Третьяков_Курс лекций по дисциплине Технология конструкционных материалов (Третьяков Курс лекций по дисциплине Технология конструкционных материалов), страница 15

Побочными продуктами доменной плавки являются шлак и доменный газ.8.3. Производство сталиОсновными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скраб). Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне. Поэтому сущностьюлюбого металлургического процесса передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перехода в шлак.В соответствии с законом действующих масс скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Поэтому железо окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи.

Образующийся оксид железа окисляет Si, P, Mn и С, обладающие большимсродством с кислородом. Для ускорения окисления примесей добавляют железную руду и окалину, содержащие много оксидовжелеза, или продувают жидкий металл кислородом.76Скорость окисления примесей зависит не только от их концентрации, но и от температуры металла и подчиняется принципуЛе Шателье. В соответствии с этим принципом изменение внешних условий физико-химической равновесной системы вызываетв ней реакции, противодействующие проводимому изменению.Поэтому химические процессы, сопровождающиеся выделениемтеплоты, протекают с большей скоростью при низких температурах. Реакции с поглощением теплоты проходят интенсивнее приболее высоких температурах.

При производстве стали в металлеплавки с большой скоростью идут процессы окисления Fe, Si, P,Mn, протекающие с выделением теплоты, а углерод интенсивнееокисляется только при высокой температуре металла.После расплавления шихты в сталеплавильной печи образуются две несмешивающиеся среды: жидкий металл и шлак, которыеразделяются из-за различных плотностей. В соответствии с законом распределения Нернста, если какое-либо вещество растворяется в двух соприкасающихся, но несмешивающихся жидкостях,то его распределение между этими жидкостями происходит до определенного соотношения (константы равновесия), постоянногодля данной температуры.Нерастворимые соединения в зависимости от плотности будутпереходить либо в шлак, либо в металл.

Изменяя состав шлака,можно менять соотношения между количеством примесей в металле и шлаке так, что нежелательные примеси будут удаляться изметалла в шлак. Убирая шлак с поверхности металла и наводя новый путем подачи флюса требуемого состава, можно частичноудалить вредные примеси (P, S) из металла. Поэтому регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из путейуправления металлургическими процессами.Используя изложенные законы, процесс выплавки углеродистой стали можно представить как совокупность трех этапов.На первом этапе интенсивно протекает процесс окисления железа и примесей (Si, P, Mn), который сопровождается выделениемтеплоты.

Наиболее важная задача этого этапа – удаление фосфора.Для этого необходимо использовать шлак, содержащий основнойоксид СаО.На втором этапе при высокой температуре в соответствии спринципом Ле Шателье более интенсивно протекает реакцияокисления углерода, происходящая с поглощением теплоты. Образующиеся на первом этапе оксид железа реагирует с углеродом, ипузырьки оксида углерода выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение» ванны. При этом уменьшается содержание углерода77в металле до требуемого, а с пузырьками частично удаляются неметаллические включения и растворенные газы.В этот же период из металла удаляется сера, которая находитсяв виде сульфида в металле и шлаке. Чем больше в шлаке СаО именьше FeO, тем полнее сера удаляется из стали.

Потому плавкойв печах с основной футеровкой можно снизить содержание S, Р ивыплавлять сталь из шихты любого химического состава.На третьем этапе происходит раскисление стали, которое заключается в восстановлении оксида железа, растворенного в жидком металле. Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим идиффузионным процессами.Осаждающее раскисление осуществляют введением в жидкуюсталь раскислителей, содержащих Mn, Si, Al, которые в данныхусловиях обладают бóльшим сродством к кислороду, чем железо.В результате раскисления восстанавливается железо и образуютсяоксиды MnO, SiO2, Al2O3, которые в основном удаляются в шлак.Однако часть их остается в стали, что ухудшает ее свойства.Диффузионное раскисление осуществляют раскислением шлака.

На поверхность шлака загружают ферромарганец, ферросилиций и другие раскислители, которые, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. В соответствии с закономраспределения, растворенный в стали FeO переходит в шлак, авосстановленное железо в шлаке переходит в сталь.

В результатедиффузионного раскисления в стали уменьшается содержание неметаллических включений и повышается ее качество.В зависимости от степени раскисленности выплавляются спокойные, кипящие и полуспокойные стали. Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше.

Кипящая стальраскислена в печи не полностью. Ее раскисление продолжается визложнице при затвердевании слитка. Оксид углерода выделяетсяиз стали, способствуя удалению из жидкого металла азота и водорода. Кипящая сталь не содержит неметаллических включений,потому обладает хорошей пластичностью. Полуспокойная стальчастично раскисляется в печи и в ковше, а частично в изложнице.Получение легированных сталей предполагает введение ферросплавов или чистых металлов в необходимых количествах. Легирующие элементы, сродство к кислороду которых меньше, чем ужелеза (Ni, Co, Mo, Cu), при плавке и разливке практически неокисляются, поэтому их обычно вводят в печь вместе с шихтой вначале плавки.

Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti и др.), вводят в78металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда непосредственно в ковш.Чугун переделывают в сталь в различных по принципу действия металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конверторах и электропечах.В настоящее время прекращают использование мартеновскихпечей в металлургии, поскольку они обладают низкой производительностью. В настоящее время среди развитых стран только вРоссии, Украине и Китае сохранилось производство стали в мартеновских печах.В настоящее время наиболее широкое применение получилавыплавка стали в кислородных конверторах с последующей ееразливкой на машинах непрерывного литья заготовок.

В кислородных конверторах выплавляют конструкционные спокойные икипящие стали с различным содержанием углерода. В этих агрегатах трудно выплавлять стали, содержащие легкоокисляющиесялегирующие элементы, поэтому в них изготавливают низколегированные (до 2…3 %) стали. Плавка в конверторах вместимостью130…300 т заканчивается через 25…30 мин.Плавильные электропечи имеют преимущества по сравнению сдругими металлургическими агрегатами, так как в них можно выплавлять металл любого химического состава и получать сталь с образованием минимального количества неметаллических включений.Поэтому электропечи используют для выплавки высоколегированных конструкционных, инструментальных и специальных сталей исплавов.

Плавильные электропечи бывают дуговыми и индукционными. Применение диффузионного раскисления позволяет получатьсплавы с низким содержанием неметаллических включений.8.4. Внедоменное получение железаПод процессом прямого получения железа понимают такой,который дает возможность получать железо в виде губки непосредственно из руды, минуя доменную печь.

Этот процесс протекает без применения кокса, что позволяет получать чистый металл,поскольку фосфор и особенно серу в больших количествах в металл вносит кокс. Агрегатами для реализации этого процесса служат шахтные печи, а в качестве восстановителя чаще всего применяют конвертированный природный газ, состоящий в основном изводорода и оксида углерода (35 %), который подают в печь притемпературе 1000 ºС.79Расширение использования бедных руд и стремление к болееглубокому их обогащению привели к получению тонко измельченных железорудных концентратов, для которых появилась необходимость найти новые способы окускования. В связи с этимначал развиваться так называемый процесс окатывания, или окомкования, который состоит из двух стадий:– получение сырых (мокрых ) окатышей;– упрочнение окатышей (по дсушка при 300…600 ºС и обжигпри 1200…1350 ºС).Для лучшего окомковывания и обеспечение необходимойпрочности к железорудному концентрату добавляют связующеевещество, обычно бентонит (мелкодисперсная глина) и воду.

После этого в грануляторе получают шарики диаметром 10…20 мм.Основная цель обжига окатышей сводится к упрочнению их дотакой степени, чтобы они выдерживали транспортировку без значительных разрушений.Процесс восстановления железа (производства металлизированных окатышей) в шахтных печах осуществляют в противопотоке: железорудные материалы загружают сверху, а восстановительные газы подают снизу (рис. 8.1).Рис.

8.1. Схема процесса получения губчатого железа в шахтной печи:1 – воздуходувка; 2 – теплообменник; 3 – смеситель газов; 4 – конверсионнаяустановка; 5 – компрессор; 6 – скруббер для колошникового газа; 7 – шахтнаяпечь; 8 – скруббер; 9 – вибрационный грохот; 10 – брикетный пресс80Удельная производительность шахтных печей составляет5…9 т/(м3 сут), т. е. в 2–4 раза выше, чем при доменной плавке.Металлизированные окатыши содержат примерно 95 % Fe и до2 % С. Расход природного газа составляет около 400 м3 на 1 т губчатого железа.Выплавка стали осуществляется в дуговых электропечах. Вкачестве основных шихтовых материалов используют металлизированные окатыши, стальной лом и различные ферросплавы.После расплавления шихтовых материалов выплавляемую стальпри необходимости науглераживают и доводят до нужного химического состава.

Затем проводят диффузионное раскисление исталь выпускают из печи. Сталь в ковше либо подвергают вакуумированию, либо продувают аргоном с рафинирующим порошком. Длительность плавки составляет 2,5...3 ч. Этим способомвыплавляют высококачественные высоколегированные стали.Вопросы для самоконтроля1. Назовите основные этапы получения стали, начиная с исходных природных материалов.2.

Сформулируйте основные процессы доменного производства. Возможно ли удаление серы и фосфора при плавке чугуна вдомнах?3. В чем заключается сущность химических процессов, лежащих в основе металлургического передела чугуна в сталь?4. Назовите этапы плавки легированной стали и основные процессы в каждом из них.

На каком этапе или этапах плавки сталивыполняют легирование?5. Объясните влияние процесса раскисления на образованиенеметаллических включений на примере плавки стали в мартеновской и электродуговой печах.6. Сформулируйте отличительные особенности плавки сталив электродуговых печах. Какие процессы обеспечивают низкоесодержание неметаллических включений в высококачественныхсталях?81Лекция № 9. ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СТАЛИВ этой лекции вы ознакомитесь с металлургическимипроцессами рафинирования стали в результате внепечнойобработки жидкого металла и переплава полученных ранее слитков. Узнаете об основных видах продукции, получаемых прокаткой, прессованием и волочением.9.1.