При переделе чугуна в сталь углерод

Обновлено: 15.05.2024

3.Утилизация тепла. Вдуваемые в доменную печь газовые потоки нагреваются в специальных печах – кауперах, за счет тепла и теплотворной способности доменных газов, которые сжигаются в печах - кауперах.

1.Агломерация железной руды. Частичное восстановление железа происходит за счет дешевого коксика – отхода коксового производства. Кроме того, уменьшается потребность во флюсах, что повышает съем чугуна с единицы объема печи.

2.Вдувание природного газа – сгорая, газ образует СО2 – источник основного восстановителя – СО.

Сталь –сплав железа с углеродом, с содержанием углерода от 0,2 до 1,4%, содержащий мало вредных примесей (P, S, Si) c возможным наличием легирующих добавок. В качестве легирующих добавок используются различные элементы, изменяющие свойства стали. В отличие от чугуна, сталь обладает пластичностью и может обрабатываться давлением. Сталь является самым распространенным конструкционным материалом современности.

Суть передела чугуна в сталь является в удалении лишнего углерода, удалении вредных примесей и раскислении полученной стали (удалении оксида железа).

Кислородно-конверторный метод передела чугуна в сталь.Кислородный конвертор представляет собой сосуд грушевидной

формы, изготовленный из листовой стали и выложенный внутри (футерованный) огнеупорным кирпичом. Конвертор способен наклоняться с помощью поворотного механизма. Конвертор имеет летку для выпуска стали и шлака и горловину, через которую загружают шихту и опускают медную водоохлаждаемую фурму для вдувания кислорода. Исходным сырьем служит передельный чугун, стальной скрап (металлолом), флюсы.

Перед началом процесса конвертор наклоняют, заливают расплавленный чугун, засыпают скрап и флюсы. Затем его переводят в вертикальное положение, опускают фурму и начинают вдувать кислород. Железо чугуна при температуре плавления реагирует с кислородом (горит), образуя оксид железа с выделением большого количества тепла, которого достаточно для поддержания шихты в расплавленном состоянии. Оксид железа растворяется в шихте и реагирует с избытком углеродом чугуна, окисляя его до СО. Вредные примеси (S, P) окисляются до оксидов, которые реагируют с флюсами и превращаются в шлак, нерастворимый в стали. Через 30 – 50 минут дутье кислорода прекращают, фурму поднимают и проводят раскисление, т.е. удаляют образовавшийся избыток FeO, который существенно ухудшает качество стали. Раскисление проводят, добавляя ферромарганец, ферросилициум, а потом – алюминий. В зависимости от технологии раскисления различают сталь «спокойную» и «кипящую». При изготовлении «кипящей» стали, дутье кислорода прекращают раньше, и удаление углерода происходит за счет накопившегося FeO. Выделяющиеся при этом пузырьки СО создают впечатление, что сталь кипит. Раскисление проводят в изложнице, куда добавляют ферросилициум. “Кипящая” сталь дешевле, более пластична и легко поддается механической обработке, однако легко корродирует и не обладает хорошей прочностью. Производительность конвертора достигает 250-350 тонн стали за 30-50 минут.

O2 Fe + O2 FeO + Q FeO + C Fe + CO

Методы передела чугуна в сталь

Проценты углерода и примесей в передельном чугуне и низкоуглеродистой стали

Производство стали представляет собой передел чугуна в сталь и состоит в снижении содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления (табл. 2.6).

Окисление железа, кремния, фосфора и марганца в сталепла­вильной печи происходит с выделением теплоты Q (экзотермическая реакция).

Fe + 1/202 = FeO + Q

2FeO + Si = Si02 + 2Fe + Q

5FeO + 2P = P205 + 5Fe + Q

FeO + Mn = MnO + Fe + Q

Проценты углерода и примесей в передельном чугуне и низкоуглеродистой стали

Материал С Si Mn Р S
Чугун передельный 4. 4,4 0,76. 1,26 До 1,75 0,15. 0,3 0,03. 0,07
Сталь низко-углеродистая 0,14. 0,2 0,12. 0,3 0,4. 0,65 0,05 0,055

Процесс выплавки стали включает в себя три этапа.

На первом этапе удаляется фосфор — одна из наиболее вредных примесей. Для этого используют основной шлак, содержащий оксид кальция СаО.

Задача второго этапа — уменьшение содержания в металле углерода и серы. На этом этапе вводят руду, окалину, или непосредственно вдувают кислород. Шлак, со­держащий большое количество серы, удаляется.

Задачей третьего этапа является восстановление железа из ок­сида железа, то есть раскисление стали.

Сталь выплавляют в мартеновских печах, конвертерах и электри­ческих печах из передельного чугуна и стального лома. Слайд 3.

Схема мартеновской печи:

Марте­новская печь представляет собой пламенную печь и имеет рабочее плавильное пространство в форме ванны (1), огра­ниченное сверху сводом (2). Через загрузочные окна (3) происходит загрузка чугуна, железного лома и легирующей шихты. По бокам расположены головки (4), служащие для попере­менной подачи и смешения газообразного топлива и воздуха, пред­варительно подогретых в регенераторах. Регенераторы (6) пред­ставляют собой камеры со специальными кирпичными насадками, которые нагреваются, а затем отдают тепло холодному воздуху и газу, подогревая их до температуры в пределах 1000. 1200ºС.

Вместимость мартеновских печей находится в пределах 200. 900 т. Для печи вместимостью 900 т площадь поверхности пода составля­ет 115 м 2 . Съем стали в сутки в этом случае составляет более тысячи тонн при расходе топлива до 80 кг на тонну стали. Более про­изводительной и экономичной является выплавка стали в конвертерах.

Плавка в конвертерах вместимостью 130. 300 т заканчивается через 25. 50 мин, причем расходы на топливо резко снижаются.

Конвертерный процесс наиболее часто применяется в сталеплавиль­ных цехах металлургических комбинатов (заводов) для переделки чугуна в сталь путем продувки его в конвертере газами, содержащими кислород, либо технически чистым кислородом.

В металлургии для выплавки точных по составу сталей и сплавов нашли применение дуговые и индукционные элек­трические печи, печи электрошлакового переплава, а для уникальных сплавов - электрон­но-лучевые и плазменно-дуговые печи.

Сущность процесса передела чугуна на сталь. Сравнительная характеристика основных способов производства стали: в конвертерах, в мартенах, электропечах.

Сталь является основным видом металла, применяемым для создания современной техники. Это объясняется тем, что сталь обладает высокими прочностью и износостойкостью, хорошо сохраняет приданную форму в изделиях, сравнительно легко поддается различным видам обработки. Основной компонент стали -железо - является широко распространенным элементом в земной коре.

Сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне.

В процессе плавки стали происходит взаимодействие между металлической, шлаковой и газовой фазами и футеровкой плавильного агрегата, различными по агрегатному состоянию и химическому составу. В результате этого взаимодействия осуществляется переход химических элементов из одной фазы в другую. Обменные процессы сопровождаются химическими превращениями, главным образом на границе металлической фазы со шлаком. Металлическая фаза состоит из расплава химических элементов, шлаковая - из расплава оксидов и их соединений. Поэтому переход элемента из одной фазы в другую возможен только при протекании химической реакции образования или восстановления оксида. Так как примеси по своим физико-химическим свойствам различны, то для их удаления в плавильном агрегате создают определенные условия, используя основные законы физической химии.

Чем больше оксида железа содержится в жидком металле, тем активнее окисляются примеси. Для ускорения окисления примесей в сталеплавильную ванну добавляют железную руду, окалину, содержащие много оксидов железа. Таким образом, основное количество примесей окисляется за счет кислорода оксида железа.

Скорость окисления примесей зависит не только от их концентрации, но и от температуры металла и подчиняется принципу Ле Шателье, в соответствии с которым химические реакции, выделяющие теплоту, протекают интенсивнее при более низких температурах или при некотором понижении температуры, а реакции, поглощающие теплоту, протекают активнее при высоких температурах или при некотором повышении температуры. Поэтому в начале плавки, когда температура металла невысока, интенсивнее идут процессы окисления кремния, фосфора, марганца, протекающие с выделением теплоты, а углерод интенсивно окисляется только при высокой температуре металла (в середине и конце плавки).

После расплавления шихты в сталеплавильной печи образуются две несмешивающиеся среды: жидкий металл и шлак. Шлак представляет собой сплав оксидов с незначительным содержанием сульфидов. Образование шлака связано с окислением элементов металлической фазы во время плавки и образованием различных оксидов с меньшей плотностью, чем металл, собирающихся на его поверхности. В соответствии с законом распределения (закон Нернста), если какое-либо вещество растворяется в двух соприкасающихся, но несмешивающихся жидкостях, то распределение вещества между этими жидкостями происходит до установления определенного соотношения (константы распределения), постоянного для данной температуры. Поэтому большинство компонентов (Мп, 81, Р, 8) и их соединения, растворимые в жидком металле и шлаке, будут распределяться между металлом и шлаком в определенном соотношении, характерном для данной температуры.

Нерастворимые соединения в зависимости от плотности будут переходить либо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака, можно менять соотношение между количеством примесей в металле и шлаке так, что нежелательные примеси будут удаляться из металла в шлак. Убирая шлак

с поверхности металла и наводя новый путем подачи флюса требуемого состава, можно удалять вредные примеси (серу, фосфор) из металла. Поэтому регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управления металлургическими процессами.

Мартены в основном остаются работать в нашей стране и по сей день, хотя они уже морально устарели, и очень сильно загрязняют окружающую среду. В кислородных конвертерах выплавляют конструкционные стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные.

В кислородных конвертерах трудно выплавлять стали, содержащие легкоокисляющиеся легирующие элементы, поэтому в них выплавляют низколегированные (до 2-3 % легирующих элементов) стали. Легирующие элементы вводят в ковш, расплавив их в электропечи, или твердые ферросплавы вводят в ковш перед выпуском в пего стали. Плавка в конвертерах вместимостью 130-300 т заканчивается через 25-50 мин. Кислородно-конвертерный процесс более производительный, чем плавка стали в мартеновских печах. Самым лучшим вариантом является электропечь, т.к. электричество является дешевым видом энергии, и экологическим, электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами, так как в них можно получать высокую температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет выплавлять сталь любого состава, раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений — продуктов раскисления. Поэтому электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сталей и сплавов.

Принцип передела чугуна на сталь

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода и других примесей (табл. 1.3). Вне зависимости от способа получения стали (кислородно-конверторного, мартеновского или плавки в электропечах) можно выстроить общую принципиальную схему протекания сталеплавильного процесса. Весь процесс можно разбить на ряд этапов.

Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали

Первый этап это окисление примесей. Следует заметить, что источником О2 могут быть как чистый кислород, так и кислород воздуха, подаваемого в печь для сжигания топлива:

Fe+1/2O2=FeO+Q; Si+O2=SiO2+Q; Mn+1/2 O2= MnO+Q;

Элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем

железо(Si, Mn), могут окисляться, отнимая кислород у оксидов железа,

входящих в железную руду или окалину, которые добавляют в шихту:

Реакции окисления – экзотермические. Выделение тепла приводит к повышению температуры расплава. В процессе протекания окислительных или окислительно восстановительных химических реакций имеет место выделение газообразных веществ (СО, SO2). Всплытие пузырьков газообразных веществ, образующихся в результате реакций окисления, вызывает «кипение» ванны расплавленного металла.

Удаление негазообразных оксидов происходит за счет процесса шлакования, общий принцип которого рассмотрен выше. Процесс идет

как за счет взаимодействия оксидов с флюсом (кислым или основным),

так и за счет взаимодействия образовавшихся оксидов между собой: SiO2+CaO→CaO·SiO2;

Процесс удаления вредных примесей серы и фосфора носит название «рафинирование». Важно отметить, что удаление серы и фосфора возможно лишь при использовании основного флюса (извести СаО). Сера в стали содержится в виде химического соединения FeS, а если сталь богата марганцем, то в виде MnS:

Удаление фосфора идет по типовой схеме взаимодействия кислого и основного оксида:

Заключительным этапом любого сталеплавильного процесса является процесс раскисления. Он может происходить как в печи, так и в разливочном ковше, куда вводят раскислители либов виде ферросплавов (ферромарганиц, ферросилиций), либо в виде чистого алюминия. Цель этого этапа восстановить окисленное на первом этапе железо. В общем виде химическую реакцию можно представить так:

где Х элемент, обладающий большим сродством к кислороду, чем железо. В реальных сталеплавильных процессах – это Si, Mn, C, CO, Al и др.

Процесс, протекающий по вышеприведенной схеме, носит название осаждающего раскисления. В результате данного процесса происходит восстановление железа и образование оксидов MnO, SiO2, Al2O3 и др. Образующиеся малорастворимые в металле окислы легко отделяются от расплава и благодаря меньшей плотности, чем плотность жидкого металла, всплывают в шлак. Как было сказано выше, реакции, протекающие при раскислении, идут с выделением тепла.

При понижении температуры металла в изложнице (при разливке) течение реакций раскисления может продолжиться. Вновь образовавшиеся оксиды не успевают всплывать и удаляться из металла. В случае, когда требуется получить особо чистую от неметаллических включений сталь, применяют диффузионное раскисление. При данном методе раскислители подают на поверхность шлака. Восстанавливая железо из его оксидов, они тем самым понижают концентрацию FeO в шлаке. В соответствии с законом распределения оксиды железа переходят из металла в шлак. Процесс идет до тех пор, пока не установится равновесное распределение закиси железа в шлаке и металле, соответствующее данным внешним условиям (температура и др.). Преимуществом диффузионного раскисления является достижение высокой чистоты металла по неметаллическим включениям. Недостатком данного способа является высокий угар дорогостоящих раскислителей (вследствие их реакции с кислородом атмосферы печи). По этой причине метод диффузионного раскисления применяется реже.

Раскисление синтетическими шлаками по своему физикохимическому принципу схож с диффузионным. В ковш, на дне которого находится расплав шлака, не содержащего FeO, с большой высоты заливают раскисляемую сталь. Струя металла дробится на капли, контакт металла со шлаками возрастает. Благодаря этому процесс раскисления идет с большой скоростью. При этом сталь не только раскисляется, но и снижается содержание в ней серы и фосфора, а также других неметаллических включений.

Сталеплавительное производство включает в себя конвертерный,

мартеновский способы получения стали и плавку в электропечах.

В середине XIX века английский изобретатель Генри Бессимер предложил способ получения стали путем продувки жидкого чугуна в конвертере с кислой футеровкой.

Позднее Сидней Томас предложил вести процесс в конвертерах с основной футеровкой, что позволило получать сталь из жидких чугунов, содержащих большое количество фосфора. Способ, предложенный французским металлургом Пьером Мартеном (мартеновский), позволил использовать для плавки твердые шихтовые материалы (руду, лом, отходы машиностроительного производства). Разработка в середине ХХ века кислородно-конвекторного способа позволила получать сталь, не уступающую по качеству мартеновской. Применение электрической энергии в качестве источника тепла для плавки стали позволяет получать высокие температуры (до 35000С), которые при сжигании обычных видов металлургического топлива, получить не представляется возможным.

Материал взят из книги Технология конструкционных материалов (Л.П. Маслакова)

Читайте также: