Технология производства чугуна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Черная металлургия - ведущая отрасль народного хозяйства, от которой существенно зависит благополучие страны. С позиций сегодняшнего дня, когда новым технологиям уделяется первейшее внимание, посмотрим, какие изменения произошли в XX веке в металлургических технологиях. Установившаяся технология производства чугуна, стали и проката к началу XX века принципиально сохранилась до настоящего времени, хотя агрегатное оформление стало другим. Доменная печь за первые 50 лет XX века приобрела современный профиль, ее объем возрос от нескольких сотен кубических метров до 1-2 тысяч, а за следующие 50 лет до 5 и более тысяч куб. м. За это время доменная печь получила современную систему загрузки, подготовленное сырье, высокую температуру дутья с добавкой кислорода, природного газа и других заменителей кокса, повышенное давление. Основным сталеплавильным агрегатом была мартеновская печь, работали бессемеровские и томасовские конвертеры, появились электрические печи. В XX столетии мартеновские печи, бессемеровские и томасовские конвертеры были заменены кислородными конвертерами и дуговыми печами. В мире примерно две трети стали выплавляют в конвертерах, а одну треть в дуговых электропечах. В России и других странах СНГ еще сохранились мартеновские печи.

Целью данной работы является изучение технологии производства чугуна. В работе будут рассмотрены новые методики производства чугуна, обладающие большим экономическим, ресурсосберегающим, экологическим потенциалом. Считаю, что такая постановка вопроса наиболее актуальна.

Основополагающей литературой по данной проблеме являются книги Равич Б.М. «Брикетирование в цветной и черной металлургии», «Теория и практика работы современных промышленных печей», статьи Юзова О.В., Исаева В.А. «Анализ расхода основных ресурсов в черной металлургии России», Лисина В.С. «Тенденции реструктуризации черной металлургии» и другая литература по данной теме.

СЫРЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПОДГОТОВКА ИХ К ДОМЕННОЙ ПЛАВКЕ

Цель доменного производства состоит в получении чугуна из железных руд путем их переработки в доменных печах. Сырыми материалами доменной плавки являются топливо, железные и марганцевые руды и флюс.

Топливом для доменной плавки служит кокс, получаемый из каменного угля. Его роль состоит в обеспечении процесса теплом и восстановительной энергией. Кроме того кокс разрыхляет столб шихтовых материалов и облегчает прохождение газового потока в шихте доменной печи.

Железные руды вносят в доменную печь химически связанное с другими элементами железо. Восстанавливаясь и науглераживаясь в печи, железо переходит в чугун. С марганцевой рудой в доменную печь вносится марганец для получения чугуна требуемого состава.

Среди металлов железо занимает третье место по распространенности в земной коре (4,2 %) после кремния(26 %) и алюминия(7,4 %). Железо в недрах земли в чистом виде не встречается. Оно входит в состав горных пород в различных химических соединениях. В природе известно более 300 разновидностей горных пород, содержащих железо, но далеко не все они представляют собой железные руды. Железными рудами принято называть такие горные породы, из которых экономически выгодно извлекать железо методом плавки. Экономическая целесообразность извлечения железа из руд зависит от уровня развития техники и характеристики месторождений.

Среди известных видов руд наиболее распространены в природе руды осадочного происхождения. Из этих руд выплавляется более 90 % чугуна.

Железная руда состоит из минерала (орудняющего вещества), пустой породы и примесей. Главной частью руды является рудный минерал, в состав которого входит железо. Чаще всего железо в минерале химически связано с кислородом, реже с другими элементами и соединениями. Пустая порода состоит из кремнезема, глинозема, извести и магнезии, образующих сложные минералы. Примеси руд делятся на полезные и вредные. Полезными примесями считаются марганец, хром, никель, ванадий, вольфрам, молибден и др. Вредные примеси – сера, фосфор, мышьяк, цинк, свинец и в большинстве случаев медь – либо ухудшают качество металла, либо разрушающе действуют на огнеупорную футировку доменной печи.

В зависимости от типа рудного минерала железные руды делятся на четыре основные группы:

1. Красный железняк или гематитовая руда. Минерал гематит – безводный оксид железа, в чистом виде содержит 70 % железа и 30 % кислорода. Это наиболее распространенная железная руда.

2. Магнитный железняк или магнетитовая руда. Минерал – магнетит (72,4 % железа и 27,6 % кислорода).

3. Бурый железняк представлен железосодержащими минералами водных оксидов железа, которые содержат от 59,8 % до 69 % железа.

4. Шпатовый железняк – железная руда, основу которой составляет минерал сидерит, содержащий 48,3 % железа.

Кроме перечисленных четырех разновидностей железных руд, железо в значительном количестве (46,6 %) содержится в серном колчедане или пирите. Однако пирит в доменную плавку не дают, его используют в качестве сырья в сернокислотной промышленности, а отходы в виде окисленного железа применяют при производстве агломерата. Также находят промышленное применение бедные железные руды: магнетитовые и гематитовые кварциты, в которых содержится до 45 % кремнезема в виде свободного кварца. Кварциты обогащают, получая железнорудный концентрат, содержащий более 60 % железа.

Флюсами называются материалы, добавляемые к железной руде и загружаемые в доменную печь для понижения температуры плавления пустой породы, ошлакования золы кокса и получения жидкоподвижного шлака с высокой серопоглатительной способностью. В качестве флюса выбирают материал с химическими свойствами, противоположными химическим свойствам пустой породы. Так как пустая порода руд преимущественно кремнеземистая (кислая), то роль флюса выполняют основные оксиды CaO и частично MgO. Иногда в зависимости от состава пустой породы флюсы могут быть кислыми или глиноземистыми. Оксид кальция входит в состав минерала кальцита, называемого известняком. Кроме известняка, для руд с кислой пустой породой, в качестве флюса используют доломитизированный известняк, состоящий из смеси кальцита и доломита. Доломитизированный известняк применяют для улучшения подвижности шлака, доводя содержание оксида марганца в шлаке до 6-8 %.

Важнейшим требованием, предъявляемым к основным флюсам, является низкое содержание в них кремнезема и глинозема и вредных примесей серы и фосфора.

Необходимость подготовки руд к доменной плавке обуславливается стремлением улучшить технико-экономические показатели работы доменных печей и использовать для получения чугуна сравнительно бедные железные руды. Чем выше содержание железа в шихте и лучше ее газопроницаемость, тем выше производительность печи, ниже расход кокса и флюсов и лучше качество чугуна. Повышения содержания железа в доменной шихте достигают обогащением железных руд, а улучшения газопроницаемости шихты в доменной печи – окускованием мелких железных руд и концентратов. Расчетами и опытом установлено, что при повышении содержания железа в руде на 1 % производительность печи возрастает на 2,0 – 2,5 %, а расход кокса снижается на 1,4 – 2 %.¹

Руда может быть в виде кусков до 1500 мм при открытой добыче и до 300 мм при подземной добыче. Дробление руд применяется как самостоятельная операция для получения кусков руды требуемого размера и как вспомогательная операция при обогащении руд для разрушения механических связей между железосодержащим минералом и пустой породой. В зависимости от крупности руды после дробления различают четыре стадии дробления:

1. Крупное (размер кусков после дробления 100-300 мм).

2. Среднее (40-60 мм).

3. Мелкое (8-25 мм).

Грохочением называется разделение руды на классы по крупности. Для руд, поступающих на металлургический завод без обогащения, грохочение является самостоятельной и очень важной операцией, в процессе которой выделяют мелкую руду (0-10 мм) для агломерации, а крупную (более 10 мм) сортируют на два класса: доменную (10-30 мм) и мартеновскую (30-80 мм).

При обогащении руд на обогатительных фабриках грохочение является вспомогательной операцией, совмещаемой с дроблением руд. Это позволяет загружать в дробильные устройства только те фракции, которые подлежат дроблению, а следовательно, уменьшить расход электроэнергии на дробление, повысить производительность дробильных устройств и качество дробления. Грохочение руд осуществляется на механических ситах.

Железные руды по условиям залегания и добычи всегда имеют непостоянный химический состав. Значительные и частые колебания содержания железа и пустой породы в рудах вызывают нарушение теплового состояния доменной печи и химического состава шлака. Это приводит к нарушению ровного хода печи, при котором неизбежны повышение расхода кокса, снижение производительности печи и ухудшение качества выплавляемого чугуна.

Чтобы уменьшить отрицательное влияние непостоянства химического состава руд на показатели доменной плавки, руды подвергают усреднению. Усреднением называют перемешивание железорудных материалов с целью выравнивания химического и гранулометрического составов. В связи с тем, что почти все добываемые руды подвергают окускованию, основное назначение усреднения состоит прежде всего в уменьшении колебаний содержания железа и кремнезема в рудах. Необходимо добиться такого усреднения руд, при котором колебания содержания железа и кремнезема в руде не превышали бы 0,5 % от среднего значения.

Обогащением называется процесс разделения рудного минерала и пустой породы с целью повышения содержания металла в руде и уменьшения содержания пустой породы, а в некоторых случаях и вредных примесей. Все способы обогащения основаны на различии физических свойств рудных минералов и пустой породы. В результате обогащения руды получают:

1. концентрат – продукт, в котором содержится большая часть извлекаемого металла;

2. хвосты – отходы при обогащении руды, в которых содержится незначительное количество металла;

3. промежуточный продукт, в котором содержание металла больше, чем в хвостах и меньше, чем в концентрате.

Промежуточный продукт подвергают повторному обогащению.

В зависимости от метода обогащения и устройства аппарата степень извлечения железа при обогащении железных руд может изменяться от 60 до 95 %. Различают пять основных методов обогащения руд:

1. рудоотборка, основанная на различии цвета и блеска кусков рудного минерала и пустой породы;

2. промывка, основанная на разной размываемости кусков рудного минерала и пустой породы;

3. гравитационное обогащение – разделение в жидкой среде рудных минералов и пустой породы в зависимости от плотности зерен;

4. флотация – метод обогащения, основанный на различии физико-механических свойств поверхности частиц рудного минерала и пустой породы;

5. магнитная сепарация (самый распространенный метод обогащения), основанная на различии магнитных свойств минерала и пустой породы.

Окускованием железных руд называются процессы превращения мелких руд и концентратов в кусковые материалы с целью улучшения хода металлургических процессов в печах различного типа для получения металлов из руд.

Современные технологии производства чугуна, стали, ферросплавов и литья включают в себя окислительно-восстановительные процессы железосодержащего сырья и легирующих элементов с применением в качестве основного энергоносителя и восстановителя металлургического каменноугольного кокса в соответствующих тепловых агрегатах (печах).

Богатое железосодержащее сырье представляет собой мелкую фракцию и ведение металлургичеких процессов в печах требует их окускование для обеспечения достаточной газопроницаемости. Традиционно шихтой для таких переделов является агломерат, окатыши, железо прямого восстановления, чушковый чугун, металлолом, ферромарганец, ферросилиций и т.д., а также минеральное сырье в качестве флюсующих добавок.

Окускование является одной из актуальных задач в подготовке железосодержащих материалов к металлургическому переделу.

Известны три способа окускования мелких руд и концентратов: агломерация, грануляция (окомкование) и брикетирование.

Агломерация- процесс получения кусков (агломерата) методом спекания мелкой руды и концентрата с топливом при высокой температуре горения. Благодаря высокой температуре в процессе агломерации возгоняется часть вредных примесей (например, сера).

Грануляция (окомкование-окатывание)- процесс получения окатышей, основанный на свойстве увлажненных тонко-измельченных частиц руды или концентрата образовывать окатыш большей или меньшей крупности и прочности, которым окатыванием в специальных аппаратах придается необходимый размер и форма, последующим обжигом- повышенная прочность.

Брикетирование - процесс получения кусков (брикетов) с добавкой и без добавки связующих веществ с последующим прессованием смеси в брикеты нужного размера и формы.

В России в настоящий момент производится около 52 млн. т. агломерата, 30 млн.т. окатышей и в промышленных объемах металлургические брикеты производит только одно предприятие.

Несмотря на давность использования брикетирования, его теория изучена слабо. Поэтому до настоящего времени брикетирование является искусством, требующим большого экспериментального и практического опыта.²

Брикетирование как перспективный метод окускования на современном этапе развития промышленности.

Брикетирование в черной металлургии- это наиболее ранний способ окускования, который широко применяется для этой цели во второй половине 19 столетия. В начале 20 столетия брикетирование было вытеснено агломерацией по причинам:

• неэкономичность окускования брикетированием при помощи маломощных прессов с низкой производительностью, в то время как в агломерации были созданы машины с производительностью 2000 т. и более агломерата в сутки;

• возможность при агломерации удалить вредные примеси (S, As, Zn, и др);

• получать агломерат в офлюсованном виде.

И в настоящее время производство металлургических брикетов в России не получило развитие в широких производственных масштабах по тем же самым причинам, хотя с точки зрения технологии и экономики производства оно имеет ряд преимуществ:

• брикеты имеют одинаковую правильную форму и вес, в данном объеме содержат больше металла, они обладают более высокой прочностью и лучшей транспортабельностью;

• обладают более высоким удельным весом;

• количество оборотного продукта на агломерационной фабрике составляет около 20-25%, а иногда и выше от общего потока шихты, в то время как на брикетной фабрике - не более 2%;

• весь кислород руды в брикете остается активным, в агломерате же он находится в связанном состоянии (в виде силикатов), первое особенно важно для доменного производства;

• экологическая безопасность брикетов (безотходность, отсутствие высоких температур при изготовлении);

• возможность применения в брикете в любом соотношении углеродосодержащего наполнителя для активизации процессов в металлургической печи (карбюризатор, восстановитель, энергоноситель);

• возможность использования всех видов тонкодисперсных железофлюсолигироуглеродосодержащих отходов металлургического передела.

Надо учесть, что попытки использовать брикетирование в металлургии для подготовки неметаллической шихты не прекращались никогда. Особенно полно брикетирование как метод окускования отвечает требованиям утилизации мелких отходов метзаводов (сравнительно небольшое воспроизводство, непостоянство физико-химических свойств и пр.). Металлургическими предприятиями Франции ежегодно перерабатывается в брикеты до 4 млн.т. железосодержащих шламов и уловленной в газоочистках пыли. В черной металлургии США и стран Западной Европы уже давно наряду с железосодержащими материалами брикетируются другие мелкие отходы: известковая пыль, отходы ферросплавного производства, некондиционная мелочь плавикового шпата и прочие весьма ценные материалы. На их основе получают шихтовые брикеты и флюсы для металлургического производства.

К основным причинам недостаточного использования брикетирования в отечественной практике следует отнести сегодня следующие:

• неправильный выбор места и объема утилизации отходов;

• упрощенный (некомплексный ) подход к решению проблемы;

• использование неэффективных способов (технологий) брикетирования

Понятны пути решения этих трех проблем:

• максимальное приближение изготовления брикетов к техногенным месторождениям и, соответственно, предприятиям потребителям;

• создание металлургического самовосстанавливающегося и самоплавкого брикета с использованием нетрадиционного вяжущего и углеродистого наполнителя для всех видов металлургического передела, т.е. принципиально новой композиционной шихты;

• использование резерва имеющегося вибропрессовального оборудования для производства строительных изделий и создание упрощенных вибропрессовальных автоматических линий для производства металлургического брикета. ³

Экологические проблемы промышленности по утилизации отходов.

При производстве чугуна и шихты для него (агломерат, окатыши, кокс), при производстве стали и ферросплавов выделяется большое количество железоуглеродофлюсосодержащих отходов: до 6% от конечного продукта каждого передела, в то время как доля использования образующихся металлургических отходов в настоящее время в России не превышает 5% от объема их образования. Если учитывать накопление отходов в течение десятилетий, то речь идет о техногенных месторождениях, равноценных природным железоугольным месторождениям.

По некоторым оценкам объем этих техногенных месторождений по России и бывших странах СНГ составляет 450-550 млн.т.

Большие исследование по использованию брикетирования в металлургии проводились в СССР рядом институтов (Московский горный и Грузинский политехнический институты, Воронежский госуниверситет, ЦНИИчермет, ДонНИИчермет и др) и промышленными предприятиями (ММК, БМК, заводы Коммунарский и Челябинский, Лисаковский ГОК, Бакальское рудоуправление и др.)

По опыту российских и зарубежных предприятий оптимальным местом утилизации отходов метзаводов является их собственное производство, поскольку:

• по содержанию основных компонентов улавливаемые мелкие отходы (в основном пыли и шламы) близки к используемой в данном производстве шихте;

• менее жесткие требования при использовании отходов в собственном производстве, чем в случае их отправки сторонним организациям;

• наличие на метзаводах свободных мощностей и развитой инфраструктуры;

• большие трудности (и даже невозможность) транспортировки мелкодисперсных и влажных отходов, шлама на далекие расстояния.

Только брикетирование, из-за особенности своего технологического цикла, способно вернуть отходы в металлургический передел, с достаточно высокой рентабельностью, улучшить экологию.⁴

Способ изготовления (холодное брикетирование)

Наиболее экономически выгодной и экологически безопасной является холодное брикетирование. Недостатки ранее принятой технологии изготовления брикетов на штемпельных, револьверных, вальцевых прессах (низкая производительность, сложность оборудования, ограниченность в размерах и т.д.) полностью решаются на вибропрессовальных линиях.

Формование брикета производится способом вибропрессования, т.е. одновременным воздействием на формовочную смесь вибрации и прессования.

В зависимости от области применения металлургического брикета возможно получение любого, отвечающего требованиям каждого конкретного металлургического агрегата и его

шихты, состава брикета, с добавлением различных легирующих и флюсующих добавок, с заданными механическими свойствами.

Технологичность данного вида шихты

Композиционная окускованная шихта включают в себя основные составляющие металлургической шихты конкретного передела, является идеальной для ведения технологического процесса, т.к. включает в себя постоянство химического, гранулометрического состава, а также равномерное распределение энерготеплоносителя и химического восстановителя по всему пространству теплового агрегата. Моношихта – это максимальная технологическая и экономическая целесообразность каждого передела.

Примерный состав предлагаемых железофлюсоуглеродосодержащих брикетов следующий (подбирается под конкретный тепловой агрегат):

• окисленный железосодержащий материал(шламы, осадки на фильтрах и др.) ~ 5-57%

• углеродосодержащий наполнитель (древесный уголь, отсев кокса, коксовая пыль, бой электродов и т.д.) ~ 10-50%

• связующее ( древесные смолы, минеральные связующие и т.д.) ~5-15%

• легирующие добавки ~ 0-15%

• измельченный железоуглеродистый сплав ~ 0-30%

• флюсующие добавки ~ 1-10%

• пластификатор (лигносульфонат, мелассу упаренная и т.д.) в количестве 0.1-0.5 от массы связующего

Использование относительно дешевых брикетов даст значительное снижение затрат на шихту в металлургическом производстве, позволит повысить качество, конкурентоспособность готового продукта.

Технологический брикет рекомендуется к применению в следующих металлургических переделах:

Доменное производство:

• железотопливный брикет, как заменитель железосодержащего сырья ( агломераты, окатышей, металлодобавок) и доменного кокса;

• железооксидный брикет для промывки горна доменных печей (FeO 40-60%);

• железотопливный брикет с марганцем и кремнием для выплавки специальных марок чугуна;

• специальный брикет для наращивания гарнисажа металлоприемника доменных печей.

Сталеплавильное производство:

• железотопливный брикет, как заменитель чугуна, углеродистого скрапа, углеродосодержащих и флюсов;

• железотопливный брикет с раскисляющими легирующими добавками (Mn, Si,Al и т.п.);

• рудноизвестковый брикет для шлакообразования и регулирования температуры металлической ванны.

Ферросплавное производство:

• композиционный брикет для выплавки ферросплавов (с FeSi, FeCr, FeS, Cr, SiMn, FeMn, Al и углеродом в виде коксовой и графитовой пыли и мелочи, порошкового древесного угля).

Электросталеплавильное производство:

• композиционный брикет с легирующими добавками, с древесным углем только в качестве восстановителя

Литейное производство на машиностроительных заводах:

композиционный брикет с легирующими добавками, с древесным углем только в качестве восстановителя.⁵

ОБЩАЯ СХЕМА И СУЩНОСТЬ ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА

Доменный процесс представляет собой совокупность механических, физических и физико-химических явлений, протекающих в работающей доменной печи. Загружаемые в доменную печь шихтовые материалы – кокс, железосодержащие компоненты и флюс – в результате протекания доменного процесса превращаются в чугун, шлак и доменный газ.

В химическом отношении доменный процесс является восстановительно-окислительным: из оксидов восстанавливается железо, а окисляются восстановители. Однако доменный процесс принято называть восстановительным, так как цель его состоит в восстановлении оксидов железа до металла.

Агрегатом для осуществления доменного процесса служит печь шахтного типа. Рабочее пространство доменной печи в горизонтальных сечениях имеет круглую форму, а в вертикальном разрезе – своеобразное очертание, называемое профилем.

Важнейшим условием осуществления доменного процесса в рабочем пространстве печи является непрерывное встречное движение и взаимодействие опускающихся шихтовых материалов, загружаемых в печь через колошник, и восходящего потока газов, образующегося в горне при горении углерода кокса в нагретом до 1000 – 1200 С воздухе (дутье), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его окружности фурмы. К дутью может добавляться технический кислород, природный газ, водяной пар.

Кокс поступает в горн нагретым до 1400 – 1500 С. В зонах горения углерод кокса взаимодействует с кислородом дутья. Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода неустойчив и превращается в оксид углерода. Таким образом, за пределами зон горения горновой газ состоит только из оксида углерода, азота и небольшого количества водорода, образовавшегося при разложении водяных паров или природного газа. Смесь этих газов, нагретая до 1800 – 2000 С , поднимается вверх и передает тепло материалам, постепенно опускающимся в горн вследствие выгорания кокса, образования чугуна и шлака и периодического выпуска их из доменной печи. При этом газы охлаждаются до 200 – 450 С, а оксид углерода, отнимая кислород из оксидов железа, превращается частично в диоксид углерода, содержание которого в доменном газе на выходе из печи достигает 14 – 20 %.

Шихтовые материалы загружают в доменную печь при помощи засыпного аппарата отдельными порциями – подачами. Они располагаются на колошнике чередующимися слоями кокса, руды или агломерата и флюса при работе на не полностью офлюсованном агломерате. Загрузку подач производят через 5 – 8 мин. по мере освобождения пространства на колошнике в результате опускания материалов.

В процессе нагревания опускающихся материалов происходит удаление из них влаги и летучих веществ кокса и разложение карбонатов. Оксиды железа под действием восстановительных газов постепенно переходят от высших степеней окисления к низшим, а затем – в металлическое железо по схеме: Fe₂O₃  Fe₃O₄  FeO  Fe.

Свежевосстановленное железо заметно науглераживается еще в твердом состоянии. По мере науглераживания температура плавления его понижается. При температуре 1000 – 1100 С восстановление железа почти заканчивается и начинают восстанавливаться более трудновосстановимые элементы – кремний, марганец и фосфор. Науглероженное железо, содержащее около 4 % углерода и некоторое количество кремния, марганца и фосфора, плавится при температуре 1130 – 1150 С и стекает в виде капель чугуна в горн. В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы руды и флюса. Понижению температуры плавления шлака способствуют невосстановленные оксиды железа и марганца. В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляется вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса – и зола.

При взаимодействии жидких продуктов плавки с раскаленным коксом в заплечиках и горне происходит усиленное восстановление кремния, марганца и фосфора из их оксидов, растворенных в шлаке. Здесь же поглощенная металлом в ходе плавки сера переходит в шлак. Железо и фосфор печи полностью восстанавливаются и переходят в чугун, а степень восстановления кремния и марганца и полотна удаления из чугуна серы в большой мере зависят от температурных условий, химического состава шлака и его количества.

Жидкие чугун и шлак разделяются в горне благодаря различным удельным массам. По мере скопления их в горне чугун выпускают через чугунную летку, а шлак – через шлаковые летки (верхний шлак) и чугунную летку во время выпуска чугуна (нижний шлак).

Все перечисленные процессы протекают в доменной печи одновременно, оказывая взаимное влияние.⁶

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА В ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧАХ

В последние годы на металлургических предприятиях все более широкое развитие получает термовременная обработка металлургических расплавов. Широкому применению термовременной обработки при выплавке чугуна способствует распространение индукционной плавки. При выплавке чугуна в индукционных печах температура металла в печи на 200 - 300°С превышает температуру ликвидуса. Данные температуры достигают температурного интервала при котором происходят фазовые превращения в жидких чугунах и сталях при термовременной обработке.

Критические температуры фазовых превращений в жидких чугунах и сталях определяли по поверхностному натяжению методом лежащей капли на высокотемпературном микроскопе “Leitz” в температурном интервале 1300 - 1600°С.

Анализ опытных данных, полученных в лабораторных условиях, показал, что основные преврашения в жидкой фазе как в природнолегированных титаном и ванадием, так и в хромоникелевых чугунах для прокатных валков в температурном интервале 1485 – 1550°С.

В условиях чугунолитейного участка литейного цеха ОАО “ЗСМК” и ОАО “Кузмашзавод” реализован целый комплекс технологий с применением термовременной обработки (ТВО) при производстве термостойких отливок. Было установлено, что качественные параметры отливок значительно зависят от показателя:

                                                                                                                (1)

где: Т₁ - температура перегрева металла, °С; Т₂ - температура ликвидуса для данной марки сплава, °С; t - время изотермической выдержки, мин.

Варьируя параметром S, как показали практические результаты, можно без применения легирующих добавок получать необходимые свойства чугуна в отливках.

Для определения влияния ТВО на скорость протекания процессов индукционной плавки осуществлялся кинетический анализ. Исследование кинетики проводилось на 40 экспериментальных плавках, от которых отбирались пробы металла (103 пробы), определяли их химический состав. Кроме того, отбирались пробы шлака (51 проба), азот в металле определяли методом вакуумплавления на приборе TN-114, а химический состав шлака – химическим методом по общепринятой методике. Содержание кислорода определялось на эскалографе ЕАО-202 фирмы “Бальцерс”, водорода – методом вакуумнагрева. Пробы металла и шлака и замеры окисленности производились через 30-50°С по ходу плавки.

Результаты эксперимента представлены на рис. 1.



Рис. 1. Содержание FeO (1) и MnO (2) в шлаке

Для анализа опытных данных на шкалах температуры и времени нагрева условно выделены 3 зоны нагрева: А (1350 – 1420°С), Б (1420 – 1470°С), В (1470 – 1520°С). Область низких температур – зона А характеризуется наличием очень вязкого высокоокисленного шлака с содержанием FeO до 30%, который в виде коржей плавает на поверхности металла. Для этого шлака характерно относительно высокое содержание азота. Ввиду повышенной окисленности и малой жидкоподвижности шлак в виде коржей плавает на поверхности тигля и слабо взаимодействует с металлом. При достижении температуры 1420°С и заполнении тигля на 40 - 70% начинается дробление шлакового покрова и засасывание частиц шлака циркуляционными потоками вглубь ванны. Вследствие этого резко увеличивается поверхность взаимодействия в системе металл-шлак и интенсифицируется процесс восстановления оксида железа шлака углеродом металла, что сопровождается кипением ванны.

В зоне В шлак хорошо раскислен, содержание FeO ниже 4 – 5%, а на ряде плавок – около 1%. Кипение ванны затухает.

При анализе полученных экспериментальных данных использовали аппарат формальной кинетики. В каждой зоне были получены кинетические константы реакций восстановления FeO шлака углеродом, растворенным в металле в виде:

                                                                                                (2)

где: Т – температура, К; W_FeO – удельная скорость реакции, моль/м; С_i – концентрация компонента, моль/м²³; С₁, С₂ – показатели степени.

Кинетический анализ показал, что наибольшая скорость протекания реакции соответствует зоне Б. Было выявлено, что при выплавке чугуна при нагреве до температур, соответствующих зоне Б, целесообразна присадка марганец-содержащей руды с целью замены марганец-содержащих ферросплавов.

Были получены кинетические уравнения скорости процесса W_MnO вида (2).

Анализ этих уравнений показал, что скорости протекания реакций восстановления окислов марганца углеродом металла позволяют совместить процесс нагрева металла до температур термовременной обработки c восстановлением марганца из руды.

Применение данной технологии позволяет на опытных плавках исключить из шихты марганец-содержащие ферросплавы.

Одной из важных задач индукционной плавки является получение низкосернистого чугуна. Технологию десульфурации металла совместили с нагревом металла до температуры термовременной обработки. Был проведен кинетический анализ десульфурации чугуна.

Структура кинетического уравнения аналогична (2). Кинетический анализ показал, что для достижения низких содержаний серы в чугуне (0,009 – 0,015%) достаточно совместить технологии десульфурации металла с нагревом металла до температуры термовременной обработки.

Таким образом кинетический анализ процессов, протекающих в индукционных печах, показал, что для получения высококачественных чугунов необходимо процесс нагрева металла до температуры термовременной обработки совмещать с технологическим процессом десульфурации и восстановления окислов.

Далее при оптимизации технологии плавки определили влияние режима плавки на поведение водорода, кислорода и стойкость футеровки печи.

Изменение содержания водорода и кислорода по ходу плавки представлено на рис. 2.

Снижение содержания водорода объясняется его удалением пузырями СО при термовременной обработке, а содержание кислорода – раскислением металла. Исследовали влияние термовременной обработки на газосодержание (рис. 3).

Снижение содержания [N], [H] происходит, по-видимому, за счет удаления их пузырями СО из объема ванны при протекании реакции раскисления чугуна, а также восстановления углеродом оксидов футеровки и шлака. Кипение металла, сопровождающее эту реакцию, наблюдается визуально. Анализ зависимости пригара кремния (рис. 3) показал, что проведение выдержки свыше 10 минут нецелесообразно из-за разрушения футеровки печи. Таким образом, оптимальное время термовременной выдержки ограничивается 8 – 10 минутами.



Рис. 2. Изменение содержания водорода (1) и кислорода (2) в ходе плавки.



Рис. 3. Изменение содержания газов и скорости восстановления кремнезема футеровки в процессе проведения ТВО.

Необходимо подчеркнуть, что ТВО расплава производится только при науглероживании стальной составляющей металлошихты. В этой фазе плавки получается синтетический чугун, который обладает повышенными прочностными свойствами, что повышает стойкость изделий к разрыву падающей струей металла. Присадка во второй фазе плавки чугуносодержащей металлошихты (боя изложниц и чушкового передельного чугуна), без режимов ТВО дополняет качество чугуна демпфирующими свойствами, т. к. при этом в чугун вносятся крупный спелевый и первичный графит передельного чугуна, который замешивается на расплаве, что повышает стойкость изделий против трещин. Кроме того, при плавлении чугуносодержащей металлошихты образуется шлак, который обволакивает стенки тигля и служит своеобразным гарнисажем, защищающим тигель от разрушения при ТВО. Применение ТВО после присадки чугуносодержащей металлошихты ведет к интенсивному разрушению футеровки при протекании реакции восстановления кремнезема футеровки углеродом металла, что убедительно подтверждается данными химического анализа в таблице 1.

Таблица 1

Изменение химического состава металла

Необходимо отметить, что после присадки чугуносодержащей металлошихты содержание водорода (рис. 2) можно объяснить недостаточно эффективной просушкой шихты перед завалкой в печь. Таким образом, термовременной обработкой 1495-1520°С до 8 – 10 минут, удается стабилизировать содержание азота в металле и раскислить шлак с минимальным разрушением футеровки печи.

Разработанные технологии позволили значительно повысить качество чугуна, тем самым обеспечить стойкость сменного сталеразливочного оборудования на уровне лучших мировых показателей.⁷

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Конечными продуктами доменной плавки являются чугун, шлак, колошниковый газ и колошниковая пыль. Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой. В чугуне также содержится незначительные количества водорода, азота и кислорода. В легированном чугуне могут быть хром, никель, ванадий, вольфрам и титан, количество которых зависит от состава проплавляемых руд. В зависимости от назначения выплавляемые в доменных печах чугуны разделяют на три основных вида: передельный, идущий на передел в сталь; литейный, предназначенный для получения отливок из чугуна в машиностроении; доменные ферросплавы, используемые для раскисления стали в сталеплавильном производстве.

Передельный чугун подразделяют на три вида: передельный коксовый (марки М1, М2, М3, Б1, Б2); передельный коксовый фосфористый (МФ1, МФ2, МФ3); передельный коксовый высококачественный (ПВК1, ПВК2, ПВК3).

Литейный чугун после выпуска из доменной печи разливают в чушки и в холодном виде направляют на машиностроительные заводы, где для отливки деталей машин его вторично подвергают расплавлению в специальных печах-вагранках. Литейный коксовый чугун выплавляют семи марок: ЛК1 – ЛК7. Каждую марку подразделяют на три группы по содержанию марганца, пять классов по содержанию фосфора и на пять категорий по содержанию серы.

Итак, первая часть данной работы была посвящена рассмотрению подготовки материалов к доменному процессу. Особенно было отмечено брикетирование как перспективный, но до сих пор наименее развитый в нашей стране способ окускования железных руд, были рассмотрены преимущества брикетирования как с чисто экономической, так и с ресурсосберегающей, экологичной точки зрения.

Вторая часть работы посвящена самому доменному процессу и в особенности ресурсосберегающей металлургической технологии производства чугуна в индукционных печах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Булгаков В.П., Булгаков Г.В. Исследование минералогического состава окалино-углеродистых брикетов в процессе восстановления//«Черная металлургия», 1998г. №7

2. Лурье Л.А. Брикетирование в металлургии.- М.: «Металлургия», 1963г

3. Лисин В.С. Тенденции реструктуризации черной металлургии // «Сталь», 1999г. №10

4. Лубяной Д.А. Ресурсосберегающая металлургическая технология производства чугуна в индукционных печах // статья с сайта www.synerg.nkc.ru

5. Равич Б.М. Брикетирование в цветной и черной металлургии.- М.: «Металлургия»,1975г

6. Развитие бескоксовой металлургии. Тулин Н.А., Кудрявцев В.С., Пчелкин С.А. и др. /Под ред.Тулина Н.А., Майера К.- М.: Металлургия, 1987г.

7. Теория и практика работы современных промышленных печей.- Москва-Ленинград: Госэнергоиздат. 1963г.

8. Юзов О.В., Исаев В.А. Анализ расхода основных ресурсов в черной металлургии России. // «Сталь», 1999г №10