» » Производство чугуна и стали
23.01.2015

На пути от руды к стали в основном следует различать два этапа производства (см. рис. 11.5.1).
1. Чугун получают из руды с помощью восстановительных процессов. Эти процессы осуществляются в доменной печи или различными способами прямого восстановления.
2. С помощью процессов окисления чугун очищается вместе с различным количеством завалки скрапа от нежелательных примесей. Благодаря этим этапам процесса, называемым "очисткой" из чугуна и скрапа, получается сталь.
Производство чугуна

В настоящее время самым распространенным способом производства чугуна является доменный процесс, с высоким к.п.д. и высокой степенью автоматизации. В доменной печи используются руда, кокс и присадки (флюсы). Кокс действует как восстановитель руды и как науглероживающее средство для чугуна.
Производство чугуна и стали

Производство чугуна и стали

С помощью присадок, вступающих в химические реакции с примесями, выводятся в шлак нежелательные примеси руд. Металлургически доменная печь работает по принципу противотока. В то время как компоненты шихты двигаются непрерывно сверху вниз и, наконец, расплавляются, горячий газ проходит через столб шихты снизу вверх. При этом процессе проходят очень сложные, влияющие друг на друга химические реакции. Важнейшими реакциями являются:
- сгорание кокса;
- преобразование газа;
- восстановление железных руд;
- побочные реакции, образование шлаков.
Исходный продукт процесса (руды) существует в основном в формах гематита (Fe2O3), магнетита (Fe3O4), бурых железняков [Feх(OH)у], Доменная печь требует кусковой загрузки. Поэтому руды дробятся, к ним добавляются присадки (известняк, доломит). Этот так называемый агломерат послойно подводится к печи вместе с коксом. Альтернативно руды можно превратить в куски посредством гранулирования (окомкования). Из верхней части загрузочной колонки (колошника) шихта перемещается через шахту печи в заплечики и горн, в которых происходит процесс плавления (рис. 11.5.2).
Производство чугуна и стали

Сверху вниз происходят при этом реакции:
- высушивание, предварительный подогрев, удаление гид-ратной воды;
- непрямое восстановление;
- прямое восстановление;
- плавление.
В соответствии с равновесием Будуара в зависимости от температуры реакция протекает слева направо или справа налево по соотношению
Производство чугуна и стали

С возрастанием температуры равновесие смещается к образованию CO, т.е. в левую часть соотношения (11.5.1). Соответственно положению равновесия проходит восстановление руд как непосредственное восстановление при высоких и как косвенное (непрямое) при более низких температурах по реакциям
Производство чугуна и стали

(прямое восстановление, эндотермическое);
Производство чугуна и стали

(непрямое восстановление, экзотермическое).
Непрямое восстановление — это восстановление с помощью CO при образовании CO2.
Эта реакция протекает примерно при 450 °С, а прямое восстановление только при температуре выше 1000 °С. По экономическим соображениям стремятся к проведению экзотермического процесса непрямого восстановления. Области состояний различных оксидов железа в соединении с содержанием СО/СО2 и температурой изображены на диаграмме Баура—Глэсснера (рис. 11.5.3).
Производство чугуна и стали

С возрастанием температуры в доменной печи происходит благодаря растворению различных оксидов жильных руд и присадок образование шлака. Между температурой в 1500 и 1600 °C жидкий шлак принимает соединения Al, Fe, Mn, Mg и других металлов. Важной задачей шлака доменной печи является удаление серы (обессеривание) чугуна, который прежде всего принял серу из кокса. Примеси железа Р, Mn и Si восстанавливаются в зоне плавления и поглощаются полностью или частично.
Чугун и шлак собираются в горне (см. рис. 11.5.2), причем удельно более легкий шлак плавает на поверхности чугуна. Чугун и шлак выпускаются от 2 до 4 ч с температурой от 1350 до 1450 °С. В крупнейших доменных печах производится более 1100 т чугуна в день. Для производства 1 т чугуна в доменном процессе рассчитывается материальный баланс:
Производство чугуна и стали

Габариты доменной печи, необходимые для экономичной работы, требуют очень высоких капиталовложений и делают способ недостаточно гибким при учете растущей потребности в чугуне. Поэтому как альтернатива доменному процессу предлагаются и разрабатываются способы прямого восстановления железных руд. При этих способах процесс восстановления происходит без расплавления, так что в качестве продукта возникает губчатое железо со степенью металлизации от 80 до 95 % и лишь с незначительным количеством примесей.
В качестве восстановительного газа используется часто смешанный с оксидом углерода углеводород. Губчатое железо обрабатывается дальше в электропечи, так что наряду с направлением производства стали доменная печь — производство бессемеровской стали появляется направление прямое восстановление — электропечь. Этим создается возможность для построения так называемых сталелитейных мини-заводов с относительно небольшими капиталовложениями.
Среди многочисленных предложенных и осущественных способов прямого восстановления наибольшее значение имеют непрерывные плавки в шахтных печах. По этому принципу работают способы Purafer, Midrex и Armco.
К непрерывным способам относятся также способы с вращающейся карусельной трубчатой печью, у которых в качестве твердого сырья для восстановления применяется уголь любой зернистости и состава. Способ HYL является примером прерывного способа в реторте.
Производство стали

Часть чугуна, выплавленного в доменной печи, разливается в так называемые болванки и используется в качестве литейного чугуна (серый чугун, богатый Si). Большая часть чугуна отправляется в так называемых закрытых ковшах (миксерах) в виде жидкой массы на сталеплавильный завод (белый чугун, бедный Si).
На сталелитейном, заводе удаляются содержащиеся в чугуне относительно большие количества С, Mn, Si, P и S до остаточного количества, необходимого для стали. Для этого проводится рафинирование (получение стали путем окислительной плавки чугуна), т.е. окисление элементов в соответствии с их взаимодействием с кислородом и перевод в виде оксидов в шлак. Остаточные концентрации примесей в стали регулируются количеством кислорода, температурным режимом и количеством известняка, добавленного для образования шлака. Окисление примесей происходит во временной последовательности по реакциям
Производство чугуна и стали

Оксиды SiO2, MnO и P2O5 связаны со шлаком. Сера соединяется с небольшим количеством газообразного кислорода (SiO2), переходит в шлак или образует с марганцем соединения MnO согласно реакциям
Производство чугуна и стали

Среди многочисленных способов производства стали большое техническое значение имеют еще продувка кислородом сверху (LD- и LD-AC-способ) и продувка кислородом снизу (ОВМ-способ). Для производства легированной и высоколегированной стали следует, в частности, назвать электрические дуговые печи.
После загрузки конвертера металлоломом и жидким чугуном при LD-способе с помощью трубки для ввода кислорода на поверхность ванны расплавленного металла вдувается кислород под высоким давлением (примерно 12 бар) (рис. 11.5.4). Реакции проходят при энергичном перемешивании содержимого ванны, причем в местах сгорания температура от 2500 до 3000 °C. Кипение длится примерно от 10 до 20 мин, температура выпуска стальной ванны составляет от 1600 до 1650 °C.
Производство чугуна и стали

Способ LD-AC отличается от LD-способа не техникой установки, а только ходом процесса. Для плавки с продувкой (Frischen) богатого фосфором чугуна на первой стадии способа с кислородом дополнительно подается известковая пыль. При этом происходит обесфосфорирование перед уменьшением концентрации С. После отвода богатого фосфором шлака начинается второй этап продувки с добавлением скрапа для снижения температуры. На второй стадии продувки происходит обезуглероживание, причем еще раз добавляется известь и флюсующая добавка. По причине двух стадий продувки способ LD-AC продолжается примерно на 20 мин дольше, чем LD-способ.
Способ OBM был связан с более ранним способом Томаса. В то время как при способе Томаса воздух вдувается через фурменное днище конвертера через плавку, при ОВМ-процессе кислород подводится снизу через расплав. Вначале при этом способе существовала проблема стойкости сильно нагруженного днища конвертера. Решение было достигнуто путем охлаждения форсунок (днища конвертера) по особому способу (рис. 11.5.5).
Производство чугуна и стали

Электрическая дуговая печь дает возможность регулировать подвод тепла независимо от ведения металлургического процесса. Поэтому не слишком важно, что в ней плавить — скрап, губчатое железо, чугун. Для ускорения плавки с продувкой подводится кислород. Электродуговая печь особенно подходит для расплавления легированных и высоколегированных сортов стали. Свыше 90 % электростали производится в электродуговой печи по принципу Герлота (рис. 11.5.6).
Производство чугуна и стали