Производство стали в кислородных конвертерах

Методические указания

К лабораторной работе № 2

Производство стали

 

по дисциплине

 

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

Направление подготовки:

Специальность:

Форма обучения очная

Тула 2017 г.

 

 

Методические указания к лабораторным работам составлены ассистентом Е.А. Страховой и обсуждены на заседании кафедры СЛиТКМполитехнического института

Протокол № 1  от «29» августа 2016 г.

Зав. кафедрой ______________________А.А. Протопопов

 

Методические указания к лабораторным работам пересмотрены и утверждены на заседании кафедры СЛиТКМ политехнического института,

протокол №___ от « » __________________ 20___ г.

Зав. кафедрой ______________________А.А. Протопопов

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Ознакомиться с сущностью процесса производства стали, устройством основных плавильных агрегатов, способами разливки стали.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Сущность процесса

Сталью называют деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом и другими примесями. Содержание углерода в стали обычно не превышает 1,5 %(теоретически до 2,14 %). Кроме углерода, сталь всегда содержит в небольших количествах примеси: марганец (до 0,6 %), кремний (до 0,4 %), фосфор (до 0,06 %),серу (до 0,06 %),что связано с особенностями технологии ее выплавки. Кроме углеродистых сталей,в технике широко применяют легированные стали, в состав которых входят хром, никель и другие элементы. Существует свыше 1500 марок углеродистых и легированных сталей ‑ конструкционных, инструментальных, коррозионностойких(нержавеющих) и др.

Значение стали в народном хозяйстве чрезвычайно важно.Нет практически ни одной отрасли хозяйства, где быне применяли сталь. В настоящее время годовая  выплавка сталив мире составляет около 700 млн. т., в том числе в нашей стране свыше 165 млн. т.

Основными «массовыми» способами выплавки стали являются конвертерный (> 55 %от всей массы выплавляемой стали); мартеновский (»20 %) и в дуговых электропечах (»25 %). Количество стали, выплавленной высокопроизводительными способами в кислородных конвертерах и крупных электропечах, непрерывно возрастает; соответственно доля стали, выплавляемой в мартеновских печах, постепенно уменьшается.

Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). B чугуне значительно больше углерода, а также марганца, кремния и других примесей, чем в выплавляемой стали. Поэтому сущностью передела чугуна (или чугуна и стального лома) в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Процессы выплавки стали осуществляют в несколько этапов.

Первый этап ‑ расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. На этом этапе интенсивно окисляется железо и примеси по реакциям:

Fe +½O₂= FeO + 264 кДж                                                          (1)

2FeO + Si = SiO₂ + 2Fe + 330 кДж                                       (2)

FeO + Mn =MnO + Fe + 122 кДж                                              (3)

5FeO + 2P =P₂O₅ + 5Fe + 226 кДж                                            (4)

FeO + С = СО +Fe – 154 кДж                                             (5)

Чем больше оксида железа содержится в жидком металле, тем активнее окисляются примеси. В связи с этим для ускорения окисления примесей в сталеплавильные агрегаты добавляют железную руду, окалину, содержащие много оксидов железа. Наиболее важной задачей первого этапа является удаление фосфора ‑ одной из вредных примесей в стали. Удаление фосфора возможно при плавлении металла в печи,имеющей основную футеровку, при использовании основного шлака, содержащего СаО. Оксид кальция СаО при невысоких температурах характерных для первого этапа плавки, связывает ангидрид P₂O₅в шлак:

2P + 5FeO + 4CaO = 4CaO × P₂O₅ + 5Fe                   (6)

Таким образом,невысокая температура ванны, наличие в шлаке FeOи повышенное содержание в нем СаОявляются необходимыми условиями удаления из стали фосфора.

Второй этап –«кипение» металлической ванны ‑ начинается по мере ее прогрева до более высоких температур, чем на первом этапе. Кипение ванны вызывают пузырьки оксида углерода, образующиеся в результате протекания реакции (5). Эта реакция является основной в металлургическом переделе чугуна в сталь, потому что при протекании этой реакции уменьшается содержание углерода в металле до требуемого. При «кипении» выравниваются температура и химический состав по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам СО, а также другие газы (H₂, N₂), проникающие в пузырьки СО. Все это способствует повышению качестваметалла.

В этот же период создаются условия для удаления из металла другой вредной примеси – серы. Сера в стали находится в виде сульфидаFeS, который также растворяется в основном шлаке.

Чем выше температура, тем большее количествоFeSрастворяется в шлаке, взаимодействуя с оксидом кальция:

FeS + CaO = CaS + FeO                                                            (7)

Высокая температура расплава, повышенное содержаниеСаО в шлаке, минимальное содержание в шлакеFeOявляются необходимыми условиями удаления из стали серы.

Примечание. В сталеплавильных печах с кислой футеровкой нет условий для уменьшения количества фосфора и серы в стали, так как использовать в них основной шлак с высоким содержанием (СаО) нельзя из-за разрушения футеровки. Поэтому в кислых печах можно выплавлять сталь только из шихтовых материалов с малым количеством серы и фосфора.

Третий этап (завершающий) ‑раскисление стали – заключается в удалении из расплава кислорода, присутствующего в виде оксидажелеза FeO,который понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах. Одним из способов раскисления является осаждающее раскисление, которое осуществляют введением в жидкуюсталь раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы (Mn, Si, Alи др.),обладающие большим сродством к кислороду, чем железо:

FeO + Mn =Fe + MnO                                                                (8)

2FeO + Si = 2Fe + SiO₂                                                              (9)

3FeO + 2Al =3Fe + Al₂O₃                                                                                                    (10)

Образующиеся оксиды MnO, SiO₂, Al₂O₃имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак.

По степени раскисления различают кипящую, спокойную и полуспокойную сталь. Кипящая ‑ наименее раскисленная сталь, образующаяся при раскислении одним ферромарганцем. Эта сталь «кипит» в изложнице в результате взаимодействия имеющегося в металле FeO и углерода:

FeO + С = Fe +СО                                                                     (11)

В слитках кипящей стали не образуется усадочная раковина; усадка стали рассредоточена по полостям газовых пузырей, возникающих при кипении стали в изложнице. При прокатке слитка газовые пузыри завариваются.

Спокойная сталь ‑ полностью раскисленная (ферромарганцем, ферросилицием, алюминием). Спокойная сталь затвердевает без выделения газов, в верхней части слитка образуется усадочная раковина, а в средней - усадочная осевая рыхлость.Для устранения усадочных дефектов слитки спокойной стали отливают с прибылью.Сталь в прибыли долгое время остается жидкой и питает слиток, а усадочная раковина располагается в прибыли, которую при прокатке отрезают.

Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленностьмежду спокойной и кипящей, частично раскисляется в печи и ковше, а частично - в изложнице.Полуспокойная сталь сохраняет преимущества спокойной и кипящей стали и не имеет их недостатков.Слиток имеет в нижней части структуру спокойной стали, а в верхней - кипящей. Ликвация (неоднородность химического состава) в верхней части слитков полуспокойной стали меньше, чем у кипящей, и близка к ликвации спокойной стали, но без усадочной раковины.

Легирование стали осуществляют введением в расплав необходимого количества ферросплавов или чистых металлов.

Производство стали в кислородных конвертерах

Кислородно-конвертерный процесс ‑ это выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой технически чистым (>99,5%) кислородом через водоохлаждаемую фурму.

Кислородный конвертер (рис.1) ‑ это сосуд 3 грушевидной формы, изготовленный из стального листа и выложенный изнутри основным кирпичом 4; емкость 130... 500 т жидкого чугуна. Конвертер на цапфах 5 можно поворачивать вокруг горизонтальной оси на 360°. Перед плавкой конвертер наклоняют, через горловину 2 загружают скрап (не более 30%), заливают чугун при температуре 1250... 1400 °С.После этого конвертер поворачивают в вертикальное положение, внутрь его вводят фурму 1 и через нее подают кислород под давлением 0,9...1,4 МПа. Одновременно с началом продувки в конвертер загружают известь, железную руду.

В зоне контакта кислородной струи с чугуном в первую очередь окисляется железо. Образующийся оксид железа обогащает металл кислородом, что приводит к интенсивному окислению кремния, марганца, углерода (см. реакции(1) … (5)).При этом происходит разогрев ванны теплотой, выделяющейся при окислении примесей.

Рис. 1. Схема устройства кислородного конвертера:

1 - фурма; 2-горловина; 3 -кожух; 4-футеровка; 5-цапфа

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш.В процессе выпуска сталь раскисляют в ковше осаждающим методом(ферромарганцем, ферросилицием и алюминием (см. реакции(8)…(10)).

Продолжительность плавки 25...50 мин. Преимуществами кислородно-конвертерного способа являются высокая производительность процесса,простота устройства печи, отсутствие необходимости использования топлива для нагрева металла, невысокие эксплуатационные расходы.

Однако из-за быстроты процесса в кислородных конвертерах трудно выплавлять стали в узко заданном интервале по содержанию углерода, а также стали, содержащие легкоокисляющиеся легирующие элементы. Поэтому в конвертерах выплавляют низколегированные (до 2…3 % легирующих элементов) стали, конструкционные стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные.