Важнейшие технико-экономические показатели работы доменных печей
1.Коэффициент использования полезного объёма доменной печи (КИПО) – это отношение полезного объема печи V (м3) к ее среднесуточной производительности Р (т) выплавленного чугуна.
КИПО=V(м3/т)/P
Чем ниже КИПО, тем выше производительность печи. Для большинства доменных печей КИПО = 0,5…0,7 (для передовых – 0,45)
2.Удельный расход кокса, К – это отношение расхода кокса за сутки А(т) к количеству чугуна, выплавленного за это же время Р(т).
К=
Удельный расход кокса в доменных печах составляет 0,5…0,7 (для передовых – 0,36…0,4)
K – важный показатель, так как стоимость кокса составляет более 50% стоимости чугуна.
15.2.2. Производство стали
Процессы прямого получения железа из руд
Под процессами прямого получения железа понимают такие химические, электрохимические или химико-термические процессы, которые дают возможность получать непосредственно из руды, минуя доменную печь, металлическое железо в виде губки, крицы или жидкого металла.
Такие процессы ведутся, не расходуя металлургический кокс, флюсы, электроэнергию (на подготовку сжатого воздуха), а также позволяют получить очень чистый металл.
Методы прямого получения железа известны давно. Опробовано более 70 различных способов, но лишь немногие осуществлены и притом в небольшом промышленном масштабе.
В последние годы интерес к этой проблеме вырос, что связано, помимо замены кокса другим топливом, с развитием способов глубокого обогащения руд, обеспечивающих не только высокого содержания железа в концентратах (70…72%), но и почти полное освобождение его от серы и фосфора.
Получение губчатого железа в шахтных печах
Схема процесса представлена на рис. 15.2.
Рис. 15.2. Схема установки для прямого восстановления железа из руд и получения металлизованных окатышей
При получении губчатого железа добытую руду обогащают и получают окатыши. Окатыши из бункера 1 по грохоту 2 поступают в короб 10 шихтозавалочной машины и оттуда в шахтную печь 9, работающую по принципу противотока. Просыпь от окатышей попадает в бункер 3 с брикетировочным прессом и в виде окатышей вновь поступает на грохот 2. Для восстановления железа из окатышей в печь по трубопроводу 8 подают смесь природного и доменного газов, подвергнутую в установке 7 конверсии, в результате которой смесь разлагается на водород H2 и оксид углерода CO. В восстановительной зоне печи В создается температура 1000…11000C, при которой H2 и CO восстанавливают железную руду в окатышах до твёрдого губчатого железа. Содержание железа в окатышах достигает 90…95%. Для охлаждения железных окатышей по трубопроводу 6 в зону охлаждения 0 печи подают воздух. Охлаждённые окатыши 5 выдаются на конвейер 4 и поступают на выплавку стали в электропечах.
Восстановление железа в кипящем слое
Мелкозернистую руду или концентрат помещают на решётку, через которую подают водород или другой восстановительный газ под давлением 1,5 МПа. Под давлением водорода частицы руды находятся во взвешенном состоянии, совершая непрерывное движение и образуя «кипящий», «псевдосжиженый» слой. В кипящем слое обеспечивается хороший контакт газа-восстановителя с частицами оксидов железа. На одну тонну восстановленного порошка расход водорода составляет 600…650 м3.
Получение губчатого железа в капсулах-тиглях
Используют карбидокремниевые капсулы диаметром 500 мм и высотой 1500 мм. Шихта загружается концентрическими слоями. Внутренняя часть капсулы заполнена восстановителем – измельчённым твёрдым топливом и известняком (10…15%) для удаления серы. Второй слой – восстанавливаемая измельчённая руда или концентрат, окалина, затем еще один концентрический слой – восстановителя и известняка. Установленные на вагонетки капсулы медленно перемещаются в туннельной печи длиной до 140 м, где происходит нагрев, выдержка при 1200 0C и охлаждение в течение 100 часов.
Восстановленное железо получают в виде толстостенных труб, их чистят, дробят и измельчают, получая железный порошок с содержанием железа до 99 %, углерода – 0,1…0,2%.
Сущность процесса получения стали
Стали – железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5% углерода, при большем его содержании значительно увеличиваются твёрдость и хрупкость сталей и они не находят широкого применения.
Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап).
Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне. Поэтому сущность любого металлургического передела чугуна в сталь – снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.
Железо окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильных печах:
2Fe + O2 = 2FeO + Q.
Одновременно с железом окисляются кремний, фосфор, марганец и углерод. Образующийся оксид железа при высоких температурах отдаёт свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их.
Процессы выплавки стали осуществляют в три этапа.
Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла.
Температура металла сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора.
Наиболее важная задача этапа – удаление фосфора. Для этого желательно проведение плавки в основной печи, где шлак содержит CaO. Фосфорный ангидрид P2O5 образует с оксидом железа нестойкое соединение (FeO)3 × P2O5. Оксид кальция CaO – более сильное основание, чем оксид железа, поэтому при невысоких температурах связывает P2O5 и переводит его в шлак:
2P + 5FeO + 4CaO→(CaO)4× P2O5 + 5Fe
Для удаления фосфора необходимы невысокие температура ванны металла и шлака, достаточное содержание в шлаке FeO. Для повышения содержания FeO в шлаке и ускорения окисления примесей в печь добавляют железную руду и окалину, наводя железистый шлак. По мере удаления фосфора из металла в шлак, содержание фосфора в шлаке увеличивается. Поэтому необходимо убрать этот шлак с зеркала металла и заменить его новым со свежими добавками CaO.
Второй этап – кипение металлической ванны – начинается по мере прогрева до более высоких температур.
При повышении температуры более интенсивно протекает реакция окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты:
FeO + C = CO + Fe - Q.
Для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород.
При реакции оксида железа с углеродом, пузырьки оксида углерода COвыделяются из жидкого металла, вызывая «кипение ванны». При «кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объёму ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам CO, а также газы, проникающие в пузырьки CO. Всё это способствует повышению качества металла. Следовательно, этот этап - основной в процессе выплавки стали.
Также создаются условия для удаления серы. Сера в стали находится в виде сульфида (FeS), который растворяется также в основном шлаке. Чем выше температура, тем большее количество сульфида железа FeS растворяется в шлаке и взаимодействует с оксидом кальция CaO:
FeS + CaO = Cas + FeO
Образующееся соединение CaS растворяется в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак.
Третий этап – раскисление стали заключается в восстановлении оксида железа, растворённого в жидком металле.
При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород – вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.
Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным.
Осаждающее раскисление осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо.
В результате раскисления восстанавливается железо, и образуются оксиды: MnO, SiO2, Al2O5, которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак.
Диффузионное раскисление осуществляется раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и алюминий в измельчённом виде загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. Следовательно, оксид железа, растворённый в стали переходит в шлак. Образующиеся при этом процессе оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, при этом в стали снижается содержание неметаллических включений и повышается ее качество.
В зависимости от степени раскисления выплавляют стали: спокойные; кипящие; полуспокойные.
Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше.
Кипящая сталь раскислена в печи неполностью. Ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода: FeO + C=Fe + CO.
Образующийся оксид углерода CO выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода, газы выделяются в виде пузырьков, вызывая её кипение. Кипящая сталь не содержит неметаллических включений, поэтому обладает хорошей пластичностью.
Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично – в изложнице, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.
Легирование стали осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду меньше, чем у железа (Ni, Co, Mo, Cu), при плавке и разливке не окисляются, поэтому их вводят в любое время плавки. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда в ковш.
Способы выплавки стали
Чугун переделывается в сталь в различных по принципу действия металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конвертерах, электрических печах.
Производство стали в мартеновских печах
В период до семидесятых годов 20 века являлся основным способом производства стали. В настоящее время этот способ производства стали практически вытеснен гораздо более эффективным кислородно-конвертерным способом (около 63 % мирового производства), а также электроплавкой (более 30 %). В настоящее время мартеновские печи в мире не строятся.
В зависимости от шихтовых материалов, поступающих для плавки, различают три основные разновидности мартеновского процесса:
1- Скрап процесс, в котором шихтой служит металлический лом и чушковый чугун.
2- Скрап-рудный процесс, в котором содержание жидкого чугуна в шихте составляет 50-70%, остальное металлический лом.
3- Рудный процесс, в котором плавка ведется только на жидком чугуне без стального лома.
Важнейшей частью мартеновской печи является рабочее пространство (рис. 15.3). Здесь происходит важнейшие физико-химические процессы: горение топлива, окисление примесей, расплавление шихты, образование металла и шлака. Схема печи приводится ниже. Сверху рабочее пространство ограничено сводом, снизу – подом, задней и передней стенками. В передней стенке сделаны завалочные окна. Через них ведут загрузку, берут пробы, наблюдают за процессом. В задней стенке устраивается отверстие для выпуска металла и шлака, забиваемое обычно огнеупорной пробкой. Головки печи расположены симметрично. В них находятся каналы для поступления газа и воздуха и отвода продуктов горения. В нижней части головки соединяются с регенераторами для подогрева воздуха. Мартеновская печь по принципу работы является пламенной регенеративной печью. Высокая температура печных газов для получения стали обеспечивается их регенерацией в регенераторных специальных камерах, заполненных огнеупорной кладкой.
В качестве топлива для мартеновских печей используется смесь доменного, коксового и природного газов, мазут или природный газ.
На больших металлургических заводах применяются печи до 250-500 т. с размерами ванны 20 х 6 м. с площадью до 115 м2. Продолжительность плавки до 12 часов. Процесс плавки состоит из нескольких последовательных периодов: заправка печи, закалка шихтовых материалов, их плавление, период кипения, раскисление и выпуска металла. После окончания плавки сталь выпускается в ковш. В мартеновских печах выплавляют углеродистые конструкционную и инструментальную стали, а также низколегированную и среднелегированную сталь.
Рис. 15.3. Схема мартеновской печи: 1 – газовые регенераторы; 2 – воздушные регенераторы; 3, 4 – воздушные и газовые вертикальные каналы; 5 – головки; 6 – рабочее пространство печи; 7 – подина печи; 8 – свод; 9 – рабочие окна; 10 – насадка регенератора; 11 – борова.