124888 (Історія освоєння та сучасні методи обробки металів), страница 3

Новий процес отримання сталі з чавуну без палива і печі пройшов довгий час, перш ніж стало зрозумілим, що добру сталь дає тільки малофосфористий чавун. Якщо чавун має багато фосфору, то продукт отримується гіршим, ніж ковке залізо, – він стає "червоноламким" і "холодноламким" (крихким в гарячому і холодному стані). Завдяки цьому бесемерівський процес поширювався дуже повільно – спочатку він був прийнятий в Швеції, потім – в Австрії і пізніше в Англії. Широкому його поширенню протидіяло те, що він потребував малофосфористого чавуну.

Чавун з малим вмістом фосфору, завантажувався в тигель, який мав грушоподібну форму (є прототипом сучасного кисневого конвертора). Цей конвертор мав кислу футерівку і мав можливість повертатись на цапфі при виливанні отриманої сталі. В конверторі шлак збирався в верхній частині. Продування виконувалось через трубку, яка вводилась через вікно.

Широке застосування цього процесу стримувалось проблемою очистки чавуну від фосфору. Серед багатьох металургів, які вирішували цю проблему, першим досяг успіху Сідней Джілкріст Томас (1850–1885). Томас мав дві спеціальності. Він служив писарем в лондонському поліцейському суді, чим заробляв собі на життя, і одночасно вивчав хімію і металургію в гірничому училищі, де й зацікавився проблемою виведення фосфору із чавуну.

Немає суттєвої різниці між бесемерівським і томасівським процесом. В основі обох лежить один і той же принцип: чавун, з якого отримують сталь, очищують, продувають через нього повітря. Місткість, де проходить реакція (конвертор), має грушоподібну форму з відкритою горловиною зверху і має можливість нахилятись завдяки горизонтальній осі – цапфі.

Основна різниця між цими процесами в тому, що бесемерівський конвертор всередині викладений кислою (за хімічним складом вогнетривкою футеровкою) і в ньому неможливо виділити фосфор з чавуну в основний шлак тому, що такий шлак швидко роз’їдає кислу футеровку. Томасівський конвертор мав основну футеровку, тому, додаючи вапно, можна отримати основний шлак, який добре виводить фосфор з чавуну, але не роз’їдає основної футеровки.

Конвертор дозволяє за 20 хв. перетворити в сталь 20 т чавуну. Для виробництва такої кількості сталі в горні способом кричного переділу потрібно було б 3 тижні, а в пудлінговій печі – тиждень.

Бесемерівський і томасівський конвертори були необхідні для масового виробництва сталі загального призначення, тоді як високоякісні спеціальні сталі продовжували виплавляти в тиглях.

Брати Вільгельм і Фрідріх Сіменси винайшли регенеративний спосіб підігріву печей, і після того, як був отриманий патент на цей винахід, була побудована перша піч. Суть регенеративного підігріву полягає в попередньому підігріві повітря, яке необхідне для горіння палива. Для підігріву використовувався газ, який відходив під час горіння і є продуктом горіння. Для цього через деякий проміжок часу повітря направляється то через один, то через другий регенератор (коли повітря для горіння проходить через один регенератор і охолоджує його, саме нагрівається, гази, які відходять, підігрівають другий регенератор). В дослідній печі братів Сіменсів стальні частини всередині печі через 6 годин розплавились, а тигель, який був розміщений в топ-очній камері, перетворився в шлак.

Перші практичні спроби виплавити тигельну сталь в подібних печах на сталеливарному заводі в Шеффілді закінчилися невдачею (разом зі сталлю плавився тигель і стінки печі).

В 1846 році на одному із заводів південної Франції Сьєру Мартену (1824–1915) вперше вдалося зварити хорошу сталь в регенеративній печі, яку побудували при участі Вільгельма Сіменса. Шихта складалася з чавуна, який виплавлявся з гематиту – червоного залізняка з острова Ельба, чушок пудлінгового заліза і стального лому.

Мартенівський процес (німці називали його Сіменс – мартенівським) поряд з бесемерівським і томасівським визначив ще один великий крок в розвитку металургії. Цей процес зберіг велике практичне значення до наших днів для повторного виробництва сталі з лому і стальних відходів. Цікаво відзначити, що Генрі Бесемер винайшов свій конвертор, а Вільгельм Сіменс – регенеративну піч в один і той же час і жили вони на сусідніх вулицях Лондона й нічого не знали один про одного.

Мартенівський процес отримав широке поширення після Паризької виставки 1867 року. В Росії першу мартенівську піч побудували в 1869–1870 роках на Сормовському заводі. В той час виробництво сталі в Англії перевищило 5 млн. т. і продовжувало швидко зростати (в середньому за рік виплавлялось 50 – 100 тис. тон).

2.3 Сучасні методи виплавки сталі

Чавун – це сплав на основі заліза, який включає 2,14% і більше вуглецю, а також в незначній мірі інші домішки, в тому числі і шкідливі (фосфор і сірку). Отримують його в доменних печах з червоних, магнітних, бурих і шпатових залізняків, марганцевих руд шляхом відновлення заліза і насичення його вуглецем та іншими елементами. Основна частина чавуна (більше 80%) використовується для виплавки сталі.

Залізні руди – це гірська порода, яка складається із хімічних з’єднань заліза (Fе₂O₃; Fe₃O₄; 2Fe₂O₃3Н₂O; Fe₃CO₃) і пустої породи (пісковику, глини, вапняку чи доломіту). До руд ставляться такі вимоги: високий вміст заліза (в межах ЗО – 70%); добра відновлюваність; склад і стан пустої породи, що забезпечує легкість її видалення у вигляді шлаку; задовільна кусковатість; низька вартість.

Магнітний залізняк (магнетит) включає 40…65% заліза у вигляді магнетиту Fe₃O₄; червоний залізняк (гематит) – 58…60% заліза у вигляді окисла Fе₂O₃; бурий залізняк – 50…60% заліза у вигляді сполуки 2Fe₂O₃3Н₂O і шпатовий залізняк (сидерит) – 30…45% заліза у вигляді карбонату Fe₃CO₃. Також в доменній плавці використовують комплексні руди: хроміти, які включають крім заліза 37,5% окисла хрому, хромонікелеві залізні руди (1,5% хрому і 0,5% нікелю), титаномагнетити (0,4% ванадію і до 13% двуокисла титану).

Крім руд, в доменній плавці застосовують відходи металургійного виробництва: скрап, залізні і марганцеві шлаки, спечений рудний пил, окалина, огарки і т. ін. Марганцеві руди використовують для введення марганцю в склад чавуна. Вони містять 25…50% марганцю у вигляді окислів МnО; Мn₂О₃; Мn₃O₄.

Поряд з рудами вихідним матеріалом для отримання чавуну є паливо, флюс і повітря. Паливом є кокс. В природі він не існує, а отримують його з кам’яного вугілля, яке може коксуватись і спікатись. Такого вугілля в природі не дуже багато, тому воно з кожним роком дорожчає. Це вугілля не треба перетворювати в кокс. Процес цей складний, трудомісткий і супроводжується виділенням шкідливих побічних продуктів. Щоб по можливості не дати проникнути їм в атмосферу, воду і грунт, будуються дорогі очисні споруди.

Також в якості палива для доменних печей може застосовуватися природний газ.

Флюси використовуються для оплавлення тугоплавкої пустої породи руди і попелу палива з утворенням низькоплавкого шлаку визначеного складу, який легко витікає з доменної печі, а також для часткового переведення сірки в шлак. Так як частіше за все пуста порода має кислотний характер, то в якості флюсів застосовують основні матеріали – вапняк СаСО₃, доломіт СаСО₃МgСО₃, основний марганцевий шлак. Якщо склад породи має основний характер, то в якості флюсу застосовують кварц, пісковик і т. ін. Флюси не повинні вміщувати значної кількості сірки і фосфору і не більше 2…4% кремнезему і глинозему, які збільшують витрати флюсів і кількість шлаку, який отримується. Вміст кальцію повинен бути не менш 50…52%. Флюси перед плавленням подрібнюються на куски розміром 30…80 мм.

Повітря забезпечує горіння палива і отримання високих температур в доменній печі. Вдувають його нагрітим до температури 980…1200°С. Разом з повітрям частково подається до 32% кисню, який забезпечує підвищення температури і різко прискорює хід плавлення.

Вихідні матеріали для отримання чавуну, які беруться в певних пропорціях, називають шихтою. Всі шихтові матеріали перед завантаженням в домну проходять певну підготовку. В першу чергу це стосується руд. Їх сортують по вмісту заліза, по величині шматків; хімічному складу і т. ін. Потім руди збагачують і отримують концентрат, який вміщує підвищену кількість металу. Збагачення виконується миттям, гравітаційними методами, магнітними і т.ін. Миття руди сильним струменем води дозволяє частково видалити піщано-глиняну пусту породу від мінералів, багатих на залізо.

Гравітаційний метод (мокре відсадження) представляє собою розділення тяжких, багатих металом кусків руди від більш легкої, пустої породи в струменях води, яка піднімається чи тяжких суспензіях. Магнетити збагачують електромагнітними сепараторами після їх подрібнення.

Після збагачення руди виконується окусковування концентратів (брикетування, агломерація або отримання окатишів). Найбільш поширеним є агломерація (спікання) на потужних машинах безперервної дії продуктивністю до 3000 тон за добу. В результаті спікання шихти при температурі 1200…1500°С утворюється пористий агломерат, який має певну міцність, добре відновлюється і має знижений вміст сірки.

Окусковування можна проводити методом отримання окатишів (розміром 10…30 мм) в барабанах, які обертаються. Для отримання окатишів дрібний концентрат змішують з вапном чи глиною і зволожують до 8…10%. В барабанах шихта пересипається і скатується в окатиші.

Доменна піч – це вертикальна плавильна піч шахтного типу. Свою назву вона отримала від домниці, яка застосовувалась в Росії в ХVІІІ – IX сторіччі.

Сучасна доменна піч – це потужний і високопродуктивний агрегат з об’ємом, який займає шихтний матеріал (корисний об’єм) 3000…5000 м³, продуктивністю більше 5000 т. чавуна за добу.

В 1975 році в Кривому Розі почала працювати найбільша домна в світі об’ємом 5000 м³, яка була побудована за два роки. Кожен рік ця піч дає більше 4 млн. т. чавуну. Домні "зразка 1800 року" "необхідно працювати" 24 роки, щоб виплавити стільки чавуну, скільки дає криворізька домна за добу.

Корисна висота таких печей досягає 30 м і більше. Доменна піч (рис. 2.6) зовні заключна в сталевий кожух, а всередині футерована вогнетривкою (шамотною) цеглою. Внутрішня будова печі включає колошник 1, шахту 2, розпар 3, заплечики 4 і горн 5.

Колошник обладнаний литими сталевими сегментами, які захищають вогнетривку футерівку від руйнування при ударах шихти, яка завантажується в піч.

В верхній частині печі є завантажувальний пристрій, який включає воронку 6, малий конус 7, великий конус 8 з воронкою 9. Шихта подається на колошник по похилому мосту стрічковим транспортером 10. З нього шихта спочатку попадає на малий конус, який повертається навколо осі, для більш рівномірного завантаження. Далі шихта попадає на великий конус. Малий і великий конус опускаються не одночасно, для того, щоб запобігти викиданню доменних газів із печі в атмосферу. У великий конус через малий конус засипають певну кількість шихтових матеріалів, які утворюють, так звану колошу. В процесі опускання великого конуса колоша падає в піч. Рудну частину шихти і коксу завантажують роздільно, тому в печі утворюються два шари – коксу і рудної частини.

Для подавання визначеної кількості шихти служать бункери-дозатори 11, які подають останню на стрічковий транспортер.

В нижній частині домни знаходяться фурми 12, через які вдувається в піч нагріте повітря, або повітря збагачене киснем, а інколи – газоподібне, рідке чи пилоподібне паливо для економії коксу. Чавун і шлак безперервно стікають вниз і періодично випускаються через чавунний льоток 13 в чавуновоз 14 і шлаковий льоток 15 в шлаковоз 16.

Процес доменної плавки неперервний, а завантаження шихтових матеріалів і випуск чавуна і шлаку виконується періодично за встановленим режимом. Вихідні матеріали поступають в доменну піч зверху, а в нижню частину печі через фурми 12 подається нагріте повітря 17, яке отримується із холодного дуття 18. Нагрів холодного повітря виконується в повітронагрівачі (каупері) 19. Каупер працює завдяки згорянню колошникового газу, який поступає з верхньої частини домни. Через фурми 12 також може подаватись повітря, збагачене киснем, або газоподібне паливо. Гази, які утворюються при згорянні палива, піднімаються назустріч шихтним матеріалам, які опускаються, нагріваючи їх, відновлюють і плавлять. Таким чином, піч працює за принципом протипотоку, що дозволяє повніше використовувати тепло. Монтується доменна піч на бетонному фундаменті 20, а між фундаментом і горном знаходиться лещадь (холодильник) 21.

Як правило, біля кожної доменної печі є три – чотири повітронагрівачі, які працюють поперемінно. В результаті взаємодії кисню повітря і окислів руди з вуглецем утворюється доменний газ, який піднімається вверх зі швидкістю 20…60 м/сек. Враховуючи опір матеріалів шихти тиск газів при підході до колошника знижується до 1,5…3,7 атм. (0,15…0,37 МПа). Після очищення від пилу газ використовується для нагрівання повітронагрівачів, мартенівських, кузнечних, термічних печей, опалення адміністративних приміщень і як паливо для двигунів внутрішнього згоряння. Колошниковий пил, який отримується при очищенні доменного газу застосовується в процесі агломерації.

2.4 Фізико-хімічні процеси плавлення чавуна в доменній печі. Продукти доменного виробництва

Під час плавлення чавуна в печі виконується два основних процеси: відновлення заліза з окислів руди, навуглецьовування його і видалення у вигляді рідкого чавуна визначеного хімічного складу; оплавлення пустої породи руди, утворення шлаку, розчинення в ньому золи коксу і видалення його із печі.