Теория и технология производства стали 1. Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act

• Название: Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act
• Анкор: Теория и технология производства стали 1.doc
• Дата: 22.04.2017
• Размер: 7.23 Mb.
• Имя файла: Теория и технология производства стали 1.doc
• Тип: Учебник; #5208
• страница: 10 из 88

Рис. 6.2. Схема установки для десульфура­ции чугуна:

а — с керамической мешалкой; 6— с вдуванием реа­гентов (см. на цветной вклейке); У— ковш с метал­лом; 2 — ротор-мешалка; 3 — колпак для пылеулав­ливания; 4 — подача десульфуратора; 5 — отвод газов

некоторое снижение содер жания кремния также благоприятно для дальнейшего передела чугуна в конвертере.

В настоящее время лучшим десуль-фуратором чугуна признан магний, поскольку его применение по сравне­нию с другими реагентами позволяет получать конечное содержание серы менее 0,01 %, требует малых эксплуа­тационных и капитальных затрат на обработку; сам реагент экологически безопасен так же, как и продукты его реакции с чугуном. Для десульфура-ции в основном используют гранули­рованный магний; его вводят в ковш с чугуном при помощи фурмы или в виде порошковой проволоки.

Работа с магнием имеет свои осо­бенности, связанные, во-первых, с тем, что магний при нагреве до темпе­ратуры расплавленного металла испа­ряется, объем его возрастает в тысячи раз (рис. 6.3) и, во-вторых, энергия взаимодействия паров магния с при­месями жидкого металла и с окружаю­щим воздухом (окисление магния с образованием MgO с выделением большого количества тепла: 2Mg_r + О₂ = 2MgO, ΔG º = -726 900 + + 202,027) настолько велика, что на­блюдается пироэффект в виде яркой вспышки. Поэтому магний вводят в металл обычно под специальным кол­паком-испарителем со щелями для выхода паров магния (рис. 6.4) или ка­ким-либо иным способом, исключаю­щим выброс жидкого металла (пасси­вирование кусков магния, заполнение магнием пор в кусках инертного мате­риала, в пористых кусках кокса (рис. 6.5), введение в чугун гранулиро ванного магния в токе природного газа или азота, в составе порошковой проволоки и т. п.).

Какой способ ввода магния лучше? Многие производственники предпочтение отдают обработке проволокой, содержащей смесь магния с инертны­ми добавками. Инертные добавки придают жесткость проволоке, необ­ходимую для ее ввода на большую глу­бину, и, кроме того, служат глубин­ным пассиватором магния, дополни­тельно рассредоточивая его пузырьки в объеме металла. Процесс десульфурации происходит более спокойно, без выбросов и пироэффекта. Дости­гается на 2—4 % большая степень десульфурации чугуна, чем в случае ис­пользования чистого магния.


Рис. 6.3. Изменение объема паров магния ΔV_Mg при повышении температуры

Рис. 6.4. Фурма для ввода магния в чугун:

/— испарительная камера с отверстиями для выхо­да паров магния; 2—несущая труба; 3— канал; 4 — стальная арматура (покрывается огнеупорной обмазкой); 5— фланец


Рис. 6.5. Схема установки для десульфура-ции чугуна магниевым коксом:

1 — четырехходовой цепной подъемник; 2—сталь­ной балласт; 3— стальной вал; 4— ковш миксерно-го типа; 5— графитовый стержень; 6— чугун; 7 — магниевый кокс; 8— графитовый колокол
На рис. 6.6 представлена в удобном для практической работы виде номо­грамма расхода магнийсодержащей порошковой проволоки. Например, при начальном содержании серы в чу­гуне 0,02 % и желаемом конечном 0,005 % удельный расход магния дол­жен составлять 0,62 кг/т чугуна, или в ковш следует ввести 1900м порош­ковой проволоки (при содержании магния в 1 м проволоки 35 г; средний налив ковша 105 т).

Хорошие результаты по обессери-ванию чугуна могут быть получены при использовании соды:
Na₂CO₃ + [С] = Na₂0+ 2CO,

Na₂O + [S] + [С] = Na₂S + СО

Na₂CO₃ + 2[С] + [S] = Na₂S + ЗСО.
Однако при обработке содой в ат­мосферу выделяется большое количество летучих веществ (включая испаря­ющийся Na₂O, образующийся при кон­такте соды Na₂CO₃ с расплавленным металлом). Этот метод требует обяза­тельного наличия стендов, оборудован­ных хорошо действующими пылеулав­ливающими устройствами. Должна быть освоена технология утилизации уловленных соединений натрия.


Рис. 6.6. Номограмма расхода магнийсодер­жащей порошковой проволоки при десуль-фурации чугуна на Мариупольском метал­лургическом комбинате им. Ильича (105-т ковш)

6.3. ВНЕДОМЕННАЯ ДЕФОСФОРАЦИЯ ЧУГУНА
Для удаления из жидкого чугуна фос­фора используют обычно или смеси прокатной окалины (или железной руды) с известью и плавиковым шпа­том, или соду, или известь, вдуваемую в потоке кислорода.

При обработке смесями оксидов железа и извести идет реакция

2[Р] + ЗСаО + 5FeO = ЗСаО • Р₂О₅ + 5Fe.

При обработке содой реакция име­ет вид (рис. 6.7)

4[Р] + 5Na₂CO₃ = 5Na₂O • 2Р₂О₅ + 5С.



Рис. 6.7. Схема установки для дефосфора-ции чугуна содой с вдуванием и без вдува­ния порошка:

/ — чугуновозный ковш; 2—крышка; 3 — конвейер (подача реагентов без вдувания); 4— питатель; 5— бункер для соды; 6— бункер для окалины; 7— пнев-монагнетатель; 8— загрузочный бункер; 9— устрой­ство для отбора проб и измерения температуры; 10— устройство для подъема фурм; 11 — фурма для введения кислорода; 12— фурма для вдувания по­рошка; 13 — зонт для улавливания пыли; 14— ме­талл; 15— шлак

Опыт показал, что при наличии в чугуне кремния введение как оксидов железа, так и соды сопровождается энергичным его окислением:

[Si] + 2FeO = Si0₂ + 2Fe,

[Si] + Na₂CO₃ = Na₂O • SiO₂ + C,

[Si] + 2Na₂CO₃ = 2Na₂0 • SiO₂ + 2CO.

Процесс дефосфорации чугуна на­чинается лишь после удаления крем­ния. Поэтому во всех случаях опера­ции дефосфорации предшествует про­ведение обескремнивания.

В качестве примера организации технологии внедоменной дефосфора­ции жидкого чугуна приведем пример опыта завода в Поханге (Ю. Корея), на котором создан специальный стенд предварительной обработки чугуна (СПОЧ). В результате обеспечивается получение чугуна, содержащего менее 0,02 % Р.

Обескремнивание чугуна (менее 0,15 % Si) достигается на желобе до­менной печи в процессе выпуска чугу­на. В качестве флюсов при обработке на СПОЧ используют известь (в виде порошка, который подают через ин-жекционную фурму), плавиковый шпат и агломерированную руду (из бункеров) (рис. 6.8 и 6.9).



Рис. 6.8. Стадии процесса дефосфорации чугуна:

/—десиликонизация; Я—скачивание шлака; III— стенд предварительной обработки чугуна СПОЧ (де-фосфорация и десульфурация); IV— перелив в зали­вочный ковш; V— кислородный конвертер

Влияние на процесс дефосфорации содержания кремния и состава шлака показано на рис. 6.10 и 6.11.

При использовании дефосфориро-ванного чугуна удается получать в конвертере ультранизкофосфористую сталь, содержащую (на выпуске из конвертера) менее 0,003 % Р.



Рис. 6.9. Схема СПОЧ:

/, 2, 3 — расходные бункера (главные питатели) извести, руды и кокса соответственно; 4, 5— инжекционная и кисло­родная фурмы соответственно



Рис. 6.10. Зависимость содержания [Р] после дефосфорации при /= 1250-1300 °С от начального содержания [Si] в чугуне при рас­ходе флюса 60—70 кг/т чугуна и началь­ном содержании [Р] =0,10-0,12 %



Рис. 6.11. Зависимость между (CaO)/(SiO₂) и показателем распределения фосфора при

температуре после дефосфорации 1250—1300°С
6.4. ОБЕСКРЕМНИВАНИЕ
В процессе внедоменного обескрем­нивания чугуна решаются следующие технологические задачи: 1) более эф­фективно используются реагенты, вводимые для десульфурации и дефос­форации; 2) обеспечивается последу­ющее ведение плавки в конвертере с минимальным количеством шлака («малошлаковая» или «бесшлаковая» технология).

Для удаления кремния обычно ис­пользуют обработку жидкого чугуна прокатной окалиной или какими-либо иными железорудными материалами, которые подают сверху или в желоб доменной печи, или в ковш. В процес­се обработки окисляются кремний и углерод:

[Si] + 2/3Fe₂O₃ = (SiO₂) + 4/3Fe,

ΔG^o_Si= -282377+ 49,11 T;

2[C] + 2/3Fe₂O₃ = 2CO + 4/3Fe,

ΔG^oс =262 074-253,12 Т.

Если давление в реакционной зоне заметно меняется и отличается от

0,1 МПа, то соотношение между ΔG^o_Si и ΔG^oс изменяется: ΔG = ΔG ° +

+ 4,575 Tig K_p. Для реакции окисления кремния Кр = 1 и ΔG = ΔG ° (в реакции газовая фаза не участвует и изменение давления значения не имеет). Для ре­акции же окисления углерода измене­ние давления имеет существенное зна­чение:

ΔGс= ΔG^oс=4.575Tlg(p²_co/(a²_co*a^2/3_FeO3))

Соответствующие расчеты пред­ставлены на рис. 6.12. При подаче реа­гентов не на поверхность, а в глубь ме­талла под давлением соотношение ско­ростей окисления кремния и углерода меняется (затрудняются условия удале­ния углерода): основная доля окисли­теля расходуется на окисление крем­ния. Кроме того, повышению скорости окисления кремния способствует барботаж металла при вдувании.

Барботаж ванны и интенсивное при этом ее перемешивание способ­ствуют начинающемуся после обес­кремнивания процессу окисления фосфора. Использование метода вду­вания реагента весьма эффективно при введении в глубь ванны порошко­образной соды; степень полезного ис­пользования вводимого натрия при этом приближается к 100 %.


Рис. 6.12. Зависимость ΔG от температуры для реакции окисления углерода (1) и крем­ния (2)

6.5. СОВМЕСТНОЕ ПРОВЕДЕНИЕ ОПЕРАЦИЙ ДЕСУЛЬФУРАЦИИ И ДЕФОСФОРАЦИИ
Как известно, для проведения опера­ций дефосфорации и десульфурации требуются разные условия: для успеш­ной дефосфорации желательны высо­кий окислительный потенциал и невы­сокая температура, а для десульфура­ции требуются невысокий окис­лительный потенциал и повышенная температура. На рис. 6.13 показан один из вариантов решения проблемы орга­низации операций дефосфорации и де­сульфурации в одном агрегате. В зоне выхода из фурмы, через которую пода­ется в глубь металла окислительная смесь, имеет место окисление фосфо­ра. На границе раздела металл—высо­коосновный малоокисленный шлак происходит удаление серы.

Возможен и другой вариант техно­логии. В предварительно обескрем-ненный чугун вдувают порошок изве­сти, а через верхнюю фурму поверх­ность металла обдувают кислородом и таким образом проводят дефосфора-цию. Затем отключают кислородную фурму, а через первую для удаления серы начинают вдувать соду. На ис­пользующем эту технологию заводе Kobe Steel (Япония) содержание фос­фора в чугуне снижают с 0,080 до 0,010 %, а серы - с 0,050 до 0,010 %.

На рис. 6.14 показано, как меняет­ся график удаления примесей в кон­вертере при замене обычного чугуна чугуном, подвергнутым предваритель­ной обработке.


Рис. 6.13. Схема ра­финирования чугу­на от фосфора и серы:

смесь А — известь, же­лезная руда (окалина), плавиковый шпат; смесь Б — известь и плавиковый шпат
На ряде заводов (особенно в Япо­нии) технология внедоменной обра­ботки чугуна, включающая удаление серы, кремния и фосфора, широко ис­пользуется. Технология названа SMP (Slag Minimising Process). SMP-процесс используют в основном для получения стали промышленного производства с минимальными затратами на рафини­рование путем стабилизации содержа­ния кремния в чугуне на низком уровне (0,2—0,25 %). Этим достигается увели­чение выхода годного, снижение рас­хода флюсов в конвертерном цехе при увеличении стойкости футеровки, про­изводительности и т. д.

Окисление кремния можно прово­дить на желобе доменной печи или в передвижном миксере путем верхней подачи окалины (28 кг/т чугуна) в струе газа. Полученный шлак удаляют (рис. 6.15).



Рис. 6.14. Изменение содержания приме­сей при переделе чугуна в сталь в конвер­тере комбинированного дутья:

А, Б, В — соответственно десиликонизация, де-фосфорация и обезуглероживание чугуна; 1 — обычная технология; 2— продувка предва­рительно обработанного чугуна



Рис. 6.15. Схема производства• стали по техно­логии SMP:

1 — десиликониза­ция; 2—скачива­ние шлака; 3 — де-фосфорация; 4 — десульфурация; 5— к конвертеру
7. ТЕХНОЛОГИИ ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА
7.1. АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ
Восстановление железных руд до ме­талла является основным звеном со­временной технологии металлургичес­кого производства. В подавляющем большинстве случаев восстановление ведется в доменных печах, которые при использовании весьма совершен­ного оборудования и с минимальными затратами по переделу обеспечивают получение до 10 тыс. т железа в сутки в форме жидкого чугуна.

Доменная печь может быть приспо­соблена к проплавке почти любой из встречающихся в природе железных руд, а выплавляемый продукт — жид­кий чугун — при господствующих со­временных способах производства ста­ли находит свое применение без какой-либо дополнительной подготовки.

В настоящее время доменная печь как весьма экономичный агрегат вы­сокой производительности не имеет конкурентов. Однако доменному про­изводству свойственны следующие су­щественные недостатки: необходи­мость применения каменноугольного кокса, использование железорудного сырья в виде достаточно прочного кускового материала (агломерата). Та­ким образом, необходимыми условия­ми для функционирования доменного производства являются: добыча коксу­ющихся углей, наличие коксохими­ческого производства, обогащение железных руд, агломерационное про­изводство и т. д. Все это помимо чисто производственных затрат связано с ре­шением серьезных экологических проблем.

В этих условиях возможность орга­низации рентабельного процесса пря­мого получения железа непосред­ственно из железной руды, минуя до­менную печь, представляет собой заманчивую инженерную задачу. При этом необходимо принять во внима­ние также следующее:

— развитие способов глубокого обогащения железных руд обеспечи­вает в настоящее время получение не только высокого содержания железа в концентратах, но и существенной сте­пени очистки их от серы и фосфора;

— материал, полученный непос­редственно из железных 'руд, практи­чески не содержит примесей цветных металлов. Так, например, из руд Лебе­динского месторождения (КМА) мож­но получить материал, содержащий <0,001 % Zn и <0,002 % РЬ. .

Такие материалы незаменимы при производстве сталей ответственного назначения, требующих высокой чис­тоты по примесям цветных металлов.

Наряду с доменным процессом су­ществует ряд способов прямого вос­становления железных руд, примене­ние которых в последнее время дало успешные результаты. Под процесса­ми прямого получения железа (ППЖ) понимают такие химические, электро­химические или химико-термические процессы, которые дают возможность получать непосредственно из руд, ми­нуя доменную печь, металлическое железо в виде губки, крицы или жид­кого металла. Преимущества способов ППЖ по сравнению с традиционной технологией оправдывают их приме­нение и открывают большие возмож­ности для их дальнейшего совершен­ствования. К таким преимуществам способов ППЖ относятся:

— возможность использования энергетических углей или природного газа для замены кокса;

— отсутствие зависимости или лишь небольшая зависимость от ОЭС (Объединенной энергосистемы);

— отсутствие необходимости тща­тельной подготовки шихтовых мате­риалов в отличие от доменной плавки, по крайней мере для некоторых спо­собов прямого восстановления;

— наличие небольших производ­ственных агрегатов, обеспечивающих возможность гибкого изменения про­изводства с учетом конъюнктуры;

— возможность создания экологи­чески чистой технологии, так как пол­ный отказ или ограниченное произ­водство кокса дает огромное преиму­щество в области защиты окру­жающей среды, кроме того, процессы исключают необходимость агломера­ции руд.

Существует много патентов и пред­ложений, описывающих способы прямого восстановления железа из руд, однако лишь немногие из них прошли промышленную и опытно-промыш­ленную проверку. Достаточно полно различные способы можно предста­вить с помощью классификации, учи­тывающей физико-химические осно­вы технологических схем, применяе­мые агрегаты, вид используемой энергии, состояние получаемого про­дукта, назначение продукта, масшта­бы применения.

В настоящее время решение про­блемы получения железа, минуя до­менный процесс, в промышленных масштабах осуществляется в основном следующими способами:

1) восстановление Fe из твердых железорудных материалов взаимодей­ствием с твердыми или газообразными восстановителями (твердофазное вос­становление) по реакциям

Fe₂O₃+ {С; СО; Н₂; СН₄} → Fe + (СО; С0₂; Н₂0);

2) восстановление железа в кипя­щем железистом шлаке (жидкофазное восстановление) по реакциям

(FeO) + {С; СО} → Fe + СО₂;

3) получение из чистых железных руд карбида железа по реакции

3Fe₂O₃ + 5Н₂ + 2СН₄= 2Fe₃C + 9Н₂О.

Процесс протекает при температу­ре -600 ºС и давлении 4атм (0,4 МПа). Получаемые зерна (0,1— 1,0 мм) содержат >90 % Fe₃C.

В связи с ужесточением экологи­ческого контроля за металлургичес­ким производством и как следствие в связи с необходимостью иметь шихто­вые материалы, чистые от примесей цветных металлов, масштабы внедоменного производства железа непре­рывно растут, одновременно расши­ряется и фронт исследовательских ра­бот в этом направлении.