромомагнезитового кирпича.

Процесс мартеновской плавки. Процесс мартеновской плавки в основной печи делится на три периода: плавление, кипение, раскисление. Первый период – плавление – начинается одновременно с завалкой материалов. Период плавления характеризуется энергичным окислением примесей чугуна. вначале окисляется железо по реакции

2Fe + O₂ = 2FeO.

Затем начинается окисление кремния и марганца по реакциям

Si + 2FeO = SiO₂ + 2Fe;

Mn + FeO = MnO + Fe.

Образовавшиеся окислы плохо растворяются в металле и, смешиваясь, образуют шлак. Ошлакование серы происходит по следующим реакциям:

FeS + Mn = MnS + Fe;

MnS + CaO = MnO + CaS,

либо сера непосредственно ошлаковывается известняком:

FeS + CaO = CaS + FeO.

Окисление фосфора идет по тем же реакция, что и в «Томасовском процессе».

Второй период – кипение – является наиболее ответственной частью прочеса. В этом периоде металл освобождается от углерода и максимально очищается от вредных примесей. Главной реакцией здесь является

C + FeO = CO + Fe

Газообразная окись углерода не растворяется в металле и образует пузыри, которые, вырываясь из ванны, создают кипение.

Третий период – раскисление – преследует ту же цель, что и раскисление в конверторе.

По характеру раскисления различают сталь спокойную, кипящую, полуспокойную.

Спокойная сталь является полностью раскисленной, газы в ней не выделяются, так как весь кислород ее связан с раскислителем. Ее раскисляют вначале ферромарганцем, а затем ферросилицием и алюминием.

Кипящая сталь – это не полностью раскисленная сталь. При разливке она кипит благодаря выделению окиси углерода. Раскисляют эту сталь только ферромарганцем.

Полуспокойная сталь раскисляется меньше, чем спокойная, и в ней сохраняется некоторое количество кислорода в виде FeO.

Дата добавления: 2014-10-17