2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ

Шихтовые материалы для выплавки стали.

Задачей сталеплавильных процессов является получение металла со строго заданным химическим составом из разнородной по составу шихты.

В состав шихты входят металлические и неметаллические материалы.

Металлическая часть шихты включает жидкий и твердый передельный чугун, металлический лом и шихтовую заготовку.

В зависимости от содержания элементов чугун подразделяют следующим образом:

на две группы по содержанию марганца

(I гр. – до 1,0,  II гр. - > 1,0% Mn);

на три класса по содержанию фосфора (класс А ≤ 0,15, класс Б ≤ 0,20, класс В ≤ 0,3% Р);

на три  категории по содержанию серы (I категория ≤0,03; II категория ≤0,05; III категория ≤0,07% S).

Содержания углерода в чугуне не указывается, т. к. оно определяется содержанием других компонентов, в первую очередь кремния, марганца и фосфора. Обычно содержание углерода колеблется в пределах 3,5… 4,2%.

Марганец в чугуне оказывает положительное влияние на процессы шлакообразования и десульфурации при выплавке стали. Однако до 90% его содержания окисляется, переходя в шлак, и теряется со шлаком. Из-за дефицита марганца в настоящее время используются маломарганцовистые чугуны с содержанием марганца 0,15 – 0,40%.

Кремний оказывает значительное влияние на ход сталеплавильных процессов. С увеличением содержания кремния в чугуне улучшается тепловой баланс плавки и  возможна переработка большого количества металлолома. При этом, однако, увеличивается расход извести и количество шлака, т.к. на связывание кремнезема в соединении 2СаО SiО₂ требуется 5,7% СаО при содержании 0,5 Si и 10,2% СаО при содержании 1,1% кремния в чугуне. Одновременно снижается процент выхода жидкой стали, т.к. весь кремний окисляется и переходит в шлак. Поэтому оптимальным считают содержание кремния в чугуне 0,5…07%.

Сера - вредная примесь. Она снижает пластичность (относительное удлинение, относительное сужение, ударную вязкость), сообщает стали красноломкость, понижает свариваемость, способствует образованию различного рода трещин. Поэтому содержание ее в чугуне ограничивают 0,07%.

Фосфор улучшает тепловой баланс плавки, и в томасовском процессе реакция его окисления является главным источником тепла. Однако стали он сообщает хрупкость, синеломкость, ухудшает свариваемость, поэтому его содержание в чугуне ограничивают.

Доля чугуна  в металлошихте при выплавке стали в мартеновских печах составляет 55 – 60, в кислородных конвертерах – 75 – 80, в дуговых электропечах 5 -7%.

Металлический лом бывает оборотный и привозной.  Оборотный образуется на самом металлургическом заводе. Это различного рода отходы, скрапины, недоливки, сифонные летники и проводка, прокатная обрезь. Привозной лом поступает от сборных пунктов и предприятий вторчермета.

Металлолом подразделяют по видам: стальной, чугунный, доменный присад; по категориям: нелегированный и легированный; по химсоставу - 53 группы; по чистоте и габаритам – 3 класса.

В электросталеплавильном производстве кроме чугуна и металлолома используют шихтовую заготовку, чтобы облегчить выплавку легированной стали на отходах. Это выплавляемый в мартеновских печах или кислородных конвертерах металл, в котором регламентируется содержание углерода, серы и фосфора. Загружают его в виде металлических болванок толщиной 200…250 и длиной 1000…1200 мм.

Помимо перечисленных материалов в шихте электросталеплавильных печей используют продукты прямого восстановления – губчатое железо или металлизованные окатыши. В них содержится (вес. %) : 85 – 95 железа; 0.1…0,8 углерода; 0,01...0,03 фосфора; 2,0…8,0 кремнезема. Это упоминавшаяся ранее незагрязненная  примесями цветных металлов первородная шихта. К неметаллической части шихты относят твердые окислители, шлакообразующие материалы и флюсы.

В качестве твердых окислителей используют железную руду, прокатную окалину, окатыши и агломерат. Их используют для ускорения окисления углерода, кремния марганца и фосфора. Главное требование к этим материалам – высокое содержание оксидов железа и низкое содержание пустой породы.

Газообразные окислители - воздух и технический  кислород.

Для образования шлакового покрова с нужными физико – химическими свойствами используют известняк, доломит, известь, боксит, шамотный бой, плавиковый шпат, железофлюсы.

Известняк (СаСо₃)  используют для образования шлака во время плавления в мартеновских и электропечах. Он требует дополнительных затрат тепла на разложение (по сравнению с известью), а выделяющийся углекислый газ перемешивает металл и способствует выравниванию состава и температуры в объеме металлической ванны.

Известь (продукт обжига известняка) имеет следующий химический состав (масс. %);\: 88…- 93 СаО, около 2MqO  и  SiO_2,  3(F₂O₃ + Al₂O₃), не более 0,1 S. Чем выше содержание СаО и ниже содержание SiO₂ и серы, тем выше качество извести.

Для разжижения шлака используют боксит (20…-60% Al₂O₃, 15…- 45%FeO, 5..20 SiO₂), шамотный бой (35% Al₂O_3,  60% SiO₂), плавиковый шпат (95…-95% Са F₂ до 5% SiO₂). Эти материалы используют для придания шлаку нужных физико-химических свойств и известны под названием флюсы.

Ферросплавы - это особая группа материалов промышленного производства, используемых на заключительных этапах выплавки стали для ее раскисления  и легирования.

Самостоятельного значения ферросплавы не имеют.

Это сплавы с одним или несколькими элементами, обладающими в ряде случаев более высоким, чем железо, сродством к кислороду и придающими стали необходимые физические и служебные свойства - это ферросилиций, ферромарганец, феррохром, силикокальций и др.

Все сталеплавильные процессы окислительные, т.е. проводятся при парциальном давлении кислорода в атмосфере агрегата в сотни раз более высоком по сравнению с равновесным в металле. Вследствие этого во время плавления шихты происходит полное или частичное окисление практически всех примесей металлошихты. На заключительном этапе плавки, после достижения требуемой температуры, в металл вводят необходимое количество нужных компонентов.

 Все сталеплавильные процессы для своего осуществления требуют затрат тепла. В зависимости от источника поступления тепла сталеплавильные процессы подразделяют на конвертерные, подовые и электропечные.

Конвертерные процессы  осуществляют за счет тепла, выделяющегося при окислении примесей жидкого чугуна при его продувке воздухом или техническим кислородом. Это бессемеровский, томасовский и кислородно- конвертерный процессы.

Подовые процессы  осуществляются за счет внешнего источника тепла. Топливом для их осуществления могут быть: природный газ, мазут, коксовый газ, смесь коксового и доменного газов. Их сжигают в рабочем пространстве мартеновских и двухванных печей. Это мартеновский процесс и его разновидности.

В электросталеплавильных  процессах выплавку стали  осуществляют  за счет преобразования в дуге электрической энергии в тепловую.

Во время плавки металл находится в контакте с огнеупорной футеровкой агрегата, которая оказывает значительное влияние на состав образующегося шлака и ход реакций. В зависимости от того, какие оксиды составляют основу используемых для футеровки печи или конвертера огнеупоров (SiO₂, MqO, CaO), процессы выплавки подразделяют на кислые и основные.

Кислые процессы реализуются в агрегатах, основу футеровки которых составляет кислотный оксид кремния SiO₂.

Основные – в агрегатах, футеровка которых состоит из оксидов с основными свойствами MqO и  CaO.

В агрегатах с кислой футеровкой образуются шлаки с содержанием SiO₂ 40…- 60%, которые не вступают во взаимодействие с серой и фосфором, поэтому удаление этих вредных примесей из металла не происходит.

В агрегатах с основной футеровкой в шлаках содержится значительное количество свободного оксида кальция СаО, который связывает серу и фосфор  в соединение CaS, 4CaOP₂O₅, 3CaOP₂O₅ , обеспечивая тем самым десульфурацию  и дефосфорацию металла.