VII.4. Производство стали

Переработка чугуна в сталь производится в мартеновских печах, конвертерах, электропечах. Суть процесса состоит в окислении при­месей, входящих в состав чугуна. Начнем рассмотрение производ­ства стали с мартеновского производства, дающего более половины стали.

Мартеновский способ получения стали. Для получения стали по мартеновскому способу применяется особая печь, названная по имени изобретателей Мартенов.

Мартеновская печь представляет собой пламенную регенератор­ную печь (рис. 5). Верхняя часть мартеновской печи состоит из рабочего пространства, где происходят плавка металла и важней­шие физико-химические процессы, связанные с переделкой чугуна в сталь. В верхней части рабочее пространство ограничивается сво­дом, а внизу — подом. В мартеновской печи имеются передняя и задняя стенки, с боков печи имеются головки, через которые пода­ется топливо (газ или мазут) и воздух, перед подачей нагреваемые в регенераторах до 1000—1200°С. Через головки также происходит удаление продуктов горения (углекислого газа, сажи, пыли и т. д.). В передней стенке мартеновской печи находятся завалочные окна (от 3 до 7). Через них загружается шихта и ведется наблюдение за плавкой металла. В задней стенке мартеновской печи имеются от­верстия для выпуска металла и шлака. Эти отверстия закрываются огнеупорными пробками. Рабочее пространство мартеновской печи выложено высокопрочным огнеупорным материалом. Огнеупоры могут быть основными пли кислыми в зависимости от того, какой чугуп плавится в мартеновской печи,

Рис. Г>. Разрез мартеновской печи:

/) — рабочее пространство; / — свод; 2 — под; 3 — головки; 4 — завалочные окна; 5, 6 — ка» налы; 7, 8 — регенераторы; 9, 10 — каналы; // —перекидные клапаны

Регенераторы, предназначенные для подогрева воздуха и топли­ва, расположены попарно с обеих сторон мартеновской печи. Они аккумулируют тепло продуктов горения и передают его газу и воз­духу, поступающим в рабочее пространство.

Воздух, газообразное или жидкое топливо подаются в регенера­торы по специальным каналам, снабженным заслонками. Они авто­матически регулируют подачу воздуха и топлива то в один, то в другой генератор и работают попеременно: то одна пара генерато­ров нагревает подаваемый воздух и газ, то другая. Предваритель­ное нагревание воздуха и топлива перед подачей в рабочее прост­ранство дает возможность, с одной стороны, получать в плавильном, или рабочем, пространстве более высокую температуру, а с другой стороны — экономить топливо.

В рабочем пространстве мартеновской печи температура подни­мается до 1900°. Дииасовая футеровка свода мартеновской печи выдерживает 250—300 плавок, а хромомагнезитовая — до 700 плавок. Емкость мартеновских печей колеблется от 20 до 900 т. Раз­меры крупной мартеновской печи следующие: длина — 26—27 м, ши­рина — 8 м, высота рабочего пространства от пода до свода — от 3 до 5 м.

Расход топлива в мартеновских печах зависит от вида приме­няемого топлива.

Мартеновский процесс. Перед началом плавки производится вручную заправка пода мартеновской печи. Цель заправки — очис­тить под мартеновской печи от шлака, который остался от преды-; дущей плавки, и восстановить покрытие. После заправки закрывают выпускное отверстие и приступают к загрузке в печь шихты. Ших­та может быть в виде расплавленного чугуна с добавкой руды и флюсов (рудный процесс) или в виде скрапа (металлолома), чуш­кового (чушковый чугун — чугун в небольших слитках) чугуна и флюсов (скрап-процесс). Существует также скрап-рудный процесс. Загрузка шихты осуществляется специальной завалочной машиной через завалочные окна, которые находятся в передней стенке мар­теновской печи. Скрап-процесс имеет место в мартеновских печах машиностроительных заводов, а также на металлургических пред­приятиях, не имеющих доменных печей, где мартеновские' печи работают на отходах металлообработки и металлоломе. При скрап-процессе металлическая шихта содержит 65—80% скрапа (метал­лолома) и 35—20% чушкового чугуна. Мартеновские печи, рабо­тающие по скрап-процессу, обычно имеют небольшую емкость — в пределах от 20 до 100 т.

Вторым наиболее распространенным способом получения стали в мартеновских печах является рудный процесс (или скрап-рудный процесс). Мартеновские печи, работающие по рудному процессу, как правило, входят в состав металлургических комбинатов, имеющих полный металлургический цикл. Шихта обычно включает 70—90% жидкого чугуна и 10—30% стального лома, железной руды и флюса.

При работе мартеновской печи по рудному процессу выплавка составляет 103—105% от загруженного чугуна за счет использова­ния добавляемой железной руды. Емкость печей, работающих по данному процессу,— 350, 500, 900 т.

Мартеновский процесс легко поддается управлению. В течение суток в каждой мартеновской печи проводится несколько плавок: каждая плавка происходит в течение 5—15 часов. Основным пока­зателем работы мартеновской печи является количество стали в тоннах, снимаемое с каждого квадратного метра пода печи в сутки. Съем стали с 1 м² пода печи колеблется от 4,5 до 13 т в сутки. В целях улучшения технико-экономических показателей мартеновско­го процесса в СССР и ряде других стран применяются двухванно-вые мартеновские печи (объем ванн — до 300 т), обладающие вы­сокой производительностью (до 1,5 млн. т стали в год).

Кислородно-конвертерный способ получения стали ос­нован на выжигании в расплавленном чугуне примесей продувани­ем кислорода. Процесс происходит в конвертерах. Этот способ по­лучения стали стал применяться в СССР с 1955 г. и получил боль­шое развитие. Практически мартеновские печи уже не строят, а строят кислородные конвертеры. Они экономичнее: на каждом миллионе тонн стали экономия составляет примерно 6 млн. руб.

только На капитальных, вложениях и более

'.,, 1 млн. руб.—на эксплуатации. Производи-

{| телыгость одного 250-тонного конвертера со-

Вода

I ставляет около 400 тыс. т стали. При этом

качество конвертерной стали не уступает

мартеновской, а в ряде случаев превосходит ее.

Рис. 6. Кислородный конвертер: / — фурма; 2— лебедка

Конвертер представляет собой стальное сооружение грушевидной формы емкостью от 20 до 350 т. Внутри он выложен огнеупор­ным материалом, вверху имеет отверстие — горловину, через которую заливается жидкий чугун и заваливается скрап. В горловинной части конвертера имеется летка. Конвертер опоясан стальным кольцом с двумя цапфами, с помощью которых он крепится к подшипни­кам опорных рам. С помощью цапф конвертер удерживается в подвешенном состоянии, В то же время он может поворачиваться вокруг горизонтальной оси, что осуществляется дву­мя электродвигателями. По водоохлаждаемой фурме, вводимой лебедкой в горловину кон­вертера, подается кислород под давлением 0—14 атмосфер.

Процесс начинается с завалки металлолома в горловину накло­ненного конвертера*. Затем заливается жидкий чугун. Установив конвертер вертикально, устанавливают фурму (через горловину) и начинают продувать кислород (рис. 6). Первоначально окисляется железо: 2Fe + 02 = 2FeO. Затем железо восстанавливается за счет окисления углерода:

FeO + С = СО + Fe н других примесей (кремния и марганца):

Si + 2FeO ■= SiO₂ + 2Fe Mn + FeO = MnO + Fe

Для удаления из чугуна фосфора в конвертер вводится флюс — из-иесть (СаО), с которой реагирует фосфор, образуя шлак:

2Р + 5FeO + 4СаО = 4СаО • Р₂О₅ + 5Fe

Продуваемый кислород также непосредственно окисляет углерод и
• другие примеси в чугуне.
', Процесс не требует топлива, так как тепло выделяется за счет

сгорания углерода, фосфора и др. Более того, на определенном этапе

необходимо устранить избыточное тепло, понизить температуру. Это

достигается путем добавки в конвертер железной руды (70—80 кг

на 1 т стали) или металлолома (250—300 кг).

Накапливающийся шлак выводят из конвертера через горловину.

Ход плавки и превращение чугуна в сталь контролируются путем

отбора проб.

3 Заказ 41

Для восстановления железа из закиси (раскисление) в ковш во время выпуска стали вводят ферромарганец, ферросилиций или алюминий, которые более активны, чем железо:

2FeO + Mn = Fe + МпО 2FeO + Si = Fe + SiO₂

Окись марганца и окись кремния выводятся в шлак. Длительность процесса зависит от объема конвертера и может составлять от 25 до 60 минут. Сталь выводят из конвертера через боковую летку в ковш. Преимущества этого способа — более дешевый агрегат, чем марте­новская печь, быстрота процесса и более высокая производительность, экономия топлива, меньшие эксплуатационные расходы. Недостат­ки—потери металла за счет выгорания (выход — 90—93%), огра­ниченные возможности использования металлолома.

Производство стали в электропечах. Одним из способов произ­водства стали, который применяется с начала XX века в ряде стран, является электроплавка. Внедрению этого способа производства ста­ли в нашей стране способствует быстрый рост энергетических мощ­ностей, снижение себестоимости электроэнергии и необходимость по­лучения все в больших количествах качественной стали.

Для получения 1 т электростали требуется от 600 до 1000 кВт • ч электроэнергии.

Выплавка стали с помощью электроэнергии производится в ду­говых и индукционных электропечах.

1

В дуговых электропечах плавка металла производится, за счет тепла, образуемого электрической дугой (рис. 7). Последняя возни­кает между графитовым, или угольным, электродом и металлической шихтой. Электроды закрепляются таким образом, что их можно пе­ремещать по вертикали, т. е. приб­лижать к металлической шихте или удалять. Благодаря этому мож­но увеличивать или уменьшать электрическую дугу и на этой ос­нове регулировать температуру в электропечах. Температура в элект­ропечах поднимается до 3500°, что, с одной стороны, дает возможность довольно быстро получать сталь высокого качества, а с другой — требует особо прочной футеровки электропечей.

Рис. 7. Дуговая электропечь: / — угольные электроды; 2 — свод печи; 3 - загрузочное окно; 4 - дугообразные сег-менты; 5 - желоб; 6 - летка; 7 - электро-держатель

Емкость промышленных элект­ропечей может быть от 0,5 до 400 т. Малые электропечи устанавлива­ются на машипостроительпых за­водах, где требуется высококачест- крупные - на ме-

таЛЛурГИЧвСКИХ првДПрИЯТИЯХ.

ВвбДИМаЯ В ЭЛвКТрОПвЧЬ ШИХТа

состоит на 90% из скрапа (лом, металлоотходы) и на 10% из чу­гуна. Чугун вводится в основном для науглероживания'стали. К рас­плавленному металлу в электропечь добавляют небольшое количест­во железной руды (до 10 кг железной руды на 1 т расплавленного металла), которая является кислородопосителем. За счет кислорода железной руды происходит окисление углерода кремния, фосфора, марганца и других примесей, находящихся в металле. Кроме того, в электропечь вводится флюс — известь или кварц в зависимости от того, какой процесс, основной пли кислый. Образующийся в электро­печах шлак через определенные промежутки времени выпускается путем наклона печи. После выпуска шлака в электропечь добавляется определенная порция руды и флюса. На последней стадии плавки вводится небольшое количество мелкого кокса, который совместно с известью переводит в шлак серу.

Электродуговой способ получения стали дает возмож­ность получать сталь с незначительными примесями фосфора и се­ры, которые, как известно, являются очень нежелательными состав­ными частями, так как ухудшают ее качество. Расход электродов составляет 5 — 10 кг па 1 т стали. Продолжительность плавки в элек­троду говои печи — 2—3 часа.

И и д у к ц и о н н а я печь представляет собой огнеупорный тигель, на поверхности которого расположена обмотка полых медных тру­бок. 1)та обмотка является индуктором, и через нее пропускается ток высокой частоты. В полой части медных трубок циркулирует вода для охлаждения самой обмотки, а также внешней поверхности ин­дукционной печи. Работа индукционной печи основана на явлении индукции. 1!о время пропускании электрического тока высокой ча­стоты через обмотку возникают индукционные токи, которые разо­гревают it плавят шихту, находящуюся внутри тигля.

П индукционных печах плавка шихты происходит за счет тепло-пого воздействия индукционных токов. Каких-либо химических про­цессов внутри тигля но происходит. Поэтому состав шихты тща­тельно подбирается, с тем чтобы получить однородный сплав доволь­но точного состава.

Индукционным способом электроплавки получают высоколегиро-ииниие, нержавеющие, жаропрочные и другие виды стали. Окисли­тельные процессы в тигле устраняются за счет применения вакуума пли галовой среды. За счет этого повышается качество получаемой стили. Кмкоеть подобных печей в СССР — до 25 т.

Дуплекс-процесс. Дуплекс-процесс является одним из способов получения высококачественной стали. Он основан на использовании и электропечах жидкого металла (стали), полученного в конвертерах пи кислородном дутье или мартеновской печи. Существуют и другие рн.шпипдностп дуплекс-процесса: конвертер — мартеновская печь, пидукшюшыя печь — дуговая печь и т. п. Конвертерная или марте-iioitcKiiii стиль поступает в электропечи, где она освобождается от се­ры II |ШГКП(',11Я(!Т('Я.

Икопомпческои основой применения дуплекс-процесса является, мо нерпых, небольшой расход электроэнергии для получения высоко-

Дата добавления: 2014-10-31