Статьи | Металлолом — Part 96

Бессемеровский процесс был предложен Г. Бессемером в 1856 г. Существовавший до этого тигельный способ, производства стали не мог удовлетворить потребности развивающегося железнодорожного строительства, судостроения и машиностроения.

Сущность метода заключается в продувке жидкого чугуна воз­духом в конвертере. Продувка осуществляется через установленные в днище конвертера фурмы. Под действием кислорода дутья при­меси чугуна (кремний, марганец, углерод) окисляются, выделяя зна­чительное количество тепла. При этом происходит снижение содер­жания примесей и повышение температуры металла, достаточной для нагрева получаемой стали до температуры выпуска (~1600°С).

Общий вид конвертера для продувки чугуна снизу показан иа

Риц. 51. Устройство бессемеровского конвертера:

/ — цапфы; 2 —опорное кольцо; 3—горловина; 4 — шестерня; 5—опор­ная станина; 6 — диище; 7 —воздушная коробка; « — патрубок для подачи дутья; 9 — корпус; 10— футеровка; И — сопла

Рис. 51. Корпус — стальной кожух, футерован огнеупорным кирпи­чом. Футеровка конвертера кислая (дииасовый кирпич). Футерован­ное днище скабжеио соплами для подачи воздуха. Сопла выполнены в отдельных огнеупорных (шамотных) кирпичах — фурмах.

Основными недостатками процесса являются невысокое каче­ство металла, присутствие в нем не удаленных при продувке вредных примесей: фосфора и серы. Для выплавки бессемеровских чугунов нужны очень чистые по содержанию серы и фосфора железные руды, природные запасы которых ограничены. В 1878 г. С. Томас вместо кислой футеровки бессемеровского конвертера применил основную, а для связывания фосфора предложил использовать известь. Тома — совский процесс позволил перерабатывать высокофосфористые чугу­ны и получил распространение в странах, где железные руды боль­шинства месторождений содержат миого фосфора (Бельгия, Люк­сембург и др.).

Однако и томасовский процесс имеет серьезные недостатки, главным из которых является понижение качества стали вследствие высокого содержания в ней азота. Повышенная хрупкость и склон­ность к старению томасовской стали ограничивают область ее приме­нения.

Для расширения сортамента томасовской стали были разработа­ны новые технологические варианты этого процесса, обеспечивающие уменьшение хрупкости металла и склонности его к старению. В практике томасовского производства нашли применение работы иа двойном шлаке для снижения содержания фосфора (до 0,015 %), продувка через дно воздухом, обогащенным кислородом, и продувка

Через дно смесями кислород — пар и кислород — углекислый газ для получения стали с низким содержанием азота (до 0,001—0,0035 %).

Дальнейшее совершенствование томасовского производства при­вело к созданию способов передела высокофосфористых чугунов с донным кислородным дутьем.

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 железной руды или других окислителей, либо при продувке ванны газообразным кислородом. Перенос кислорода из газовой атмосферы через шлак в металл можно представить следующим образом:

1) непосредственный контакт окислительной фазы (О2, CO2, H2O) с металлом при продувке ванны кисло­родом или воздухом, при выпуске и разливке металла;

2) окисление капелек металла, которые находятся в шлаке и при перемешивании ванны переносят кислород в металл;

3) переход кислорода из газовой фазы через шлак в металл, при котором происходит взаимодействие окис­лительной атмосферы со шлаком с образованием выс­ших оксидов: 1/2 O2 (или H2O или 1/2 CO2) +2(FeO)-*-

(F2O3).

Процесс переноса кислорода из шлака в металл про­текает по реакциям: (Fe2O3)+Реж=3 (FeO), а затем (Fe0)->[0]+FeiK.

Ниже рассмотрены основные реакции, происходя­щие в сталеплавильной ванне.

1. Окисление углерода

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]=С0; константа равновесия которой Kp=Pco/(accto ), где ас и ао — активности углерода и кислорода в металле.

Окисление растворенного в металле углерода до СОг 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

Где рат ¦—давление в рабочем пространстве печи, Па; 7Fe^Fe и ymhm — гидростатическое давление металла и шлака, Па; 0 — поверхностное натяжение металла, мДж/м2 (для жидкой стали значение колеблется от 1300 до 1600 мДж/м2); г — радиус образовавшегося пузыря, см.

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.).

2. Окисление и восстановление марганца

Марганец легко окисляется как при кислом, так и при основном процессах по реакции [Мп] + [0]^±= ч=ь(МпО); AG0 =—244,53+0,109 Г кДж/моль.

Окисление растворенного в металле марганца и вос­становление его из шлака обычно протекает на границе металл —шлак, т. е. [Mn] + (FeO) (MnO)+ [Fe]; AG0=—123,35+0,056 T кДж/моль.

Константа равновесия реакции Кш — fl(Mno>a[Fе]/ /fl(FeO)fl[Mn] — (MnO)YMnO / (FeO)YFeO [Mn] .

Для основных шлаков [(Ca0)/(Si02)>2] коэффици­енты активности 7мпо и ^Feo близки к единице. В этом случае константа равновесия может быть выражена че­рез концентрации реагирующих компонентов:

Кмп= J^ , ; IgКмп=6440/7-2,95.

(FeO) [Mn]

Остаточный марганец в металле определяется урав­нением

Гад л 1 (MnO) VMn

[Mn]=———- ——— ———- ,откуда следует, что остаточ-

^Mu (Fe°) VpeO ный марганец в металле зависит от состава шлака и температуры, влияние которой учитывается величиной

/См п.

Как показывают расчетные и экспериментальные дан­ные, с повышением температуры и основности шлака 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.

3. Окисление и восстановление кремния

Кремний обладает еще большим сродством к кисло­роду, чем марганец, и почти целиком окисляется из рас­плава уже в период плавления. Окисление кремния про­исходит по реакции [Si] +2[0] = (SiO2); AG0 = =—593,84+0,233 T кДж/моль.

Окисление кремния кислородом, содержащимся в ок­сидах железа шлака, происходит по реакции [Si] + +2(FeO) = (SiO2)+2 [Fe]; AG0=-351,71+0,128 T кДж/моль.

Кремнием ошлаковываются FeO и MnO, образуя (FeO)n-SiO2, (MnO)m-SiO2, что играет существенную роль в формировании шлаков начальной стадии процес­са. Условие равновесия реакции со шлаком выражается уравнением

Ig Я Si = Ig,»f0′ = 18360/Т — 6,68.

[S1Ia2(FeO)

При плавке под основным шлаком GaO по мере рас­творения вытесняет FeO из силиката железа с образо­ванием прочного силиката кальция: (FeO)n-SiO2+ +2(СаО) = (CaO)2-Si02+n(Fe0).

Низкая активность кремнезема (SiO2 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 FeO в кислом шлаке равна ее кон­центрации. Тогда для реакции [Si]+2(FeO) = (SiO2) + +2 [Fe] выражение для константы равновесия будет

Иметь вид: Ksx= 1 или = [Si] (FeO)2.

Остаточный кремний в металле определяется уравне­нием [Si] =Kt5i/(FeO)2, из которого следует, что оста­точный кремний в металле зависит от температуры (учи­тывается величиной K’si) и содержания FeO в шлаке. Повышение температуры металла и снижение FeO в шла­ке создают благоприятные условия для восстановления кремния (рис. 44). При горячем ходе кислого процесса действительно имеет место интенсивное восстановление кремния.

4. Окисление и восстановление фосфора

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:

2[Р] + 5(FeO) = (P2O5) + SlFel

(P2O5) + 3(FeO) = (FeO)3-P2O5 (FeO)3-P2O5 + 4(СаО) = (CaO)4-P2O5 + 3(FeO)

2[Р] + 5 (FeO) + 4(СаО) = (CaO)4-P2O5 + 5[Fel.

Константа равновесия этой реакции имеет вид

V — а(Са0)Д>г05

Р ~ ~2———— 5———- 4—— •

A[P]a(FeO) а(СаО)

При переделе обычных шихт коэффициенты активно­сти фосфора и кислорода в металле близки к единице. Уравнение для константы можно записать в следующем виде:

К _ (P2O6) Р [РР (FeO)6 (CaO)4 ‘

Откуда коэффициент распределения фосфора между ме­таллом и шлаком будет равен

^p = ^ = ^(FeO)* (CaO)*.

Из уравнения следует, что коэффициент распределе­ния фосфора, характеризующий переход фосфора в шлак, пропорционален концентрации FeO и извести в шлаке при данной температуре.

При отсутствии извести процесс окисления фосфора возможен при относительно низких температурах с обра­зованием фосфата железа (FeO)3-P2O5. Однако это сое-

(P205)/[PJ

Рис. 45. Зависимость коэффициента распределения фосфора от (CaO)/(FeO)

Scroll to Top