В современном доменном производстве кокс играет две важные роли:

1) Служит основным видом топлива, обеспечивая нагрев рабочей части доменных печей до необходимой температуры;

2) Обеспечивает восстановление железа из его оксидов (см. ниже).

Благодаря своей высокой механической прочности, пористости и высокой теплотворной способности он стал применяться на всех металлургических предприятиях чёрной металлургии, вытеснив применявшийся ранее для этих целей древесный уголь.

Совокупность материалов исходного сырья, взятых в определённом массовом соотношении, предназначенных для получения металлов, называется шихтой. Именно шихта поступает в плавильные агрегаты для получения металлов.

Подготовка исходных материалов к плавке

Перед плавкой руды проходят специальную подготовку, которая повышает производительность доменных печей и уменьшает расход топлива. Основными операциями подготовки руд к плавке являются: 1) дробление; 2) сортировка; 3) обогащение; 4) обжиг; 5) агломерация (спекание) обогащённой руды.

 

Вопрос 3. Производство стали

Производство стали

Сталями называются сплавы на основе железа (Fe) и углерода (C) с содержанием углерода до 2,14% (мас.). Практическое применение нашли стали с содержанием углерода (C) до 1,5% (мас.). Постоянными примесями в сталях являются марганец (Mn), кремний (Si), фосфор (P) и сера (S). Кроме углеродистых сталей, в машиностроении и строительстве широко применяют легированные стали, в состав которых для улучшения физико-механических и эксплуатационных свойств дополнительно введены различные химические элементы (хром (Cr), никель (Ni), молибден (Mo) и др.

В последние годы широко применяются электрометаллургические способы производства стали, позволяющие получать наиболее сложные и высоколегированные стали. Ниже рассмотрим три основных способа производства стали, применяемых в современном металлургическом производстве: в кислородных конверторах; в мартеновских печах, в электрических печах.

Исходными материалами для получения стали служат передельный (белый) чугун, стальной лом и ферросплавы. Чугун по сравнению со сталью содержит бóльшее количество углерода (C) и примесей. Поэтому основная задача передела чугуна в сталь состоит в удалении избытка углерода (C) и примесей с помощью окислительных процессов, протекающих в сталеплавильных агрегатах.

Конверторное производство стали

Сталь в конвертерах выплавляют бессемеровским, томасовским и кислородно-конверторным способами.

В основе конверторных процессов лежит обработка жидкого чугуна газообразными окислителями без подвода извне дополнительного тепла. Процесс выплавки стали в конверторах осуществляется только за счёт химической теплоты экзотермических реакций окисления примесей с учётом физической теплоты жидкого чугуна. Продувка чугуна производится сверху или через днище в специальных агрегатах — конверторах. Конверторную плавку характеризует высокая производительность за счёт большой реакционной поверхности металл-окислитель и высокой скорости окисления примесей.

Конвертор представляет собой большую реторту, наружная поверхность которой выполнена из листовой стали значительной толщины, а внутренняя футерована огнеупорным материалом. Внешне конвертор напоминает сосуд грушевидной формы. Вместимость современных конверторов составляет 250 – 400 т.

Кислородно-конверторный способ выплавки стали. Разработка данного способа выплавки стали явилось новым важным этапом в совершенствовании сталеплавильного производства. Замена воздушного дутья кислородным поставило конверторный способ производства стали на современный уровень и обеспечило ему повсеместное широкое применение.

Применение технически чистого кислорода (не менее 99,5% О₂) для продувки чугуна позволило за счёт снижения содержания азота (N₂) улучшить качество кислородно-конвертерной стали. В нашей стране в настоящее время используются кислородные конвертеры ёмкостью 100 – 400 т. Объём выплавляемой кислородно-конвертерной стали в нашей стране составляет около 35% от общего объёма её производства. На большинстве металлургических предприятий для кислородно-конверторного способа выплавки стали используют конверторы с глухим дном (см. рис. 1).

 

Рис. 1. Кислородный конвертор на 100 – 130 т: 1 — опорная станина; 2 — опорные подшипники; 3 — корпус конвертора; 4 — муфта соединения с механизмом поворота; 5 — механизмы (редукторы) поворота конвертора; 6 — электродвигатель; 7 — отверстие для выпуска стали (лётка); 8 — отъёмное днище.

Схема устройства кислородного конвертора в разрезе представлена на рис. 2. I. Корпус конвертера 1 изготавливают из стальных сваренных встык листов толщиной до 100 мм. Корпус имеет среднюю цилиндрическую часть, глухое дно и симметричную сужающуюся горловину 2. У основания горловины расположено отверстие для выпуска стали 3 (лётка). Такое расположение лётки способствует лучшему отделению стали от шлака и уменьшает опасность восстановления фосфора (P) при сливе металла. Рабочее пространство конвертора футеровано смолодоломитовыми кирпичом, а сталевыпускное отверстие — магнезитовым или магнезито-хромитовым кирпичом. Конвертор может поворачиваться в вертикальной плоскости благодаря опорному поясу 4 с цапфами, расположенными в подшипниках опор. Одна или обе цапфы являются приводными. Кислород (O₂) подаётся в конвертор сверху через водоохлаждаемую фурму 5, опускаемую в горловину 2 конвертора. Схема устройства наконечника водоохлаждаемой фурмы 5 для подачи кислорода (O₂) в конвертор представлена на рис. 2. II. Подача сверху обусловлена образованием высокотемпературной реакционной зоны в месте вдувания кислорода (O₂) в металл и необходимостью сохранения футеровки днища конвертора. Фурма 5 способна перемещаться вверх-вниз. При подаче кислородного дутья она находится на расстоянии 300 – 2000 мм от поверхности ванны. Кислород (O₂) подаётся под давлением 0,8 – 1,0 МПа. Расход кислорода (O₂) и расположение воздуходувной фурмы 5 над поверхностью расплавленного металла зависит от ёмкости конвертора и интенсивности продувки. Так, расход кислорода (O₂) может составлять 2,5 – 4 м³/т металла в 1 мин. Продолжительность плавки в современном кислородном конверторе составляет 35 – 50 мин.

I) II)

Рис. 2. I — Схема устройства кислородного конвертора: 1 — корпус конвертора; 2 — горловина; 3 — отверстие для выпуска стали (лётка); 4 — опорный пояс; 5 — фурма водоохлаждаемая для подачи кислорода; II — Схема устройства наконечника водоохлаждаемой фурмы для подачи кислорода: а — каналы для циркуляции воды; б — канал для подачи кислорода в наконечнике фурмы.

 

Таким образом, кислород (O₂) при данном способе выплавки не вдувается под зеркало металла (как воздух в бессемеровском и томасовском процессах), а подаётся на поверхность залитого в конвертор металла. Однако и при таком способе подачи кислорода процесс выплавки сопровождается интенсивным тепловыделением. Это даёт возможность перерабатывать чугуны с различным содержанием примесей, а также вводить в конвертор не только жидкий металл, но и добавлять к нему для охлаждения скрап (металлолом) или железную руду. Количество добавляемого скрапа на некоторых металлургических предприятиях может составлять до 30% от массы металла.

Исходными материалами для конвертерной плавки являются жидкий чугун, металлический лом (металлическая часть шихты) и шлакообразующие, окислители (неметаллическая часть шихты).

Раскисление стали в ковше — обязательная завершающая операция. Окислительный характер плавки приводит к высокой концентрации закиси железа (FeO) в металле, вызывающей в стали красноломкость при горячей деформации и ухудшение механических свойств. Раскислением называется процесс восстановления железа из FeO. При разных способах получения стали раскисление ведётся различно.

Обычно раскисление производят марганцем (Mn), кремнием (Si) и алюминием (Al) по реакциям:

FeO + Мn → Fе + МnО;

2FеО + Si → 2Fе + SiO₂;

3FеО + 2Аl → 3Fe + А1₂O₃.

Кремний (Si) и марганец (Mn) вводят в виде соответствующих ферросплавов, алюминий (Al) — в чистом виде. Марганец (Mn), кремний (Si) и алюминий (Al) называют раскислителями стали. Данные раскислители вводятся в расплавленную сталь после её вторичной продувки кислородом (O₂). Образующиеся окислы (MnO, SiO₂, А1₂O₃) данных раскислителей образуют с окислами железа (FeO) жидкую шлаковую фазу, помогающую вывести продукты раскисления из металла. Иногда часть раскислителей вводят в конвертор за несколько минут до разливки в ковш. Завершается раскисление обычно в разливочном ковше. Общий расход технического кислорода (O₂) на получение 1 т. стали в кислородном конверторе составляет 50 – 60 м³, что незначительно превышает теоретически необходимое количество.

В зависимости от степени раскисленности различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали.