Отчет по практике в ОАО "ММК"

      С_к + О₂ + 3,76N₂ = CO₂ + 3,76N₂ + 400,928 МДж,

      С_к + 0,5О₂ + 1,88N₂ = СО₂ + 1,88N₂ + 117,565 МДж.

      Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода неустойчив и превращается в оксид углерода по реакции:

      СО₂ + С = 2СО - 165,797 МДж.

      Таким образом, за пределами зон горения горновой газ состоит из оксида углерода, азота и небольшого количества водорода, образовавшегося при разло-жении водяных паров или природного газа. Смесь этих паров, содержащая 32-36% СО; 57-64% N₂ и 1-10% Н₂ и нагретая до 1800-2000°С, поднимается вверх и передает тепло материалам, постепенно опускающимся в горн вследствие выго-рания кокса, образования чугуна и шлака и периодического выпуска их из домен-ной печи. При этом газы охлаждаются до 200-450°С, а оксид углерода, отнимая кислород из оксидов железа, превращается частично в диоксид углерода, содер-жание которого в доменном газе на выходе из печи достигает 14-20%. Кроме ок-сида углерода, восстановителями являются водород и твердый углерод. Шихто-вые материалы загружают в доменную печь при помощи засыпного аппарата отдельными порциями - подачами. Они располагаются на колошнике чередую-щимися слоями кокса, руды или агломерата и флюса при работе на неполностью офлюсованном агломерате. Загрузку подач производят через 5-8 мин по мере освобождения пространства на колошнике в результате опускания материалов.

      В процессе нагревания опускающихся происходит удаление из них влаги и летучих веществ кокса и разложение карбонатов. Оксиды железа под действием восстановительных газов СО и Н₂, а при температуре выше 1000°С и твердого углерода кокса постепенно переходят от высших степеней окисления к низшим, а затем - в металлическое железо по схеме Fe₂O₃ - Fe₃O₄ - FeO - Fe. Свежевосстанов-ленное железо заметно науглероживается еще в твердом состоянии. По мере науг-лероживания температура плавления его понижается.

      При температуре 1000-1100°С восстановление железа почти заканчивается и начинает восстанавливаться более труднорастворимые элементы - кремний, марганец и фосфор. Науглероженное железо, содержащее около 4% углерода и некоторое количество кремния, марганца и фосфора, плавится при температуре 1130-1150°С и стекает в виде капель чугуна в горн. В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы руды и флюса (SiO₂, A1₂O₃, CaO, MgO). Понижению температуры плавления шлака способствует невосстановленные оксиды железа и марганца (FeO и МnО). В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляется вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса - и зола. При взаимодействии жидких продуктов плавки с раскаленным коксом в заплечиках и горне происходит усиленное восстановление кремния, марганца и фосфора из их оксидов, растворенных в шлаке. Здесь же поглощенная металлом в ходе плавки сера переходит в шлак. Железо и фосфор печи полностью восстанавливаются и переходят в чугун, а степень восстановления кремния и марганца и полнота уда-ления из чугуна серы в большей мере зависят от температурных условий, хими-ческого состава шлака и его количества. Жидкие чугун и шлак разделяются в горне благодаря различным удельным массам. По мере скопления их в горне чугун выпускают через чугунную летку, а шлак - через шлаковые летки (верхний шлак) и чугунную летку во время выпуска чугуна (нижний шлак).

      Все перечисленные процессы протекают в доменной печи одновременно, оказывая взаимное влияние. 
 
 
 
 

      Сталеплавильное производство.

      1. Сталеплавильные шлаки.

      Выплавка стали обычно сопровождается процессами окисления железа и его примесей, а также процессами разъедания футеровки сталеплавильных агрегатов.

      В шихте, загружаемой в сталеплавильные агрегаты, всегда имееется большее или меньшее количество загрязнений. Кроме того, при ведении плавки в ванну обычно добавляют различные флюсы и добавочные материалы. В результате образуется неметаллическая фаза, называемая шлаком.

      Основные источники образования шлака следующие:

• Продукты окисления примесей чугуна и лома - кремния, марганца, фосфора, серы, хрома и других элементов (SiO₂, MnO, P₂O₃, FeS, MnS, CrО₃ и др.).
• Продукты разрушения футеровки агрегата - при разъедании основной футеровки (доломита, магнезита) в шлак переходят CaO, MgO, при разъедании кислой (динас) - SiO₂.
• Загрязнения, внесенные шихтой (песок, глина, мик-серный шлак и т.п.), - SiO₂, Al₂O₃, MnS и т.п.
• Ржавчина, покрывающая заваливаемый в сталеплавильные агрегаты лом, - оксиды железа.
• Добавочные материалы и окислители (известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, железная и марганцевая руды и т.п.) - CaO, A1₂O₃, SiO₂, FeO, Fe₂O₃, MnO, CaF₂

      В каждом конкретном случае степень влияния перечисленных загрязнений на состав шлаков различна. Вводя после соответствующего расчета то или иное количество определенных добавок, добиваются получения шлака нужного состава. При необходимости проводят операции обновления (скачивания) шлака, когда определенное количество шлака (иногда почти 100 %) удаляют из агрегата, а затем вводя нужное количество тех или иных добавок, "наводят" новый шлак необходимого состава.

      После отбора пробы шлака и проведения соответствующего анализа (состав шлаков устанавливают методами аналитической химии и спектрального анализа) сталевар получает данные (в %) о том, сколько в этой пробе шлака содержится CaO, SiO₂, A1₂O₃, FeO, MnO и других соединений. Приходится, однако, учиты-вать, что в лаборатории подвергают анализу шлак, уже застывший после отбора пробы из печи. В печи же (в агрегате) шлак находится в расплавленном состоя-нии. Жидкие расплавленные шлаки в металлургическом агрегате характеризуются наличием между составляющими шлака и ковалентной, и ионной связи.

      Шлаки, в которых преобладают основные окислы (CaO, MgO, MnO, FeO), называют основными шлаками, а шлаки, в которых преобладают кислотные оксиды (SiO₂, Al₂О₃) - кислыми шлаками. В зависимости от характера шлаков и процессы называют основными или кислыми. Обычно и характер огнеупорных материалов, из которых сделана сталеплавильная ванна, соответствует характеру процесса (характеру шлака). Например, ванну печей, в которых осуществляют кислый мартеновский процесс, изготовляют из кислых огнеупорных материалов. Иначе шлак будет энергично взаимодействовать с огнеупорной футеровкой и разрушать ее (кислотные оксиды активно взаимодействуют с основными). В тех случаях, когда в агрегате вообще нет футеровки (например, при электрошлаковом переплаве), состав шлака может быть любым.

      Кислые шлаки состоят главным образом из кислотного оксида SiO₂ и некоторого количества таких основных оксидов, как FeO и MnO. Составы кислых шлаков характеризуются степенью их кислотности (или просто "кислотностью"), выражаемой обычно отношением SiO₂/(FeO + MnO).

      Роль шлака в сталеплавильном производстве чрезвычайно велика. Удалее-ние, например, из металла таких вредных примесей, как сера и фосфор, заключа-ется в переводе этих элементов в шлак и создании условий, препятствующих их обратному переходу из шлака в металл. Изменяя состав шлака, его количество и температуру, можно добиться увеличения или уменьшения содержания в металле марганца, кремния, хрома и других элементов. Поэтому во многих случаях задача сталеплавильщика заключается в получении шлака необходимой консистенции и химического состава.

      2. Основные реакции сталеплавильных процессов.

      Поскольку сталь получают обычно из чугуна и лома в результате окисления и удаления содержащихся в них примесей (кремния, марганца, фосфора и др.), особое значение в сталеплавильной практике имеют реакции окисления. Кисло-род для протекания этих реакций поступает или из атмосферы, или из железной руды, или из других окислителей, или при продувке ванны газообразным кисло-родом.

      При контакте с металлом и шлаком окислительной атмосферы, содержащей кислород в виде О₂, СО₂ или Н₂О, образуются высшие оксиды железа, обогащаю-щие шлак кислородом (например, СО₂ + 2FeO = Fe₂О₃ + СО). Температура плавле-ния стали в зависимости от состава колеблется обычно в пределах 1400-1530°С, а перед выпуском фактически составляет обычно 1550-- 1650 °С. Таким образом, рассматриваются расплавы, относительно слабо перегретые по сравнению с линией ликвидуса. У таких расплавов влияние типа структуры, свойственной твердому состоянию, сохраняется и при температурах, превышающих линию ликвидуса. При этом сохраняется так называемый "ближний" порядок располо-жения атомов в расплаве. Эта "структура" жидкого металла меняется в зависимо-сти от состава сплава и его температуры.

      Углерод, растворенный в металле, при температуре, свойственной сталепла-вильным процессам, окисляется в основном до СО. При очень низких концентра-циях углерода кроме реакции С + О = СО следует учитывать также реакцию С +О₂ = СО₂. Скорость протекания реакции окисления углерода (реакции обезугле-роживания) определяется интенсивностью подвода окислителя и условиями обра-зования и выделения продукта реакции - оксидов углерода. Чтобы пузырек СО мог образоваться в металле, он должен преодолеть давление расположенного над ним столба металла, шлака и атмосферы, а также силы сцепления жидкости (преодоление сил поверхностного натяжения): Углерод, растворенный в металле, может окислять кислород:

      а) содержащийся в газовой фазе

      С+ 1/2О₂ = СОт;

      при протекании этой реакции выделяется значительное количество тепла;

      б) содержащийся в оксидах железа

      С + FeO = Fe + СО;

      эта реакция идет с поглощением заметного количества тепла;

      в) растворенный в металле С + [О] = СО;

      при протекании этой реакции выделяется очень небольшое количество тепла. Эту реакцию называют часто основной реакцией сталеплавильного производства.

      Сера обладает неограниченной растворимостью в жидком железе и ограни-ченной в твердом. При кристаллизации стали по границам зерен выделяются застывающие в последнюю очередь сульфиды железа. Железо и сульфид железа образуют низкоплавкую эвтектику (температура плавления 988 °С), которая при наличии кислорода (образование оксисульфидов) плавится при еще более низких температурах. Межзеренные прослойки (обычно на микрошлифе они выглядят в виде нитей) фазы, богатой серой, при нагревании металла перед прокаткой или ковкой размягчаются, и сталь теряет свои свойства -- происходит разрушение металла (красноломкость). Красноломкость особенно сильно проявляется в литой стали, так как сульфиды и оксисульфиды в этом случае скапливаются по грани-цам первичных зерен. Если сталь хотя бы однократно подвергалась горячей деформации, то вследствие измельчения зерна и образования при деформации новых зерен красноломкость проявляется в гораздо меньшей степени. Однако и в этом случае стремятся получить в стали минимальное содержание серы из-за заметного вредного влияния ее на механические свойства стали (в частности, на величину ударной вязкости), что особенно проявляется в направлении, перпен-дикулярном оси прокатки или ковки. Повышенное содержание серы приводит часто к появлению так называемых "горячих трещин", особенно при непрерывной разливке стали.

      Активность серы в жидком железе зависит от состава расплава. Такие при-меси, как углерод, кремний, повышают активность серы в жидком расплаве, так как вытесняют ее из "микроячеек" структуры жидкого металла и занимают ее место.

      Поэтому, например, при прочих равных условиях обессеривать чугун, содержащий много углерода и кремния, легче, чем обычную сталь. Высокая пове-рхностная активность серы приводит к тому, что на поверхности раздела фаз кон-центрация серы выше, чем в объеме раствора. Поэтому наибольший эффект дает применение таких методов ведения плавки, которые обеспечивают увеличение поверхности контакта металла с десульфурируюшей фазой (искусственное пере-мешивание металла со шлаком, вдувание в металл тонкоизмельченных порошко-образных реагентов и т.п.).

      Элементы, у которых значения изменения свободной энергии при образо-вании соединений с серой меньше значения изменения свободной энергии при соединении серы с железом, могут быть элементами - десульфураторами. Такими элементами являются Mn, Mg, Na, Ca и др., а также церий (Се) и другие редкозе-мельные элементы. Все эти элементы используют на практике: натрий в виде соды при внедоменной десульфурации чугуна; магний -- в виде чистого Mg или сплавов (лигатур) с другими металлами; кальций - иногда в виде сплавов с дру-гими металлами, а чаше в виде извести (СаО) или известняка (СаСОз); марганец в виде сплавов марганца с железом (ферромарганца), а также в виде марганцевой руды. Очень большим сродством к сере обладают редкоземельные металлы. Самым дешевым и распространенным из перечисленных материалов является известь.

      Основным источником серы в шихте является чугун. Кроме того, опреде-ленное количество серы может попасть в металл с ломом (особенно со стружкой, не очищенной от смазочных масел), с добавочными материалами, а также из атмосферы печи, если печь отапливают топливом (мазутом, газом), содержащим серу.

      В сталеплавильном агрегате удаление серы из расплавленного металла в шлак происходит в большинстве случаев в результате образования CaS: Fe + [S] + СаО = CaS + FeO, при этом сера, растворенная в металле реагирует с СаО в шла-ке. Реакция протекает на поверхности раздела фаз, и увеличение этой поверхнос-ти (перемешивание металла со шлаком, вдувание в металл СаО в виде порошко-образной извести и другие способы) ускоряет эту реакцию и способствует более глубокой десульфурации. Диффузия серы из глубины ванны к месту реакции со шлаком - процесс довольно медленный. Перемешивание металла (при кипении ванны, при ее продувке инертными газами или при электромагнитном переме-шивании) ускоряет этот процесс. Если шлак, кроме СаО, содержит много МnO, возможно протекание реакции Fe + [S] + MnO = MnS + FeO.