Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003
| Вид материала | Учебное пособие |
- Учебное пособие Издательство спбгпу санкт-Петербург, 1380.47kb.
- Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2007, 1378.97kb.
- Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный политехнический, 2776.63kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург 2011 удк 621. 38. 049. 77(075) Поляков, 643.33kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2004, 1302.72kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург 2009 удк 802., 485.15kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 1935.03kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 648.91kb.
- Новые поступления в библиотеку балтийского русского института, 158.89kb.
- Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003, 1310.56kb.
2.3.ПРОДУКТЫ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
Конечные продукты доменной плавки — выпускаемые из печи в огненно-жидком виде чугун и шлак, а также доменный (колошниковый) газ.
В зависимости от назначения чугуна и состава шихтовых материалов в нем может содержаться хром, никель, ванадий, титан, медь и мышьяк. Содержание этих элементов регламентируется соответствующим ГОСТом или техническими условиями и определяется при анализе проб, отбираемых в ходе плавки и при выпуске металла из печи.
Все доменные чугуны по своему назначению подразделяют на три основных вида:
- передельный, предназначенный для дальнейшего передела в сталь;
- литейный, используемый после переплава в чугуноплавильных цехах для отливки чугунных изделий;
- доменные ферросплавы, используемые в качестве раскисителей или присадки в сталеплавильном и чугунолитейном производствах.
Передельный чугун является преобладающим видом продукции доменного производства. На его долю приходится около 90 % общего производства чугуна. Он предназначен для производства стали в конвертерах или мартеновских печах и обычно содержит 0,3–1,2 % Si; 0,2–1,0 % Mn; 0,15–0,2 % P и 0,02–0,07 % S.
Литейный чугун по содержанию фосфора делят на четыре класса: А — до 0,1 % Р (малофосфористый), Б — 0,1–0,3 % Р (обычный) и высокофосфористые чугуны классов В и Г с содержанием фосфора соответственно 0,31–0,7 и 0,71–1,2 %. Для изготовления высокопрочных изделий применяют чугуны с низким содержанием фосфора, а для художественного литья — высокофосфористые чугуны.
К доменным ферросплавам относятся: ферромарганец (70–75 % Mn и более, до 2 % Si, 0,33–0,45 % P, до 0,03 % S); ферросилиций (9–18 % Si, до 3 % Mn, до 0,2 % P, до 0,04 % S) и зеркальный чугун (15–25 % Mn, до 2 % Si, до 0,22 % P и до 0,03 % S).
В последние годы выплавка ферросплавов в доменных печах сократилась, а ферросилиция прекращена полностью вследствие неэкономичности передела. Более выгодно выплавлять ферросплавы в электропечах, где одновременно обеспечивается их более высокое качество.
Выплавка чугуна в доменных печах неизбежно сопровождается получением значительного количества доменного шлака. Шлак образуется в доменной печи из флюсов, золы, кокса, пустой породы руды и агломерата. Обычно при выплавке передельного и литейного чугунов выход шлака составляет 0,3–0,6 т на 1 т чугуна.
Основными составляющими шлака являются оксиды кремния (SiO2), кальция (CaO), алюминия (Al2O3), магния (MgO), а также небольшое количество закиси железа (FeO), закиси марганца (MnO) и сульфидов металлов (FeS, MnS, CaS, MgS).
До недавнего времени доменный шлак почти не находил применения. Значительное его количество вывозилось в шлаковых ковшах в отвал. Разработку шлаковых отвалов вели лишь с целью утилизации попавших в шлак корольков чугуна. В настоящее время в связи с развитием техники переработки доменные шлаки широко применяют в качестве сырья для производства различных строительных материалов: цемента, вяжущих веществ, растворов и бетонов, шлаковой пемзы и ваты, дорожной брусчатки и др. Ежегодно перерабатывают и используют около 80% всех шлаков.
Переход металлургических предприятий на работу без шлаковых отвалов высвобождает земельные площади и снижает загрязнение окружающей среды. В перспективе должны быть полная переработка шлаков и постоянное использование старых шлаковых отвалов.
Газы, выходящие из печи через ее верхнюю часть — колошник, называют колошниковыми. Они состоят из СО, СН4, Н2, СО2 и N2. После очистки от пыли газы используют как топливо для нагрева насадок воздухонагревателей, стальных слитков, коксовых батарей, отопления котлов и др. Горючие компоненты в газе: СО, Н2 и СН4.
В процессе очистки колошникового газа получают колошниковую пыль, содержащую 45–55 % Fe в виде оксидов и 5–10 % С. Вынос пыли составляет от 10 до 80 кг/т чугуна. Основная масса пыли поступает на агломерационную фабрику. Можно также использовать колошниковую пыль в качестве наполнителя для асфальтных покрытий и дорог.
2.3.1.СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И НАЗНАЧЕНИЕ ЧУГУНА
Из чугуна можно изготовлять изделия практически любого размера и сложности: от сковородок до коленчатых валов и великолепных изделий искусства. Из всех литых конструкционных материалов он остается главным. О технологичности чугуна можно судить по данным табл. 6.
За многие сотни лет до появления стали чугун использовали прежде всего в земледелии (серпы, мотыги), а также в быту и для ритуальных целей. На Востоке в древности из чугуна отливали колокола, огромные скульптуры и мелкие монеты.
Pig-iron (англ.), Sohweineeisen (нем.) — “свиное железо”, в русском закрепилось слово “чушка”, обозначающее брусок металла, обычно цветного, отлитого в открытую сверху форму. Первоначально “pig-iron” называли получавшийся одновременно с железной крицей нежелательный хрупкий чугун. Затем чушками стали называть чугунные слитки, которые использовали для переплава на сталь. Из-за хрупкости чугун считали отходом производства и выбрасывали. Позже заметили, что он обладает хорошими литейными свойствам, и из него стали отливать пушки, ядра, архитектурные украшения.
Чугуны имеют широкий диапазон свойств и структур. В отличие от стали они обладают высокими литейными свойствами и низкой способностью к пластической деформации. Их технологические свойства зависят от структурных составляющих.
Таблица 6
Технологические свойства литых сплавов
| Свойство | Место литейного сплава по технологическим свойствам | ||||
| СЧ 20 | Сталь 40 Л | Алюминиевый сплав | Сплав магния | Бронза | |
| Жидкотекучесть | I | III | II | V | IV |
| Усадка | V | I | IV | III | II |
| Трещиноустойчивость | I | IV | II | V | III |
| Обрабатываемость | III | V | I | IV | II |
| Свариваемость | V | I | III | II | IV |
Структура чугуна может быть из смеси феррита (Ф) — твердого раствора углерода в железе, цементита (Ц) — химического соединения железа и углерода, перлита (П) — механической смеси цементита (Ц) и феррита (Ф), а также графита (Гр). Причем в перлите всегда содержится 0,8 % углерода. Особенность чугуна и заключается в том, что углерод в нем может находиться в различном состоянии: в свободном (СГр), образуя включения графита, залегающего в металлической основе; в химически связанном (Ссв) — в виде зерен цементита. В структуру чугуна может одновременно входить как графит, так и цементит в различном соотношении.
В зависимости от состояния углерода различают белые, серые и половинчатые чугуны. В табл. 7 приведена характеристика чугунов с различной степенью графитизации, из которой также видно, что для деталей ответственного назначения наилучшим является перлитный; он занимает среди других чугунов первое место по прочности и вязкости и среднее — по твердости. Кроме того, такой чугун имеет повышенные износостойкость и термическую выносливость, что делает его наиболее приемлемым конструкционным материалом машиностроения. Форма графитных включений может быть различной: пластинчатая, точечная, хлопьевидная, шаровидная, стручкообразная (вермикулярная).
Таблица 7
Распределение чугунов по их структуре и свойствам
| Чугуна | Структура | Место по свойствам | ||
| Прочность | Твердость | Вязкость | ||
| Белый | П-Ц | IV | I | V |
| Половинчатый | П-Ц-Гр | II | II | IV |
| Перлитный | П-Гр | I | III | I |
| Перлито-ферритный | П-Ф-Гр | III | IV | II |
| Ферритный | Ф-Гр | V | V | III |
Белый чугун твердый, хрупкий, износостойкий, поэтому его используют, в основном, как полуфабрикат для производства ковкого чугуна, а также для деталей, работающих на износ (прокатные валки, тормозные колодки, рабочие органы дробилок и мельниц) и подвергающихся воздействию высоких температур (колосники, футеровки классификаторов и т. п.).
Большинство отливок производится из серого чугуна — конструкционного материала для производства деталей машин. Структура серого чугуна следующие: металлическая основа, аналогичная стальной, в которой залегают неметаллические графитные зерна, резко ее ослабляющие. Поэтому иногда говорят, что чугун — это “сталь, испорченная графитом”. Но графит в чугуне хотя и снижает его механические свойства, но придает сплаву ряд иных, весьма важных, характеристик (например, более высокие технологические свойства).
В ковком чугуне графит находится в хлопьевидной форме. Название ковких чугунов условное, так как изделия из них получают литьем, и пластической деформации они не подвергаются. Такой чугун получают из белого при специальной термической обработке (отжиге). Отливки из ковких чугунов применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках (картеры, редукторы, фланцы, муфты).
Структура и свойства чугуна определяются не только химическим составом, но и скоростью охлаждения отливки. Заливая чугун одного и того же состава в формы с различной скоростью охлаждения, можно получать разные по структуре чугуны.
В 1948–1949 гг. почти одновременно в США, Англии и СССР был создан новый чугун — высокопрочный с шаровидным графитом. Он имеет большую пластичность, прочность и вязкость, его даже можно ковать почти как сталь. По механическим свойствам значительно превосходит серый чугун.
Отличие химических составов чугуна с шаровидным графитом и серого чугуна с пластинчатым графитом — в ничтожно малом количестве (сотые доли процента) глобуляризующей добавки, обеспечивающей графиту шаровидную форму. Именно потому что новый материал мало отличается от серого чугуна по строению и составу, его отнесли к чугунам, но к чугунам с особо высокими свойствами. Вначале его даже называли сверхпрочным чугуном.
Высокопрочный чугун превосходит сталь по таким свойствам, как износостойкость, термическая выносливость (хорошо сопротивляется действию циклических нагревов), теплоустойчивость (сохраняет свойства при повышенных температурах), коррозионностойкость в агрессивных средах. Каким же образом удается получать вместо обычного хрупкого, малопрочного и непластичного сплава новый конструкционный материал, обладающий технологическими свойствами, приближающимися к характеристикам серого чугуна, а по служебным свойствам превосходящий сталь?
В качестве глобуляризующей добавки (модификатора) используют, в основном, магний, реже — церий, хотя такими свойствами обладают кальций, литий, иттрий. Большое значение имеет способ ввода магния. Существует большое количество таких способов, предложены сотни глобуляризующих лигатур. Например, магний вводится в металл, в "стаканчике", прикрепленном к штанге, или прямо в литейную форму.
Из высокопрочного чугуна изготавливают поршни, поршневые кольца, распределительные валы, головки и блоки цилиндров, трубы грузовых систем танкеров и др.
У чугуна с вермикулярным графитом средние между свойствами серого и высокопрочного чугунов показатели прочности вязкости, пластичности, но меньше, чем у серого чугуна, склонность к скорости охлаждения, и более высокие, чем у высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, стойкость против термических ударов, теплопроводность, циклическая вязкость, более низкий коэффициент термического расширения. А главное — у него ряд преимуществ перед высокопрочным чугуном с шаровидным графитом по технологическим свойствам.
Чугун с вермикулярным графитом успешно можно применять для изготовления деталей сложной конструкции, работающих при повышенных нагрузках, испытывающих большие ударные нагрузки, требующих повышенных износостойкости, демпфирующей способности, термической выносливости. Благодаря хорошим литейным свойствам и обрабатываемости производство деталей из такого чугуна более экономично, чем из чугуна с шаровидным графитом.
Наиболее широкое распространение получили износостойкие чугуны. Износ, т.е. процесс истирания, разрушения поверхности детали при трении о другую поверхность, встречается в большинстве изделий.
Немагнитные чугуны, относящиеся к группе высоколегированных, широко используют в электропромышленности и приборостроении.
Большинство деталей современных машин работает в условиях значительных повторно-переменных нагружений, что требует хорошей выносливости, ибо сплавы, как и человек, устают. Пожалуй, нет сплава, который бы работал в условиях повторно-переменных нагрузок более надежно, чем чугун.
Научившись лить чугунные изделия в песчаных формах в начале XV в., русские мастера раньше других в Европе использовали его для сложных отливок — пушечных ядер, пушек. Впервые в мире отлили пушку невиданной массы — более 65 т (Царь-пушка).
Использовав интересную инженерную находку — специальное водяное охлаждение песчаного стержня, заполнявшего полость ствола, они добились почти двойного повышения прочности сплава в наиболее ответственной части пушки. И Царь-пушка при испытании показала прекрасные свойства, не уступая бронзовым пушкам, которые в то время использовались в мире.
Нельзя не отметить роль чугуна в художественном литье. Начиная с XVIII в., он привлекает внимание архитекторов и скульпторов. Больше всех в мире изготовлением чугунных художественных отливок прославился Урал (г. Касли). В уральских художественных отливках каждый узор, каждая деталь передается искусно и тонко, порой даже не верится, что они сделаны из металлического сплава.
Литые ансамбли Санкт-Петербурга, Москвы, знаменитых усадеб никого не могут оставить равнодушными, так как они отличаются ажурностью, высокой художественностью и прекрасным исполнением.
2.3.2.ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА
Производительность печи оценивается в тоннах передельного чугуна, выплавляемого в печи в сутки. Если выплавляют чугун других марок, то при помощи определенных коэффициентов их пересчитывают на передельный. Например, для литейного чугуна коэффициенты пересчета 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 кубических метрах 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.
Производительность доменных печей зависит от сорта выплавляемого чугуна. Для сопоставления работы печей в формулу к.и.п.о. вносят выплавку передельного чугуна в тоннах в сутки. А при выплавке других марок чугуна вводятся переводные коэффициенты, которые равны:
Передельный мартеновский чугун 1,00,
Передельный высококачественный 1,34,
Литейный чугун 1,26,
Доменный ферросилиций 2,5,
Доменный ферромарганец 2,5.
Удельный расход кокса. Поскольку кокс является дорогим топливом и в настоящее время дефицитным, то его расход является одним из важнейших показателей процесса получения чугуна. Удельный расход кокса непосредственно влияет на производительность печи. При одной и той же интенсивности плавки производительность возрастает по мере снижения расхода кокса. Средний расход кокса в России составляет около 540 кг/т чугуна, на лучших доменных печах мира — 360 кг/т.
2.3.3.СПОСОБЫ ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА
Улучшение подготовки и качества сырых материалов: повышение прочности агломератов, отсев мелких фракций, обеспечение однородности и 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 агломерата 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 %.
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.
Применение высоконагретого дутья. Дутье создает воздушную подушку, на которой держится вся масса сырья, заполняющего внутреннее пространство печи.
Дутье — столь важный фактор, что доменщики ввод печи в эксплуатацию называют задувкой. На каждый 1 м3 полезного объема печи воздуходувка подает более 2000 м3 воздуха в минуту. Этот ураган обеспечивает горение огромной массы кокса.
Впервые нагрев дутья до 150 °С применили в 1829 г. 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 снижения расхода кокса. С горячим дутьем в доменную печь поступает большое количество физического тепла. Это заменяет тепло, которое получают от сжигания кокса.
При повышении температуры дутья от 1000 до 1200 °С расход кокса снижается на 4,5 %. В ближайшее время температура дутья может достичь 1250–1400 °С, что потребует разработки новых конструкций воздухонагревателей и более стойких огнеупоров.
Вдувание топлива в печь для замены кокса. Самой дорогой составляющей шихты доменного процесса является кокс. На долю кокса приходится 40–50 % себестоимости передельного чугуна. Поскольку заменить полностью кокс в доменном процессе пока невозможно, ученые и металлурги всего мира постоянно ищут топливно-восстановительные добавки, позволяющие снизить расход кокса (так называемое комбинированное дутье). В настоящее время такими добавками являются кислород, природный газ, мазут, пылеугольное топливо.
При увеличении содержания кислорода в дутье до 30 % производительность печи повышается на 10 %, а расход кокса уменьшается на 9 %. Расход природного газа на дутье обогащенным кислородом до 30 % составляет 150–200 м3/т чугуна.
Практически применение природного газа является сейчас эффективным только в Северной Америке и России (причем используется газ собственных месторождений), а использование мазута экономически целесообразно для условий Западной Европы. В остальных регионах мира, где производятся черные металлы, основным заменителем кокса служит пылеугольное топливо (табл. 8). Пылеугольное топливо (ПУТ) нашло широкое применение в 1993–1996 гг. в связи с необходимостью реконструкции большого числа коксовых батарей.
Таблица 8
Затраты основных энергоносителей на производство чугуна в главных регионах мира (1998 — первая половина 1999 гг.)
| Регион | Доля от мирового производства чугуна, % | Общие затраты энергии в аглодоменном переделе, ГДж/т чугуна | Затраты энергоносителей, кг/т чугуна | |||
| Кокс | Пылеуголное топливо | Нефтепродукты | Природный газ | |||
| Западная Европа (страны ЕС) | 19 | 16,19 | 360 | 84 | 37 | 0 |
| Северная Америка (США и Канада) | 12 | 16,07 | 375 | 77 | 21 | 14 |
| Дальний Восток (Япония, Южная Корея, Тайвань) | 22 | 15,68 | 360 | 120 | – | – |
| Китай, Индия, Северная Корея | 24 | 20,73 | 620 | 30 | – | – |
| СНГ и Восточная Европа | 13 | 19,00 | 530 | – | 0 | 65 |
| Мир в среднем | – | 17,68 | 456 | 65 | 11 | 22 |
Расход мазута составляет 60 кг/т чугуна. Это топливо вызывает в доменном процессе те же изменения, что и природный газ. Использование мазута повышает производительность доменных печей на 2 % и снижает расход кокса на 8–16 %.
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 является совместное применение природного газа и угольной пыли.
Во многих странах мира (Японии, Германии, Южной Корее, Бразилии, Китае и др.) в настоящее время ведутся активные исследования применения в агломерационном и доменном производствах техногенных энергоносителей: пластмасс, древесных опилок, отработанных технических масел, спиртов, пищевых отходов производства сахара, риса, муки и т. п. Наиболее перспективным большинством специалистов признается применение в качестве заменителя кокса отходов пластмасс как производственных, так и в виде ТБО. Пластмассы по энергометаллургическим характеристикам не уступают либо превосходят известные топливно-восстановительные материалы (табл. 9).
Впервые пластмассы начала использовать в доменной печи немецкая фирма “Штальверке Бремен ГмбХ” в 1993 г. Для подачи пластмасс в фурмы была использована модернизированная система вдувания ПУТ. Предварительная подготовка пластмассовых ТБО включала сортировку, после которой пленочные материалы плавили и гранулировали, а твердые пластмассы дробили. Затем оба компонента смешивали и вдували в доменную печь.
Таблица 9
Сопоставление химического состава пластмасс с другими видами топлив, %
| Составные элементы топлив | Топливные добавки к доменному дутью | |||
| Природный газ | ПУТ | Мазут | Пластмассы | |
| Углерод | 70–75 | 75–80 | 85–87 | 75–80 |
| Водород | 22–26 | 4–5 | 10–12 | 10–14 |
| Зола | 0 | 8–12 | 0,05–0,10 | 4–6 |
| Сера | Менее 0,001 | 0,6–1,2 | 2,0–2,5 | 0,5–1,5 |
| Хлор | 0 | 0,1–0,3 | Менее 0,05 | До 1,5 |
| Фтор | 0 | Менее 0,01 | до 0,001 | До 1,5 |
| Калий | 0 | 0,2–0,3 | до 0,001 | 0,03–0,06 |
| Натрий | 0 | Менее 0,1 | до 0,001 | 0,08–0,12 |
| Теплота сгорания, МДж/м3 | 30,0–38,5 | 13,0–28,0 | 40,0–42,5 | 38,0–45,0 |
Повышение давления газов 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. Расход кокса снижается потому что повышается эффективность использования газов в печи.
Кроме повышения производительности печи на 5–7 % и снижения расхода кокса, повышение давления способствует уменьшению выноса пыли из-за снижения скорости газов на колошнике на 20–50 %.