книги / Металлургические технологии

става 0,95...1,05 % С, 3,8...4,4 % Сг, 5,5...6,0 % W, 4,6...5,2 % Мо, 1,8...2,4 % V, 7,5...8,5 % Со обозначается как Р6М5Ф2К8.

Маркировка жаропрочных и жаростойких сплавов на железони­ келевой и никелевой основе состоит только из буквенных обозначе­ ний элементов, за исключением никеля, после которого указывается цифра, показывающая его среднее содержание в процентах. Напри­ мер, сплав состава 0,12 % С, 14...16 % Сг, 34...38 % Ni, 1,1...1,4 % Ti, 2,8 . . . 3,5 % W, Fe - основа обозначается как ХН35ВТ. Сплав со­ става 0,07 % С, 19...22 % Сг, 2,4...2,8 % Ti, 0,6... 1,0 % А1, не более 4,0 % Fe, остальное - Ni обозначается как ХН77ТЮР.

Сталь, применяемая для изготовления отливок, обозначается бу­ квой «Л» в конце марки, например, 20ХФЛ, 40ХЛ.

Наглядность и простота российской маркировки выгодно отли­ чает ее от систем маркировок, используемых в других странах.

ГЛАВА 6. Конвертерное производство сталей

6.1. Конвертерные процессы с донным воздушным дутьем

Массовое производство сталей в жидком состоянии (так назы­ ваемых литых сталей) началось в 1855 году после того, как англий­ ский изобретатель Генри Бессемер предложил использовать тепло, выделяющееся в результате процессов окисления примесей, и в пер­ вую очередь кремния, для дополнительного разогрева материалов, находящихся в сталеплавильном агрегате. Бессемеровский агрегат, который впоследствии был назван конвертером, представлял собой сосуд грушевидной формы со скошенной горловиной и кислой - ди­ насовой (более 96 % SiC^) футеровкой. В конвертер заливали жидкий чугун и продували его воздухом в течение 10... 15 мин через фурмы, расположенные в днище конвертера. Тепло, выделяющееся при окислении примесей, обеспечивало разогрев стали до температуры выпуска 1580... 1600 °С.

По ходу продувки можно выделить 3 периода бессемеровской плавки, которые различаются как по внешним проявлениям, так и по протекающим в это время химическим процессам. Первый период

(первые 5 мин от начала продувки) характерен тем, что из горловины конвертера вырывается столб искр. В это время интенсивно протекают экзотермические реакции окисления примесей, и температура в конвертере повышается примерно на 200...250 °С. Второй период (с 6-й по 10-ю минуту продувки) - столб искр сменяется пламенем. В этот период активно протекают процессы окисления углерода, чугун постепенно превращается в сталь, температура в конвертере повыша­ ется еще на 50... 100 °С. Третий период - пламя сменяется бурым ды­ мом, т.е. начинается активное окисление железа. Период нежелатель­ ный, при первых признаках появления дыма продувку воздухом пре­ кращают, конвертер наклоняют и выпускают готовую сталь в ковш вместе со шлаком, одновременно проводят раскисление стали.

В 1878-1879 годах англичанин Сидней Томас модернизировал конвертер Бессемера, заменив кислую футеровку на основную - до­ ломитовую (CaOMgO), что позволило перерабатывать в сталь высо­ кофосфористые чугуны Западной Европы.

Для второй половины XIX века эти изобретения, несомненно, были революционными. Тем не менее следует отметить ряд недос­ татков, присущих бессемеровскому и томасовскому процессам:

1)высокое содержание в сталях фосфора и серы, особенно в ста­ лях, полученных бессемеровским способом;

2)насыщенность сталей азотом;

3)невозможность получения легированных сталей;

4)невозможность переработки стального лома.

Дальнейшее развитие конвертерных процессов, по сути, было направлено на устранение этих недостатков. Во второй половине XX века широкое распространение получил кислородно­ конвертерный процесс, который позволил устранить указанные не­ достатки бессемеровского и томасовского процессов и получать ка­ чественные стали из чугунов любого химического состава с добавкой в шихту стального лома.

6.2. Кислородно-конвертерный процесс

Кислородно-конвертерный процесс (ККП) - это выплавка сталей из жидкого чугуна с добавкой стального лома (скрапа) в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом сверху через водо­ охлаждаемую фурму. Первые опыты по продувке чугуна кислородом были проведены в СССР в 1933 году. Первая промышленная кисло- родно-конвертерная сталь была получена в 1952-1953 годах в Авст­ рии на заводе, расположенном между городами Линц и Донавиц. По­ этому в западноевропейских странах этот процесс называют LDпроцессом. В США и Японии данный процесс называют BOF (Basic Oxygen Furnace - основная кислородная печь).

В1960 году доля кислородно-конвертерной стали составила 4 %

еемирового производства, в 1970 году - 41 %, а в 1998 году - 62 %, т.е. в течение 40 лет ККП стал основным способом производства ста­ лей. Причины такого быстрого распространения ККП объясняются его несомненными преимуществами перед другими способами мас­ совой выплавки сталей. Эти преимущества следующие:

1)устранены все недостатки конвертерных процессов с донным воздушным дутьем (бессемеровский и томасовский процессы);

2)самая высокая удельная производительность агрегата;

3)более низкие капитальные затраты и расходы по переделу;

4)возможность полной автоматизации и компьютеризации процесса.

Устройство кислородного конвертера. Кислородный конвер­

тер представляет собой цилиндроконический сосуд (рис. 6.1). Кон­

в опорных подшипниках, позволяют конвертеру поворачиваться во­ круг горизонтальной оси на угол 360° в любую сторону. Это необхо­ димо для осуществления' различных технологических операций: за­ валки лома, заливки чугуна, а также выпуска стали и шлака. Конвер­ тер имеет двухслойную футеровку: арматурный слой, примыкающий к кожуху, толщиной 100...250 мм, выполнен из магнезитового кир­ пича; внутренний - рабочий слой, контактирующий с жидкой ста­

лью, толщиной 500... 750 мм, выполнен из смолодоломитового или смоломагнезитового кирпича. Наиболее высокую стойкость имеет рабочий слой, выполненный из периклазоуглеродистых кирпичей.

Рис. 6.1. Общее устройство кислородного конвертера:

1 - станина; 2 - опорное кольцо; 3 - корпус; 4 - кислородная фурма; 5 - горловина; 6 - рабочее пространство; 7- опорный подшипник; 8 - футеровка

Конвертер имеет стационарное (несъемное) днище сферической или сфероконической формы, летку для выпуска готовой стали, уст­ ройство для отсечки шлака от стали при выпуске.

Подачу кислорода в конвертер осуществляют с помощью кисло­ родной фурмы 4. Механизм движения фурмы сблокирован с меха­ низмом вращения конвертера, поэтому его невозможно повернуть, если перед этим не удалить фурму из конвертера. Ее вводят в кон­ вертер сверху по центру.

Кислородная фурма - это три концентрически расположенные стальные трубы: по центральной трубе поступает кислород, по двум другим циркулирует охлаждающая вода. На нижнем конце фурмы

расположена сменная водоохлаждаемая головка (рис. 6.2). Головку сваривают из медных штампованных деталей. В ней имеется от 3 до 7 веерообразно расположенных отверстий специального профиля, так называемых сопел Лаваля. Скорость истечения кислорода из та­ кого сопла выше скорости звука.

патрубок; 5 - внутренняя тарелка; 6 - телескопическое соединение; 7 - компенсатор; 8, 9, 10 - стальные трубы; 11 - места сварки при смене головки

Режим дутья. Режим дутья оказывает решающее влияние на длительность продувки, интенсивность шлакообразования, стойкость футеровки и качество выплавляемой стали. Параметры дутья: ско­ рость истечения кислорода примерно 500 м/с, давление кислорода в фурме не менее 1 МПа, расход кислорода на 1 т стали 50...55 м3, интенсивность подачи кислорода 4...5 м3/(т-мин), чистота кислорода не менее 99,5 %. Средняя продолжительность продувки 10... 15 мин.

Особое значение имеет высота расположения фурмы, которую можно изменять в пределах от 0,8 до 3,3 м от зеркала жидкого ме­ талла в спокойном состоянии. Известны 3 основных режима продув­ ки в зависимости от высоты расположения фурмы. Первый режим -

это поверхностный обдув или «мягкая продувка», при котором высо­ та фурмы над зеркалом металла не менее 3 м. В таком режиме кине­ тической энергии струи кислорода недостаточно для проникновения в глубь жидкого чугуна, и кислород распределяется в поверхностном слое. Режим «мягкой продувки» используют для быстрого формиро­ вания шлака и повышения его окисленности.

Второй режим - это режим «жесткой продувки». В этом случае высота расположения фурмы над ишакометаллической ванной не более 1 м. Основная масса кислорода уходит в глубь металла, в ре­ зультате окисленность металла возрастает, и создаются условия для протекания реакций окисления углерода.

Третий режим реализуется в период кипения, когда интенсив­ ность процессов окисления углерода резко возрастает - большое ко­ личество пузырьков СО вспенивает ванну, и фурма оказывается по­ груженной в газошлакометаллическую эмульсию. Этот режим про­ дувки называют «продувкой в режиме заглубленной струи». Уровень ванны в это время достигает горловины конвертера, и задача опера­ тора - не допустить взрывообразного течения реакции окисления углерода и выброса эмульсии из конвертера. Это достигается за счет уменьшения удельного расхода кислорода или увеличения высоты расположения фурмы.

6.3. Технология кислородно-конвертерной плавки

Технологический цикл ККП состоит из нескольких операций (рис. 6.3).

1. Завалка скрапа. Конвертер наклоняют и по лотку загружают сначала добавки - известь и плавиковый шпат, а затем стальной лом (сначала легковесный, затем тяжеловесный). Чтобы шихта на дншде конвертера распределилась равномерно, его отклоняют в сторону, противоположную завалке. Длительность операции 3...5 мин.

2. Заливка чугуна. Осуществляют в один прием из ковша-чугуно- воза. Предварительно из ковша скачивают шлак для уменьшения по­ ступления серы в конвертер. Длительность операции 3... 5 мин.

Рис. 6.3. Основные технологические операции кислородно-конвертерной плавки: а - завалка скрапа с помощью лотка; б - заливка чугуна; в - про­ дувка и подача шлакообразующих добавок; г - выпуск жидкой стали;

д- слив шлака

3.Продувка кислородом. Конвертер устанавливают вертикально, опускают в него фурму и подают кислород. Сначала ведут «мягкую продувку» с высоким положением фурмы с целью быстрого форми­ рования шлака и повышения его окисленности, а затем уменьшают высоту расположения фурмы для интенсификации кипения. Общая длительность операции составляет от 10 до 25 мин и зависит, глав­ ным образом, от интенсивности подачи кислорода. Во время первой половины продувки из расположенного сверху бункера порциями подают известь для повышения основности шлака и плавиковый шпат для поддержания его жидкотекучести. Момент окончания про­ дувки определяют либо по количеству израсходованного кислорода

ипо цвету пламени, либо по результатам измерения температуры в конвертере и определения содержания углерода в стали.

Если температура стали в конвертере в норме, а содержание угле­ рода выше нормы, проводят кратковременную додувку; если содержа­ ние углерода ниже нормы, вводят графитовый порошок или кусочки графитовых электродов (так называемый графитовый бой). В тех слу­ чаях, если содержание углерода в норме, а температура выше нормы, вводят охладители. Лучшим охладителем является холодная кусковая сталь того же состава, что и жидкая сталь в конвертере; если же тем­ пература ниже нормы, проводят кратковременную додувку.

4.Выпуск стали. Осуществляют через стальную летку в стале­ разливочный ковш. Операцию выпуска совмещают с раскислением сталей. Раскисление проводят осаждающим способом. Подачу раскислителей начинают при заполнении ковша на одну четверть, а за­ канчивают при его заполнении на три четверти. Длительность опера­ ции выпуска с одновременным раскислением 5... 10 мин.

5.Слив шлака. Производят в шлаковую чашу через горловину кон­ вертера, повернув его в противоположную от стальной летки сторону.

6.Осмотр и подготовка конвертера к следующей плавке сводится

космотру и ремонту футеровки, который чаще всего заключается в нанесении шлакового гарниссажа.

Изменение химического состава металла по ходу продувки. С самых первых секунд продувки в реакционном кратере активно протекают реакции окисления

2Fe+O r2=2(FeO);

(FeO) = [Fe] + [О];

1/2 0 2 = [О].

Кислород, растворенный в жидком металле и шлаке, окисляет кремний, марганец, фосфор, а затем и углерод:

[Si] + 2(FeO) = (Si02) + 2Fe;

[Mn] + (FeO) = (MnO) + Fe;

2[P] + 5(FeO) = (P20 5) + 5Fe;

[C] + [O] = COr.

Анализ данных, представленных на рис. 6.4, говорит о том, что практически весь кремний окисляется в первую четверть продувки, а большая часть марганца и фосфора окисляется в первую треть про­ дувки. В конце продувки может происходить частичное восстанов­ ление марганца. Благодаря быстрому формированию ишака с высо­ кой окисленностью и высокой основностью, фосфор, окислившийся до Р2С>5, связывается в химически прочное соединение - трифосфат кальция, что и обеспечивает быструю дефосфорацию:

2[Р] + 5(FeO) + З(СаО) = (ЗСаОР20 5) + 5Fe + Q.

которое необходимо для приема жидкого чугуна из доменных печей и скрапа; конвертерное отделение, в котором установлены один, два или три конвертера и отделения непрерывной разливки стали (рис. 6.5). Довольно часто в старых конвертерных цехах имеется миксерное отделение, в котором установлен миксер - отапливаемый мазутом или газом футерованный сосуд большой емкости (600...2000 т) для накопления жидкого чугуна, а также выравнивания его по химическому составу и температуре.

Рис. 6.5. Разрез современного кислородно-конвертерного цеха:

а - шихтовый пролет; б - конвертерный пролет; в - отделение непрерывной разливки стали: 1 - транспортер для подачи сыпучих материалов; 2 ^ верти­ кальный газоход; 3 - кислородная фурма; 4 - котел-утилизатор; 5 ^ пульт управления конвертером; 6 - конвертер; 7- ковш-чугуновоз миксерного типа; 8 - сталевоз; 9 - канава для перелива чугуна из ковшей миксерног0 типа в заливочные ковши; 10 - сталеразливочный ковш с жидкой сталью; 7/ _ по­ ложение сталеразливочного ковша во время разливки стали; 12 - поворОХНый стенд для смены ковшей машины непрерывного литья заготовок (^ШЛЗ); 13.14 - МНЛЗ; 15 - пульт управления МНЛЗ; 16 - затравка; 17- установка

для резки заготовок на мерные длины