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: 42 из 88

16.7. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ СТАЛИ

В МАРТЕНОВСКИХ ПЕЧАХ
В мартеновских печах можно пере­плавлять в сталь чугун и скрап (лом) любого состава в любой пропорции. В зависимости от состава шихты разли­чают:

1. Скрап-процесс — процесс, при котором основной составной частью шихты служит стальной скрап (лом). Скрап-процесс обычно применяют в цехах заводов, в составе которых нет доменных печей. Кроме скрапа в ших­ту добавляют некоторое количество (25-45 %) чугуна.

2. Скрап-рудный процесс — пере­дел в мартеновских печах шихты, твердые составляющие которой — скрап (лом) и железная руда. Основ­ная масса шихты (55-75 %) при этом — жидкий чугун; он заливается в печь непосредственно из чугуновозных ковшей.

Технология плавки стали в марте­новских печах имеет ряд особеннос­тей:

1. Окислительный характер газовой фазы печи. Через рабочее простран­ство мартеновской печи над ванной проходит огромное количество газа. Если учесть, например, что на 1 т ста­ли в 500-т печи расходуется примерно 4200 МДж, то при отоплении печи га­зом с теплотой сгорания 8,4 МДж/м³ его количество, требуемое на плавку, составит 500 • 4200/8,4 = 250 тыс. м³. На 1 м³ газа при а = 1,15 •*• 1,20 расхо­дуется примерно 2 м³ воздуха и обра­зуется около 3 м³ продуктов сгорания. Следовательно, за плавку через рабо­чее пространство печи пройдет около 250 000 • 3 = 750 тыс. м³ продуктов сго­рания. Продолжительность плавки в 500-т печи составляет 7—10ч, т.е. из рабочего пространства печи вылетает в час 75—100 тыс. м³ продуктов сгора­ния. Расчет выполнен на объем газов в холодном состоянии. Если учесть рас­ширение газов при нагреве до 1700 °С примерно в 7 раз, то можно предста­вить, с какой скоростью печные газы проносятся над ванной (до 25 м/с).

В состав газов входят углерод- и водородсодержащие соединения, а так­же О₂, так как воздух для горения подают с избытком. При горении угле­род- и водородсодержащих соедине­ний образуются СО₂ и Н₂О. Следова­тельно, продукты сгорания любого топлива будут обязательно иметь в своем составе кислород, окислитель­ные газы СО₂ и Н₂О и некоторое ко­личество азота N₂.

Таким образом, характер атмосфе­ры мартеновской печи во все периоды плавки окислительный и парциальное давление кислорода в атмосфере по­чти всегда велико. В результате за плавку ванна поглощает от 1 до 3 % кислорода от массы металла. Этот кислород расходуется в основном на окисление примесей, часть его расхо­дуется на окисление железа.

2. Тепло к ванне поступает сверху, а отводится снизу через подину, по­этому температура шлака выше, чем металла, и по глубине ванны имеет место разность температур металла. Толщина шлака в мартеновских печах колеблется от 50 до 500мм, глубина ванны металла — от 500 до 1500 мм (в зависимости от емкости и конструк­ции печи). Выравниванию температу­ры по глубине ванны способствуют пузыри СО, выделяющиеся в резуль­тате окисления углерода и приводя­щие к кипению ванны. Если кипение отсутствует, то верхние слои ванны чрезмерно перегреваются, а нижние слои, наоборот, будут нагреты недо­статочно.

Однако, несмотря на кипение ван­ны, некоторый перепад температур по глубине ванны все же сохраняется, особенно между шлаком и металлом. В начале кипения перепад составляет 70-100 °С, в конце — 20-50 °С.

По длине печи температура метал­ла также неодинакова. Под факелом температура металла несколько выше, чем у отводящей головки.

3. Участие пода печи в протекаю­щих процессах. В отличие от плавки в конвертерах, которая продолжается всего 30—35 мин, плавка в мартеновс­кой печи продолжается несколько ча­сов. Поэтому влияние взаимодействия металла с подиной оказывается весьма ощутимым.

4. Жидкий металл все время нахо­дится под слоем шлака (шлак пример­но вдвое легче металла). Практически все добавки, которые вводят в печь, попадают на шлак или проходят в ме­талл через шлак. Если учесть, что и тепло от факела к металлу передается через шлак, то становится ясным, на­сколько велика роль шлака в марте­новском процессе. По существу, уп­равление ходом плавки заключается в том, что изменяют состав, температу­ру и консистенцию шлака и таким об­разом добиваются получения металла нужного состава и качества.

16.8. ОСНОВНОЙ МАРТЕНОВСКИЙ ПРОЦЕСС
В основной мартеновской печи можно переплавлять чугун и скрап любого состава и в любой пропорции и полу­чать при этом качественную сталь лю­бой марки.

С учетом угара железа и примесей на 1 т выплавляемой в мартеновских печах стали расходуется несколько больше 1 т металлической шихты (чу­гуна и скрапа). В среднем по стране на 1 т мартеновской стали расходуется 580-590 кг чугуна и 480-485 кг сталь­ного лома. Однако для отдельных за­водов эти данные значительно отлича­ются: расход чугуна на 1 т стали колеб­лется от 300—400 кг для заводов, где нет доменных цехов, до 550-700 кг для заводов с полным металлургичес­ким циклом.

16.8.1. Основные реакции. Кремний окисляется в основной мартеновской печи почти полностью еще во время плавления в результате взаимодей­ствия с кислородом атмосферы или оксидами железа шлака. Параллельно с окислением кремния происходит об­разование силикатов железа, которые являются составной частью первично­го шлака. Окисление кремния и обра­зование силикатов сопровождаются выделением тепла. Реакция окисления кремния практически необратима, так как по мере растворения извести в шлаке происходит образование сили­катов кальция
(FeO)₂ • SiO ₂+2(CaO)=(СаО)₂ • SiO₂+2(FeO)
и активность SiO₂ в шлаке становится ничтожно малой.

Марганец (как и кремний) легко окисляется, взаимодействуя с кисло­родом атмосферы и оксидами железа |шлака.

При окислении марганца также выделяется тепло. Однако реакция окисления марганца в основной печи идет не до конца. При повышении температуры может протекать обрат­ная реакция — восстановление мар­ганца из шлака. Чем выше температу­ра, тем более благоприятными оказы­ваются условия для восстановления марганца. Практически всегда в конце плавки, если температура ванны дос­таточно велика, марганец восстанав­ливается из шлака. Поэтому марганец называют иногда «пирометром» мар­теновского процесса: если плавка идет горячо, концентрация марганца по­степенно возрастает; если же концент­рация марганца понижается, значит, ванна холодная и возможен брак.

Фосфор окисляется одновременно с кремнием и марганцем в начале плав­ки. Практически фосфор стремятся удалить из металла в период плавле­ния и в первой половине периода ки­пения, т. е. когда металл еще сильно не нагрелся. Для создания железисто-известкового шлака осуществляют присадку железной руды (или окали­ны, или агломерата) и извести (или известняка). Обычно для снижения содержания фосфора до 0,010— 0,015 % достаточно однократного ска­чивания шлака.

Десульфурация вследствие высокого содержания в мартеновских шлаках окислов железа имеет ограниченное развитие. Коэффициент распределе­ния серы T|_S = (S)/[S] весьма невелик и составляет обычно 3—10. При обыч­ной шихте получение в готовой стали менее 0,040 % S (требования ГОСТа для большинства марок) особых труд­ностей не представляет, однако полу­чение более низких (< 0,015—0,020 %) концентраций серы затруднительно. В связи с этим при выплавке металла с особо низким содержанием серы опе­рацию удаления серы частично пере­носят в ковш.

Особое внимание обращают на со­держание серы в топливе. Мазут для отопления мартеновских печей при­меняют низкосернистый. Наиболее чистым (по содержанию серы) топли­вом является природный газ.

Окисление углерода и кипение мар­теновской ванны. Эффект кипения мартеновской ванны создается в ре­зультате протекания реакции окисле­ния растворенного в металле углерода и выделения образующегося при этом СО. Эту реакцию часто считают ос­новной реакцией мартеновского про­цесса, что обусловлено следующим. В результате протекания реакции обе­зуглероживания и сопровождающего ее эффекта кипения выравниваются химический состав ванны и темпера­тура металла, удаляются содержащие­ся в металле газы, облегчается процесс всплывания и ассимиляции шлаком неметаллических включений, увели­чивается поверхность соприкоснове­ния металла со шлаком и тем самым облегчаются условия удаления из ме­талла вредных примесей — фосфора и серы. Другими словами, ведение мар­теновского процесса без реакции окисления углерода и кипения невоз­можно.

В сталях, выплавляемых в марте­новских печах, содержится обычно от 0,05 до 1,0 % С (это содержание зави­сит от марки стали). В шихте количе­ство углерода выше. Во всех случаях необходимо, чтобы в начале периода кипения ванна содержала углерода больше, чем требуется в готовом ме­талле. Это необходимо, чтобы избы­точный углерод во время плавки окис­лялся и ванна кипела.

На рис. 11.1 показана схема пере­дачи кислорода из газовой фазы через шлак в металл. Скорость передачи кислорода из атмосферы через шлак к металлу невелика и во многих случаях может лимитировать скорость проте­кания процесса в целом. Для повыше­ния скорости доставки кислорода осу­ществляют присадки железной руды (окалины и др.) или продувают ванну кислородом.

Важным звеном в развитии реак­ции обезуглероживания может быть выделение СО в газовую фазу. Зарож­дение новой фазы облегчается при на­рушении сплошности металла, при наличии каких-либо поверхностей, полостей, пузырей, при наличии ше­роховатой, плохо смачиваемой жидкостью твердой поверхности. В данном случае такой поверхностью может слу­жить под мартеновской печи. Поверх­ностные слои пода печи принимают активное участие в процессе обезугле­роживания металла. Тысячи пузырь­ков СО, выделяясь на границе ме­талл — под, пронизывают толщу мар­теновской ванны, вызывая ее кипе­ние; пузырьки СО могут выделяться также на границе металл — шлак, ме­талл — газовый пузырь и т. п.

К началу завалки шихты поверхно­стные слои пода насыщены оксидами железа. Насыщение происходит вслед­ствие смывания пода шлаком при вы­пуске плавки и главным образом вследствие воздействия окислитель­ной атмосферы печи на остающиеся на подине капли металла. Во время плавки поверхностные слои пода при­нимают активное участие в процессах окисления примесей: содержащиеся в поверхностных слоях оксиды железа восстанавливаются, и на поверхности образуются поры диаметром 1—2 мм.

В начальный период плавки повер­хность пода хорошо ошлакована, она хорошо смачивается металлом (малое межфазное натяжение между материа­лами пода и металлом _Ме._под). В про­цессе плавки тонкий ошлакованный слой в результате взаимодействия с расплавом исчезает, смачиваемость металлом подины ухудшается (величи­на _ме-под, возрастает). Силы поверхно­стного натяжения препятствуют за­полнению пор подины металлом, в ре­зультате на ставшей шероховатой по­верхности пода печи создаются более благоприятные условия для зарожде­ния пузырьков СО и соответственно для кипения ванны. Наблюдения за ходом плавки показывают, что через некоторое время после полного рас­плавления наступает момент, когда ванна начинает интенсивно кипеть по всей поверхности. Образовавшиеся на подине пузырьки СО начинают свое движение, приводя к перемешиванию ванны, выравниванию ее состава, тем самым облегчают протекание процес­сов передачи тепла сверху к нижним слоям, увеличивают поверхность со­прикосновения шлака и металла. В этой связи роль пода в мартеновском процессе очень велика. Поэтому мартеновские печи делают с неглубокой ванной, стремясь иметь при данной емкости печи возможно большую пло­щадь пода. Например, длина ванны 900-т мартеновской печи составляет 25 м, ширина — 6,4 м (площадь пода 160м²), а максимальная глубина ван­ны (в середине печи) — всего 1,3м.

Количество пузырьков СО, прохо­дящих через металл при кипении ван­ны, огромно. Обычно скорость окисле­ния углерода в период кипения колеб­лется в зависимости от емкости печи от 0,2 до 0,8 % С/ч. При скорости окисле­ния углерода 0,2 % С/ч в 900-т печи за 1 мин выгорает 0,2 • 900Д60 • 100) = = 0,03 т = 30 кг углерода. При окис­лении 30 кг углерода образуется: 30 • 28/12 = 70 кг СО, или 70 • 22,4/28 = = 56м³ СО.

Объем металла в ванне 900-т печи около 130м³. Если учесть расширение объема СО при нагреве до 1600°С примерно в 7 раз, то получается, что каждую минуту через ванну проходит количество газов, превышающее в не­сколько раз объем металла (в данном случае примерно в 3 раза). Кипение металла также облегчает протекание процессов его дегазации и всплывания неметаллических включений.

Содержание кислорода в металле при «закипании» ванны снижается и поддерживается на уровне, соответ­ствующем содержанию в нем углеро­да. До тех пор пока в мартеновской ванне идет процесс кипения, вызывае­мый протеканием реакции окисления углерода, металл не будет переокис­лен, так как поступающий в металл кислород будет немедленно удаляться в результате протекания реакции [С] + [О] -» СО_Г.

Пузырьки СО, уносящие кисло­род, очищают металл также от азота и водорода. Если по каким-то причи­нам реакция обезуглероживания и со­ответственно кипение ванны замед­лились или приостановились, то не­медленно начинает повышаться кон­центрация газов в металле. При отсутствии кипения получить металл в мартеновской печи с малым содер­жанием газов невозможно. Обычно в мартеновской стали содержится 0,003-0,005% N, т.е. меньше, чем обычное его содержание в бессемеровском и томасовском металле, а также в металле, выплавленном в ду­говых печах. Концентрация водорода колеблется в более широких преде­лах—от 0,0003 до 0,0010%, или от 3 - 4 до 10—12 см³/100 г металла.

Кипение металла облегчает также процесс вспылывания и ассимиляции в шлаке неметаллических включений. Поверхностное натяжение на границе газовый пузырек — включение мень­ше, чем на границе металл - включе­ние, т. е. а_газ-вкл < стме-вкл- ^в результате включение как бы «прилипает» к под­нимающемуся пузырьку СО, т. е. пу­зырьки «промывают» ванну от вклю­чений. При прохождении пузырька через шлак включение остается в шлаке.

16.8.2. Раскисление металла в мар­теновской печи. При проведении рас­кисления мартеновской стали раскис-лители в металл вводят обычно в два приема: часть — в печь, а часть — на струю металла, вытекающего во время выпуска из печи в ковш, или непос­редственно в ковш. Таким образом происходит предварительное и оконча­тельное раскисление. Часть раскисли-телей попадает в шлак. В результате снижается активность оксидов железа в шлаке, в верхних слоях ванны возра­стает концентрация элементов-рас -кислителей, вследствие чего поток кислорода в глубь ванны из атмосфе­ры печи и из шлака на какое-то корот­кое время прекращается. Сверхравно­весный кислород, имеющийся в ван­не, продолжает еще некоторое время реагировать с растворенным в металле углеродом, но, поскольку приток но­вых порций кислорода в ванну пре­кращен, общее содержание кислорода снижается и кипение ванны прекра­щается (на языке мартеновцев «ванна успокоилась»).

Такое состояние ванны продолжа­ется недолго (10—20 мин, в зависимо­сти от емкости печи и количества вве­денных раскислителей); за это время сталевар должен уточнить состав ме­талла, ввести, если требуется, нужные добавки и выпустить плавку.

Угар раскислителей и легирующих добавок при вводе в печь выше, чем при вводе их в ковш, поэтому основ­ную массу раскислителей и легирующих добавок вводят для окончатель­ного раскисления в ковш (и на струю металла, падающую в ковш).

16.8.3. Особенности хода плавки при скрап-процессе. Ход мартеновской плавки в значительной степени зави­сит от состава шихты и марки выплав­ляемой стали. Соотношение между количествами заваливаемого лома и чугуна определяется составом чугуна и лома, окислительной способностью печи, маркой выплавляемой стали, а также диктуется экономическими со­ображениями. На характер протека­ния плавки влияют также качество лома, его вид: стружка, обрезь, тяже­ловесный лом и т. п.

Как уже неоднократно отмечалось, для получения качественной стали не­обходимо, чтобы металл в печи неко­торое время кипел. Эффект кипения вызывает реакция окисления углеро­да. Поэтому металл в начале периода кипения (при расплавлении) должен содержать углерода значительно боль­ше, чем в конце, перед выпуском плавки. Обычно в зависимости от мар­ки стали, емкости печи и других усло­вий избыточная величина содержания углерода составляет 0,4—0,8 %. На­пример, если нужно выплавить сталь с 0,4 % С, необходимо, чтобы при рас­плавлении в ванне металла содержа­лось 0,4 + 0,5 = 0,9 % С. Избыток угле­рода в период кипения выгорит; при этом металл нагреется, газы и включе­ния удалятся, произойдут дефосфора-ция, десульфурация и др. Необходи­мое количество углерода поступает в шихту обычно с чугуном, и лишь в ис­ключительных случаях, когда чугуна нет или он очень дорог, необходимое количество углерода вводят с карбю­раторами (углем, коксом, электро­дным боем и др.). В этом случае про­цесс называется карбюраторным.

Периоду кипения предшествуют периоды завалки и плавления шихты. Во время завалки и плавления углерод шихты тоже окисляется и величина угара зависит от таких факторов, как продолжительность завалки и плавле­ния, окисленность скрапа, содержа­ние Si и Мп в чугуне, мощность факе­ла и др. Например, если в чугуне мно­го кремния, то угар углерода будет меньше. Обычно угар углерода за время завалки и плавления составляет 30—40 %. Зная на основании опытных данных процент угара углерода, мож­но в каждом конкретном случае под­считать требуемое количество чугуна для завалки.
Например, для выплавки стали 45 (0,45 % С) необходимо, чтобы при расплавле­нии было около 0,45 + 0,50 = 0,95 % С. Если принять, что за время завалки и плавления выгорает 35 % углерода шихты (остается 65 %), то, чтобы после расплавления было 0,95 % С, необходимо иметь в шихте 0,95:0,65 = 1,46% С.

Если принять, что в чугуне 4 % С, а в скрапе 0,3 % С и обозначить количество чу­гуна через х, а количество скрапа (100 — х), то получим

4,0х + 0,3(100 -х) = 1,46 _∙100; х=34%.

Таким образом, для выплавки стали 45 необходимо при данных условиях иметь в шихте 34 % чугуна и соответственно 66 % скрапа.
Обычно доля чугуна в шихте при скрап-процессе в зависимости от за­данной марки стали колеблется от 25 до 40 % массы металлической шихты. Заваливаемый в мартеновские печи при скрап-процессе чугун обычно по­ступает в цех в твердом состоянии — в чушках.

Тепло экзотермических реакций окисления примесей (Si и Мп) состав­ляет при скрап-процессе 8-10 % от общего прихода тепла в рабочем про­странстве печи. Кремний и марганец, находящиеся в шихте в значительных количествах, предохраняют в извест­ной мере от окисления железо и угле­род, позволяя таким образом вести процесс с меньшим содержанием чу­гуна в шихте. Однако слишком высо­кие концентрации кремния и марган­ца в шихте приводят, во-первых, к увеличению угара и уменьшению вы­хода жидкой стали (ведь Si и Мп за время завалки и плавления окисляют­ся) и, во-вторых, к образованию чрез­мерного количества шлака, затрудня­ющего передачу тепла ванне.

Обычно вначале заваливают в печь железный скрап, затем чугун. Капель­ки чугуна, расплавляющегося под воз­действием факела, стекают вниз, пе­редают тепло нижним слоям шихты и науглероживают скрап, снижая тем самым температуру его плавления.

Наконец наступает момент, когда вся металлическая шихта расплавляется и начинается период так называемого кипения. К этому моменту ванна ока­зывается покрытой шлаком.

Для удаления фосфора и серы ос­новность шлака должна быть доста­точно высокой. С этой целью в шихту основной мартеновской плавки вводят известняк (СаСО₃) или известь (СаО), расход которых на завалку зависит от состава шихты и требований, предъяв­ляемых к составу шлака после рас­плавления.

Например, если шихта 100-т печи состоит из 40т чугуна, содержащего 1,5 % Si, и 60т скрапа, содержащего 0,25% Si, то всего кремния в шихте будет

.

Во время завалки и плавления кремний шихты окисляется практически полностью. В данном случае образуется 0,75 • 60/28 = 1,61 т Si0₂.

Для получения шлака (после расплавле­ния ванны) с основностью CaO/SiO₂ = 2,2 необходимо ввести 1,61 • 2,2 = 3,54т СаО. Если принять, что в известняке около 50 % СаО, то в данном случае необходимо зава­лить в печь 3,54 : 0,50 = 7,08 т известняка.
Если в шихте находится повышен­ное количество фосфора или исполь­зуются добавки, содержащие кремний или кремнезем, то расход известняка (или извести) соответственно возрас­тает. Обычно расход известняка при скрап-процессе составляет 5—10 % от массы металлической шихты. Извест­няк заваливают в нижние слои шихты вперемежку со скрапом. При нагрева­нии СаСО₃ разлагается, СаО перехо­дит в шлак, а пузырьки СО₂ участвуют в процессе перемешивания ванны. Кроме того, пузырьки СО₂, проходя через расплавляющуюся ванну, уча­ствуют также в процессе окисления углерода:
СО₂ + С = 2СО.
Известняк — материал с малой теп­лопроводностью. Процесс разложения известняка длительный, поэтому часто вместо известняка в печь заваливают известь. При этом ускоряется шлако­образование, сокращается расход теп­ла, уменьшается расход чугуна. Применяемая в мартеновских цехах из­весть содержит обычно не менее 85 % СаО. Расход извести на завалку со-\ ставляет 4—8 % от массы металличес­кой шихты.

Во время завалки и плавления окисляются часть углерода шихты, весь кремний и значительная часть марганца. Кроме того, за это же время окисляется некоторое количество же­леза. Оксиды железа, кремния и мар­ганца вместе со всплывшей известью образуют основной шлак, обычный состав которого, %: СаО 35—40, SiO₂ 20-25, FeO 10-15, MnO 13-17.

Общее количество шлака после расплавления составляет 8—10 % от массы металла.