Лекция 9. Производство чугуна. Производство стали

Структура и продукция металлургического производства. Металлы и

сплавы на их основе являются основными конструкционными материалами,

основой современного машино- и приборостроения. Объем производства чер-

ных и цветных металлов и сплавов всегда является важнейшим показателем

уровня развития экономики, мощи и обороноспособности государства.

Металлургия – наука об извлечении металлов из природных соединений

(руд) и дальнейшей их переработки с целью придания металлу определенных

свойств.

Различают черную металлургию, занимающуюся производством железа и

его сплавов, и цветную – производство всех остальных металлов и их сплавов.

Металлургическое производство – сложная система производств, базирую-

щихся на месторождении руд, коксующихся углей, энергетических комплексах.

Структура металлургического производства включает: шахты и карьеры

по добыче руд и каменных углей; горно-обогатительные комбинаты (ГОК), где

обогащают руды, подготовляя их к плавке; коксохимические заводы, где осу-

ществляют подготовку углей, их коксование и извлечение из них полезных хи-

мических продуктов; энергетические цеха для получения сжатого воздуха и ки-

слорода, очистки металлургических газов; доменные цеха для выплавки чугуна

и ферросплавов; сталеплавильные цеха (мартеновские, конвертерные, электро-

плавильные) для производства стали; прокатные цеха для переработки выплав-

ленного металла в сортовой, трубный, листовой и специальный прокат.

Основная продукция черной металлургии: предельный (белый) чугун для

переработки на сталь; литейный (серый) чугун для получения фасонных отли-

вок на машиностроительных заводах; ферросплавы (ферромарганец, ферроси-

лиций, феррованадий и другие) для выплавки легированных сталей; стальные

слитки для производства проката; кузнечные слитки для изготовления крупных

кованых валов, роторов турбин, дисков и т. п.

Продукция цветной металлургии: слитки (чушки) цветных металлов для

прокатки различных профилей; лигатуры – сплавы из цветных металлов для

получения легированных сплавов; слитки чистых и особо чистых металлов для

приборостроения, электронной техники и других отраслей.

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы,

топливо и огнеупорные материалы.

Промышленной рудой называют горную породу, из которой на данном

уровне целесообразно извлекать металлы или их соединения. Например, в на-

стоящее время целесообразно извлекать металлы, если их содержание в руде

составляет: железа не менее 30 – 60%, меди 1– 6%, молибдена 0,005– 0,02%.

Бедные руды обогащают на ГОКах, то есть удаляют из руды часть пустой

породы и получают концентрат с повышенным содержанием металла.

Флюсы – это материалы, загружаемые в плавильную печь для образова-

ния легкоплавкого соединения (сплавления) пустой породы, золы из топлива и

других веществ, которые нужно удалить из конечного продукта. Такое соеди-

нение называется шлаком. Обычно шлак легче металла, располагается в печи

сверху (всплывает) и может быть удален (слит) в процессе плавки. Шлак защи-

щает расплавленный металл от контакта с воздухом и печными газами. Шлак

бывает кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiO2; P2O5)

и основным, если преобладают основные оксиды (CaO; MgO; FeO).

Топливом в металлургических печах служат кокс, природный газ, мазут,

печные газы. Кокс получают на коксохимических заводах путем сухой пере-

гонки при температуре 1000°С (без доступа воздуха) каменного угля специаль-

ных коксующихся сортов.

Огнеупорные материалы применяют для внутренней облицовки (футе-

ровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. По хи-

мическим свойствам огнеупоры разделяют на кислые, основные и нейтральные.

Кислые огнеупоры содержат большое количество кремнезема SiO2 (динасовые,

кварцеглинистые, кварцевый песок). Основные огнеупоры содержат основные

оксиды CaO, MgO (магнезитовый, магнезитохромитовый кирпич). Нейтральные

огнеупоры состоят из оксидов А12О3; Сr2О3 (шамотный кирпич, высокоглино-

земный, углеродистые блоки из графита).

При высоких температурах футеровка печи взаимодействует с флюсами и

шлаками, поэтому в основной печи нельзя применять кислые флюсы и наобо-

рот, в печи с кислой футеровкой – основные флюсы, так как это приведет к раз-

рушению футеровки печи. Для выплавки чугуна в доменных печах используют

железные руды, топлива и флюсы.

Железные руды содержат железо в различных соединениях (чаще всего

оксидах и карбонатах): магнитный железняк Fe3O4 (50–70% Fe); красный же-

лезняк Fe2O3 (50– 60% Fe); бурый железняк, содержащий гидраты оксидов же-

леза Fe2O3·H2O (30–50% Fe); шпатовый железняк FeCO3 (30–50% Fe).

Топливом для доменной плавки служит кокс, позволяющий получить не-

обходимую температуру и создать условия для восстановления железа из руды.

В целях экономии часть кокса заменяют природным газом, мазутом, пылевид-

ным топливом.

Флюсом при доменной плавке служит известняк CaCO3. Это необходимо

для удаления серы и фосфора из металла, в который они переходят из кокса и

руды.

Сущность выплавки чугуна в доменных печах заключается в восста-

новлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водоро-

дом и твердым углеродом, выделяющимися при сгорании топлива в печи.

Доменная печь имеет стальной кожух, выложенный внутри шамотным

кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник, шахту, распар, за-

плечики, горн, лещадь. В верхней части колошника находится засыпной аппа-

рат, через который в печь загружают шихту.

При работе печи шихта, проплавляясь, опускается вниз. В верхней части

горна находятся фурмы, через которые в печь поступает горячий воздух (ду-

тье), необходимый для горения топлива.

Воздух нагревается (для уменьшения потерь тепла и снижения расхода

кокса) в воздухонагревателях за счет тепла отходящих из домны горячих газов.

Воздухонагревателей три: один подает горячий воздух в домну, второй в это

время сам нагревается, третий находится в резерве (или на ремонте). Периоди-

чески воздухонагреватели переключаются.

Вблизи фурм углерод кокса, взаимодействуя с кислородом дутья, сгорает.

В результате выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий СО,

СО2, N2, H2, СH4 и другие газы.

Горячие газы, поднимаясь навстречу опускающейся шихте, нагревают ее,

охлаждаясь у колошника до температуры 300–400°С (в районе фурм темпера-

тура достигает 2000°С). При нагреве шихты до температуры 570°С начинается

восстановление оксидов железа. По признаку убывания кислорода оксиды же-

леза можно расположить в следующий ряд: Fe2O3; Fe3O4; FeO; Fe.

Восстановление оксидов до чистого железа идет по следующим реакци-

ям: 3Fe2O3 + СО; 2Fe3O4 + СО2; Fe3O4+ СО ; 3FeO + СО2; FeO + СО; Fe + СО2.

Аналогично восстанавливаются марганец, кремний, фосфор, сера, содер-

жащиеся в руде, топливе, флюсах, огнеупорах. Часть серы благодаря основно-

му флюсу переводится в шлак .На уровне распара и заплечиков железо (точнее

сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором, серой) расплавля-

ется и каплями, протекая по кускам кокса и насыщаясь углеродом, стекает на

лещадь печи. Шлак, имея меньшую плотность, располагается сверху металла

(всплывает). Чугун выпускают через чугунную летку каждые 3–4 часа, а шлак

через шлаковую летку (она расположена выше чугунной) каждые 1–1,5 часа.

Основной продукцией доменной плавки является чугун (предельный или

литейный) разного химического состава (например, 4–4,5% С; 0,8–1,2% Si;

0,15–0,3% Р; 0,03–0,07% S), а также ферросплавы (ферросилиций, ферромарга-

нец, феррохром, феррованадий и др.).

Побочные продукты доменного процесса – шлак (дорожное строительст-

во, шлаковата, цемент, шлакоблочные изделия и пр.) и доменный газ (топливо

для воздухонагревателей, для отопления и т. п.).

Доменная печь – агрегат непрерывного действия. Она с момента ввода в

эксплуатацию (задувки) работает непрерывно от 5–7 до 12–15 лет.

В технической литературе описан случай, когда домна проработала непрерывно

38 лет. При остановке печи на ремонт прекращают засыпку материалов. Ос-

тавшаяся шихта опускается вниз, верхняя часть печи, освобождаясь, сильно на-

гревается горячими газами. Для предохранения засыпных устройств от разру-

шения их необходимо интенсивно охлаждать.

Производство стали. Сущность передела чугуна в сталь заключается в

снижении содержания углерода и примесей путем их избирательного окисле-

ния и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Основными исходными материалами для производства стали служат пе-

редельный (белый) чугун и стальной лом (скрап). Сталь отличается от чугуна

значительно более низким содержанием углерода и примесей .

Нагрев в процессе выплавки стали осуществляется двумя способами:

а) внешним теплом, вводимым в плавильное пространство печи (марте-

новская, электропечь). Так можно перерабатывать жидкий и твердый чугун, а

также скрап в любом количестве;

б) химическим теплом, получаемым от реакции окисления примесей в чу-

гуне (конвертеры). В этом случае чугун должен быть жидким, а количество

скрапа ограничено (не более 30% от массы загрузки агрегата).

Окислителем служат технически чистый кислород, продуваемый через

жидкую массу чугуна, а также железная руда.

Процесс может быть основным (достаточно полно удаляются сера и фос-

фор, но трудно раскислить сталь непосредственно в печи) или кислым (сталь

очень полно раскисляется, но сера и фосфор не удаляются). При использовании

основного процесса раскисление возможно только в ковше.

При окислении примесей кислородом выделяются большое количество

тепла, поэтому при продувке жидкого чугуна не только не нужно применять

внешние источники нагрева, а наоборот, приходится охлаждать агрегаты по из-

бежание перегрева.

Основные реакции окисления примесей:

2Fe + O2 = 2FeO + 264кДж;

2FeO + Si = SiO2 + 2Fe + 330 кДж;

5FeO + 2P = P2O5 + 5Fe + 226 кДж;

FeO + Mn = MnO + Fe + 123 кДж;

FeO + С = CO + Fe - 154 кДж.

Нерастворимые соединения в зависимости от плотности будут перехо-

дить либо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака, можно добиться того,

что нежелательные примеси (например, вредные сера и фосфор) будут удалять-

ся из металла в шлак. Например, сера, входящая в сталь в виде сульфида FeS,

растворяется в основном шлаке: FeS + СаО = CaS + FeO.

Таким образом, регулирование состава шлака с помощью флюсов являет-

ся одним из основных путей управления металлургическим процессом.

Завершающим этапом выплавки стали является ее раскисление (восстановление

железа из оксида FeO). Раскисление осуществляют введением в жидкую сталь

раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия) непосредственно в

сталеплавильном агрегате (при использовании кислого процесса) и (или) в ков-

ше при разливке (в любом процессе). Сталь выпускают спокойной или кипя-

щей, иногда – полуспокойной. Готовую сталь разливают в изложницы.

В настоящее время сталь выплавляется в мартеновских печах, конвертерах и

электропечах.

Мартеновская печь – пламенная отражательная регенеративная печь.

Она имеет плавильное пространство, ограниченное сверху сводом, снизу по-

дом, с боков – стенками, имеющими загрузочные окна. Футеровка печи может

быть кислой или основной. В нашей стране работают мартеновские печи вме-

стимостью 200–900 тонн жидкой стали.

Отапливается печь газом (реже мазутом). Смесь газа и воздуха подогре-

вается в регенераторах (их два – один нагревает смесь газа и воздуха, а второй –

нагревается сам отходящими газами) и поджигается, образуя факел. Факел име-

ет температуру 1700–1800°С и нагревает футеровку печи и шихту, а также спо-

собствует окислению примесей шихты при плавке.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают:

1) скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа)

и твердого чушкового чугуна. Такой процесс применяют на заводах, где нет

доменного производства (нет жидкого чугуна), но много металлолома (то есть

на машиностроительных заводах);

2) скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна

(до 75%), скрапа и железной руды (для окисления примесей). Преимуществен-

но он применяется на металлургических заводах.

Наибольшее количество стали производят в мартеновских печах с основ-

ной футеровкой скрап-рудным процессом.

Кислородный конвертер – это сосуд грушевидной формы из стального

листа, футерованный основным кирпичом. Вместимость конвертера 130–350

тонн жидкого чугуна. Конвертер в процессе работы может поворачиваться на

цапфах вокруг горизонтальной оси для завалки скрапа, заливки чугуна, слива

стали и шлака. Шихта состоит из жидкого предельного чугуна, стального лома

(не более 30%), извести для наведения шлака, железной руды для окисления,

боксита (А12О3) и плавикового шпата (СаF2) для разжижения шлака.

Сначала конвертер наклоняют для завалки шихты, затем поворачивают в

вертикальное положение и через охлаждаемую водой фурму подают сверху ки-

слородное дутье. Струя кислорода (под давлением 1–1,5 МПа) вызывает пере-

мешивание шихты и ее интенсивное окисление.

Когда содержание углерода и примесей достигает заданного значения, по-

дачу кислорода прекращают, конвертер наклоняют и выпускают сталь в разли-

вочный ковш, где ее раскисляют. После этого сливают шлак.

Конвертирование стали самый производительный способ (плавка длится

25–50 мин), однако трудно получить сталь строго заданного состава.

Электросталь – самая лучшая по качеству, так как в электропечах можно

получить высокую температуру металла, создать окислительную, восстанови-

тельную, нейтральную атмосферу, вакуум, хорошо раскислить сталь. Поэтому

электропечи используют для получения высококачественных легированных,

инструментальных, специальных сталей и других сплавов. Из-за значительного

расхода электроэнергии сталь получается более дорогой, чем при использова-

нии других способов.

Плавильные печи бывают дуговыми и индукционными. Дуговая электро-

печь питается трехфазным током и имеет три электрода из графитизированной

массы. Между электродами и металлической шихтой возникает электрическая

дуга, теплота которой передается металлу и шлаку излучением. Рабочее напря-

жение 150–600 В, сила тока 1000–10 000 А. Футеровка печи – основная или

кислая (реже).

В основной дуговой печи можно осуществить плавку двух видов:

а) без окисления примесей. По сути дела это переплав легированных от-

ходов машиностроительных заводов. В ходе плавки удаляют вредные примеси,

доводят металл до требуемого химического состава; раскисляют;

б) плавка на углеродистой шихте с окислением примесей. В печь загру-

жают шихту: стальной лом, чушковый чугун, известь. Электроды опускают и

включают ток; шихта плавится. Кислородом воздуха, оксидами шихты и ока-

лины окисляются железо и примеси.

Оксид кальция из извести и оксиды железа образуют основной шлак, спо-

собствующий удалению фосфора и серы. После доведения металла до нужного

состава сливают шлак и подают раскислители и ферросплавы (для получения

легированной стали).