Главная


Металлургия черных металлов




Листать книгу
Листать
Страницы: 1 ... 19 ... 57 ... 95 ... 133 ... 171 ... 209 ... 247 ... 285 ... 323 ... 356
76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113


скачать книгу Металлургия черных металлов




На горизонте фурм в шлак переходит зола кокса. Шлак постепенно насыщается сульфидом кальция. Ко­нечный шлак имеет состав: ~40 % 5Юг; 5—15 % А1203; 40—45 % СаО: 3—8 % МеО;
...
Фосфор в большинстве случаев отрицательно влияет на свойства стали и чугуна, поэтому стремятся ограни­чить его содержание в чугуне. Фосфор попадает в до­менную печь с минералами, из которых состоит пустая порода агломерата, руды и во флюсах. Чаще всего име­ют дело с очень прочным соединением фосфора — фос-форнокальциевой солью тетракальцийфосфатом (СаО)4-•Р205.
...
Разложение этой соли на СаО и Р205 начинается лишь при нагреве до 1500 °С. Однако в присутствии кремнезема, металлического железа и избытка углерода ход процесса изменяется. Кремнезем, как кислотный оксид, будет замещать в (СаО)4-Р205 фосфорный ан­гидрид при более низких температурах. Этот процесс будет тем быстрее и полнее, чем больше кремнезема в шихте. В доменной пёчи при любом составе шихты до­статочно много кремнезема. Высвободившийся фосфор­ный ангидрид Р2О5
...
Восстанавливаемый фосфор растворяется в железе, тем самым смещая равновесие реакции в правую сторону, т. е. в сторону еще большей полноты восстановления Р2О5.
...
Сера является вредной примесью в стали, понижаю­щей свойства металла. На всех стадиях производства стараются снизить содержание серы в металле. Прини­
...
мают возможные меры для уда­ления серы в ходе доменной плавки. В чугуне может раство­ряться до 0,9 % Основная часть серы вносится в доменную печь с коксом, меньшая доля с агломератом или рудой — в виде сернистого железа РеБ, пирита РегБг, сульфатов Ва504, Са504 и т. п. Некоторое количество се­ры переходит в газообразное со­стояние и удаляется вместе с га­
...
ные в шлаке. В данном случае растворена в чугуне сера. Если обозначить отношение (СаБ)/[Э] =1, где Ь — ко­эффициент распределения серы между шлаком и метал­лом, то он будет равен К- (СаО)/(РеО). Отсюда следует, что десульфурация металла идет тем полнее, чем больше извести в шлаке и меньше РеО. Для обеспечения лучших условий десульфурации необходима высокая температу­ра в горне, которая обеспечивает хорошую жидкопод-вижность шлака, обусловливающую протекание реакций удаления серы с высокой скоростью. Из рис. 35 видно, как влияет основность и температура шлака на коэффи­циент распределения серы. С повышением температуры шлаки становятся менее вязкими, скорость диффузии серы в шлаке возрастает, а это благоприятствует дости­жению более высоких коэффициентов распределения серы между шлаком и металлом, т. е. переходу серы в шлак. При использовании низкосернистого кокса заво­ды выплавляют чугун, содержащий 0,02—0,04 % 5, одна­ко в большинстве случаев применяется кокс с высоким содержанием серы, и получить низкосернистый чугун является трудным делом. Удаление серы из чугуна мо­жет происходить и после выпуска металла из печи в ковш по реакции [Б] + [Мп] = (Мп8), равновесие кото­рой сдвигается в сторону перехода серы в шлак по мере понижения температуры. Степень удаления серы из чугу­на зависит от содержания марганца в чугуне, продолжи­тельности хранения чугуна в ковшах, температуры чугу­на и т. п. Этот способ удаления серы в доменном процес­се требует поддержания высокой концентрации марганца в чугуне (1,5—2,0 %)• Для этого нужно вводить в состав шихты марганцевую руду, увеличивать расход кокса.
...
Серу можно удалять из чугуна и вне доменной печи путем обработки чугуна десульфурирующими реагентами. При внедоменной десульфурации чугун обрабатывают содой, при этом протекает реакция Г\1а2СОз+ [Б] -}-Ре = (№25) + (РеО)+С02; сернистый натрий переходит в шлак, РеО восстанавливается углеродом. При таком спо­собе десульфурации содержание серы в чугуне понижа­ется до 0,010%. Более дешевым способом является де­сульфурация порошками извести и карбида кальция или обработка чугуна магнием. Особенно эффективно при­менение внедоменной десульфурации чугуна при работе на коксе с высоким содержанием серы. Хотя методы вне­доменной десульфурации и требуют дополнительных за­трат на специальные сооружения и десульфурирующие
...
Через фурмы доменной печи подают горячее воздуш­ное дутье при температуре 1000—1200 °С. Непосредст­венно перед фурмами печи происходит сгорание кокса,
...
ные зоны. Кокс в этих зонах сгорает во взвешен­ном состоянии. Из рис. 36 видно, что вблизи фурм образуется полость, в ко­торой происходит вихре­вое движение газов, при­водящее к циркуляции кусков кокса. Куски кок­са переносятся потоками воздуха от фурм, а на их место попадают раска­ленные до 1500°С другие куски кокса и здесь сгора­ют. При сгорании разви­ваются температуры до 2000°С. Глубина зоны достигает 1500 мм. Во­круг зоны циркуляции
...
котором происходит оки­сление углерода кокса кислородом дутья и СОг, называется окислительной зоной, схема которой представлена на рис. 37. Сердце­вину окислительной зоны составляет кислородная зона, вокруг нее расположена углекислотная зона.
...
По мере удаления от фурм в условиях высокой тем­пературы и избытка углерода С02 взаимодействует с углеродом и восстанавливается до СО. Если увеличи­вать давление дутья, повышать температуру и содержа­ние кислорода в воздухе, то размеры окислительной зо-
...
ны будут уменьшаться. Сгорание кокса происходит на поверхности кусков в результате контакта с окислитель­ными газами. Суммарная реакция сгорания представле­на уравнением 2С+02 = 2СО—220500 Дж.
...
При использовании природного газа содержание во­дорода и СО в доменном газе возрастает. Однако это не повышает температуру в фурменной зоне, так как обра­зующиеся при сгорании водорода и СО водяной пар и С02 разлагаются углеродом до СО и Н2 с затратой теп­ла. Незначительный приход тепла получается при сгора­нии углеводородов, например при сгорании метана: СН4+0,5О2 = СО + 2Н2—76030 Дж, т. е. на 1
...
Рис. 37. Схема окислительной зоны перед фурмой доменной печи: / — кислородная зона:
...
Перед фурмами доменной печи состав газов изменя­ется примерно так, как показано на рис. 38. По мере удаления от торца фурм содержание кислорода непре­рывно уменьшается и на расстоянии 800—1250 мм он полностью исчезает. У самого устья фурмы в газе появ­ляется С02. Содержание С02 достигает максимума при расстоянии 500—800 мм; на расстоянии около 1500 мм С02 полностью исчезает. Содержание СО увеличивается к центру печи не только вследствие сгорания кокса, но и в результате реакций восстановления оксидов. Средний состав горновых газов следующий: 35—45 % СО; 1— 12 % Н2 и 45—64 % температура газа составляет <~1600°С. По мере того как газ поднимается вверх, он отдает свое тепло шихтовым материалам, СО и Н2 рас­ходуются на восстановление оксидов, превращаясь в С02 и Н20. Газы, выходящие из печи, содержат 18 % С02, 20—30 % СО; 2—8% Н2; 0,2—0,5% СН4; -50% N2.
...
При обогащении дутья кислородом содержание азо­та в газе понижается, а концентрация остальных состав­ляющих возрастает.
...
Повысить производительность доменной печи можно следующими методами: 1) улучшением подготовки и ка­чества сырых материалов; 2) повышением температуры дутья; 3) увлажнением дутья или поддержанием влаж­ности дутья на одном уровне; 4) вдуванием природного газа одновременно с повышением температуры дутья и обогащением дутья кислородом; 5) обогащением дутья кислородом; 6) вдуванием угольной пыли и мазута; 7) повышением давления газов под колошником домен­ной печи.
...
Основные мероприятия в области подготовки сырья должны быть направлены на повышение прочности агло­мерата, отсев мелких фракций, улучшение однородности гранулометрического состава, обеспечение постоянного среднего химического состава сырья. Повышение содер­жания железа в сырье на 1 % сопровождается повыше­нием производительности печи на 2,5 % и снижением расхода кокса на 1,5—2,0 %. Замена обычного агломе-
...
рата офлюсованным позволяет исключить из шихты до­менной печи известняк. Снижение расхода известняка на 100 кг/т чугуна приводит к снижению расхода кокса на 3 %• Понижение содержания мелочи в шихте улучша­ет газопроницаемость столба шихтовых материалов и обеспечивает более равномерный ход газов в шахте печи. Уменьшение содержания мелочи в агломерате на 10 % приводит к увеличению производительности доменной печи на 10 %• Немаловажное значение имеет и улучше­ние качества кокса. Чем прочнее кокс, тем лучше рабо­тает печь. Необходимо принимать меры к снижению со­держания в коксе золы и серы. Каждый килограмм се­ры, выведенный из состава шихты, дает экономию ~17—20 кг кокса, а снижение содержания серы в кок­се на 1 % приводит к уменьшению его расхода на 2,5 % и на столько же повышает производительность печи.
...
Впервые нагрев дутья в доменной плавке применили в 1829 г. Первоначально дутье подогревали лишь до 150°С. По мере развития конструкций воздухонагрева­телей температура дутья постепенно повышалась и в на­стоящее время достигла 1350 °С. Повышение температу­ры дутья является одним из самых действенных факто­ров по снижению расхода кокса. С горячим дутьем в доменную печь поступает большое количество физичес­кого тепла. Это заменяет тепло, которое получают от сжигания кокса. Причем для создания такого количества тепла в горне доменной печи, которое вносится с возду­хом, необходимо было бы получить тепла от сжигания топлива больше, чем вносится с дутьем, так как при сжигании топлива образуются газы, которые, уходя из доменной печи, уносят часть тепла. В то же время тепло дутья практически полностью используется на прямое восстановление элементов, перевод серы в шлак и нагрев чугуна и шлака.
...
В свою очередь уменьшение расхода кокса снижает количество образующегося шлака благодаря уменьше­нию количества золы кокса и расхода флюса на ее ошла-кование. Чем меньше количество шлака, тем меньше расход тепла на его образование и нагрев, на испарение влаги и ошлакование серы, так как их меньше вносится коксом.
...
ставится задача повысить температуру дутья до 1250— 1400°С, что потребует разработки новых конструкций воздухонагревателей и более стойких огнеупоров.
...
С повышением содержания кислорода в дутье увели­чивается количество сжигаемого кокса и материалов, проплавляемых в единицу времени, вместе с тем умень­шается количество тепла, выносимого с балластным азо­том из горна печи. Температура в горне значительно повышается, улучшается отдача тепла от горновых газов шихте и газы приходят к колошнику печи более холод­ными. При обогащении дутья кислородом можно увели­чить общее количество дутья, подаваемого в печь в единицу времени, что будет способствовать повышению производительности печи. Однако только обогащение дутья кислородом эффективно лишь при выплавке до­менных ферросплавов, так как высокая температура в горне печи обеспечивает преимущественное развитие процессов прямого восстановления трудновосстановимых оксидов, что ограничивает повышение температуры в горне. Высокая газопроницаемость шихты благодаря бо­лее высокому расходу кокса при выплавке ферроспла­вов позволяет значительно форсировать ход печи.
...
При выплавке передельных чугунов в результате рез­кого повышения температуры в горне проходимость га­зов через слои шихты снижается. Кроме того, при темпе­ратуре ~2000°С происходит интенсивная возгонка монооксида кремния 510. Он конденсируется в зонах с более низкой температурой в виде тонкодисперсных час­тиц, уменьшающих газопроницаемость шихты. При по­вышении содержания кислорода в дутье на 2—3 % печь работает хуже. Повышение концентрации кислорода в дутье >23—24 % при выплавке передельного чугуна со­провождается замедлением плавки и подвисанием ших­ты. Для устранения этих нежелательных явлений и по­вышения производительности печи необходимо с дутьем вдувать добавки, понижающие температуру в горне. При этом возможно довести содержание кислорода в дутье до 35%- Такими добавками являются природный газ и мазут. При увеличении содержания кислорода в дутье
...
На Новолипецком металлургическом комбинате со­держание кислорода в дутье доведено до 35 % (209м3/т), расход природного газа составляет 150 м3/т.
...
Самой дорогой составляющей шихты доменного про­цесса является кокс. На долю кокса приходится 40— 50 % себестоимости передельного чугуна. Наиболее эф­фективным методом снижения расхода кокса является применение природного газа. Вдувание его в горн через фурмы вместе с нагретым дутьем получило наибольшее распространение. Природный газ состоит в основном из метана СН4 (>90 %). При попадании в зону высокой температуры метан разлагается по реакции СН4=С+ +2Н2. Углерод сгорает: 2С + 02=2СО и суммарная ре­акция сгорания природного газа может быть выражена уравнением 2СН4+02 = 2СО+4Н2. В результате этой реакции горновой газ обогащается восстановительными газами. При сжигании природного газа возрастает коли­чество доменных газов, если сравнивать в пересчете на 1
...
Наибольшая доля в экономии кокса получается от увеличения косвенного восстановления благодаря повы­шению содержания водорода в горновых газах. Если при обычном дутье участие водорода в косвенном восста­новлении составляет 7—9 %, то при вдувании природно­го газа оно возрастает до 25—30 %. Применение комби­нированного дутья, состоящего из воздуха, обогащенного кислородом, и природного газа, решает проблемы, воз­никающие при использовании природного газа и кислоро­да по отдельности. Так, применение природного газа со-
...
провождается увеличением количества горнового газа с понижением температуры в горне, а обогащение дутья кислородом ограничивается, наоборот, чрезмерным по­вышением температуры в горне. При этом объем горно­вого газа уменьшается. Совместное же применение этих двух интенсификаторов позволяет усилить положитель­ный эффект каждого из них и взаимно компенсировать их недостатки. Однако необходимо строго регламентиро­вать расход природного газа и кислорода с учетом дру­гих условий работы печи (качество сырья, нагрев и влажность дутья и т. п.). Для сохранения ровного фор­сированного хода печи на каждый кубический метр вду­ваемого природного газа повышают расход кислорода на 1,6—2,0 м3< при этом расход дутья уменьшают на 1,5—1,8 %• Расход природного газа на дутье обогащен­ным кислородом до 30% составляет —150—200 м3/т чугуна.
...
На многих доменных печах через воздушные фурмы при помощи форсунок с успехом вдувают в печь мазут. Расход мазута составляет 60 кг/т чугуна. Это топливо вызывает в доменном процессе те же изменения, что и природный газ. При горении мазута в печь вносится больше тепла, чем при горении природного газа, углерод мазута заменяет часть углерода кокса, водород усилива­ет косвенное восстановление оксидов. Использование мазута повышает производительность доменных печей на 2 % и снижает расход кокса на 10—12 %•
...
Более перспективным методом является вдувание в печь каменноугольной пыли. Количество пыли, вводимой в печь, составляет 60—80 кг/т чугуна, что понижает рас­ход кокса примерно на такое же количество. Вдувание угольной пыли требует разработки процессов ее подго­товки: измельчения, осушения, транспортировки. Еще более эффективным средством снижения расхода кокса является совместное применение природного газа и угольной пыли.
...
Этот способ интенсификации был впервые предложен инженером П. М. Есманским в 1915 г., но долгое время он не использовался, а только в 1941 г. по инициативе И. И. Коробова (директора завода им. Петровского) были начаты промышленные опыты. В настоящее время
...
этот способ широко используется на заводах СССР. По­вышение давления газа в печи значительно увеличивает производительность печи и несколько снижает расход кокса.
...
Для повышения давления газа в доменной печи ис­пользуется специальное дроссельное устройство на газо­проводе очищенного колошникового газа. Это позволяет увеличить количество воздуха, подаваемого в печь. Как известно, увеличение расхода дутья означает более фор­сированный ход доменной печи, более быстрое проплав-ление материалов, увеличение суточной выплавки чугу­на. Расход кокса снижается потому, что улучшается ис­пользование газов в печи. При повышении давления объем газов уменьшается, снижается скорость их движе­ния, что приводит к увеличению длительности пребыва­ния газов в печи и уменьшению потерь напора — пере­пада давления при прохождении газа через столб ших­ты. До перехода на повышенное давление печи работали форсированно, скорость газов в печи была настолько ве­лика, что при дальнейшем ее увеличении нарушалось плавное опускание столба сырых материалов, возникали расстройства хода печи.
...
Повышение давления в печи можно иллюстрировать следующим примером: без повышенного давления на ко­лошнике давление газа составляло ПО кПа, при этом давление дутья у фурм составляло 230 кПа, т. е. пере­пад давления Ар=рСр—рк = 230—110=120 кПа.
...
При повышении давления газа под колошником печи до 250 кПа стало возможным повысить давление дутья у фурм до 350 кПа, т. е. на 40 %, при этом перепад дав­ления даже уменьшился: Др = 350—250=100 кПа.
...
Кроме повышения производительности печи и сниже­ния расхода кокса, повышение давления способствует уменьшению выноса пыли вследствие снижения скоро­сти газов на колошнике. В настоящее время новые печи работают с давлением газа на колошнике >250 кПа, что позволило повысить их производительность на 4—15 % и снизить расход кокса на 3—7 %, при этом вынос пыли уменьшился на 20—50 %•
...
Современная доменная печь является высокомехани­зированным агрегатом. Управление многими процессами автоматизировано и осуществляется без вмешательства
...
Для дальнейшей интенсификации процесса перспек­тивным методом является автоматизация управления распределения материалов на колошнике. Вычислитель­ная машина управляет по программе работой вращаю­щегося распределителя шихты.
...
Дутье и природный газ автоматически распределяют­ся по фурмам, регулируется соотношение дутье — при­родный газ. При совершенствовании распределения дутья по окружности печи производительность печей уве­личивается на 2—4 % и расход кокса снижается на 1— 3 %•
...
Недостатком систем распределения дутья по фурмам является низкая стойкость дроссельных клапанов, кото­рые при температуре дутья 1200 °С требует замены че­рез два—три месяца работы. Необходимо изыскивать более жаропрочные материалы для конструкции клапа­нов. В настоящее время можно ставить задачу комп­лексной автоматизации всего доменного процесса; при­менение ЭВМ позволит управлять также и тепловым режимом печей.
...
Основной продукт доменной плавки — чугун — сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, серой и фос­фором. В состав легированных чугунов входят хром, ни­кель, ванадий. Чугуны разделяются на передельные, из которых получают сталь; литейные, предназначенные для отливки различных изделий, и доменные ферроспла­вы, предназначенные для легирования и раскисления стали.
...
Передельный чугун. Этот чугун в жидком или твер­дом виде используется в мартеновских печах, конверте­рах и электропечах для производства стали. Средний состав передельного чугуна: 4—4,5 % С, 0,5—1,5 % Мп; 0,2—1,3 % Бі; ^0,15—0,3 % Р;. <0,02—0,06 %
...
Литейный чугун отличается от передельного жидко-текучестыб, позволяющей хорошо заполнять литейную форму. По содержанию фосфора эти чугуны делят на че­тыре класса: А (<0,1 % Р); Б (0,1—0,3% Р); В (0,3— 0,7 % Р); Г (0,7—1,2 % Р)- Для изготовления высоко-
...
прочных изделий применяют чугуны с низким содержа­нием фосфора, а для художественного литья — высоко­фосфористые, обладающие высокими литейными свойст­вами. Каждый класс литейных чугунов ЛК состоит из 6 марок, различающихся по содержанию кремния. В чу­гуне ЛКО самое высокое содержание кремния (3,25— 3,75 %), в каждой последующей марке на 0,5 % меньше. Литейные чугуны делятся также на группы по содержа­нию марганца и серы.
...
Шлаки содержат 35—40 % 5Ю2; 8—17 % А1203; 40— 46 % СаО, 2—10 % MgO и другие вещества. Выход шла­ка составляет 300—600 кг/т чугуна, т. е. за сутки в до­менной печи производительностью 6000 т чугуна образу­ется от 1800 до 3600 т шлака.
...
Доменный шлак является ценным сырьем для про­мышленности стройматериалов. Из него делают цемент, вяжущие вещества, растворы и бетоны, шлаковую пем­зу, вату, стеновые материалы, брусчатку, шлаковый щебень. Ежегодно перерабатывают 75 % всех шлаков, т. е. более 35 млн. т. В перспективе должна быть полная переработка шлаков и постоянное использование старых шлаковых отвалов.
...
Колошниковый газ. Поскольку в газе содержится до 30 % СО, то он является топливом, которое используют после очистки от пыли. Количество колошникового газа в 2,5 раза по массе превышает количество чугуна. Тепло­та сгорания составляет 3600—3900 кДж/м3. При работе доменной печи на комбинированном дутье с применени­ем природного газа содержание водорода в колошнико­вом газе возрастает до 6—8, а иногда до 12 %, при этом теплота сгорания возрастает до 4200 кДж/м3. Око­ло 30—35 % колошникового газа используется в домен­ном цехе для обогрева насадок воздухонагревателей. Остальной газ используется в прокатных и термических цехах и на теплоэлектроцентрали.
...
Колошниковая пыль. Вынос пыли составляет от 10 до 80 кг/т чугуна, т. е. в сутки, например, на печи объ­емом ~2700 м3 выносится до 300—400 т пыли, из кото­рых улавливается ~65 %. Пыль содержит 38—50 % Ре и 8—14% С, она направляется на фабрики окомкования доменной шихты.
...
1. Производительность печи, которая оценивается в тоннах передельного чугуна, выплавляемого на печи в сутки. Если выплавляют чугун других марок, то при по­мощи определенных коэффициентов их пересчитывают на передельный. Например, для литейного чугуна коэф­фициенты пересчета равны 1,15—1,40. Для сравнения работы печей различного объема служит коэффициент использования полезного объема (к. и. п. о.). Он равен отношению полезного объема печи в 1/м3 к суточной производительности печи в тоннах, т. е. показывает, сколько чугуна в сутки производится одним кубическим метром полезного объема. Так, при к. и. п. о, равном 0,5, с каждого кубического метра получают в сутки 2 т чугу­на. Чем меньше этот показатель, тем лучше работает доменная печь. В 1984 г. в среднем по СССР к. и. п. о был равен 0,555, а на отдельных печах достигал величи­ны 0,364.
...
Производительность доменных печей зависит от сорта выплавляемого чугуна. Для сопоставления работы печей в формулу к. и. п. о вносят выплавку в сутки передель­ного чугуна в тоннах. А при выплавке других марок чу­гуна вводят переводные коэффициенты, которые равны:
...
§ 14. Технико-экономические показатели доменного процесса
...
4. Производительность труда. Она выражается годо­вой выплавкой чугуна, приходящейся на одного рабоче­го доменного цеха. На современных заводах она со­ставляет >8000 т на одного трудящегося, или —
...
Удовлетворение возрастающей потребности в жидком чугуне является сложной задачей. Решением ее может быть не только строительство новых заводов, но и ре­конструкция действующих доменных цехов, замена ста­рых, небольших доменных печей печами более крупны­ми, объемом в 3000—5000 м3. Например, предполагае­мая реконструкция Магнитогорского металлургического комбината означает замену восьми из десяти действую­щих доменных печей объемом 1200—1700 м3 двумя до­менными печами объемом по 5000 м3. На Череповецком металлургическом комбинате строится доменная печь объемом около 5600 м3. Перспективным является улуч­шение качества подготовки железорудного сырья. Боль­шая часть железорудной шихты должна поступать в доменные печи в виде офлюсованного природного агло­мерата. В ближайшие годы будут построены новые мощ­ные агломерационные фабрики, установки по производ­ству окатышей, современные коксовые батареи.
...
Преимуществом способа получения железа непосред­ственно из руды является высокая чистота металла, по­скольку исключается загрязнение его серой из золы кок­са, другими примесями, переходящими в жидкий чугун при его образовании в доменной печи. Из такого чисто­го железа могут быть получены стали с высокими меха­ническими, антикоррозионными, электротехническими и другими свойствами. Основным продуктом прямого вос­становления является твердый железорудный материал, в котором большая часть железа находится в металли­ческом виде. При большой степени металлизации про-
...
дукт прямого восстановления называется губчатым же­лезом, при более низкой (до 90—94 % металлического железа)—металлизованным сырьем. Основным назна­чением металлизованного продукта является переплав в дуговых сталеплавильных печах. В качестве исходно­го железорудного сырья используют агломерат, окаты­ши, а в качестве восстановителя — твердое топливо или газ, содержащий Н2 и СО. Рассмотрим наиболее рас­пространенные способы прямого восстановления железа.
...
Процесс «Мидрекс» осуществляется, в невысоких шахтных печах или ретортах с использованием конвер­тированного природного газа. Конверсия природного га­за заключается в превращении углеводородов путем их разложения на водород и углерод с последующим до­жиганием углерода до СО при помощи углекислого га­за и водяных паров по следующим реакциям: СН4+
...
На рис. 39 показана схема процесса «Мидрекс». В конвертер подается смесь природного и колошниково­го газов. Конвертер представляет собой футерованный изнутри рекуператор прямоугольной формы, в котором установлены трубы из жароупорной стали, заполнен­ные кусковыми глиноземистыми огнеупорами, пропитан­ными никелевым катализатором. Снаружи трубы разог­реваются сжиганием колошникового газа. В этих трубах при температуре —1000 °С природный газ при помощи С02 колошникового газа конвертируется в восстанови­тельный газ, содержащий 30 % СО и ~70 % Н2. Восста­новительный газ подается в шахтную печь снизу, а свер­ху производится загрузка железорудного материала в виде окатышей. Печь по высоте разделена на две зоны с двумя самостоятельными оборотными циклами. Верх­няя зона предназначена для восстановления железа, а нижняя — для охлаждения металлизованного продукта оборотным и изолирующим газом. Изолирующим газом служит часть продуктов сгорания, получаемых из кон­вертера после охлаждения. Оборотный газ отсасывается из верхней части зоны охлаждения, поступает в скруб­бер, а затем вентилятором вновь подается в нижнюю часть зоны охлаждения.
...
ке и охлаждению в скруббере и далее '/з этого газа по­ступает в конвертер для конверсии природного газа. Тем­пература окатышей/ в зоне восстановления 760 °С, на выходе из печи 40 °С. Продолжительность пребывания в зоне восстановления 4—6 ч. Суммарная длительность пребывания окатышей в печи 8—12 ч. Содержание уг­лерода в железной губке регулируют изменением расхо­да и соотношения восстановительного и изолирующего газов в охлаждающем газе. Полученные металлизован-ные окатыши выгружают из печи снизу. Их хранят в бункере, заполненном инертным газом. Окатыши содер­жат ~90% металлического железа. Суточная произво­дительность одной печи достигает 1000 т железа в сут­ки при расходе природного газа до 550 м3/т. По такой схеме построен Оскольский электрометаллургический комбинат.
...
В настоящее время суточная производительность шахтных печей составляет 5—9 т/м 3, т. е. в 2—4 раза выше, чем при доменной плавке. Но поскольку эти печи относительно небольшие (до 200 м3, высотой 10—14 м и диаметром 3,5—3,0 м), то суточная их производитель­ность составляет 1000—1500 т.
...
Другой непрерывный процесс «Пурофер» осуществляется в шахт­ной печи прямоугольного сечения, отличается от процесса «Мид­рекс» отсутствием зоны охлаждения. Схема процесса приведена на рис. 40. Конверсию газа проводят в регенераторах, заполненных керамическими шарами, при 1400 °С во избежание выделения сажи. Полученный газ охлаждают до 950 °С и подают в печь, в ее сред­нюю часть. Воздух для конверсии нагревают в теплообменниках. Конверсия в агрегатах регенеративного типа позволяет использовать высокосернистое топливо, например коксовый газ. В Бразилии вос­становительный газ получают газификацией мазута. Степень метал­лизации продукта составляет 92—94 %.
...
Восстановление руды проводится в ретортах в неподвижном слое, при этом исключаются такие недостатки процесса с движу­щимся материалом, как канальный ход газа, образование мелочи при истирании, вынос пыли, разрушение слоя, локальное спекание шихты.
...
В Мексике построен завод, на котором губчатое железо получа­ют в периодически действующих ретортах. Схема действующей уста­новки показана на рис. 41, на которой слева расположены агрегаты для конверсии природного газа, а справа — установки для получения железа.
...
После десульфурации в аппарате природный газ подвергается конверсии паром в конвертере, который представляет собой печь с трубами, заполненными керамикой с добавкой в качестве катали­затора №0. После конверсии в газе содержится 14 % СО; 58 % Нг;
...
Другой непрерывный процесс «Пурофер» осуществляется в шахт­ной печи прямоугольного сечения, отличается от процесса «Мид­рекс» отсутствием зоны охлаждения. Схема процесса приведена на рис. 40. Конверсию газа проводят в регенераторах, заполненных керамическими шарами, при 1400 °С во избежание выделения сажи. Полученный газ охлаждают до 950 °С и подают в печь, в ее сред­нюю часть. Воздух для конверсии нагревают в теплообменниках. Конверсия в агрегатах регенеративного типа позволяет использовать высокосернистое топливо, например коксовый газ. В Бразилии вос­становительный газ получают газификацией мазута. Степень метал­лизации продукта составляет 92—94 %.
...
8% Н20; 4—5 % С02; 15 % СН4. Горячий газ осушают в парогене­раторе, он проходит котел-утилизатор. В сухом газе возрастает ко­личество восстановительных составляющих: Нг до 73 °/о, СО до 15— 16 %■ Установка имеет четыре реторты диаметром 5,25 м и высотой 15 м, в каждом из которых последовательно проводятся предвари­тельное восстановление, окончательное восстановление, охлаждение
...
/ — природный или коксовый газ; 2 — компрессор для оборотного газа; 3 — воздух; 4 — колошниковый газ; 5 — скруббер; 6 — установка для конверсии; 7— шахтная печь; 8— сборник горячего металлизованного продукта; 9—газ-восстановитель; 10 — кусковая руда-окатыши
...
и науглероживание (длительность этих трех циклов 3X3 = 9 ч), раз­грузка— загрузка—1,5 ч и столько же на ремонты. При помощи клапанов в реторты последовательно подается газ с пониженной восстановительной способностью, использованный яа стадии оконча­тельного восстановления; свежий нагретый газ для окончательного восстановления и холодный газ для охлаждения. Перед каждой ре­тортой имеется подогреватель газа, а после нее — устройство для удаления влаги. Газ подогревают в трубчатых рекуператорах до 1100 °С.' Рекуператоры отапливаются газом, выходящим из реторт. В ретортах осуществляется предварительный подогрев шихты и вос­становление ее газом, выходящим из других реторт и прошедшим очистку от паров воды и подогрев. В других ретортах шихта вос­станавливается подогретым газом из конверсионной установки. В третьих происходит науглероживание железа.
...
Восстановление протекает в две стадии длительностью по 3 ч каждая (предварительное и окончательное), на третьей стадии про­исходит охлаждение и науглероживание губки. Свежий восстанови­тельный газ сначала используют для охлаждения восстановленного продукта, который при этом одновременно науглероживается. Затем газ поступает в реторту, в которой завершается восстановление ру­ды, после чего он направляется в реторту, которая только загружена свежей рудой. Перед поступлением в каждую следующую реторту восстановительный газ охлаждают для удаления паров воды и по­вторно нагревают. Отходящий газ используют как топливо для обо­грева нагревателей, конвертера и выработки пара, который исполь­зуют в турбине.
...
8% Н20; 4—5 % С02; 15 % СН4. Горячий газ осушают в парогене­раторе, он проходит котел-утилизатор. В сухом газе возрастает ко­личество восстановительных составляющих: Нг до 73 °/о, СО до 15— 16 %■ Установка имеет четыре реторты диаметром 5,25 м и высотой 15 м, в каждом из которых последовательно проводятся предвари­тельное восстановление, окончательное восстановление, охлаждение
...
Шихта из реторт не перегружается. Один цикл процесса следует за другим благодаря переключению клапанов и направления соот­ветствующего газа в реторту. Готовое железо холодным выгружается из реторты на конвейерную ленту, а реторту загружают сверху све­жей шихтой. Степень металлизации составляет 83—95 %, содержа­ние углерода в металлизованном продукте можно регулировать в пределах 1—2,7 %; расход природного газа 380 м3/т.
...
1 — аппарат для десульфурации исходного газа; 2 — печь паровой конверсии природного газа; 3—парогенератор; 4— утилизатор тепла; 5 — воздушный охладитель конвертированного газа; 6 — башня для отмывки конвертированно­го газа; 7— реторта восстановления; 8 — бункер руды; 9— подогреватель га­за; 10— башня для отмывки отработанного газа; 11 — бункер губчатого же­леза
...
Недостатком процесса НуЬ является конверсия природного газа при большем избытке пара. Это требует охлаждения конвертиро­ванного газа для удаления пара и нагрева его перед подачей в ре­торты. Процесс отличается повышенным расходом энергии.
...
Так как расход дорогого газа на тонну металлизованных окаты­шей достаточно велик (до 300 м5), то себестоимость этого продукта получается высокой. В связи с этим привлекает внимание примене­ние каменного угля в качестве топлива и восстановителя.
...
Окатыши изготавливают из смеси железного концентрата и 15— 20 °/о угля и подвергают обжигу в течение 20—30 мин при 1200— 1250 °С. Благодаря наличию углерода происходит восстановление ок­сидов железа и получаются окатыши со степенью металлизации
...
Шихта из реторт не перегружается. Один цикл процесса следует за другим благодаря переключению клапанов и направления соот­ветствующего газа в реторту. Готовое железо холодным выгружается из реторты на конвейерную ленту, а реторту загружают сверху све­жей шихтой. Степень металлизации составляет 83—95 %, содержа­ние углерода в металлизованном продукте можно регулировать в пределах 1—2,7 %; расход природного газа 380 м3/т.
...
Обжиг окатышей осуществляют в трубчатых печах или иа кон­вейерных машинах. Схема такого процесса приведена на рис. 42. Сырые рудофлюсоугольные окатыши сушатся в головной части об­жиговой машины рециркулируемыми отходящими газами, после чего попадают в зону обжига, где происходит нагрев слоя окатышей до
...
1 — зона поступления магнетитового концентрата; 2 — подача отходящих га­зов для нагрева руды; 3 — зона нагрева; 4 — зона окисления магнетита до гематита; 5 — зона восстановления; 6 — подача восстановительного газа; 7— трубопровод для рециркуляции газа; 8— конвейер; 9 — металлический спек; 10 — нож; 11 — выход готовой продукции
...
850—1250°С и восстановление оксидов железа внутри. Процесс про­должается 20—30 мин. За это время удаляется ~40 °/о серы. Ме-таллизованные окатыши в нагретом виде поступают в рудно-терми-ческую электропечь для выплавки чугуна или полупродукта.
...
Шихту составляют из обожженных окатышей, доломита или из­вестняка и угля в кусочках 0,8—3,0 мм. Доломит и известняк при­меняются для десульфурации. Процесс осуществляется последова­тельно на обжиговой решетке, в трубчатой печи и во вращающем­ся трубчатом холодильнике. Обжиг на решетке осуществляется газами, выходящими из трубчатой печи. В трубчатую печь иногда подается также жидкое или газообразное топливо. Расход твердого топлива составляет 320—400 кг, природного газа 100 м3/т метал-лизованных окатышей.
...
Обжиг окатышей осуществляют в трубчатых печах или иа кон­вейерных машинах. Схема такого процесса приведена на рис. 42. Сырые рудофлюсоугольные окатыши сушатся в головной части об­жиговой машины рециркулируемыми отходящими газами, после чего попадают в зону обжига, где происходит нагрев слоя окатышей до
...
Современный период развития нашей металлургии ха­рактеризуется существенным увеличением вместимости н производительности агрегатов, широким применением кислорода для повышения эффективности металлурги­ческих процессов, постепенным выносом операций, обес­печивающих получение металла высокого качества, не­посредственно из плавильного агрегата во вспомогатель­ный или специально оборудованный ковш, внедрением непрерывной разливки стали, широкой автоматизацией производственных процессов.
...
В СССР классификация стали осуществляется в со­ответствии с существующими государственными стандар­тами и техническими условиями. Сталь классифициру­ют по способу производства, назначению, качеству и химическому составу. По способу производства различа­ют конвертерную (различные варианты), мартеновскую стали, электросталь. Мартеновская сталь и электро­сталь могут быть основными и кислыми. Похназначению различают следующие группы: конструкционную, инст­рументальную и специальные (с особыми физическими и химическими свойствами). Конструкционные стали применяют для изготовления строительных конструк­ций, деталей машин и механизмов, судовых и вагонных корпусов, паровых котлов и других изделий. Конструк­ционные стали могут быть как углеродистыми, так и ле­гированными. По названию некоторых конструкционных сталей можно судить об их назначении (котельная, судо­строительная, клапанная, рессорно-пружинная, орудий­ная, снарядная, броневая, рельсовая и т. д.).
...
Инструментальные стали служат для изготовления различных инструментов, резцов, фрез, штампов, ка­либров и другого режущего ударно-штампового и мери­тельного инструмента. Инструментальная сталь содер­жит обычно 0,8—2 % С. Эти стали легируют хромом, вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элемен­тами. Среди инструментальных сталей широкое распро­странение получила быстрорежущая.
...
К специальным сталям с особыми физическими и хи­мическими свойствами относятся коррозионностойкие, жаропрочные, кислотостойкие и др. Для этой группы сталей характерно низкое содержание углерода и зна­чительное содержание легирующих элементов. чуПо качеству стали обычно делят на обыкновенные, качественные и высококачественные. Признаком для различия служит содержание вредных примесей (серы и фосфора) и неметаллических включений. Например, в сталях обыкновенного качества допустимое содержание серы составляет 0,055—0,06 % и фосфора 0,05—0,07 %, в качественных сталях^0,035 % каждого из этих эле­ментов, в высококачественных ^0,025 % и особо высо­кокачественных <0,015 % 5.
...
По химическому составу различают стали углероди­стые (низко-, средне- и высокоуглеродистые) и легиро­ванные (в том числе низко-, средне- и высоколегирован­ные). По характеру застывания в изложнице — спокой­ную, полуспокойную и кипящую стали. Поведение метал­ла при кристаллизации обусловлено степенью его раскис­ленное™. При разливке малораскисленной стали в из­ложнице происходит бурное выделение пузырей СО (сталь «кипит»). Раскисленная сталь кристаллизуется спокойно. Полуспокойная сталь занимает промежуточ­ное положение между спокойной и кипящей-
...
Развитие и усовершенствование сталеплавильных процессов и получение качественной стали невозможно без глубокого изучения сущности физических явлений и сложных физико-химических превращений, протекаемых в сталеплавильной ванне. Информация о параметрах плавки стали (давление, температура, концентрация) позволяет с использованием законов физической химии определить направление протекания процесса и продук­ты, образующиеся в результате его протекания; преде­лы, до которых может протекать процесс, и, наконец, скорость процесса и возможности ее увеличения. Пер-
...
Термодинамика. Термодинамика изучает законы теп­лового равновесия и перехода энергии из одной формы в другую, позволяет определить тепловые эффекты, со­провождающие различные процессы, установить их воз­можности, направление и пределы самопроизвольного течения.
...
Объектом термодинамического исследования явля­ется система, характеризуемая параметрами состояния. Всякое изменение в системе, связанное с изменением этих параметров, называется процессом. Например, любой металлургический агрегат — это сложная система, в ко­торой параметрами состояния являются: давление в ра­бочем пространстве печи, температура металла, шлака, газовой фазы, футеровки печи, концентрации компонен­тов газовой атмосферы, металла, шлака и т. д.
...
Для определения характеристик процесса применяют термодинамические функции: энтропию S, изменение ко­торой наиболее просто характеризует процессы в изоли­рованных -систем ах; термодинамический потенциал G, позволяющий получить характеристики процессов при различных условиях их проведения; энтальпию Н и теп­ловой эффект АН. Наибольшее практическое значение имеет функция G = H—TS. Для химической реакции эта зависимость записывается: AG=A#—TAS, где АН — изобарный тепловой эффект реакции; AS — изменение энтропии.
...
Самопроизвольные процессы, происходящие при ус­ловии р, 7'=const (в металлургии обычно имеют дело с процессами, протекающими при постоянном давлении), возможны лишь в направлении уменьшения G, когда AG<0. Пределом их протекания, т. е. условием равно­весия, служит достижение минимального значения G или AG = 0. Знак и величина AG определяются соотноше­нием между тепловым эффектом АН и так называемым энтропийным фактором TAS. Относительное значение первого возрастает с понижением температуры, второ­го — с ее повышением.
...
Для расчетов равновесий существенное значение имеют стандартные состояния веществ при температуре 298 К и давлении 101,3 кПа. Если все реагенты находят­ся в этих состояниях, то справедливы соотношения AG°=AH° — TAS°, AG°=—RT\nK, где AG° —стан­дартный изобарный термодинамический потенциал или
...
изменение стандартной свободной энергии Гиббса; Я— универсальная газовая постоянная; К— константа рав­новесия; АЯ° — стандартная теплота образования со­единения; А5° — изменение стандартной энтропии.
...
При расчетах равновесий необходимо помнить о том, что химические реакции при выплавке чугуна и стали проходят преимущественно в растворах. Наличие раст­воров существенно изменяет условия протекания хими­ческих реакций. Свойства веществ в растворах отлича­ются от их свойств в чистом виде. Чтобы учесть это, в уравнение равновесия вместо концентрации подставля­ют активность а, которая связана с концентрацией че­рез коэффициент активности / : а1=/!/[г], где — коэф­фициент активности компонента / в растворе.
...
В металлургии процессы обычно протекают в трех фазах: металлической, шлаковой, газовой. Чтобы пока­зать, в какой фазе находятся вещества, принято их обоз­начения заключать в квадратные, круглые или фигур­ные скобки, что соответствует металлической, шлаковой и газовой фазам. Например, запись реакции [Мп]-+-+ [0]=(МпО) означает, что реакция происходит меж­ду марганцем и кислородом, растворенным в металле, с образованием оксида марганца МпО, растворенного в шлаке. Уравнение константы равновесия этой реакции имеет вид /С=а(мпО
...
Скорость сложного гетерогенного процесса (к таким относится большинство реакций в сталеплавильной ван­не), обычно состоящего из нескольких стадий, опреде­ляется скоростью наиболее медленно протекающей его стадии. Выявление наиболее медленного звена и нахож­дение способов воздействия на скорость этой стадии и, следовательно, на весь процесс является предметом многочисленных исследований в области теории и прак­тики металлургического производства. При высоких температурах, характерных для сталеплавильных процес­сов, наиболее медленным звеном, определяющим ско­рость всего процесса, является массоперенос реагирую­щих веществ к зоне реакции и удаление продуктов ре­акции в результате диффузии или в виде частиц новой фазы.
...
Химическая кинетика сталеплавильных процессов тес­но связана с аэро-и гидродинамикой расплавленной ме­таллической ванны, шлакового слоя и газовой атмосфе­ры печи. Например, в мартеновской печи перемешивание металла пузырями СО значительно увеличивает массопе­ренос, ускоряет процессы окисления углерода, удаление тазов и неметаллических включений. Подача кислорода при продувке металла в конвертере увеличивает поверх­ность контакта, ускоряет транспортировку (массопере­нос) реагирующих веществ, способствует перемешива­нию металла и шлака и, следовательно, ускоряет про­цессы окисления примесей.
...
В ряде случаев скорость удаления вредных примесей пли поглощения металлом вредных газов связана со скоростями перехода веществ через межфазные грани­цы. Поэтому часто скорость процессов определяется сте­пенью развития межфазной поверхности.
...
Характеристикой поверхности и свойств жидкости или твердого тела является удельная поверхностная сво-•бодная энергия 0,
...
ла на границе с газовой фазой. При рассмотрении по­верхностных явлений на границе двух конденсированных фаз пользуются термином «межфазное натяжение».
...
Роль шлаков в процессе производства стали исклю­чительно велика. Шлаковый режим, определяемый ко­личеством, составом и свойствами шлака, оказывает большое влияние на качество готовой стали, стойкость футеровки и производительность сталеплавильного аг­регата. -Шлак образуется в результате окисления со­ставляющих металлической части шихты, из оксидов футеровки печи, флюсов и руды. По свойствам шлако-образующие компоненты можно разделить на кислотные (БЮг, Р205, ТЮ2, У205 и др.), основные (СаО, M.gOr РеО, МпО и др.) и амфотерные (А1203, Ре203, Сг203, У203 и др.) оксиды. Важнейшими компонентами шлака, оказывающими основное влияние на его свойства, явля­ются оксиды 5Ю2 и СаО. Важнейшими свойствами шла­ка являются основность (кислотность) и окислительная способность шлака.
...
Простейшей оценкой основности может служить со­отношение содержащихся в шлаке СаО и 5Ю2, взятых в процентах по массе или в мольных долях. Низкооснов­ные шлаки имеют (СаО)/(5Ю2) < 1,5; шлаки средней основности имеют (СаО)/(5Ю2) = 1,8-=-2,2. Шлаки с (СаО)/(5Ю2)>2,5 называют высокоосновными. При переделе шихт с повышенным содержанием фосфора; следует пользоваться выражением (СаО)/(5Ю2+Р205).-
...
Составы кислых шлаков характеризуются их кислот­ностью, выражаемой отношением (5Ю2)/(РеО + МпО). Содержание в шлаке оксидов железа, в частности РеО,. определяет его окислительную способность. Из физичес­ких свойств шлака важнейшими являются его вязкость-и плотность. Вязкость шлака зависит от химического состава и температуры. От вязкости шлака в значитель­ной степени зависит его активность. Главным фактором, влияющим на жидкоподвижность шлака при постоянной! температуре, является его основность. С повышением основности жидкоподвижность шлака уменьшается.
...
Для изучения процессов, протекающих с участием: шлаков, важно знать их строение. В настоящее время? в металлургии существует две теории расплавленных, шлаков: молекулярная и ионная.
...
Молекулярная теория возникла на основании данных о химическом и минералогическом составе застывших шлаков. Согласно этой теории, расплавленные шлаки образуются из молекул оксидов и соединений из окси­дов. При этом оксиды, входящие в соединения, называ­ются связанными, а остальные — свободными. В хими­ческих процессах между металлом и шлаком участвуют только свободные оксиды, которые определяют реакци­онную способность шлака. Например, окислительная способность шлака должна определяться концентрацией РеО, не связанной с другими соединениями. Аналогично способность шлака поглощать вредные примеси (напри­мер, серу и фосфор) определяется содержанием в шла­ке свободного СаО. Молекулярная теория шлаков позво­ляет правильно описывать процессы, протекающие между металлом и шлаком, и осуществлять термодинами­ческие расчеты. Но вместе с тем на основании этой тео­рии нельзя судить о структурной модели шлакового рас­плава.
...
Согласно ионной теории, шлаки сталеплавильных процессов состоят из положительно или отрицательно заряженных частиц. Жидкий шлак представляет собой расплав, состоящий из катионов Ре2+, Мп2+, Са2+, M.g2+ и анионов О2-, Б2", 5104-, р0з- А10|-, А10^-, Ре02-, РеО2-, р- и т. д.
...
Многие качественные выводы о характере взаимо­действия в расплавах по обеим теориям одинаковы. Од­нако ионная теория дает более правильное представле­ние о строении шлака и позволяет найти количествен­ные соотношения между концентрациями свободных и связанных оксидов.
...
Сталь получают из чугуна и лома методом окисли­тельного рафинирования. Кислород для окисления со­держащихся в них примесей (углерода, кремния, мар­ганца, фосфора и др.) поступает либо из атмосферы, либо из
...
1) непосредственный контакт окислительной фазы (02, С02, Н20) с металлом при продувке ванны кисло­родом или воздухом, при выпуске и разливке металла;
...
3) переход кислорода из газовой фазы через шлак в металл, при котором происходит взаимодействие окис­лительной атмосферы со шлаком с образованием выс­ших оксидов: 1/2 02 (или Н20 или 1/2 С02) +2(FeO)-»-->(F203).
...
Процесс переноса кислорода из шлака в металл про­текает по реакциям: (Fe203)+Реж=3 (FeO), а затем (FeO)->[0]+FeiK.
...
Особенность окисления углерода заключается в том, что продуктом этой реакции является газообразный СО, который, выделяясь из металлической ванны в виде пузырей, создает впечатление кипящей жидкости. По­скольку окисление углерода происходит на всем протя­жении плавки и оказывает существенное влияние на уда­ление ряда других примесей из металла, его рассматри­вают как основную реакцию при производстве стали, т.е. [С]+[0]=СО; константа равновесия которой КР=Рсо/(accto ), где ас и ао — активности углерода и кислорода в металле.
...
Окисление растворенного в металле углерода до С02 возможно лишь при низких концентрациях углерода. Даже при благоприятных условиях эта реакция полу­чает ограниченное развитие.
...
Окисление углерода сопровождается незначительным тепловым эффектом. Можно считать, что равновесные концентрации углерода и кислорода почти не зависят от изменения температуры.
...
Полагают, что для концентраций углерода в металле <1 % и кислорода <0,1 % активности их приблизительт но равны концентрациям. Тогда уравнение для констан­ты равновесия Кр—Рсо/{[С][0]),
...
На рис. 43 представлена зависимость между равно­весными концентрациями [С]р и [0]р. Из данных рис. 43 следует, что от концентрации углерода зависит кон­центрация кислорода в металле. Действительное содер­жание кислорода в жидком металле по ходу его обезуг-
...
лероживания всегда выше равновесного. Кипение ванны определяется не только термодинамической возмож­ностью протекания химической реакции окисления уг­лерода, но и кинетическими условиями.
...
дий подвода кислорода к месту реакции, химического взаимодействия между частицами углерода и кислорода и отвода из зоны реакции образовавшихся пузырьков СО.
...
Условием течения процесса окисления углерода явля­ется наличие или образование газовой фазы в ванне рас­плавленного металла. Это могут быть пузыри газа, газы в порах подины или поры в материалах, применяемых в технологии плавки. Чтобы пузырь СО мог образоваться в металле, он должен преодолеть атмосферное давление, давление столба металла и шлака над ним (гидростати­ческое давление) и капиллярное давление (преодоление сил поверхностного натяжения):
...
Рис. 43. Зависимость концентрации углерода от равновесных концентраций кислорода в металле:
...
Из приведенного уравнения следует, что чем глубже ванна, больше слой шлака и выше давление в агрегате, тем затруднительнее условия образования и выделения пузырьков СО.
...
Капиллярное давление имеет существенное значение лишь при малых значениях радиуса г; оно велико в мо­мент зарождения пузырей, когда его размеры близки к размерам молекулы оксида углерода. Поэтому вероят­ность зарождения новой фазы (газового пузыря) в гомо­генном металле практически равна нулю.
...
Многочисленными исследованиями установлено, что зарождение новой фазы облегчается при наличии твер­дой шероховатой поверхности, плохо смачиваемой жид­костью. Поэтому наибольшее развитие реакция окисления углерода получает на поверхности подины и на дру­гих межфазных поверхностях, где имеются благоприят­ные условия для образования пузырьков СО (граница металл — шлак, металл — поднимающийся газовый пу­зырь, металл — неметаллические включения и т.д.).
...
Марганец легко окисляется как при кислом, так и при основном процессах по реакции [Мп] + [0]^±= ^(МпО);
...
Окисление растворенного в металле марганца и вос­становление его из шлака обычно протекает на границе металл —шлак, т.е. [Мп] + (РеО)^(МпО)-г-[Ре]; ДО°=—123,35+0,056 Т кДж/моль.
...
Для основных шлаков [(СаО)/(5Ю2)>2] коэффици­енты активности 7мпо и близки к единице. В этом случае константа равновесия может быть выражена че­рез концентрации реагирующих компонентов:
...
концентрация марганца в металле увеличивается. Это указывает на то, что реакция окисления марганца до­стигает равновесия и окислительный процесс сменяется восстановительным.
...
Поскольку почти все стали содержат в больших или в меньших количествах марганец, то восстановление марганца в процессе плавки — явление желательное. Об­ратимость окислительной реакции марганца неодинако­ва для основного и кислого процессов.
...
Кремний обладает еще большим сродством к кисло­роду, чем марганец, и почти целиком окисляется из рас­плава уже в период плавления. Окисление кремния про­исходит по реакции [51
...
Окисление кремния кислородом, содержащимся в ок­сидах железа шлака, происходит по реакции + +2(РеО) = (5Ю2)+2[Ре]; Д б0=—351,71 +0,128 Т кДж/моль.
...
Кремнием ошлаковываются РеО и МпО, образуя (РеО)и-5Ю2, (МпО)т-5Ю2, что играет существенную роль в формировании шлаков начальной стадии процес­са. Условие равновесия реакции со шлаком выражается уравнением
...
При плавке под основным шлаком СаО по мере рас­творения вытесняет РеО из силиката железа с образо­ванием прочного силиката кальция: (РеО)„-5Ю2+ +2(СаО) = (СаО)2-5Ю2+п(РеО).
...
Низкая активность кремнезема (5Ю2 находится в связанном состоянии) обусловливает почти полное окис­ление кремния, содержащегося в шихте. При кислом процессе поведение кремния иное. Кислый шлак насы­щен кремнеземом, и его активность можно принять рав­ной 1, а активность РеО в кислом шлаке равна ее кон­центрации. Тогда для реакции [51]+2(РеО) = (5Ю2) + +2 [Ре] выражение для константы равновесия будет
...
точный кремний в металле зависит от температуры (учи­тывается величиной К'51) и содержания РеО в шлаке. Повышение температуры металла и снижение РеО в шла­ке создают благоприятные условия для восстановления кремния (рис. 44). При горячем ходе кислого процесса действительно имеет место интенсивное восстановление кремния.
...
Фосфор в стали является вредной примесью, отри­цательно влияющей на ее механические свойства. По­этому содержание фосфора в стали в зависимости от ее назначения ограничивается пределами 0,015—0,07%. Основными условиями получения качественной стали яв­ляются полное окисление фосфора и перевод его в шлак по ходу плавки, т.е. дефосфорация металла.
...
Известно, что фосфор, как и кислород, является по­верхностно-активным элементом. Поэтому реакция окис­ления фосфора преимущественное развитие получает не в глубине ванны, а на поверхности раздела металл — шлак. Окисление фосфора можно представить в виде сле­дующей схемы:
...
При переделе обычных шихт коэффициенты активно­сти фосфора и кислорода в металле близки к единице. Уравнение для константы можно записать в следующем виде:
...
Из уравнения следует, что коэффициент распределе­ния фосфора, характеризующий переход фосфора в шлак, пропорционален концентрации РеО и извести в шлаке при данной температуре.
...
При отсутствии извести процесс окисления фосфора возможен при относительно низких температурах с обра­зованием фосфата железа (РеО)3-Р205. Однако это сое-
...
динение непрочно при высоких температурах, и происхо­дит его разложение и переход фосфора в металл. Поэто­му главная роль в переводе фосфора в шлак принадлежит СаО при условии присутствия РеО в шлаке в определенном соотношении с СаО.
...
На рис. 45 приведена зависимость между коэффици­ентом распределения фосфора и отношением (СаО)/ /(РеО) в шлаке при различной основности. На основе многочисленных экспериментальных данных наиболее благоприятным значением основности являются (СаО)/ /(БЮг) ==2,5—2,8 при отношении (СаО)/(РеО) =3н-3,5.
...
Температурный фактор также влияет на процесс де-фосфорации. Зависимость константы равновесия реакции дефосфорации имеет следующий вид: 1£ Яр =40067/7*—
...
На практике отрицательное влияние неизбежно воз­растающей температуры по ходу плавки компенсируется поступлением извести в шлаковый расплав. На рис. "46 показана зависимость коэффициента распределения фос­фора от отношения (СаО)ДРеО) при разных темпера­турах. Непрерывное скачивание и обновление шлака по­ложительно влияют на процесс дефосфорации. В этом же направлении воздействуют технологические приемы по увеличению раздела металл — шлак. К таким прие­мам относится продувка металла кислородом, вдувание порошкообразных материалов и др. Активное кипение металла, способствующее хорошему перемешиванию ме­талла и шлака, в значительной мере способствует благо­приятному протеканию процесса дефосфорации.
...
Для предотвращения восстановления фосфора из шлака в металл (рефосфорации) нужно поддерживать необходимую основность и окисленность шлака. Опти­мальными соотношениями в шлаке следует считать (СаО)/(5Ю2) =2,84-3,1 и (СаО)/(РеО) ==4,5-5-5.
...
Сера, так же как и фосфор, является вредной при­месью в стали и вносится в металл шихтовыми материа­лами и некоторыми видами топлива (коксовым газом, мазутом и др.). Содержание серы в стали допускается от 0,005 до 0,06 %■
...
Сера обладает неограниченной растворимостью в жидком железе и ограниченной в твердом. При кристал­лизации стали с повышенным содержанием серы сульфи­ды железа выделяются по границам зерен, из-за чего при нагреве такой стали для прокатки или ковки металл ста­новится красноломким (в нем образуются рванины и трещины). Введение марганца в сталь приводит к полу­чению в твердом металле сульфидов марганца МпБ, имеющих температуру плавления 1620 СС, что предохра­няет сталь от красноломкости при горячей обработке. Однако присутствие хрупких сульфидов по границам зерен снижает механические свойства стали, поэтому снижение серы до минимально возможного уровня явля­ется одной из важнейших задач при производстве стали.
...
Поскольку сера поверхностно-активный элемент, то процесс сульфурации происходит в основном на поверх­ности раздела металл — шлак. Однако необходимо учи­тывать поведение серы в металле. Чем выше активность серы в металле, тем лучше условия для процесса десуль-
...
фурации. Поэтому наличие в металле значительных со­держаний элементов, повышающих активность серы в железе (углерод, кремний и др.), облегчают удаление серы. Неблагоприятную роль в процессе десульфурации играют поверхностно-активные элементы и в первую очередь кислород.
...
Рис. 47. Зависимость коэффициента распределения серы между шлаком и металлом (Э)/13] от основности шлака (СаОЖЭЮг) при различной активно­сти РеО в нем а „ _ (цифры на кривых) геи
...
Считая коэффициенты активности реагентов равными 1, уравнение для константы равновесия можно записать следующим образом:
...
Из уравнения следует, что повышение основности шлака и уменьшение окислеиности его способствуют уве­личению коэффициента распределения серы (рис. 47). Положительную роль играет также раскисленность ме-
...
талла, так как снижается вредное влияние кислорода на процесс десульфурации (рис. 48). Увеличение скорости десульфурации наблюдается лишь при содержании кис­лорода в металле <0,02 %.
...
Значение распределения серы возрастает также при повышении температуры металла. С повышением темпе­ратуры увеличивается растворимость сульфида кальция в шлаке, ускоряется подвод серы к границе раздела ме­талл— шлак и диффузионный перенос серы в шлаке. Положительную роль для ускорения процесса десульфу­рации играет активное перемешивание ванны.
...
Газы (кислород, водород и азот) содержатся в любой стали. Газы даже при содержании их в сотых и тысяч­ных долях процента существенно влияют на свойства ме­талла.
...
Кислород в стали. Растворимость кислорода в жид­ком чистом железе характеризуется реакцией 1/2 02(Г) = = [0]; Дс7°=—
...
Зависимость растворимости кислорода в железе, рав­новесном с чистым железистым шлаком, от температу­ры для реакции (РеО) =Реж+[О] имеет следующий вид: 1ё
...
Поведение кислорода в металле по ходу плавки во многом определяет как удаление нежелательных приме­сей из стали (фосфора, серы и т. д.), так и окисление полезных компонентов (хрома, ванадия и др.). При со­держании кислорода в металле образуются инородные частицы оксидов — неметаллические включения.
...
В готовом металле содержание кислорода должно быть минимальным, так как повышенное содержание ок­сидных включений отрицательно влияет на все свойства стали и сплавов.
...
Для снижения содержания кислорода в металле про­водят раскисление стали. Раскислением называют про­цесс удаления кислорода путем связывания его в неме­таллические включения, которые способны покинуть металл или не являются вредными.
...
При давлении 0,1 МПа и температуре 1600 °С раство­римость водорода составляет 0,0026 %, а температурная зависимость растворимости водорода выражается урав­нением \% [% Н] =—1750/7*— 1,677.
...
Скачкообразное изменение растворимости при пере­ходе из жидкого в твердое состояние вызывает выделе­ние водорода из металла, что является причиной образо­вания ряда дефектов, например флокенов (особой фор­мы газовых пузырей) и т. п. Для снижения содержания водорода в металле применяют специальные меры, та­кие как интенсивное кипение ванны, вакуумная обра­ботка и др.
...
Азот в стали. Растворимость азота также подчиняет­ся закону Сивертса. Растворимость азота в железе при 1600 °С равна 0,044 %. Уравнение зависимости раствори­мости азота от температуры имеет вид: 1^ Г % N1 = =—375/7"—1,154.
...




Зварювальні матеріали
Контактная сварка
Термическая обработка в машиностроении: Справочник
Металлургия черных металлов