Производство чугуна и стали

1.Производство  чугуна и стали.

Железо имело  промышленное применение уже до нашей  эры. В древние

времена его  получали в пластичном состоянии  в горнах. Шлак отделяли,

выдавливая его  из губчатого железа, ударами молота.

По мере развития техники производства железа постепенно повышалась

температура, при  которой велся процесс. Металл  и шлак стали плавиться;

стало возможным  разделять их гораздо полнее. Но одновременно в металле

повышалось содержание углерода  и других примесей, - металл становился

хрупким и нековким. Так появился чугун.

Позднее научились  перерабатывать чугун; зародился двухступенчатый

способ производства  железа из руды. В принципе  он сохраняется  до

настоящего времени: современная схема получения  стали состоит из доменного

процесса, в ходе которого из руды получается чугун, и  сталеплавильного

передела, приводящего  к уменьшению в металле количества углерода и других

примесей.

Современный высокий  уровень металлургического производства основан на

теоретических исследованиях и открытиях, сделанных  в различных странах, и

на богатом  практическом опыте. Немалая доля в  этом процессе принадлежит

русским ученым. Например, российские ученые первыми  широко применили

природный газ  для доменной плавки. 

                        2. Производство чугуна. 

2.1. Исходные материалы.

     Железные  руды. Главный исходный материал  для производства чугуна в

доменных печах  – железные руды. К ним относят  горные породы, содержащие

железо в таком  количестве, при котором выплавка становится экономически

выгодной.

     Железная руда состоит из рудного вещества и пустой породы. Рудным

веществом чаще всего являются окислы, силикаты и  карбонаты железа. А пустая

порода обычно состоит из кварцита или песчаника  с примесью глинистых

веществ и реже – из доломита или известняка.

     В  зависимости от рудного вещества железные руды бывают богатыми,

которых используют непосредственно, и бедными, которых  подвергают

обогащению.

     В  доменном производстве применяют  разные железные руды.

     Красный  железняк (гематит) содержит железо  в виде безводной окиси

железа. Она имеет  разную окраску( от темно-красной до темно-серой). Руда

содержит много  железа(45-65 %) и мало вредных примесей. Восстановим ость

железа из руды хорошая.

     Бурый  железняк содержит железо в  виде водных окислов. В нем  содержится

25- 50% железа. Окраска  меняется от желтой до буро-желтой. Пустая порода

железняка глинистая  иногда кремнисто-глиноземистая.

     Магнитный  железняк содержит 40-70% железа в  виде закиси-окиси железа.

руда обладает хорошо выраженными магнитными свойствами, имеет темно-серый

или черный с  различными оттенками цвет. Пустая порода руды кремнеземистая с

примесями других окислов. Железо из магнитного железняка  восстанавливается

труднее, чем  из других руд.

     Шпатовый  железняк (сидерит) содержит железо  в виде углекислой соли. В

этом железняке  содержится 30-37 % железа. Сидерит имеет  желтовато-белый и

грязно-серый  цвет. Он легко окисляется и переходит  в бурый железняк. Из

всех железных руд он обладает наиболее высокой  восстановимостью.

     Марганцевые  руды содержат 25-45% марганца в виде различных окислов

марганца. Их добавляют  в шихту для повышения в  чугуне количества марганца. 

               

  2.2. Производство  чугуна в доменной печи.

    Выплавка  чугуна производится в огромных  доменных печах, выложенных из

огнеупорных кирпичей достигающих 30 м высоты при внутреннем диаметре около

12 м.

    Верхняя  ее половина носит название  шахты и заканчивается наверху

отверстием –  калашником, которая закрывается  подвижной колонкой –

кколашниковым затвором. Самая широкая часть печи называется распаром, а

нижняя часть  – горном. Через специальные отверстия  в горне(фурмы) в печать

вдувается горячий  воздух или кислород.

     Доменную  печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом  и

коксом. Агломерат  – это определенным образом подготовленная руда, спеченная

с флюсом. Горение  и необходимая для выплавки чугуна температура

поддерживаются  вдуванием в горн подогретого  воздуха или кислорода.

Последний поступает  в кольцевую трубу, расположенную  вокруг нижней части

печи, а из нее по изогнутым трубкам через фурмы в горн. В горне кокс

сгорает, образуя  СО2, который, поднимаясь вверх и  проходя сквозь слои

наколенного кокса, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся

оксид углерода и восстонавливает большую часть  руды, переходя снова в СО2.

     Процесс  восстановления руды происходит  главным образом в верхней  части

шахты. Его можно  выразить суммарным уравнением:

                          Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

     Пустую  породу в руде образуют, главным  образом диоксид кремния SiO2.

Это – тугоплавкое  вещество. Для превращения тугоплавких  примесей в более

легкоплавкие  соединения к руде добавляются флюс . Обычно в качестве флюса

используют  CaCo3.  При  взаимодействии его с SiO2  образуется  CaSiO2,

легко  отделяющийся в виде шлака.

     При  восстановлении руды железо получается  в твердом состоянии.

Постепенно оно  опускается в более горячую часть  печи – распар - и

растворяет в  себе углерод; образуется чугун. Последний  плавится и стекает в

нижнюю часть  горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна,

предохраняя его  от окисления. Чугун и шлаки выпускают  по мере накопления

через особые отверстия, забитые в остальное время  глиной.

     Выходящие  из отверстия печи газы содержат  до 25% СО. Их сжигают в

особых аппаратах-кауперах, предназначенных для предварительного нагревания

вдуваемого в  печь воздуха. Доменная печь работает непрерывно. По мере того

как верхние  слои руды и кокса опускаются, в  печь добавляют новые их порции.

Смесь руды и  кокса доставляется подъемниками  на верхнюю площадку печи и

загружается в  чугунную воронку, закрытую снизу колошниковым затвором. При

опускании затвора  смесь попадает в печь. Работа печи продолжается в течение

нескольких лет, пока печь не потребует капитального ремонта.

     Процесс  выплавки может быть ускорен путем применения в доменных печах

кислорода. При  вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха

предварительный подогрев его становится излишним, а значит, отпадает

необходимость в громоздких и сложных кауперах и весь процесс упрощается.

Вместе с тем  производительность печи повышается и  уменьшается расход

топлива. Такая  доменная печь дает в 1,5 раза больше железа и требует кокса

на ј меньше чем обычная. 

3 Производство  стали. 

    В  стали по сравнению с чугуном  содержится меньше углерода, кремния,

серы и фосфора. Для получения стали из чугуна необходимо снизить

концентрацию  веществ путем окислительной  плавки.

    В  современной металлургической промышленности  сталь выплавляют в

основном в  трех агрегатах: конвекторах, мартеновских  и электрических

печах.

                   3.1. Производство стали в конверторах.

    Конвертор  представляет собой сосуд грушевидной  формы. Верхнюю часть

называют козырьком  или шлемом. Она имеет горловину, через которую жидкий

чугун и сливают  сталь и шлак. Средняя часть имеет цилиндрическую форму. В

нижней части  есть приставное днище,  которое  по мере износа заменяют новым.

К днищу присоединена воздушная коробка, в которую  поступает сжатый воздух.

    Емкость  современных конвекторов равна  60 – 100 т. и более, а давление

воздушного дутья 0,3-1,35 Мн/м. Количество воздуха необходимого для

переработки 1 т  чугуна, составляет 350 кубометров.

    Перед  заливкой чугуна конвектор поворачивают  до горизонтального

положения, при  котором отверстия фурм оказываются  выше уровня залитого

чугуна. Затем  его медленно возвращают в вертикальное положение и

одновременно  подают дутье, не позволяющее металлу  проникать через отверстия

фурм в воздушную  коробку. В процессе продувки воздухом жидкого чугуна

выгорают кремний, марганец, углерод и частично железо.

    При  достижении необходимой концентрации  углерода конвектор возвращают  в

горизонтальное  положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл

раскисляют и  выливают в ковш.

    Бессемеровский  процесс. В конвертор заливают  жидкий чугун с достаточно

высоким содержанием  кремния (до 2,25% и выше), марганца       (0,6-0,9%), и

минимальным количеством  серы и фосфора.

    По  характеру происходящей реакции  бессемеровский процесс можно  разбить

на три периода. Первый период начинается после пуска дутья в конвертор и

продолжается 3-6 мин. Из горловины конвертора вместе с газами вылетают

мелкие капли  жидкого чугуна с образованием искр. В этот период окисляются

кремний, марганец и частично железа по реакциям:

                              Si + O2 = SiO2,

                              2Mn + O2 = 2MnO,

                              2Fe + O2 = 2FeO. 

    Образующаяся  закись железа частично растворяется  в жидком металле,

способствуя дальнейшему  окислению кремния и марганца. Эти реакции протекают

с выделением большого количества тепла, что вызывает разогрев металла. Шлак

получается кислым (40-50% SiO2).

    Второй  период начинается после почти  полного выгорания кремния и

марганца. Жидкий металл достаточно хорошо разогрет, что  создаются

благоприятные условия для окисления углерода по реакции C + FeO = Fe + CO,

которая протекает  с поглощением тепла. Горение  углерода продолжается 8-10

мин и сопровождается некоторым понижением температуры  жидкого металла.

Образующаяся  окись углерода сгорает на воздухе. Над горловиной конвектора

появляется яркое  пламя.

    По  мере снижения содержания углерода  в металле пламя над горловиной

уменьшается и  начинается третий период. Он отличается от предыдущих

периодов появлением над горловиной конвертора бурого дыма. Это показывает,

что из чугуна почти  полностью выгорели кремний,  марганец и углерод и

началось очень  сильное окисление железа. Третий период продолжается не

более 2 – 3 мин, после чего конвектор переворачивают в горизонтальное

положение и  в ванну вводят раскислители (ферромарганец, ферросилиций или

алюминий) для  понижения содержания кислорода  в металле. В металле

происходят реакции 

                             FeO + Mn = MnO + Fe,

                           2FeO + Si = SiO2 + Fe,

                            3FeO + 2Al = Al2O3 + 3Fe.

      Готовую сталь выливают из конвектора в ковш, а затем направляют на

разливку.

    Чтобы  получить сталь с заранее заданным  количеством углерода (например,

0,4 – 0,7% С), продувку  металла прекращают в тот момент, когда из него

углерод еще  не выгорел, или можно допустить  полное выгорание углерода, а

затем добавить определенное количество чугуна или  содержащих углерод

определенное  количество ферросплавов.

    Томасовский  процесс. В конвертор с основной  футеровкой сначала

загружают свежеобожженную известь, а затем заливают чугун, содержащий  1,6-

2,0% Р, до 0,6%Si и  до 0,8% S. В томасовском конвекторе  образуется

известковый шлак, необходимый для извлечения и  связывания фосфора.

Заполнение конвектора жидким чугуном, подъем конвертора, и пуск дутья

происходят также  как и в бессемеровском процессе.

    В  первый период продувки в конвекторе  окисляется железо, кремний,

марганец и  формируется известковый шлак. В  этот период температура металла

несколько повышается.

    Во  второй период продувки выгорает углерод, что сопровождается

некоторым понижением температуры металла. Когда содержание углерода в

металле достигнет  менее 0,1%, пламя уменьшится и исчезнет. Наступает третий

период, вовремя  которого интенсивно окисляется фосфор

                    2P + 5FeO + 4CaO = (CaO)4*P2O5 + 5Fe.

    В результате окисления фосфор переходит из металла в шлак, поскольку

тетрафосфат кальция  может раствориться только в нем. Томасовские шлаки

содержат 16 – 24% Р2О5.

    Данная  реакция сопровождается выделением значительного количества

тепла, за счет которого происходит более резкое повышение  температуры

металла.

    Перед  раскислением металла из конвертора  необходимо удалить шлак, т.к.

содержащиеся  в раскислителях углерод, кремний, марганец будут

восстанавливать фосфор из шлака, и переводить его в металл. Томасовскую

сталь применяют  для изготовления кровельного железа, проволоки и сортового

проката.

    Кислородно-конверторный  процесс.  Для интенсификации  бессемеровского и

томасовского  процессов в последние годы начали применять обогащенное

кислородом дутье.

    При  бессемеровском процессе обогащения  дутья кислородом позволяет

сократить продолжительность  продувки и увеличить производительность

конвертора и  долю стального скрапа, подаваемого  в металлическую ванну в

процессе плавки. Главным достоинством кислородного дутья является снижение

содержания азота  в стали с 0,012-0,025(при воздушном  дутье) до 0,008-

0,004%(при кислородном  дутье). Введение в состав дутья  смеси кислорода с

водяным паром  или углекислым газом позволяет повысить качество

бессемеровской  стали, до качества стали, выплавляемой в мартеновских и

электрических печах.

    Большой  интерес представляет  использование  чистого кислорода для

выплавки чугуна в глуходонных конверторах сверху с помощью водоохлаждаемых

фурм.

    Производство  стали кислородно-конверторным способом  с каждым годом

увеличивается.

                3.2.Производство стали в мартеновских печах. 

    В  мартеновских печах сжигают мазут  или предварительно подогретые  газы с

использованием  горячего дутья.

   Печь  имеет рабочее (плавильное) пространство  и две пары

регенераторов(воздушный  и газовый) для подогрева воздуха  и газа. Газы и

воздух проходят через нагретую до 1200( С огнеупорную  насадку

соответствующих регенераторов и нагреваются  до 1000-1200( С. Затем по

вертикальным  каналам направляются в головку  печи, где смешиваются и

сгорают, в результате чего температура под сводом достигает 1680-1750( С.

Продукты горения  направляются из рабочего пространства печи в левую пару

регенераторов и нагревают их огнеупорную насадку, затем поступают в котлы-

утилизаторы  и дымовую трубу. Когда огнеупорная  насадка правой пары

регенераторов остынет, остынет так что не сможет нагревать проходящие через

них газы и воздух до 1100( С, левая пара регенераторов  нагревается примерно

до 1200-1300( С. В  этот момент переключают направление  движения газов и

воздуха. Это  обеспечивает непрерывное поступление  в печь подогретых газов и

воздуха.

    Большинство  мартеновских печей отапливают  смесью доменного,

коксовального и генераторного газов. Также применяют и природный газ.

Мартеновская  печь, работающая на мазуте, имеет генераторы только для

нагрева воздуха.

     Шихтовые  материалы (скрапы, чугун, флюсы)  загружают в печь наполненной

машиной через  завалочные окна. Разогрев шихты, рас плавление металла и

шлака в печи происходит в плавильном пространстве при контакте материалов с

факелом раскаленных  газов. Готовый металл выпускают  из печи через

отверстия, расположенные  в самой низкой части подины. На время плавки

выпускное отверстие забивают огнеупорной глиной.

     Процесс  плавки в мартеновских печах  может быть кислым или основным.

При кислом процессе огнеупорная кладка печи выполнена  из динасов ого

кирпича. Верхние  части подины наваривают кварцевым  песком и ремонтируют

после каждой плавки. В процессе плавке получают кислый шлак  с большим

содержанием кремнезема (42-58%)

    При  основном процессе плавки подину  и стенки печи выкладывают  из

магнезитового кирпича, а свод – из динасов ого  или хромомагнезитового

кирпича. Верхние  слои подины наваривают магнезитовым или доломитовым

порошком и  ремонтируют после каждой плавки. В процессе плавки получают

кислый шлак с большим содержанием  54 – 56% СаО.

    Основной  мартеновский процесс. Перед началом  плавки определяют

количество исходных материалов (чушковый чугун, стальной скрап, известняк,

железная руда) и последовательность их загрузки в  печь. При помощи

заливочной машины мульда (специальная коробка) с шахтой вводится в

плавильное пространство печи и переворачивается, в результате чего шихта

высыпается на подину печи. Сначала загружают мелкий скрап, затем более

крупный и на него кусковую известь (3 – 5 % массы  металла). После прогрева

загруженных материалов подают оставшийся стальной лом и  предельный чугун

двумя тремя  порциями.

    Этот порядок загрузки материалов позволяет их быстро прогреть и

расплавить. Продолжительность  загрузки шихты зависит от емкости  печи,

характера шихты, тепловой мощности печи и составляет 1,5 – 3 ч.

    В  период загрузки и плавления  шихты происходит частичная окисление

железа и фосфора  почти полное окисление кремния  и марганца и образования

первичного шлака. Указанные элементы окисляются сначала  за счет кислорода

печных газов  и руды, а затем за счет закиси железа растворенной в шлаке.

Первичный шлак формируется при расплавлении и окислении металла и содержит

10 –15% FeO, 35 –45% CaO, 13 – 17% MnO. После образования шлака  жидкий

металл оказывается  изолированным от прямого контакта с газами, и окисление

примесей происходит под слоем шлака. Кислород в этих условиях переносится

закисью железа, которая растворяется в металле  и шлаке. Увеличение

концентрации  закиси железа в шлаке приводит к  возрастанию ее концентрации в

металле.

    Для  более интенсивного питания металлической  ванны кислородом в шлак

вводят железную руду. Кислород, растворенный в металле, окисляет кремний,

марганец, фосфор и углерод по реакциям, рассмотренным  выше. 

    К  моменту рас плавления всей  шихты значительная часть фосфора  переходит

в шлак, так как  последний содержит достаточное количество закиси железа и

извести. Во избежание  обратного перехода фосфора в  металл перед началом

кипения ванны 40 – 50% первичного шлака из печи.

    После  скачивания первичного шлака  в печь загружают известь для

образования нового и более основного шлака. Тепловая нагрузка печи

увеличивается, для того чтобы тугоплавкая известь  быстрее перешла в шлак, а

температура металлической  ванны повысилась. Через некоторое  время 15 – 20

мин в печь загружают  железную руду, которая увеличивает  содержание окислов

железа в шлаке, и вызывает в металле реакцию окисления углерода

                            [C] + (FeO) = Coгаз.

    Образуется  окись углерода выделяется из  металла в виде пузырьков,

создавая впечатление  его кипения, что способствует перемешиванию  металла,

выделение металлических включений и растворенных газов, а также

равномерному  распределению температуры по глубине  ванны. Для хорошего

кипения ванны  необходимо подводить тепло, так  как данная реакция

сопровождается  поглощением тепла. Продолжительность  периода кипения ванны