Металловедение

71

его максимальным содержанием в третьей группе - 1,5% и пять классов фосфо-

ра с его содержанием в классе А не более 0,08% и в классе Д не более 1,2%.

Шлаки, получаемые в доменной печи, в последние годы стали широко использовать в промышленности. На большинстве наших заводов их гранули-

руют, выливая расплавленный шлак прямо из шлаковозных ковшей в большие бассейны. Полученные таким образом шлаковые! гранулы перерабатывают на цемент и другие строительные материалы (шлаковую вату для теплоизоляции,

шлаковые блоки и др.).

Т а б л и ц а 1

Химический состав (%) литейного коксового чугуна(по ГОСТ 4832-72)

72

Т а б л и ц а 2

Химический состав (%) передельных коксовых чугунов и доменных фер-

росплавов

В верхней части печи из шихты отделяются газообразные продукты реак-

ций и азот воздуха.

Газы, выделяющиеся из доменной печи, называют обычно колошниковы-

ми. С ними вместе из современных печей выносится огромное количество пыли

(~ 50 кг на 1 т чугуна). Газ состоит из 26-32% окиси углерода, 9-14% двуокиси углерода и 54-58% азота. Теплотворная способность такого газа 4000 Дж (850-

950 кал) на 1 м3, поэтому он широко используется после очистки от пыли как топливо для подогрева воздуха, идущего в доменные печи, а также в других пе-

чах металлургического завода.

Одним из главных показателей работы доменных печей, используемых для сравнения результатов деятельности различных заводов, является коэффи-

циент использования полезного объема доменной печи (КИПО):

K=V/Q

73

Он равен отношению полезного объема V (м3) к суточному выпуску чу-

гуна Q (т). Так как производительность печи Q стоит в формуле в знаменателе,

то чем меньше коэффициент использования полезного объема доменной печи,

тем лучше она работает. Средний КИПО в СССР в начале 70-х годов был около

0,6, в то время как в 1940 г. он равнялся 1,19, а в 1913 г. - 2,3.

Наилучший КИПО, равный 0,39-0,42, был достигнут в последние годы на Череповецком металлургическом заводе.

Для производства чугуна кроме доменных печей применяют различное вспомогательное оборудование. Наи-

большее значение среди них имеют воздухонагреватели. Для успешной ра-

боты

современной доменной печи объ-

емом 2700 м3 в нее требуется вдувать с помощью мощных воздуходувок около

8 млн. м3 воздуха и 500 000 м3 кислоро-

да в сутки. Нагрев этой массы кисло-

родно-воздушной смеси до 900-1200° С

осуществляется попеременно в четырех цилиндрических башенных воздухонаг-

ревателях (рис. 47)

высотой 40-50 м, диаметром 8-10

м. Кожух воздухонагревателя сваривается из листовой стали толщиной 10-14

мм Стены его выложены в несколько слоев различными огнеупорными мате-

риалами. Внутреннее пространство разделено на две части: полую камеру горе-

74

ниями насадочное пространство, заполненное решетчатой огнеупорной кладкой разной формы со сквозными вертикальными каналами.

Очищенный доменный газ смешивают в горелке с воздухом и направляют пламя в вертикальную камеру горения. Горячие продукты горения, изменив на-

правление под куполом, опускаются сквозь насадку вниз, отдавая ей тепло. Ох-

лажденные газы выпускаются через нижнюю часть воздухонагревателя в дымо-

вую трубу. После нагрева купола до 1200-1400° С подачу колошникового газа в этот нагреватель прекращают и в воздухонагреватель снизу вверх пропускают воздушно-кислородное дутье, которое нагревается, проходя через горячую на-

садку. В это же время идет нагрев соседних воздухонагревателей. После охла-

ждения насадки первого воздухонагревателя нагрев дутья переносят в сосед-

ний, а первый снова переключают «на газ» (на нагрев).

Выпускаемый из доменной печи чугун и шлак по желобам поступает в литые стальные шлаковые ковши, а чугун - в чугуновозные ковши вместимо-

стью 80-100 т, футерованные шамотным кирпичом; их устанавливают на же-

лезнодорожных платформах. Передельный чугун перевозят в этих ковшах в сталеплавильный цех и заливают в миксер - цилиндрическое хранилище жид-

кого чугуна, вмещающее иногда до 2000 т. Миксер выложен шамотным кирпи-

чом; он может наклоняться, а в случае необходимости и обогреваться газовыми форсунками.

Литейный чугун отвозят к разливочной машине, где его разливают в из-

ложницы, закрепленные на непрерывно движущемся наклонном конвейере.

Чтобы ускорить охлаждение чугуна, изложницы после затвердевания в них чу-

гуна орошаются холодной водой и затем при повороте конвейера пятидесяти-

килограммовые чушки выпадают из изложниц на железнодорожные платфор-

мы.

75

Кроме чугунов, приведенных в табл. 1 и 2, в доменных печах иногда вы-

плавляют некоторые ферросплавы, например зеркальный чугун с содержанием марганца от 10 до 25%; ферросилиций, содержащий кремния от 9 до 15%.

При плавке титаномагнетитовых руд (см. главу о титане) в доменных пе-

чах получают чугуны с повышенным содержанием титана (0,6-0,7%). Кроме то-

го, многие ферросплавы, особенно содержащие значительное количество Мп и

Si, получают в электрических печах.

76

Г л а в а V

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

За последние полтора столетия в производстве стали произошло много принципиальных изменений. Почти полностью отошли в прошлое такие спосо-

бы производства стали, как тигельная плавка, пудлинговый процесс и многие другие, которые хотя и обеспечивали получение достаточно качественной ста-

ли, но были очень трудоемки и мало производительны. Поэтому эти методы были вытеснены получившими развитие в 60-х годах прошлого столетия кон-

верторными и мартеновскими способами получения стали.

в текущем столетии начали широко применять электрометаллургические способы получения стали, позволяющие выпускать наиболее сложные и высоко легированные стали. Рассмотрим три основных применяемых теперь способа получения стали: в конверторах, мартеновских печах и в электрических печах.

§ 1. Конверторные способы получения стали

Изобретателем конверторного способа получения стали считают англи-

чанина Г. Бессемера, впервые предложившего и осуществившего в 1854-1856

гг. получение стали без расхода топлива, путем продувки воздуха через рас-

плавленный чугун. Предложенный Г. Бессемером спо-

соб производства стали совершенствовался, видо-

изменялся другими изобретателями и произ-

водственными коллективами. Так возникли и получили применение томасовский процесс, русский процесс и многие другие. В настоящее время конверторные спо-

собы с применением кислорода вновь получают широ-

кое распространение, поэтому кратко опишем их.

Конвертором принято называть большую стальную реторту, футерован-

ную огнеупором. Вместимость современных конверторов достигает 250-400 т.

Конвертор имеет стальную цилиндрическую часть, отъемное, легко заменяемое

77

днище и конусообразную горловину. Цилиндрическая часть конвертора кре-

пится в литом стальном кольце, имеющем две цапфы, которыми оно опирается на подшипники двух стоек. Поэтому конвертор может поворачиваться вокруг оси цапф, что необходимо для его обслуживания (заливки исходного чугуна,

взятия проб, выливки готовой стали и т. д.). Одна из цапф - полая, она соединя-

ется одним воздухопроводом с трубовоздуходувкой, а другим - с воздушной коробкой днища конвертора. Воздушная коробка днища конвертора соединяет-

ся с отверстиями фурм, проходящими через все днище.

Конверторы для бессемеровского процесса футеруются динасом, а для томасовского процесса доломитом. На рис. 48 показан эскиз бессемеровского конвертора. Конверторы для томасовского и русского процессов принципиаль-

но мало отличаются от него, хотя нередко и имеют отдельные конструктивные изменения. Так, например, в ряде литейных цехов нередко применяют конвер-

торы малой вместимости (1,5-2,5 т) с боковым подводом воздуха.

Бессемеровский процесс применяется теперь уже не часто и описан во многих учебниках химии и некоторых учебниках «Технология металлов», из-

данных до 1970 г. Перед старыми способами получения стали бессемеровский способ имел два неоспоримых преимущества - очень высокую производитель-

ность, отсутствие потребности в топливе.

Недостатком бессемеровского процесса является ограниченная гамма чу-

гунов, которые могут перерабатываться этим способом, так как при бессеме-

ровском способе не удается удалить из металла такие примеси, как серу и фос-

фор, в том случае, если они содержатся в чугуне. Кроме того, получаемая в конверторе сталь хрупка из-за насыщения ее азотом, содержащимся в воздухе.

Дальнейшим развитием бессемеровского процесса явился томасовский процесс, разработанный Т. Томасом в 1878 г. Он внедрил в практику футеровку конверторов доломитом. Такая футеровка позволяла удалить из чугуна фосфор и частично серу.

78

Томасовский процесс не устранил всех недостатков бессемеровского процесса. В металле оказалось более высоким содержание кислорода и азота и он больше загрязнен шлаковыми включениями, поэтому качество металла при томасовском процессе ниже бессемеровского. Футеровка томасовского конвер-

тора редко выдерживает более 400 плавок.

Конверторное производство стали постоянно совершенствовалось и на-

шло более или менее широкое применение в практике сталеплавильного произ-

водства. Уральские мастера и инженеры разработали, например, оригинальный способ конверторной переработки чугунов, содержащих пониженное содержа-

ние кремния и около 1,5% марганца. Этот способ затем нашел своих последова-

телей на многих западноевропейских заводах и получил название русского бес-

семерования.

Новым важным этапом, вновь поставившим конверторные способы на современный уровень и обеспечившим ему теперь повсеместное широкое при-

менение, явилась замена воздушного дутья кислородным. Предложения о такой замене поступали давно и возможности применения кислорода для этой цели успешно изучались многими советскими учеными: проф. К. Г. Трубиным, Н. И.

Мозговым и др. В настоящее время имеет место широкое практическое реше-

ние этой проблемы (процесс L-D и др.).

В нашей стране уже построен ряд конверторных цехов, оборудованных

100-и 250-тонными конверторами и успешно работающими на техническом ки-

слороде. Сейчас строят и проектируют мощные конверторные установки на 350

и 400 т.

Современный конверторно-кислородный способ получения стали проте-

кает примерно следующим образом. На большинстве заводов для этого способа используют глуходонные конверторы (рис. 49). Футеруют эти конверторы обычно смолодоломитовым или магнезито-хромитовым кирпичом.

79

Кислород вдувают в конвертор вертикальной трубчатой водо-

охлаждаемой фурмой, опускаемой в горловину конвертора, но не доходящей до уровня металла на 1200-2000 мм. Таким образом, кислород не вдувается под зеркало металла (как воздух в старых конверторных процессах), а подается на поверхность залитого в конвертор металла. Однако и при таком способе подво-

да кислорода процесс идет очень горячо, что дает возможность перерабатывать в нем чугуны с различным содержанием примесей, а также вводить в конвертор не только жидкий металл, но и добавлять к нему скрап

и железную руду (количество скрапа на некоторых заводах доводят до

30% от массы металла).

Началом очередного цикла в кислородном конверторе является завалка в него лома и других металлических отходов; в случае их недостатка в конвертор вводят на ряде заводов железную руду; затем загружают известь, необходимую для связывания фосфора, содержащегося в чугуне и ломе. После введения этих добавок в предварительно наклоненный конвертор начинают заливать жидкий чугун, подвозимый из миксера в чугуновозных ковшах. Эти операции занимают в конверторе на 100 т 9-10 мин. После того как( металл займет ~ 1/5 объема

80

конвертора, его ставят в вертикальное положение; в конвертор опускают водо-

охлаждаемую фурму и подают в нее технический кислород. В конверторе на-

чинается интенсивный процесс окисления металла кислородом, который преж-

де всего, встречаясь с частичками железа, окисляет их по реакции:

2Fe + О2 = 2FeO + Q

Кроме железа, окисляются и примеси, но окисление их может происхо-

дить и благодаря растворившейся в металле закиси железа по реакциям

Si +2FeO = 2Fe + SiO + Q; Mn + FeO == Fe + MnO + Q; 2P + 5FeO = 5Fe + P2O5 + Q; C + FeO = Fe + CO - Q

Bee эти реакции протекают в конверторе с кислородным дутьем одновре-

менно, причем последняя реакция способствует лучшему перемешиванию

основные параметры стали и конвертор вновь ставят в вертикальное положение, опускают фурму и вторично продувают ки-

слородом несколько минут в зависимости от данных анализа и заданной марки стали.

В это время продолжаются реакции окисления и интенсивно идут реак-

ции шлакообразования

SiO2 + 2СаО = 2СаО • SiO2