Получаемый в доменной печи чугун имеет ограниченное применение, так как он хрупок, не обладает пластичностью, имеет низкую ударную прочность. Задачей сталеплавильного производства является, используя чугун как исходный материал, получить сплавы – стали – со значительно лучшими механическими свойствами. 4.3.1 Общая характеристика сталеплавильного производства. Из сопоставления химических составов передельного чугуна и конструкционной стали (таблица 4.2) видно, что для получения стали требуется удалить из чугуна большую часть углерода, кремния, фосфора, снизить концентрацию серы.
Сплав Содержание, % С Si Mn P S Чугун 4,5 0,6 0,5 До 0,3 0,05 Сталь 0,3 0,2 0,5 0,04 0,03
Сделать это можно путем окисления чугуна: углерод надо перевести в газ (СО), а Si, Mn и Р перевести в шлак в виде оксидов. Основным принципиальным отличием сталеплавильного производства от доменного процесса является окислительный характер реакций. Второе отличие состоит в том, что производство стали требует более высоких температур, чем производство чугуна – не менее 15801620 С. Третьим отличием является периодический процесс производства стали, а не непрерывный, свойственный доменному процессу. Сырьем для производства стали служит передельный чугун, металлизованные окатыши и стальной лом. Для их переработки в сталь сейчас применяют кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный процессы. С момента возникновения (1952-53 гг.) кислородноконвертерный процесс занял лидирующее положение в производстве стали – сейчас этим способом производят около 60 % всей выплавляемой стали. На долю мартеновского производства приходится лишь около 20 % и оно постоянно сокращается. Производство же электростали составляет уже около 20 % и постоянно возрастает. Вне зависимости от используемых сталеплавильных агрегатов, в результате плавки получается сталь заданного состава и сталеплавильные шлаки, которые играют в процессе важную роль. Состав шлаков, их количество и физико-химические свойства, оказывают большое влияние на качество готовой стали, стойкость футеровки сталеплавильных печей и производительность процесса в целом. Несмотря на специфику производства стали в конвертере, мартеновской печи и электропечи, характер основных химических процессов и элементы технологии во многом одинаковы для всех трех агрегатов. Шихта сталеплавильных агрегатов состоит из двух частей: металлической и неметаллической. Основу металлической части шихты составляют чугун и стальной лом. Доля чугуна в кислородно конвертерном процессе доходит до 80 %, в мартеновском – до 60 %, а в электросталеплавильном – до 5 %. К металлической части шихты можно отнести также ферросплавы, которые используются в качестве раскислителей и легирующих компонентов. Неметаллическая часть шихты представлена двумя типами материалов: твердых окислителей и флюсов. В качестве окислителей используют богатую железную руду, агломерат, окатыши, окалину прокатного производства, которые содержат большое количество Fe2O3 и Fe3O4. Основным флюсом является СаО в виде известняка (СаСО3) или свежеобожженной извести, а для повышения жидкотекучести шлака иногда добавляют боксит (больше 50 % Al2O3) и плавиковый шпат (более 90 % CaF2). В неметаллической шихте должно быть минимальное количество SiO2. После очередного выпуска готовой стали, новую плавку производят в следующем порядке. Ремонтируют разрушенные участки футеровки, набрасывая на них размолотый огнеупорный материал, который при высокой температуре приваривается к основной футеровке. Затем производят завалку – загрузку шихты в печь. Вначале загружают твердую часть шихты: чушковой чугун, легковесный скрап, флюсы, окислители, а затем заливают жидкий чугун, который, проливаясь вниз, прогревает шихту и науглероживает стальной лом, благодаря чему снижается его температура плавления. Собственно металлургический процесс начинается с плавления шихты, в результате которого образуется расплавленный металл и покрывающий его шлак. Плавку ведут при максимальной температуре, чтобы сократить до минимума ее продолжительность. Главным периодом процесса является окислительный, в ходе которого выгорает избыточное количество углерода. Одновременно с выгоранием углерода выгорают и примеси – кремний, марганец, фосфор. По мере выгорания углерода в стали повышается содержание кислорода, который серьезно ухудшает механические свойства стали. Чтобы снизить содержание кислорода проводят раскисление стали, для чего в нее вводят небольшое количество элементов, обладающих более высоким сродством к кислороду, чем железо и углерод – Mn, Si, Al, Ti, Zr, Ca. Для повышения потребительских свойств стали ее легируют, т.е. вводят небольшое количество V, Ti, Mn, Cr, Ni, как правило, в виде ферросплавов.
Образующиеся сталеплавильные шлаки содержат повышенное количество оксидов железа (до 1,5-2 %), которые являются передатчиками кислорода из газовой фазы в металлургическую ванну, необходимого для окисления избытка углерода и других примесей. 4.3.2 Кислородно-конвертерное производство стали является в настоящее время доминирующим. Оно сохранило достоинства бессемеровского и томасовского способов переработки чугуна: передел идет без расхода топлива, т.к. необходимое для разогрева металла тепло выделяется за счет экзотермических реакций выгорания примесей чугуна; высокая производительность; низкие капитальные и эксплуатационные затраты Конвертер представляет собой сосуд грушевидной формы, изготовленный из стального листа и футерованный внутри огнеупорным материалом (рисунок 4.2). К цилиндрической части конвертера крепят цапфы, на которых конвертер наклоняется вокруг горизонтальной оси. Современные конвертеры имеют диаметр 6-7 и высоту 9-10 м, а их вместимость достигает 300-400 т. Кислородно-конвертерный процесс осуществляется следующим образом (рисунок 4.3). Вначале в конвертер загружают стальной лом (а), и затем заливают жидкий чугун (б) и шлакообразующие материалы (в). После этого опускают кислородную фурму и начинают продувку металла (г), которая длится около 16-18 мин. После окончания плавки выпускают сталь (д) и шлак (е). Общая продолжительность цикла составляет 50-60 мин.
1 – опорный подшипник; 2 - цапфа; 3 – кожух; 4 – опорное кольцо; 5 – ведомое колесо; 6 – электродвигатель; 7 – опорная станина; 8 – летка
