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: 9 из 88

Рис. 5.3. Диаграмма состояния 8Ю2-А1₂Оз

Кремнеземистые огнеупорные ма­териалы, изготавливаемые из кварци­тов² и состоящие в основном из крем­незема (>93 % SiO₂), в сталеплавиль­ном производстве используют для изготовления сводов печей. До недав­него времени динасовый кирпич яв­лялся основным материалом для изго­товления сводов печей. Однако боль­шое количество плавильной пыли и высокие температуры, характерные для работы печей в условиях интенси­фикации процесса кислородом, выну­дили почти повсеместно отказаться от динаса (плавильная пыль, состоящая главным образом из оксидов железа, активно взаимодействовала с кислой футеровкой динасового свода, приво­дя к быстрому выходу его из строя). В настоящее время почти все печи обо­рудованы сводами из основного маг-незитохромитового кирпича. Магнезитохромитовые изделия, изготавли­ваемые из смеси магнезитового по­рошка (65-80 %) и молотого хромита (20—35 %), получили широкое рас­пространение благодаря достаточно высоким температуре начала дефор­мации под нагрузкой (>1600°С), тер­мостойкости (>10 тешюсмен), а так­же высокой стойкости против воздей­ствия основных шлаков и плавильной пыли. В результате высокотемпера­турного обжига тонкоизмельченных чистых магнезита MgO и хромита СгО₃ получают изделия с прямыми связями, образовавшимися при обжи­ге периклаза⁴ и шпинелидов. Такие изделия, характеризующиеся высо­кой стойкостью, называют перикла-зошпинелидными. Материалы на осно­ве MgO и СгО₃ получили широкое распространение в сталеплавильном производстве для изготовления сводов мартеновских и двухванных печей, футеровки конвертеров и др. Для из­готовления насадок регенераторов мартеновских печей широко применяют форстерит⁴, характеризующийся слабым взаимодействием с плавиль­ной пылью при <1400º С.

¹ Обычо под словом шамот понимается обожженная огнеупорная глина Chamotte (франц.).

²Эти материалы называют динасовыми, что связано с названием скалы Динас («Craig-y-Dinas») в Уэльсе (Великобрита­ния).

³ Периклаз — природный минерал (оксид магния MgO, иногда с примесью FeO, MnO и др.).

⁴ Форстерит (по имени немецкого уче­ного И. Форстера) — минерал, магниевый оливин состава Mg₂[SiO₄].
Чистый магнезит (<10 % примесей, остальное MgO) используют в виде по­рошка для изготовления и ремонта по­дин электропечей, мартеновских и двух­ванных печей, а также для изготовления магнезитовых кирпичей. Магнезито­вые огнеупоры характеризуются высо­кой огнеупорностью и хорошей устой­чивостью против основных шлаков, однако имеют низкую термостойкость. Из магнезита обычно изготавливают стенки рабочего пространства печей. В тех случаях, когда от магнезитовых ог­неупоров требуются особо высокие свойства, магнезитовый порошок предварительно плавят в дуговых пе­чах, получая плавленый периклаз, кото­рый после измельчения используют в качестве сырья для изготовления высо­костойких огнеупорных материалов.

В конвертерном производстве широкое распространение получили также доло­митовые огнеупоры, изготавливаемые из обожженного до спекания дроблено­го доломита¹ на смоляной связке. В за­висимости от состава и технологии из­готовления доломитовые материалы имеют огнеупорность 1800—2000 °С и характеризуются высокой стойкостью против воздействия жидких основных шлаков. Дробленый доломит широко используют также для проведения ежеплавочных ремонтов подин марте­новских и двухванных печей.

Достаточно широкое распростра­нение получили огнеупоры, изготав­ливаемые из порошка магнезита с до­бавлением хромистой руды. Изделия (кирпичи) прессуют под высоким давлением и подвергают температур­ному отжигу при 1600—1650 °С. В ме­таллургической практике приняты сле­дующие обозначения высокоогнеупор­ных магнезитохромитовых изделий: ПШСП —периклазошпинелидные магнезитохромитовые плотные с тон­комолотой хромовой рудой в шихте; МХСП —магнезитохромитовые плотные с крупнозернистым хромитом в шихте; ПШСО — периклазошпине­лидные магнезитохромитовые обыч­ные с тонкомолотой хромовой рудой в шихте; МХСО — магнезитохромито­вые обычные с крупнозернистой хро­мовой рудой в шихте. Основной со­ставляющей этих изделий является MgO в виде периклаза.

Сталеплавильное производство по­требляет также некоторое количество относительно дорогих, но обладающих особыми свойствами огнеупорных ма­териалов на основе циркона ZrO₂, кар­борунда SiC, глинозема (корунда)², карбидов циркония, нитрита бора и др. Их используют в тех случаях, когда требуется особая стойкость (например, при изготовлении сталеразливочных стаканов, труб для транспортировки жидкого металла, при обработке ваку­умом и др.).

Особо высокие требования предъявляются к качеству огнеупоров, используемых для внепечной обработ­ки стали (например, типа ковш-печь). Российские заводы БКО (Боровичский комбинат огнеупоров) и «Магне­зит» освоили производство огнеупо­ров на базе MgO-C. Их обозначения: ПУСК (периклазоуглеродистый спе­ченный клинкер), ПУПК (периклазо­углеродистый плавленый клинкер). Такие огнеупоры могут выдерживать длительный контакт с металлом и шлаком при высоких температурах.

Для производства огнеупорной фу­теровки в конце 70-х годов минувшего века химическая промышленность разработала ряд добавок — материа­лов, называемых тиксотропными³. Ис­пользование тиксотропных добавок позволяет широко применять метод вибролитья. Вибролитье тиксотроп­ных бетонов получило широкое рас­пространение на металлургических предприятиях. Одно из названий про­цесса, используемое обычно в зару­бежной литературе, CL-L (Cast Lining Process of Ladie). В качестве огнепорного наполнителя используют высоко­глиноземистый шамот, циркон ZrO₂, магнезиальный клинкер, периклазохромит, электрокорунд и др.

Установка для вибролитья состоит обычно из смесителя, ленточного кон­вейера, устройства для заливки массы, шаблона и вибраторов.

¹ Доломит (по имени французского гео­лога Д. Доломье) имеет состав CaMg [CO₃h-

² Корунд — минерал, природный безвод­ный глинозем А1₂О₃; корундовые огнеупор­ные изделия содержат >90 % А1₂О₃.

³ От греч. thixis — прикосновение и trope — поворот, изменение. Тиксотропия проявляет­ся в разжижении при интенсивном встряхи­вании или перемешивании гелей, паст, сус­пензий и других систем с коагуляционной дисперсной структурой и их загущении (зат­вердевании) после прекращения механичес­кого воздействия. Тиксотропными свойства­ми обладают, например, плывуны.

Продолжи­тельность затвердевания несколько часов летом и до 8 ч зимой (для уско­рения применяют подогрев горячим воздухом). Продолжительность после­дующей сушки 1,5-2 сут.

Чаще всего вибролитье используют для футеровки ковшей. Способ вибро­литья позволяет также ремонтировать изношенные участки (для так называ­емой «вечной» футеровки).

5.5.3. Расход огнеупоров. При вып­лавке и разливке стали требуются ог­ромные количества огнеупорных ма­териалов. Общий расход огнеупоров в мировом сталеплавильном производ­стве составляет 20 млн. т в год. От стойкости огнеупорных материалов зависит не только их расход, но и про­изводительность сталеплавильных аг­регатов (частота ремонтов, их трудо­емкость), а также качество металла. В частности, для современных методов внепечной обработки металла (про­дувка инертным газом, обработка ва­куумом и т. п.), связанных с интенсив­ным перемешиванием металла, требу­ются огнеупоры особо высокого качества (в противном случае переме­шивание приведет к загрязнению ме­талла, а не к очищению). Низкая по­ристость и высокая плотность огне­упорного материала, зависящие в значительной мере от технологии из­готовления, должны обеспечить в этих случаях почти полное отсутствие его разрушения и исключить взаимодей­ствие огнеупора с перемешиваемым металлом и шлаком.

Снижения расхода огнеупорных ма­териалов добиваются следующими способами: 1) повышением качества огнеупорных материалов; 2) тщатель­ным хранением отходов огнеупоров, образующихся при периодических ре­монтах и вторичном их использовании; 3) организацией процесса плавки с уче­том условий эксплуатации огнеупорных материалов; 4) полной или частич­ной заменой огнеупорной футеровки деталями с искусственным (например, водяным) охлаждением;
¹ Доломит (по имени французского гео­лога Д. Доломье) имеет состав CaMg [CO₃h-

² Корунд — минерал, природный безвод­ный глинозем А1₂О₃; корундовые огнеупор­ные изделия содержат >90 % А1₂О₃.

³ От греч. thixis — прикосновение и trope — поворот, изменение. Тиксотропия проявляет­ся в разжижении при интенсивном встряхи­вании или перемешивании гелей, паст, сус­пензий и других систем с коагуляционной дисперсной структурой и их загущении (зат­вердевании) после прекращения механичес­кого воздействия. Тиксотропными свойства­ми обладают, например, плывуны.





Рис. 5.4. Установка для торкрети­рования футеровки сталеразливоч-ных ковшей (а) и установка для торкретирования ковшей неболь­шой вместимости (б)
5) периоди­ческим торкретированием рабочей по­верхности огнеупоров. Существует не­сколько методов торкретирования (на­несения газовой струей покрытия) рабочих поверхностей сталеплавиль­ных агрегатов: с увлажнением смеси, без увлажнения и т. п. (рис. 5.4); 6) по­средством нанесения на футеровку оп­ределенного количества высокооснов­ного жидкого шлака (так называемый «раздув или разбрызгивание шлака»). Под воздействием специально направ­ляемых газовых струй капли жидкого шлака (оставляемого в агрегате после выпуска металла) попадают на поверх­ность футеровки и постепенно покры­вают ее тонким слоем. При этом шлак должен иметь определенное (высокое) содержание СаО и MgO.

Существуют и другие, менее рас­пространенные способы.
6. ВНЕДОМЕННАЯ ОБРАБОТКА ЖИДКОГО ЧУГУНА
6.1. РЕГУЛИРОВАНИЕ СОСТАВА ЧУГУНОВ
В доменных печах выплавляют литей­ный и передельный чугуны, а также ферросплавы. При использовании же­лезных руд, содержащих такие ценные примеси, как ванадий, марганец, хром, никель, титан и др., получают чугун с повышенным (против обычного) со­держанием этих компонентов. Разра­ботаны специальные технологии для рационального использования получа­емых при этом природнолегированных чугунов. Основная доля в выплавке приходится на передельныйчутун, пред­назначенный для передела в сталь. Сре­ди используемых в сталеплавильном производстве чугунов в зависимости от сталеплавильного агрегата, от хими­ческого состава различают соответ­ствующие марки, например чугун кок­совый, мартеновский Ml или М2, чу­гун высококачественный древесно-угольный ПВД1 или ПВД2, бессеме­ровский (много кремния), томасовский (много фосфора) и т. д.

В свое время были разработаны государственные стандарты, определяв­шие составы чугунов. Обоснованием этих составов служили дальнейшее ра­циональное использование чугуна и имеющееся в то время сталеплавиль­ное оборудование, а также техноло­гии. Например, в чугуне марки Ml должно содержаться 0,75—1,25 % Si, в чугуне марки М2 — до 0,75 % Si. В за­висимости от содержания марганца чугуны делятся на группы (<1,00 % Мп, 1,01 % Мп и т.д.), в зависимости от содержания фосфора — на классы (<0,15 % Р, <0,20 % Р, <0,30 % и т.д.), в зависимости от содержания серы — на категории (в обычных чугунах в за­висимости от категории содержится <0,03 % S, <0,05 % S, <0,07 % S, в высо­кокачественных чугунах —<0,015 % S, <0,020 % S или <0,025 % S и т. д.) и т. п. В последние годы ситуация изме­нилась: наряду с разнохарактерными требованиями сталеплавильщиков (в зависимости от конкретных условий передела, марочного состава выплав­ляемых сталей и т. п.) современное металлургическое производство те­перь располагает апробированными методами внедоменной (на пути от до­менного цеха к сталеплавильному) об­работки жидкого чугуна. Данные ме­тоды обеспечивают поставку в каждом конкретном случае чугуна именно та­кого состава, который требуется для данного сталеплавильного цеха.

Целями внедоменной (внепечной) обработки чугуна являются его десульфурация, дефосфорация и обескремнивание. В отдельных случаях осуществляется дополнительный по­догрев чугуна.
6.2. ВНЕДОМЕННАЯ ДЕСУЛЬФУРАЦИЯ ЧУГУНА
В качестве реагентов-десульфураторов при внепечной обработке чугуна ис­пользуют магний (в виде чистого маг­ния, смеси извести и магния, кусков кокса, пропитанных магнием, в виде гранул магния, покрытых солевыми покрытиями и др.), кальцийсодержа-щие материалы (в виде извести, извест­няка, карбида кальция) и соду. Основ­ные реакции десульфурации чугуна:

Mg_r+[S] = MgS, ΔG º = -104100 + 44,077;

СаО_т + [S] + С = CaS_T + СО_Г, ΔG º = 25 321)-26,337;

СаС₂ + [S] = CaS + 2С, ΔG º = -86900 + 28,727;

Na₂O + [S] + С = Na₂ S + CO_r, ΔG º = -2000 -26,78 Т.

Расчеты показывают, что для свя­зывания 1кг серы необходимо 0,75 кг Mg, 1,75кг СаО, 2кг СаС₂, 3,31кг Na₂CO₃, т. е. в случае использования металлического магния расход реаген­та самый низкий. При этом обеспечи­вается высокая степень десульфура­ции. К преимуществам использования именно магния можно отнести и такие факторы, как малое количество обра­зующегося шлака, и то, что в процессе десульфурации магнием практически не образуется продуктов, вредных для окружающей среды. Однако из-за сравнительно высокой стоимости маг­ния выбор реагента определяется в ко­нечном счете экономическими сооб­ражениями.

Ввод реагентов в металл может осу­ществляться в виде кусков, гранул, по­рошков, проволоки. При использова­нии порошкообразного реагента в ка­честве несущего газа для его вдувания используют воздух, азот, природный газ. Для перемешивания реагента с металлом используют разные спосо­бы, в том числе: 1) падающую струю металла; 2) разные механические ме­шалки; 3) барботаж в процессе про­дувки газом; 4) пульсирующую затоп­ленную струю; 5) воздействие вибра­ции и ультразвука; 6) газолифтное перемешивание и др. Перемешивание массы металла достигается при этом дополнительной продувкой ванны га­зом (азотом). При использовании азо­та необходимо учитывать реакцию

3Mg_r + N₂ = Mg₃N₂ + Q.

Лучшие результаты получают при использовании в качестве несущего газа природного газа, так как в зоне реакции в результате диссоциации ме­тана происходит снижение температу­ры до 1200°С, способствующее про­теканию экзотермической реакции образования MgS, и создается защит­ная восстановительная атмосфера над поверхностью расплава в ковше, бло­кирующая поступление кислорода из атмосферы.

Виды механического перемешива­ния чугуна приведены на рис. 6.1.

При использовании смесей типа известь + плавиковый шпат + реагент, снижающий окисленность ванны (алюминий, кокс и т. п.), используют мешалки (рис. 6.1, в).

Результаты десульфурации (обессе-ривания) при использовании смесей на базе СаО зависят от таких факто­ров, как: а) конструкция ковша (в от­крытом ковше результаты хуже, чем в ковше миксерного типа); б) количе­ство попавшего в ковш миксерного шлака (при значительном количестве миксерного шлака получение низких концентраций серы в чугуне практи­чески недостижимо); в) температура чугуна' (чем выше температура, тем лучше результаты десульфурации).

На рис. 6.2 представлена схема ус­тановки для десульфурации чугуна, располагающейся на пути жидкого


Рис. 6.1. Основные виды механического перемешивания металла:

а — падающей струей; б— вибрационным воздей­ствием; в, г —с использованием мешалок
чугуна от доменного цеха к сталепла­вильному. Масса единовременно обра­батываемой порции чугуна (рис. 6.2, а) составляет до 100т. Перемешивание металла с реагентом достигается вра­щением ротора-мешалки и пропуска­нием через ротор некоторого количе­ства инертного газа (обычно азота), создающего эффект кипения. Пропуск­ная способность такой установки со­ставляет 2 млн. т чугуна в год. При использовании данной установки для обработки чугуна смесью, состоящей из обожженной извести (90 %), плави­кового шпата (5 %) и нефтяного кокса (5 %), добиваются снижения содержа­ния серы в чугуне в 10 раз (с 0,0340 до

0,0031 %). В процессе такой обработки возможны реакции (с учетом участия в них содержащегося в чугуне кремния)

2(СаО) + [Si] + 2[S] → 2(CaS) + SiO₂;

2(CaO) + [С] + 2[S] → 2(CaS) + CO₂.

Используемую в составе смесей для десульфурации известь на ряде пред­приятий заменяют известняком СаСО₃. При этом уменьшается расход энергии, затрачиваемой на разложе­ние известняка при его обжиге в из-вестковообжигательных печах. Кроме того, термическая диссоциация час­тичек СаСО₃ в зонах внедрения в ме­талл способствует образованию очень мелких активных частичек СаО, а именно: СаСО₃ = СаО + СО₂. Образу­ющийся оксид СО₂, взаимодействуя с углеродом чугуна СО₂ + С = 2СО, спо­собствует значительному повышению турбулентности потока в реакционной зоне и циркуляции в объеме металла. Реакция разложения СаСО₃ идет с по­глощением тепла, однако эти потери тепла в какой-то мере компенсируют­ся теплом, которое выделяется в про­цессе взаимодействия образующегося при разложении известняка СО₂ с со­держащимся в чугуне кремнием: СО₂ + [Si] = SiO₂ + С. Достигаемое при этом