Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Основной мартеновский процесс
В основной мартеновской печи можно переплавлять чугун и скрап любого состава и в любой пропорции и получать при этом качественную сталь любой марки. С учетом угара железа и примесей на 1 т выплавляемой в мартеновских печах стали расходуется несколько больше 1 т металлической шихты (чугуна и скрапа). В среднем по стране на 1 т мартеновской стали расходуется 580-590 кг чугуна и 480-485 кг стального лома. Однако для отдельных заводов эти данные значительно отличаются: расход чугуна на 1 т стали колеблется от 300—400 кг для заводов, где нет доменных цехов, до 550-700 кг для заводов с полным металлургическим циклом. 16.8.1. Основные реакции. Кремний окисляется в основной мартеновской печи почти полностью еще во время плавления в результате взаимодействия с кислородом атмосферы или оксидами железа шлака. Параллельно с окислением кремния происходит образование силикатов железа, которые являются составной частью первичного шлака. Окисление кремния и образование силикатов сопровождаются выделением тепла. Реакция окисления кремния практически необратима, так как по мере растворения извести в шлаке происходит образование силикатов кальция
(FeO)2 • SiO 2+2(CaO)=(СаО)2 • SiO2+2(FeO)
и активность SiO2 в шлаке становится ничтожно малой. Марганец (как и кремний) легко окисляется, взаимодействуя с кислородом атмосферы и оксидами железа |шлака. При окислении марганца также выделяется тепло. Однако реакция окисления марганца в основной печи идет не до конца. При повышении температуры может протекать обратная реакция — восстановление марганца из шлака. Чем выше температура, тем более благоприятными оказываются условия для восстановления марганца. Практически всегда в конце плавки, если температура ванны достаточно велика, марганец восстанавливается из шлака. Поэтому марганец называют иногда «пирометром» мартеновского процесса: если плавка идет горячо, концентрация марганца постепенно возрастает; если же концентрация марганца понижается, значит, ванна холодная и возможен брак. Фосфор окисляется одновременно с кремнием и марганцем в начале плавки. Практически фосфор стремятся удалить из металла в период плавления и в первой половине периода кипения, т. е. когда металл еще сильно не нагрелся. Для создания железисто-известкового шлака осуществляют присадку железной руды (или окалины, или агломерата) и извести (или известняка). Обычно для снижения содержания фосфора до 0,010— 0,015 % достаточно однократного скачивания шлака. Десульфурация вследствие высокого содержания в мартеновских шлаках окислов железа имеет ограниченное развитие. Коэффициент распределения серы T|S = (S)/[S] весьма невелик и составляет обычно 3—10. При обычной шихте получение в готовой стали менее 0,040 % S (требования ГОСТа для большинства марок) особых трудностей не представляет, однако получение более низких (< 0,015—0,020 %) концентраций серы затруднительно. В связи с этим при выплавке металла с особо низким содержанием серы операцию удаления серы частично переносят в ковш. Особое внимание обращают на содержание серы в топливе. Мазут для отопления мартеновских печей применяют низкосернистый. Наиболее чистым (по содержанию серы) топливом является природный газ. Окисление углерода и кипение мартеновской ванны. Эффект кипения мартеновской ванны создается в результате протекания реакции окисления растворенного в металле углерода и выделения образующегося при этом СО. Эту реакцию часто считают основной реакцией мартеновского процесса, что обусловлено следующим. В результате протекания реакции обезуглероживания и сопровождающего ее эффекта кипения выравниваются химический состав ванны и температура металла, удаляются содержащиеся в металле газы, облегчается процесс всплывания и ассимиляции шлаком неметаллических включений, увеличивается поверхность соприкосновения металла со шлаком и тем самым облегчаются условия удаления из металла вредных примесей — фосфора и серы. Другими словами, ведение мартеновского процесса без реакции окисления углерода и кипения невозможно. В сталях, выплавляемых в мартеновских печах, содержится обычно от 0,05 до 1,0 % С (это содержание зависит от марки стали). В шихте количество углерода выше. Во всех случаях необходимо, чтобы в начале периода кипения ванна содержала углерода больше, чем требуется в готовом металле. Это необходимо, чтобы избыточный углерод во время плавки окислялся и ванна кипела. На рис. 11.1 показана схема передачи кислорода из газовой фазы через шлак в металл. Скорость передачи кислорода из атмосферы через шлак к металлу невелика и во многих случаях может лимитировать скорость протекания процесса в целом. Для повышения скорости доставки кислорода осуществляют присадки железной руды (окалины и др.) или продувают ванну кислородом. Важным звеном в развитии реакции обезуглероживания может быть выделение СО в газовую фазу. Зарождение новой фазы облегчается при нарушении сплошности металла, при наличии каких-либо поверхностей, полостей, пузырей, при наличии шероховатой, плохо смачиваемой жидкостью твердой поверхности. В данном случае такой поверхностью может служить под мартеновской печи. Поверхностные слои пода печи принимают активное участие в процессе обезуглероживания металла. Тысячи пузырьков СО, выделяясь на границе металл — под, пронизывают толщу мартеновской ванны, вызывая ее кипение; пузырьки СО могут выделяться также на границе металл — шлак, металл — газовый пузырь и т. п. К началу завалки шихты поверхностные слои пода насыщены оксидами железа. Насыщение происходит вследствие смывания пода шлаком при выпуске плавки и главным образом вследствие воздействия окислительной атмосферы печи на остающиеся на подине капли металла. Во время плавки поверхностные слои пода принимают активное участие в процессах окисления примесей: содержащиеся в поверхностных слоях оксиды железа восстанавливаются, и на поверхности образуются поры диаметром 1—2 мм. В начальный период плавки поверхность пода хорошо ошлакована, она хорошо смачивается металлом (малое межфазное натяжение между материалами пода и металлом Количество пузырьков СО, проходящих через металл при кипении ванны, огромно. Обычно скорость окисления углерода в период кипения колеблется в зависимости от емкости печи от 0,2 до 0,8 % С/ч. При скорости окисления углерода 0,2 % С/ч в 900-т печи за 1 мин выгорает 0,2 • 900Д60 • 100) = = 0,03 т = 30 кг углерода. При окислении 30 кг углерода образуется: 30 • 28/12 = 70 кг СО, или 70 • 22,4/28 = = 56м3 СО. Объем металла в ванне 900-т печи около 130м3. Если учесть расширение объема СО при нагреве до 1600°С примерно в 7 раз, то получается, что каждую минуту через ванну проходит количество газов, превышающее в несколько раз объем металла (в данном случае примерно в 3 раза). Кипение металла также облегчает протекание процессов его дегазации и всплывания неметаллических включений. Содержание кислорода в металле при «закипании» ванны снижается и поддерживается на уровне, соответствующем содержанию в нем углерода. До тех пор пока в мартеновской ванне идет процесс кипения, вызываемый протеканием реакции окисления углерода, металл не будет переокислен, так как поступающий в металл кислород будет немедленно удаляться в результате протекания реакции [С] + [О] -» СОГ. Пузырьки СО, уносящие кислород, очищают металл также от азота и водорода. Если по каким-то причинам реакция обезуглероживания и соответственно кипение ванны замедлились или приостановились, то немедленно начинает повышаться концентрация газов в металле. При отсутствии кипения получить металл в мартеновской печи с малым содержанием газов невозможно. Обычно в мартеновской стали содержится 0,003-0,005% N, т.е. меньше, чем обычное его содержание в бессемеровском и томасовском металле, а также в металле, выплавленном в дуговых печах. Концентрация водорода колеблется в более широких пределах—от 0,0003 до 0,0010%, или от 3 - 4 до 10—12 см3/100 г металла. Кипение металла облегчает также процесс вспылывания и ассимиляции в шлаке неметаллических включений. Поверхностное натяжение на границе газовый пузырек — включение меньше, чем на границе металл - включение, т. е. агаз-вкл < стме-вкл- в результате включение как бы «прилипает» к поднимающемуся пузырьку СО, т. е. пузырьки «промывают» ванну от включений. При прохождении пузырька через шлак включение остается в шлаке. 16.8.2. Раскисление металла в мартеновской печи. При проведении раскисления мартеновской стали раскис-лители в металл вводят обычно в два приема: часть — в печь, а часть — на струю металла, вытекающего во время выпуска из печи в ковш, или непосредственно в ковш. Таким образом происходит предварительное и окончательное раскисление. Часть раскисли-телей попадает в шлак. В результате снижается активность оксидов железа в шлаке, в верхних слоях ванны возрастает концентрация элементов-рас -кислителей, вследствие чего поток кислорода в глубь ванны из атмосферы печи и из шлака на какое-то короткое время прекращается. Сверхравновесный кислород, имеющийся в ванне, продолжает еще некоторое время реагировать с растворенным в металле углеродом, но, поскольку приток новых порций кислорода в ванну прекращен, общее содержание кислорода снижается и кипение ванны прекращается (на языке мартеновцев «ванна успокоилась»). Такое состояние ванны продолжается недолго (10—20 мин, в зависимости от емкости печи и количества введенных раскислителей); за это время сталевар должен уточнить состав металла, ввести, если требуется, нужные добавки и выпустить плавку. Угар раскислителей и легирующих добавок при вводе в печь выше, чем при вводе их в ковш, поэтому основную массу раскислителей и легирующих добавок вводят для окончательного раскисления в ковш (и на струю металла, падающую в ковш). 16.8.3. Особенности хода плавки при скрап-процессе. Ход мартеновской плавки в значительной степени зависит от состава шихты и марки выплавляемой стали. Соотношение между количествами заваливаемого лома и чугуна определяется составом чугуна и лома, окислительной способностью печи, маркой выплавляемой стали, а также диктуется экономическими соображениями. На характер протекания плавки влияют также качество лома, его вид: стружка, обрезь, тяжеловесный лом и т. п. Как уже неоднократно отмечалось, для получения качественной стали необходимо, чтобы металл в печи некоторое время кипел. Эффект кипения вызывает реакция окисления углерода. Поэтому металл в начале периода кипения (при расплавлении) должен содержать углерода значительно больше, чем в конце, перед выпуском плавки. Обычно в зависимости от марки стали, емкости печи и других условий избыточная величина содержания углерода составляет 0,4—0,8 %. Например, если нужно выплавить сталь с 0,4 % С, необходимо, чтобы при расплавлении в ванне металла содержалось 0,4 + 0,5 = 0,9 % С. Избыток углерода в период кипения выгорит; при этом металл нагреется, газы и включения удалятся, произойдут дефосфора-ция, десульфурация и др. Необходимое количество углерода поступает в шихту обычно с чугуном, и лишь в исключительных случаях, когда чугуна нет или он очень дорог, необходимое количество углерода вводят с карбюраторами (углем, коксом, электродным боем и др.). В этом случае процесс называется карбюраторным. Периоду кипения предшествуют периоды завалки и плавления шихты. Во время завалки и плавления углерод шихты тоже окисляется и величина угара зависит от таких факторов, как продолжительность завалки и плавления, окисленность скрапа, содержание Si и Мп в чугуне, мощность факела и др. Например, если в чугуне много кремния, то угар углерода будет меньше. Обычно угар углерода за время завалки и плавления составляет 30—40 %. Зная на основании опытных данных процент угара углерода, можно в каждом конкретном случае подсчитать требуемое количество чугуна для завалки.
Например, для выплавки стали 45 (0,45 % С) необходимо, чтобы при расплавлении было около 0,45 + 0,50 = 0,95 % С. Если принять, что за время завалки и плавления выгорает 35 % углерода шихты (остается 65 %), то, чтобы после расплавления было 0,95 % С, необходимо иметь в шихте 0,95:0,65 = 1,46% С. Если принять, что в чугуне 4 % С, а в скрапе 0,3 % С и обозначить количество чугуна через х, а количество скрапа (100 — х), то получим 4,0х + 0,3(100 -х) = 1,46 ∙100; х=34%. Таким образом, для выплавки стали 45 необходимо при данных условиях иметь в шихте 34 % чугуна и соответственно 66 % скрапа.
Обычно доля чугуна в шихте при скрап-процессе в зависимости от заданной марки стали колеблется от 25 до 40 % массы металлической шихты. Заваливаемый в мартеновские печи при скрап-процессе чугун обычно поступает в цех в твердом состоянии — в чушках. Тепло экзотермических реакций окисления примесей (Si и Мп) составляет при скрап-процессе 8-10 % от общего прихода тепла в рабочем пространстве печи. Кремний и марганец, находящиеся в шихте в значительных количествах, предохраняют в известной мере от окисления железо и углерод, позволяя таким образом вести процесс с меньшим содержанием чугуна в шихте. Однако слишком высокие концентрации кремния и марганца в шихте приводят, во-первых, к увеличению угара и уменьшению выхода жидкой стали (ведь Si и Мп за время завалки и плавления окисляются) и, во-вторых, к образованию чрезмерного количества шлака, затрудняющего передачу тепла ванне. Обычно вначале заваливают в печь железный скрап, затем чугун. Капельки чугуна, расплавляющегося под воздействием факела, стекают вниз, передают тепло нижним слоям шихты и науглероживают скрап, снижая тем самым температуру его плавления. Наконец наступает момент, когда вся металлическая шихта расплавляется и начинается период так называемого кипения. К этому моменту ванна оказывается покрытой шлаком. Для удаления фосфора и серы основность шлака должна быть достаточно высокой. С этой целью в шихту основной мартеновской плавки вводят известняк (СаСО3) или известь (СаО), расход которых на завалку зависит от состава шихты и требований, предъявляемых к составу шлака после расплавления. Например, если шихта 100-т печи состоит из 40т чугуна, содержащего 1,5 % Si, и 60т скрапа, содержащего 0,25% Si, то всего кремния в шихте будет
Во время завалки и плавления кремний шихты окисляется практически полностью. В данном случае образуется 0,75 • 60/28 = 1,61 т Si02. Для получения шлака (после расплавления ванны) с основностью CaO/SiO2 = 2,2 необходимо ввести 1,61 • 2,2 = 3,54т СаО. Если принять, что в известняке около 50 % СаО, то в данном случае необходимо завалить в печь 3,54: 0,50 = 7,08 т известняка.
Если в шихте находится повышенное количество фосфора или используются добавки, содержащие кремний или кремнезем, то расход известняка (или извести) соответственно возрастает. Обычно расход известняка при скрап-процессе составляет 5—10 % от массы металлической шихты. Известняк заваливают в нижние слои шихты вперемежку со скрапом. При нагревании СаСО3 разлагается, СаО переходит в шлак, а пузырьки СО2 участвуют в процессе перемешивания ванны. Кроме того, пузырьки СО2, проходя через расплавляющуюся ванну, участвуют также в процессе окисления углерода:
СО2 + С = 2СО.
Известняк — материал с малой теплопроводностью. Процесс разложения известняка длительный, поэтому часто вместо известняка в печь заваливают известь. При этом ускоряется шлакообразование, сокращается расход тепла, уменьшается расход чугуна. Применяемая в мартеновских цехах известь содержит обычно не менее 85 % СаО. Расход извести на завалку со-\ ставляет 4—8 % от массы металлической шихты. Во время завалки и плавления окисляются часть углерода шихты, весь кремний и значительная часть марганца. Кроме того, за это же время окисляется некоторое количество железа. Оксиды железа, кремния и марганца вместе со всплывшей известью образуют основной шлак, обычный состав которого, %: СаО 35—40, SiO2 20-25, FeO 10-15, MnO 13-17. Общее количество шлака после расплавления составляет 8—10 % от массы металла. 16.8.4. Особенности хода плавки при скрап-рудном процессе. На заводе с полным металлургическим циклом чугун из доменного цеха в мартеновский подают в жидком состоянии. Количество подвозимого чугуна зависит от производительности доменного цеха и общего баланса металла по заводу. Содержание углерода в металле при скрап-рудном процессе регулируют не посредством увеличения или уменьшения расхода чугуна (как при скрап-процессе), а введением в завалку большего или меньшего количества железной руды (или продувкой ванны кислородом). Расход железной руды может колебаться от 5 до 15 % от массы металлической шихты. Если при том же расходе чугуна расход руды в завалку увеличить, то содержание углерода по расплавлении металла в ванне уменьшится и наоборот. Чтобы получить по расплавлении шлак нужной основности, в состав шихты при скрап-рудном процессе, так же как и при скрап-процессе, вводят известняк. Ход плавки при скрап-рудном процессе следующий. После осмотра и ремонта пода на него заваливают железную руду и известняк, затем после некоторого прогрева—лом. После того как лом нагрелся, в печь заливают чугун. Жидкий чугун, проходя через слой лома, взаимодействует с железной рудой. Начинается интенсивное шлакообразование. Примеси чугуна энергично реагируют с оксидами железа руды:
2Fe203 + 3[Si] = 2(Si02) + 4FeX) Fe2O3 + 3[Mn] = 3(MnO) + 2Fеж, 5Fe203 + 6[P] = 3(Р205) + 10Fеж, Ре2О3 + 3[С] = ЗСОг + 2Fеж.
Шлак получается в очень большом количестве. Образующиеся в результате окисления углерода пузырьки СО вспенивают шлак, и он начинает вытекать, «сбегать» из печи. Шлак, который стекает из печи во время плавления после заливки жидкого чугуна, называют «сбегающим» первичным шлаком. Состав этого шлака характеризуется низкой основностью и высоким содержанием FeO и МпО (если в чугуне > 1 % Мп). Железистые шлаки и пониженная температура благоприятствуют дефосфорации. Фосфор в этих шлаках находится главным образом в виде (FeO)3 • Р2О5. Средний состав первичного (сбегающего) шлака следующий, %: SiO2 20— 35; СаО 12-20; А12О3 3-5; MgO 5-9; FeO 25-35; MnO 15-35; Fe2O3 3-5; P205 2-4. Содержание СаО в этом шлаке невелико; поскольку известняк еще не успел достаточно прогреться, процесс его разложения и всплывания образующегося СаО в шлак только начался. Со сбегающим шлаком из печи удаляется значительное количество нежелательных оксидов: SiO2 и Р2О5. К сожалению, вместе со шлаком уходит также определенное количество оксидов железа и марганца. Поэтому в тех случаях, когда в шихте мало серы и фосфора, сбегающий шлак стараются задержать в печи и уменьшить тем самым потери металла. Количество сбегающего шлака составляет 50—70 % от всего образующегося во время плавления шлака. Спуск шлака продолжается почти до полного расплавления шихты. За период плавления полностью окисляется кремний, почти полностью марганец и большая часть углерода. Описанный выше процесс завалки шихты, заливки чугуна и плавления протекает довольно медленно (около 70 % времени всей плавки); при этом расходуется значительное количество тепла топлива (до 80 % от общего расхода топлива на плавку). Для ускорения процесса плавления и окисления примесей вскоре после заливки чугуна ванну начинают продувать кислородом. Продувку ведут через водоохлаждаемые фурмы, опускаемые в отверстия в своде печи. Поскольку при продувке значительная часть примесей окисляется за счет вдуваемого кислорода, расход железной руды в завалку резко сокращают. При окислении железа и примесей за счет газообразного кислорода выделяется значительное количество тепла, металл энергично перемешивается, часть примесей окисляется за счет горячего кислорода воздуха, поступающего из регенераторов. Продолжительность плавления при таком методе работы сокращается в 2—3 раза; соответственно сокращается расход топлива. Расход кислорода на продувку ванны во время плавления достигает 30 м3/т стали. Несмотря на то что при скрап-рудном процессе в печь загружают больше чугуна, а вместе с ним больше кремния, марганца, фосфора и других элементов, состав шлака после расплавления оказывается примерно таким же, как при скрап-процессе, так как значительное количество образующихся оксидов SiO2, MnO, Р2О5 выводится из печи со сбегающим шлаком еще до полного расплавления металла. 16.8.5. Проведение периода кипения. Поскольку составы металла и шлака после расплавления при скрап-процессе и скрап-рудном процессе практически не различаются, период кипения металла протекает также одинаково. 16.8.6. Технико-экономические показатели основного мартеновского процесса. Производительность печей определяется несколькими показателями: съемом стали с 1 м2 площади пода в сутки — т/(м2 • сут), часовой производительностью — т/ч и годовой производительностью — т/год. Съем стали и часовая производительность могут быть отнесены к календарному и номинальному времени (номинальное время равно календарному за вычетом времени на ремонт печи). Продолжительность горячих и холодных ремонтов обычно составляет 6—7 % (т. е. из 365 дней в году 340—343 сут печь работает и 25—22 сут в течение года находится на ремонте). Например, если площадь пода 250-т печи составляет 75 м2, плавка длится 6 ч (четыре плавки в сутки) и за каждую плавку получают в среднем 245 т годных слитков, то для такой печи: съем стали 245 • 4/75 = 13,0 т/(м2 • сут); часовая производительность 245/6 = 41,0 т/ч; годовая производительность 245 • 4 • 340 = 330 тыс. т/год (при 340 рабочих сутках в году). Себестоимость мартеновской стали в значительной мере определяется стоимостью шихтовых материалов. Расход шихтовых материалов (на 1 т годных слитков) зависит от вида разливки (сверху, сифоном или непрерывная), брака металла, количества скрапа, образования недолитых слитков (так называемые недоливки) и др. Расход металлошихты на 1 т годных слитков составляет 1050—1100кг для скрап-рудного процесса и 1100— 1200кг для скрап-процесса. Выход годного соответственно равен 91—95 и 89-91 % (при скрап-рудном процессе расходуется больше железной руды и часть железа руды восстанавливается и переходит в металл). Большое значение для снижения себестоимости стали имеет повышение производительности труда, т. е. увеличение количества выплавленной стали на одного рабочего. Выплавка стали на одного рабочего мартеновского цеха колеблется в широких пределах. В современных крупных мартеновских цехах, работающих скрап-рудным процессом, на одного рабочего приходится 2000—6000 т стали в год. Из себестоимости стали вычитается стоимость пара, полученного на котлах-утилизаторах. Этот пар продается другим потребителям. При переработке фосфористой шихты себестоимость снижается за счет продажи фосфористого шлака. Себестоимость легированной стали возрастает вследствие повышения расходов на ферросплавы и легирующие добавки.
Date: 2016-05-25; view: 397; Нарушение авторских прав |