Шихтовые материалы для производства стали

Основным шихтовым материалом кислородно-конвертерного процесса является жидкий чугун. Состав чугунов, перерабатываемых на разных заводах изменяется в широких пределах: 3,7–4,6 % С; 0,4–2,6 % Mn; 0,3–2,0 % Si; 0,02–0,08 % S; 90 % СаО,

Плавиковый шпат — эффективный разжижитель шлака. Он содержит 75–92 % CaF₂, основной примесью является SiO₂. Железная руда, агломерат и окатыши должны содержать не более 8 % SiO₂, размер кусков руды должен быть 20–50 мм. Боксит содержит 37–50 % А₂О₃, 10–20 % SiO₂ и 12–25 % Fe₂O₃; обычно в нем также много влаги (10–20 %), что требует предварительной просушки во избежание внесения в сталь водорода.

Шихтовые материалы

Для получения стали в электропечах необходимы следующие шихтовые материалы: металлическая часть, шлакообразующие, окис­лители, добавочные материалы (раскислители и легирующие) и науглероживатели.

Металлическая часть

Основу шихты для электро­печей составляет металлический лом: на одну тонну выплавляемой в электропечах стали в среднем расходуется около 950 кг лома. Примерно треть этого количества составляют брак, литейные от­ходы, обрезь слитков, отходы при прокатке и ковке, а также стружка от обдирки слитков, т. е. собственные отходы металлургических за­водов. Остальная часть складывается из отходов, возвращаемых заводами-потребителями, направляемого в переплав изношенного и устаревшего оборудования и инструмента и лома, собранного отделениями Вторчермета. Кроме того, в ограниченных количествах используется специально выплавляемая шихтовая заготовка — мяг­кое железо, а также передельный чугун и металлизованные ока­тыши.

Металлический лом делится на две категории: группа нелегиро­ванных (А) и легированных (Б) отходов.

Нелегированный (углеродистый) лом не должен быть загрязнен цветными металлами (свинцом, цинком, оловом и др.), особенно ни­келем, медью и мышьяком, которые практически полностью пере­ходят из шихты в металл и могут оказать существенное влияние на его свойства. Нежелательно также, чтобы в углеродистых отходах содержалось фосфора более 0,05%, так как удаление таких коли­честв фосфора потребует продолжительного окислительного периода.

Поэтому металлический лом должен быть освобожден от лома цвет­ных металлов и рассортирован по происхождению. Знание проис­хождения лома позволяет примерно оценить его состав и более пра­вильно использовать его.

На заводах качественных сталей в электросталеплавильных цехах выплавляют сотни различных марок легированной стали. Часть из них содержит элементы, не поддающиеся окислению и трудно уда­ляемые при пользовании обычными процессами. Отходы, содержащие такие элементы, могут быть использованы при выплавке стали опре­деленного сортамента. Отходы легированных сталей должны быть рассортированы в группы, близкие по составу марок, и храниться отдельно от других отходов. Отходы некоторых наиболее сложно ле­гированных марок следует хранить помарочно.

Металлический лом должен иметь определенные габариты. Мел­кий лом, как правило, более окислен, замусорен и загрязнен маслом. Значительная окисленность лома не позволяет точно оценить долю угара металла, что чревато непопаданием в заданный химический состав готовой плавки. Разложение в зоне дуг ржавчины (гидрата окиси железа) и масла приводит к появлению в атмосфере печи ато­марного водорода, интенсивно поглощаемого металлом.

Малая насыпная масса мелкого лома не позволяет завалить в печь всю шихту в один прием, вследствие чего, после расплавления первой порции шихты, приходится осуществлять подвалку. Это снижает производительность печи и увеличивает потери тепла.

Особые заботы доставляет переплав стружки. Длинная витая стружка затрудняет загрузку; как правило, она сильно загрязнена маслом и уже на месте получения смешивается с отходами стали дру­гих марок, а часто и со стружкой цветных металлов. По этим при­чинам стружку следует переплавлять на заводах Вторчермета и элек­тросталеплавильным цехам поставлять изготовленные из нее пас­портные болванки с известным химическим составом. Стружка, по­ставляемая непосредственно в электросталеплавильные цеха, должна быть спрессована и обожжена. Дополнительные затраты на под­готовку стружки вполне окупаются экономией, получаемой при ис­пользовании доброкачественной шихты.

Нежелательно, чтобы в шихте были чрезмерно крупные куски — бракованные слитки, недоливки и т. п. В дуговой печи можно рас­плавлять крупногабаритный лом, но продолжительность плавления при этом увеличивается, длительное время приходится работать на высокой мощности, что отрицательно сказывается на стойкости фу­теровки. По этой причине максимальная масса отдельных кусков не должна превышать одной пятидесятой массы всей садки.

Для производства стали некоторых марок в состав шихты вводят специально выплавленную предварительно заготовку. Чаще всего она по своему составу представляет собой низкоуглеродистую сталь с ограниченным содержанием углерода, фосфора и серы, т. е. мягкое железо, полученное методом плавки на свежей шихте.

Мягкое железо должно быть в менее крупных кусках, чем леги­рованные отходы, так как в связи с низким содержанием углерода оно плавится при более высокой температуре. Поэтому слитки мяг­кого железа прокатывают на заготовку, которую затем рубят на куски определенного размера.

Мягкое железо намного дороже углеродистого лома и его исполь­зование отрицательно сказывается на себестоимости стали. Исполь­зование в шихте мягкого железа может быть оправдано только серьез­ными технологическими затруднениями выплавки стали нужной марки.

Следует отметить, что для электропечной плавки характерен постоянно наблюдаемый недостаток качественного лома. В связи с этим в течение длительного времени изыскивают материалы, ко­торые могли бы заменить лом. В частности, неоднократно предпри­нимались попытки заменить часть лома передельным чугуном. Однако все эти попытки заканчивались, как правило, неудачно.

Передел чугуна в сталь заключается в окислении находящихся в нем в избыточных количествах углерода, кремния, фосфора. Элек­тропечи, плохо приспособлены для про­ведения окислительных процессов, поэтому использование их для передела значительного количества чугуна нецелесообразно.

Обнадеживающие результаты получены при использовании в шихте электропечей полупродукта — предварительно продутого в реакторе чугуна. Однако появление и совершенствование кисло­родно-конвертерного процесса сделали более целесообразным пере­работку чугуна в сталь монопроцессом в конвертере. В последние годы проводятся интенсивные всесторонние исследо­вания плавки стали в электропечах с использованием высокометаллизированных окатышей (90—95% Fе_общ, 85—90% Fе_мет). По­строены промышленные комплексы для работы с непрерывной за­грузкой окатышей в дуговую печь и с непрерывной разливкой ме­талла. Использование чистых по сере, фосфору и сопутствующим примесям металлизованных окатышей позволяет при обычном качестве шихты выплавлять, применяя этот процесс, качественные стали.

Плавка металлизированных окатышей в электропечах (бездоменный процесс) при успешном решении проблемы эффективного вос­становления окатышей может оказаться более эффективной по всем показателям, чем выплавка стали из чугуна в конвертерах.

Шлакообразующие

При выплавке стали в основных дуговых печах для образования основного шлака используют из­весть, известняк, плавиковый шпат, шамотный бой и песок. В кислых печах шлак наводят из песка, шамотного боя и извести.

Наиболее важной составляющей шлаковых смесей является из­весть, которую получают обжигом известняка в шахтных печах при температуре 1100— 1300°С. При обжиге углекислый кальций из­ вестняка разлагается на окись кальция и углекислый газ СаС0₃ → CaO + СО_2.

Химический состав обожженной извести приведен в таблице 1. Таблица 1 — Химический состав шлакообразующих и окислителей

Содержание серы в известняке в большинстве случаев низкое, однако оно возрастает после обжига за счет серы топлива. Повышенное со­держание серы в шлаке затрудняет процесс десульфурации металла.

Содержание других окислов в извести ограничивают по следующим соображениям: кремнезема, чтобы при заданной основности шлака количество его было меньше; окиси магния, чтобы шлак был более жидкотекучим и активным; окислов железа, чтобы не затруднять процесс десульфурации.

Для выплавки высококачественной стали используют только свежеобожженную известь. При хранении известь интенсивно погло­щает влагу из воздуха с образованием гидроокиси кальция [СаО + Н₂О → Са (ОН)₂], которая рассыпается в порошок. Влага, вне­сенная известью, в печи разлагается на кислород и водород, вызывая обогащение стали водородом. Поэтому применение пылеватой из­вести, так называемой «пушонки», в электропечах совершенно не­ допустимо.

Вместо извести в окислительный период можно пользоваться не­ обожженным известняком. Применяют известняк, содержащий не менее 97% СаСО₃ (не менее 54% СаО). Известняк не гигроскопичен, его можно длительное время хранить. Разложение углекислого кальция в электропечи вызывает выделение пузырьков СО₂, которые обеспечивают перемешивание металла и шлака и способствуют дега­зации металла. Окислительный углекислый газ окисляет примеси в металле, в частности углерод.

Отрицательной стороной применения известняка вместо извести является дополнительная затрата электроэнергии на разложение карбоната кальция.

Для разжижения высокоосновных шлаков применяют плавико­вый шпат, песок и шамотный бой. Особенно сильно понижает его вязкость CaF_2. К тому же использование CaF₂ позволяет разжижать высокоосновные шлаки без уменьшения их основ­ности, что чрезвычайно важно для эффективного удаления серы.

Поэтому широкое применение для наводки шлака получил плавико­вый шпат, который в случае его использования при электроплавке должен содержать 90—95% CaF₂, не более 3,0% SiO₂ и не более 0,2 % S.

Песок также понижает температуру плавления основных шлаков, но при этом понижается и основность шлака. Поэтому в основных печах песок находит ограниченное применение, в то время как в кис­лых печах он является главным шлакообразующим материалом.

Основное требование, предъявляемое к песку, — высокое (минимум 95%) содержание SiO₂.

При выплавке нержавеющих сталей и для разжижения густых магнезиальных шлаков иногда используют бой шамотных огнеупоров, содержащих примерно 60% SiO₂ и 35% Аl₂O₃.

Окислители

Для интенсификации окислительных про­цессов в металл необходимо вводить кислород. Источниками кисло­рода служат железная руда, окалина и агломерат. Широкое распро­странение получила продувка металла газообразным кислородом.

Железную руду применяют при выплавке стали методом полного окисления. Присадка руды небольшими порциями обеспечивает дли­тельное равномерное кипение металла без повышения его темпера­туры, так как присаживаемая руда постоянно охлаждает металл. Это имеет особое значение для эффективного удаления фосфора.

Руду используют в завалку и в окислительный период. Руда, присаживаемая в окислительный период через шлак, должна быть в кусках определенного размера, желательно 50— 100 мм в диаметре.

Мелкая руда растворяется в шлаке, а крупные куски вызывают бурное вспенивание металла и шлака. Кроме соответствия требованиям, касающимся определенного раз­мера кусков, руда должна удовлетворять и требованиям по хими­ческому составу: в ней должно содержаться много окислов железа и мало кремнезема, серы и фосфора (таблица 1). Наиболее богатой яв­ляется криворожская руда, но в ней содержится довольно много фосфора и серы. Чистая по сере и фосфору бакальская руда харак­теризуется повышенным содержанием пустой породы, что вызывает понижение основности шлака, увеличение его количества и требует дополнительных затрат электроэнергии.

Иногда вместо руды используют заменители — агломерат и ока­лину от проката. Окалина от проката углеродистых сталей является наиболее чистым окислителем, но вследствие малого удельного веса она задерживается в шлаке. Необходимо учитывать также, что про­катная и кузнечная окалина может содержать легирующие элементы, которые целесообразно использовать.

Для интенсификации окисления углерода во время окислитель­ного периода плавки на свежей шихте, а также для быстрого повыше­ния температуры металла, окисления избыточного углерода и со­путствующих примесей при переплаве легированных отходов широко применяют продувку металла кислородом. Газообразный кислород чистотой около 99,5% подают в ванну под давлением 1—2 МПа (10— 12 ат).

Основное требование, предъявляемое к газообразному кислороду, низкое содержание влаги (не более 1 г/м 3 ). Поэтому перед продув­кой кислород должен быть осушен в специальных поглотителях влаги.

Раскислители и легирующие

Для раскисления стали и ее легирования раскислители и легирующие элементы при­меняют в чистом виде или в виде сплавов с железом или друг с дру­гом.

Наибольшее распространение для раскисления и легирования стали получили металлические алюминий, никель, хром, марганец, молибден, кобальт и титан, ферросплавы — ферросилиций, ферромарганец, феррохром, ферровольфрам, феррованадий, ферромолиб­ден, ферротитан, феррониобий, ферробор и другие, а также комплекс­ные сплавы— силикомарганец, силикокальций, силикоцирконий, силикоалюминий, сплавы алюминия, марганца и кремния, кремния, кальция и алюминия и другие.

Сплавы, применяемые в качестве раскислителей и легирующих, должны удовлетворять ряду требований:

1. Содержание основного легирующего элемента в сплаве должно быть максимальным. При низком содержании легирующих элементов увеличивается масса присадки, что удлиняет время ее проплавления и ведет к увеличению расхода электроэнергии и снижению произво­дительности печи. Исключение составляют ферросплавы тугоплав­ких металлов — ферровольфрама и ферромолибдена, для более быстрого растворения которых желательно иметь более низкое их содержание в сплаве.
2. Сплавы должны быть чистыми от вредных для стали примесей, шлаковых включений и газов. Это особенно важно, потому что значительную часть их присаживают в печь лишь к концу плавки, когда рафинирование ванны уже закончено.
3. Куски сплавов должны быть определенного габарита. Наличие крупных кусков удлиняет время их растворения, затрудняет точ­ность взвешивания и может быть причиной повышенного расхода сплава.

Науглероживатели

К числу науглероживателей при­надлежат материалы, содержащие углерод и используемые для уве­личения содержания углерода в металле. Они входят либо в состав шихты, либо их вводят в жидкий металл. Для науглероживания в электросталеплавильных цехах используют главным образом кокс и электродный бой, в редких случаях (вследствие дефицита) — дре­весный уголь и сажу.

Основное требование, предъявляемое к науглероживателям, за­ключается в том, что они должны быть чистыми по вредным приме­сям (главным образом иметь низкое содержание серы) и вносить мало золы.

Исходными металлическими материалами для производства стали являются чугун (жидкий или твердый), стальной лом (скрап), продукты прямого восстановления железа (металлизованное сырье), ферросплавы. Самая дешевая часть металлошихты – лом. В любой промышленной стране ежегодно образуется значительное количество этого материала.

В зависимости от происхождения лом разделяют на три большие категории:

1) собственные отходы черной металлургии и литейного производства (circulating scrap). Фактически эти отходы полностью идут на переплавку на производственных предприятиях, за исключением незначительного обмена между заводами;

2) отходы металлообрабатывающих заводов (process scrap). В данном случае речь идет о «неизбежном ломе», который во избежание загромождения, производственное предприятие вынуждено продавать – следовательно, объем таких отходов на рынке тесно связан с уровнем промышленного производства;

3) утильный или амортизационный лом (capital scrap), который включает все забракованные или устаревшие металлические изделия, начиная от промышленного превращения в скрап, и, кончая бытовыми отходами. Весь металлолом, вне зависимости от его происхождения, практически полностью используется в черной металлургии.

На рис. 30. представлены основные источники образования лома и отходов черных металлов и их доля (по оценке АО «Втормет» на 2000 г.).

Количество собственного (оборотного) лома на металлургических предприятиях зависит от объема выплавки жидкой стали и уровня использования непрерывной разливки.

В последнее время, в связи с ростом доли непрерывной разливки, количество оборотного лома постоянно уменьшается. С 1990 по 1997 гг. объем стали, разливаемой на машинах непрерывной разливки, увеличился с 23,1 до 46,5 %, что привело к снижению отходов оборотного лома почти на 28 %.

Доля отходов металлообрабатывающей и машиностроительной отраслей в ресурсах лома также снижается за счет совершенствования технологических процессов металлообработки. В то же время объем использования амортизационного лома увеличивается (рис. 31). Для России характерна такая же тенденция. Количество амортизированного лома определяется металлофондом страны и срока службы металла в различных видах основных средств. Ниже приведены нормативные сроки службы производственных и непроизводственных зданий, некоторых видов рабочих машин и транспортных средств, лет:

Здания производственного и непроизводственного назначения	40…100
Металлорежущее оборудование	12…15
Оборудование литейного производства	6…10
Кузнечно-прессовое производство	10…16
Насосы	3…8
Машины и оборудование:
подъемно-транспортные	8…20
для бетонных и отделочных работ	5…10
для дорожно-строительных работ	5…15
для подземных и открытых горных работ	3…7
черной металлургии	10…20
цветной металлургии	8…17
Сельскохозяйственные машины	5…10
Железнодорожный подвижный состав	15…30
Суда:
морские	14…27
речные	21…36
рыболовецкие	16…20
Автомобильный транспорт	6…12

Средний срок службы металла в основных фондах составляет 24 – 25 лет, т.е. металл, вложенный в основные фонды, через 25 лет превращается в амортизационный лом. Таким образом, ресурсы амортизационного лома 2000 г. должны соответствовать объему металловложений в основные фонды в 1975 г., ресурсы лома 2020 г. – объему металловложений в 1995 г.

Ржавчина занимает больший объем , чем железо, из которого она образуется. Это явление может вызывать катастрофические последствия. Каменные блоки собора святого Павла в Лондоне (1675-1710_ были скреплены железными скобами, положенными поверх рядов камня в желобах. За сотни лет скрепы проржавели, увеличились в объеме и стали поднимать слои камня. Колокольню собора стало наклонять. Потребовалось разобрать кладку и заменять скобы на нержавеющую сталь.

Купол над читальным залом Британского музея (1854-1858) держится ржавчиной. Чугунные детали его решетки скрепили «замазкой» из железных опилок с нашатырем, замешанным на воде. Опилки быстро превратились в ржавчину, смесь отвердела и плотно заполнила щели между деталями. Она туго распирает детали, прижимая их друг к другу.

По статистическим данным реально списывается в амортизационный лом не более 30 – 50 % его потенциальных ресурсов. Это связано со следующими причинами:

– убыточность или слишком низкая рентабельность работы с вторичным сырье в отдаленных от перерабатывающих предприятий районах Восточной и Северо-Восточной России;

– качество амортизационного лома ухудшается. Возрастает доля низкосортного легковесного лома, содержащего примеси цветных металлов, а отечественные предприятия по подготовке лома к плавке оснащены устаревшим оборудованием, не способным выполнить требования заказчика по качеству вторичных металлов;

– ужесточение требований к качеству выплавляемой стали по содержанию вредных примесей ограничивает применение в шихте не только низкокачественных, но и высококачественных оборотных отходов;

– меняющаяся конструкция дуговых сталеплавильных печей, вывод из строя мартеновских печей предъявляют специфические требования к вторичным металлам по физическим и химическим параметрам.

Основными качественными показателями металлолома как шихтового материала являются насыпная плотность, химическая однородность, содержание неметаллических примесей (земли, песка, ржавчины, масла, деталей из органических материалов и т. д.) и цветных металлов. Для приведения лома в удобное для использования состояние производят его предварительную подготовку: сортировку, разделку, дробление, прессование, пакетирование, обжиг и т. д. Сбором всех видов лома, его подготовкой, занимаются специализированные предприятия (Вторчермет). Несмотря на то, что для этого требуются значительные затраты, эти затраты (на 1 т) ниже затрат на добычу, обогащение железной руды и получение из нее чугуна. Поэтому лом, даже после переработки, стоит дешевле чугуна. Кроме того, при использовании лома на производство стали требуется меньше в 2,5 раза энергетических ресурсов, чем при применении чугуна (энергоемкость лома составляет 302 кг условного топлива/т, а чугуна – 757 кг условного топлива/т).

Использование вторичных черных металлов в качестве сырья позволяет сохранить природные ресурсы, улучшить экологическую обстановку: так пылегазовыделение при подготовке 1,25 т лома составляет 0,99 кг/т, а при производстве чугуна – 27,7 кг/т. Экологический ущерб природе от коррозии металлофонда, невозвращающегося для повторного использования составляет около 7 млрд. руб. в год.

В качестве добавочных материалов (флюсов) в сталеплавильном производстве используют известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, марганцевую руду, песок (около 95 % SiO₂), шамотный бой. Ко всем добавочным материалам предъявляют высокие требования по содержанию вредных примесей (серы, фосфора и др.).

Окислителями являются кислород, сжатый воздух, железная руда, окалина, железорудные брикеты.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском: