Сталеплавильное производство

    1. ШИХТОВІ МАТЕРІАЛИ КОНВЕРТЕРНОГО  ПРОЦЕСУ

1.1 Рідкий чавун

    Відповідно  до ДСТУ  805 – 80 переробний чавун  у СНД підрозділяють на дві  марки П1 і П2, що різняться вмістом  кремнію: 0,5 – 0,9 і  < 0,5% відповідно. Кожну марку підрозділяють на три групи по вмісту марганцю (< 0,5; 0,5 – 1; 1 – 1,5% відповідно в групах I, II, III); на три класи по вмісту фосфору (не більше 0,1; 0,2 і 0,3% відповідно в А, Б , В) і на п'ять категорій по вмісту сірки (не більше 0,01, 0,02, 0,03, 0,04 і 0,05 відповідно в категоріях I, II, III, IV, V).

    Кремній. При збільшенні вмісту кремнію зростає кількість тепла від його окислення і, відповідно, витрата сталевого брухту, що знижує собівартість сталі. Разом з тим при зростанні вмісту кремнію необхідно збільшувати витрату вапна на ошлакування діоксиду кремнію(SiO2), що утвориться. При цьому зростає кількість шлаку і відповідно теплові втрати, а також втрати заліза зі шлаком, що зливається.

    Марганець. Протягом багатьох років вважалось , що чавун для переробки в кисневих конвертерах повинен містити 0,3 – 0,7 % Mn. Пояснюється це тим, що при високому вмісті марганцю істотно полегшується шлакоутворення, тобто швидко відбувається формування основного шлаку, оскільки продукт окислювання марганцю, оксид марганцю MnO, помітно прискорює розчинення вапна.

    Фосфор. При збільшенні вмісту фосфору в чавуні для його видалення в шлак в процесі плавки необхідно збільшувати кількість і основність шлаку і його окисленість, що веде до збільшення втрат тепла, зношування футеровки, втрат заліза зі шлаком і ряду інших несприятливих наслідків. У зв'язку із цим при звичайній технології конвертерної плавки (робота з одним шлаком) вміст фосфору в чавуні має бути < 0,3%.

    Сірка. Умови для видалення сірки з металу несприятливі внаслідок високої окисленості конвертерного шлаку. У зв'язку з необхідністю виплавки в кисневих конвертерах високоякісних сталей з низьким вмістом сірки, типовою технологічною інструкцією 1986р. передбачений припустимий вміст сірки в чавуні для кисневих конвертерів < 0,035%.

    Вуглець. Вміст вуглецю в чавуні ДСТУ  або технічними умовами не регламентується, оскільки він визначається вмістом інших складових. Приблизно вміст у чавуні вуглецю  визначається по формулі:

C = 4,8 + 0,03[% Mn] – 0,27[% Si] – 0,32[% P] – 0,032[% S] ,  (1)

1.2 Сталевий брухт

    Сталевий  брухт (скрап) є охолоджувачем конвертерної плавки; збільшення його витрати (заміна брухтом частини чавуну) забезпечує зниження собівартості сталі. Витрата брухту, обумовлена умовами теплового балансу плавки, без вживання спеціальних заходів по збільшенню його витрати, як правило не перевищує 27% від маси металевої шихти.

    Відповідно  до ДСТУ  2787 – 75 сталевий брухт підрозділяють на дві категорії: вуглецевий (позначуваний буквою А) і легований (позначуваний буквою Б). По якості категорії А і Б розділяють на 28 видів (брухт кусковий , дрібний кусковий, пакети, брикети із стружки, негабаритний брухт  і т. д.); крім того, категорію Б розділяють на 67 груп по вмісту легуючих елементів.

    Брухт , що використовується повинен відповідати ДСТУ 2787 – 75 і ТУ 14 – 10 – 38 – 83. На заводах брухт розділяють на оборотний (прокатний обріз і відходи інших цехів металургійного заводу) і купований; склад останнього , як правило ,  не відомий. Не допускається вміст у брухті домішок кольорових металів (Zn, As, Pb, Sn, і ін.), що погіршують якість сталі. Брухт не повинен містити вибухових речовин, а також пально-мастильних матеріалів, снігу, льоду, закритих посудин, оскільки при заливанні чавуну на брухт, що містить ці домішки, можливі вибухи. Вміст міді і нікелю в сталевому брухті не повинен перевищувати їхній припустимий вміст у виплавленій сталі (як правило,<0,2%), оскільки ці домішки не видаляються з металу при конвертерній плавці (нікель і мідь не окисляються в присутності рідкого заліза, оскільки мають хімічну спорідненість до кисню більш низьку, ніж залізо). Небажаний також високий вміст у брухті  іржі, оскільки вона вносить у метал водень (іржа – це гідрати оксидів заліза).

    Насипна щільність легковагого брухту становить 0,8 – 1,1 т/м3, великовагового (обріз слябів і блюмів) - 3 – 3,5 т/м3. На вітчизняних заводах використовують брухт насипною щільністю ~1 т/м3. Легковагий брухт пресують на спеціальних  пакетір-пресах одержуючи пакети, що зменшує тривалість завантаження. Завантаження в конвертер легковагого брухту небажано, тому що сприяє значному зниженню температури ванни на початку продувки внаслідок швидкого розчинення лома в чавуні; при цьому вповільнюється шлакоутворення й по ходу продувки спостерігається коливання (пульсації) швидкості окислювання вуглецю, що сприяють виникненню викидів.

    Обмежують максимальний розмір кусків брухту, оскільки занадто великі куски  можуть не встигнути розчинитися за короткий час продувки. Розміри пакетів  брухту не повинні перевищувати 2000х1050х750мм. Довжина кускового брухту повинна бути не більше 800мм. Рекомендована товщина кусків, що забезпечує його розплавлення при різній інтенсивності продувки, наступна:

Інтенсивність продувки м3/(т·хв).........................1           3    4       5

Припустима  товщина кусків брухту, мм........ 350          300      280      260

1.3 Шлакоутворюючи матеріали

       Вапно одержують випалом вапняку CaCO3 при 1000 – 1100°C у трубчастих обертових  печах, печах киплячого шару, вагранках і спеціальних шахтних печах. Вапно повинне задовольняти вимогам ДСТУ 14-16-165 – 85. У вапні повинне міститися ≥ 92%(CaO+MgO), <2% SiO2. Розмір кусків повинен бути в межах 10 – 50 мм, великі куски вапна повільно розчиняються в шлаку, дрібні – вносяться з конвертера газами, що відходять.

       Вапно повинне містити <0,06% S, а після  випалу в шахтних печах <0.08% S. Вміст  сірки у вапні залежить головним чином від виду застосованого  для випалу палива; мінімальна кількість  сірки втримується при використанні природного газу, максимальне –  при використанні коксу, антрациту  і неочищеного від сірки коксувального газу. При вмісті вапні  ≥0,1% S можливий перехід сірки в процесі плавки зі шлаку у метал.

    Втрати  при прожарюванні не повинні перевищувати 5%, а після випалу в шахтних  печах – 8%, їхня кількість у вапні  визначається кількістю недопалу (залишків необпаленого вапняку). Чим менше  недопалу, тим швидше розчиняється вапно в шлаку. Масову частку недопалу у вапні (%) визначають по масі залишку після розчинення (гасіння) вапна у воді.

    Вапно повинне бути свіжообпаленим, припустимий  строк зберігання після її виробництва  становить 24години, оскільки при більш  тривалому зберіганні в результаті поглинання вологи з атмосфери відбувається гідратація (гасіння) вапна: CaO + Н2О = Ca(OH)2.  У процесі гідратації кускове вапно розсипається в порошок («пушонку»); його застосування  неприпустимо, оскільки більша частина пушонки виноситься газами,що відходять, і , крім того, Ca(OH)2 служить джерелом насичення сталі воднем.

    Вапно повинне бути м'якообпаленим; твердообпалене вапно має помітно меншу реакційну  здатність (швидкістю розчинення в  шлаку). М'якообпалене вапно утворюється  при швидкому нагріванні в процесі  випалу до 1000 – 1100ºC без витримки при  цій температурі. Якщо робити тривалу  витримку при високих температурах, то виходить твердообпалене вапно- окремі кристали вапна зростаються і зменшується її пористість, у результаті чого вповільнюється розчинення кусків вапна в шлаку. М'якообпалене вапно має пористість ~ 50%, розмір кристалів <1мм; твердообпалене – відповідно ~ 35% і 5 – 10 мм. Густина м'яко - і твердо обпаленого вапна відповідно дорівнює ~1,6 і >2г/см3. Твердообпалене вапно , як правило , утворюється при випалі в шахтних печах, м'якообпалене – при випалі в обертових і печах киплячого шару.

    Реакційну здатність вапна визначають шляхом гасіння 10г вапна фракції <0,25мм в 20мл води в калориметрі. Показником реакційної здатності є час від  початку гасіння до моменту досягнення максимальної температури; воно має  бути 2хв.

       Плавиковий шпат відповідно до ДСТУ 7618 – 83 називається плавикошпатовим концентратом. Його використовують для зменшення в'язкості шлаку і прискорення розчинення в шлаку вапна (прискорення шлакоутворення).

    Його  одержують збагаченням флюоритових  руд; основною домішкою є SiO2.

    Для конвертерного виробництва відповідно до ДСТУ 7618 – 83 передбачений плавикошпатовий (флюоритовий) концентрат марок ФК (кусковий) і ФГ (гравітаційний). У марках ФК розмір кусків від 300 до 5мм (доля часток з розміром <5мм не повинна перевищувати 10%); розмір кусків у марках ФГ – переважні 5 – 50мм (частка більш дрібних або великих часток не повинна перевищувати 10% кожної ; у марці ФКМ – 65 доля часток розміром <5мм не регламентується).

    До  недоліків плавикового шпату  належить дефіцитність і висока вартість; крім того, при температурах конвертерного  процесу він швидко зникає зі шлаку. Фториди , які при цьому надходять до атмосфери , шкідливі для здоров'я і негативно впливають на стійкість устаткування.

1.4 Інші неметалеві  матеріали

    Залізні руди містять залізо у вигляді Fe2O3 або Fe3O4, порожню породу ( 5 – 17 % SiO2; 0,2 – 13% Al2O3; 0,2 – 8,5% СаО і 1,5 – 4,0 іноді до 10% MgO) і звичайно ≤ 0,1% S і Р (кожного). У конвертерному виробництві застосовують багату по залізу руду, що містить < 8% SiO2 у кусках розміром 10 – 80мм.

    Агломерат різних заводів містить 47 – 57% Fe, 7 – 11% SiO2; 6 – 23% СаО і, як правило ≤ 0,1% S і Р (кожного). Окатиші містять 51 – 64% Fe; 4 – 8% SiO2; від 0,2 – 1,0 до 5% CаO і ≤ 0,1% S і Р (кожного).

    Окалина утворюється в результаті окислювання поверхні злитків і сталевих заготівок при їхньому нагріванні перед прокаткою. Складається майже цілком з Fe3O4.

    Марганцева  руда іноді застосовується для прискорення розчинення вапна на початку продувки. Містить 20 – 50% Mn у вигляді оксидів і карбонатів і порожню породу з SiO2 і в меншій кількості Al2O3. 
 
 

    1.   Розкислювачі

      Розкислення конвертерної сталі роблять шляхом уведення розкислювачів у ківш , що дозволяє уникнути їхнього великого вигару . При розкисленні сталей вирішують завдання одержання в сталі заданого вмісту марганцю й кремнію .

Таблиця 1.5.1  Хімічний склад розкислювачів %

 
Марка

феросплаву

 Вміст елементів , %
Mn C Si P S
не  більш
Феросиліцій

ФС - 45

 0,40 0,10 45,0 0,05 0,04
Феромарганець

ФМн 88

 85,0 2,00 3,00 0,10 0,03
 
 
 
    1. РОЗРАХУНОК  МАТЕРІАЛЬНОГО І  ТЕПЛОВОГО БАЛАНСІВ

    КИСНЕВО-КОНВЕРТЕРНОЇ ПЛАВКИ

    Плавка  ведеться в один захід без випуску  проміжкового шлаку. Розрахунок ведеться на 100 кг металічної шихти.

      2.1  Хімічний склад металічної шихти

      Таблиця 2.1 – Склад шихти

Матеріал Вміст елементів , %
C Sі Mn P S
Чавун 4,45 0,72 0,52 0,06 0,05
Скрап 0,28 0,30 0,40 0,05 0,04

      2.2 Склад неметалічної частини шихти і футеровки

     Таблиця 2.2 – Хімічний склад  неметалічної частини шихти.

Матеріал Вміст оксидів , %
SiO2 Fe2O3 Al2O3 CаO MgO Cr2O3 CaF2 H2O CO2
Вапно 1,8 - 1,7 86,0 2,0 - - 1,9 6,6
Плавіковий

шпат

 5,0 - 1,0 8,0 - - 79,5 0,5 6,0
Футеровка 5,0 8,00 3,0 2,0 70,0 12,0 - - -

     2.3 Склад готової  сталі 35Х (ДСТУ 380 – 80) %

    Таблиця  2.3 – Хімічний склад готової сталі 35Х

C Si Mn P S Cr
0,31-0,39 0,17-0,37 0,50-0,80 0,035 0,035 0,80-1,10
 

    2.4 Кількість елементів  , що вноситься  металічною частиною

При  умові  переробки 73% чавуну і 27% скрапу металічною частиною вноситься :

    Таблиця 2.4 –  Кількість елементів , що вносяться  чавуном і скрапом

Матеріал Кількість елементів , кг
С Si Mn P S
Чавун 3,25 0,53 0,38 0,044 0,037
Скрап 0,08 0,08 0,11 0,014 0,011
Всього 3,33 0,61 0,49 0,058 0,048
 

       2.5Кількість і склад шлаку, використовуючи дані, отримані на

    практиці 

    2.5.1 Приймаємо :

    - зношення футеровки складає 0,3% маси металічної шихти;

    -  витрата CaF2 складе 0,3%;

    -  з металічної шихти в шлак  перейде 100% Si, 50% S, 80% Mn, 90% Р.

    2.5.2 Приймаємо, що з неметалічної  частини шихти в шлак перейдуть  всі оксиди, за виключенням H2O і CO2 .

      2.6 Витрати вапна

2.6.1 Щоб забезпечити хорошу десульфурацію і дефосфорацію металу основність шлаку (СаО/SiO2) має бути від 2,5 до 3,5. Приймаємо основність рівною - 3,0 . Тоді флюсуюча здібність вапна складе:

    0,86 – 3,0 · 0,018 = 0,806 кг СаО вапна

    2.6.2 Шихтою (без вапна) і футеровкою вноситься кремнезему в шлак, кг:

       а) металічною частиною шихти         0,61 · 60 / 28 = 1,3071

       б) футеровкою                                    0,05 · 0,3 = 0,015

       в) плавиковим шпатом                       0,05 · 0,3 = 0,015

    Всього  буде внесено кремнезему, кг:

    1,3071+0,015+0,015=1,3371

    2.6.3 Для здобуття заданої основності необхідно оксиду кальцію, кг:

    1,3371 · 3,0 = 4,0113

    2.6.4 Визначаємо кількість оксиду  кальцію, що вноситься шихтою, кг:

       а) плавиковим шпатом                       0,3 · 0,08 = 0,024

       б) футеровкою                                    0,3 · 0,02 = 0,006

    2.6.5 Необхідно вапна без урахування  СаО, що вноситься шихтою, кг:

    (4,0113 – 0,024 – 0,006) / 0,8 = 4,9766

    2.7  Складові шлаку

    2.7.1 Вноситься кремнезему вапном, кг:

    4,9766 · 0,018 = 0,0896

    2.7.2 Вноситься оксиду кальцію вапном, кг:

    4,9766 · 0,86 = 4,2799

    2.7.3 Вноситься оксиду магнію, кг:

       а) вапном                                              4,9766 · 0,02 = 0,0995

       б) футеровкою                                      0,7 · 0,3 = 0,21

    2.7.4 Вноситься глиноземом, кг:

       а) вапном                                              4,9766 · 0,017 = 0,0846

       б) плавиковим шпатом                        0,3 · 0,01 = 0,003

       в) футеровкою                                      0,3 · 0,03 = 0,009

    2.7.5 Вноситься оксидів хрому футеровкою, кг:

    0,3 · 0,12 = 0,036

    2.7.6 Вноситься оксидів марганцю металевою частиною, кг:

    0,49 · 0,8 · 71 / 55 = 0,5060

    2.7.7 Вноситься оксидів фосфору металевою частиною, кг:

    0,058 · 0,9 · 142 / 62 = 0,1196

    2.7.8 Вноситься оксидів заліза футеровкою, кг:

    0,3 · 0,08 = 0,024

    2.7.9 Вноситься CaF2  плавиковим шпатом, кг:

    0,3 · 0,795 = 0,2385

    2.7.10 Визначаємо склад шлаку, кг:

    Таблиця 2.5 – Складові шлаку

Джерела шлаку Кількість оксидів ,кг
SiO2

CаO

 MgO Al2O3 Cr2O3 S MnO P2O5 Fe2O3 CaF2 Всього
Металічна шихта 1,3071 - - - - 0,024 0,5060 0,1196 - - 1,9567
Вапно 0,0896 4,2799 0,0955 0,0846 - - - - - - 4,5496
Плавиковий  шпат 0,015 0,024 - 0,003 - - - - - 0,2385 0,2805
Футеровка 0,015 0,006 0,21 0,009 0,036 - - - 0,024 - 0,300
Всього 1,4267 4,3099 0,3055 0,0966 0,036 0,024 0,5060 0,1196 0,024 0,2385 7,0868
 

    2.7.11 Виходячи з практичних даних приймаємо , що у шлаку міститься    

    4 % Fe2O3 і 12 % FеO . Тоді маса шлаку без оксидів заліза складе :

    100 – 4 – 12 = 84 %

    2.7.12 Маса шлаку разом з оксидами  заліза складе , кг :

    7,0868 / 0,84 = 8,4367

    - в  тому числі сумарна кількість  оксидів заліза , кг :

    8,4367 – 7,0868 = 1,3499

    - з  них Fe2O3 буде :            1,3499 · 0,25 = 0,3375

       де 0,25 – доля Fe2O3 в сумі оксидів заліза

    - кількість  FеO буде : 1,3499 – 0,3375 = 1,0124

    2.7.13 За даними практики приймаємо  , що кількість заліза , що залишилася  у шлаку у вигляді корольків  , втрати з викидами і угар  заліза складає 3 % , тобто 3,00 кг .

    2.7.14 Витрачається заліза на угар  з утворенням Fe2O3 , кг:

      = (0,3375 – 0,024) · 112 / 160 = 0,2195

    2.7.15 Витрачається заліза на угар  з утворенням FеO , кг:

    Fe FeO = 1,0124 · 56 / 72 = 0,7874

    2.7.16 Втрати заліза у вигляді корольків і викидів складає, кг:

    3,00 – 0,2195 – 0,7874 = 1,9931

    2.8  Вихід рідкої сталі 

    Вихід рідкої сталі , з урахуванням 0,35 кг вуглецю і за винятком угару елементів складе , кг :

100 –  [(3,33 - 0,35) + 0,61 + 0,49 · 0,8 + 0,058 · 0,9 + 0,048 · 0,5 + 3,00] = 92,9418

    2.9 Кількість домішок  , що залишилися  в металі, кг:

       Вуглець  – 0,35

       Кремній – сліди

       Марганець  – 0,098

       Фосфор  – 0,0058

       Сірка  – 0,024

    2.10 Склад металу

    Таблиця 2.6 – Склад металу

Вміст елементів , %
C Si Mn P S
0,3766 - 0,1054 0,0062 0,0258
 

    2.11 Кількість СО2 і СО , що утворюється при окислюванні вуглецю металошихти

    На  основі практичних даних приймаємо, що 10% С , який вигорів окислюється до СО2 і 90% С - до СО, тоді :

  • вигорить вуглецю                                   3,33  – 0,35 = 2,98 кг
  • окислиться до СО2                                  2,98 · 0,1 = 0,298 кг
  • окислиться до СО                                   2,98 · 0,9 = 2,682 кг
  • утвориться СО2                                     0,298 · 44 / 12 = 1,0927 кг

       -   утвориться СО                                        2,682 · 28 / 12 = 6,258 кг

    2.12  Кількість дуття

    2.12.1 Потрібно кисню на окислення заліза до утворення Fe2O3 і FeO, кг:

         -   для утворення Fe2O3 :

    = (0,3375 – 0,024) · 48 / 160 = 0,0941

  • для утворення FeO :

    = 1,0124 · 16 / 72 = 0,2250

    2.12.2 Потрібно кисню на окислення домішок, кг:

       вуглецю до СО2                                             1,0927 · 32 / 44 = 0,7947

       вуглецю до СО                                               6,258· 16 / 28 = 3,576

       марганцю  до MnO                                         0,5060 · 16 / 71 = 0,1140

       кремнію до SiO2                                             1,3071 · 32 / 60 = 0,6971

       фосфору до Р2О5                                            0,1196 · 80 / 142 = 0,0674

    2.12.3 Всього потрібно кисню на окислення заліза і домішок, кг:

       0,0941 + 0,2250 + 0,7847 + 3,576 + 0,1140 + 0,6971 + 0,0674 = 5,5683

    2.12.4 Потрібно технічного кисню при 95% його засвоєнні, кг:

    5,5683 / 0,95 = 5,8614

    2.12.5 Потрібно дуття при чистоті кисню 99,5%, кг:

    Vд = 5,8614 / 0,995 = 5,8909

    2.13 Склад і кількість  газів , що відходять

    2.13.1 Отримано СО2: