Чугун. Производство чугуна

Дутье в доменные печи подают из воздуходувной станции от расположенных в ней воздуходувных машин (компрессоров) с приводам в виде паровой турбины и иногда с электроприводом, создающими давление дутья на выходе 0,45-0,59 МПа. При обогащении дутья кислородом последний вводят во входной патрубок воздуходувной машины.

Дутье проходит воздухонагреватели, кольцевой воздухо­провод и из него поступает в верхнюю часть горна через равномерно расположенные по окружности горна 16-40 фурм. Выходной диаметр фурм составляет 140-190 мм, весов фурм (расстояние от конца фурмы до футеровки) 300-500 мм, ско­рость дутья на выходе из фурмы 180-240 м/мин при расходе дутья на одну фурму 170-230 м3/мин.

Процессы в горне.

В горне доменной печи встречаются и взаимодействуют два потока: опускающаяся шихта и горновые газы. Сверху в горн опускаются твердые, нагретые до высокой температуры куски кокса, а также жидкий чугун и шлак. Извне через фурмы, расположенные в верхней части горна, поступает нагретое дутье и обычно еще углеводородсодержащие добавки. Вблизи фурм происходит процесс сжигания углерода топлива и угле­водородов природного газа или мазута. Получающиеся горно­вые газы поднимаются :вверх навстречу опускающейся шихте. Основным и важнейшим процессом в горне является сжигание углерода кокса, которое обеспечивает:

а) выделение тепла, необходимого для нагрева шихты и газов, обеспечения процессов восстановления, расплавления чугуна и шлака и компенсации теплопотерь печи;

б) образование газа-восстановителя СО;

в) образование свободного объема вследствие превраще­ния твердых кусков кокса в газ, что способствует движению шихты в печи сверху вниз.

Окисление углерода кокса происходит в сравнительно не­больших по объему участках горна вблизи фурм, называемых окислительными зонами. Большая кинетическая энергия струй дутья вызывает циркуляцию кусков кокса пе­ред фурмами, и они сгорают в окислительной зоне во взве­шенном состоянии. Во внутренней, прилегающей к фурме час­ти такой зоны, углерод, реагируя с кислородом, окисляется до С02; в периферийной (углекис­лотной) части зоны, где кислород уже израсходован и содержится лишь С02, углерод окисляется, реагируя с С02, образуя при этом СО. Участки исчезновения С02 представ­ляют собой границу окислительной зоны. Таким образом, ко­нечным продуктом окисления углерода является СО, и про­цесс окисления идет по следующей схеме:

С + 02 = С02 + 402190 С02 + С = 2СО - 166310

2С + 02 = 2СО + 235880 Дж или 9830 кДж/кг *С.

Изменение состава газа в окислительной зоне по мере отдаления от фурм

Размеры окислительной зоны как вдоль оси воздушной фурмы, так и вдоль оси печи возрастают с повышением коли­чества воздуха или, точнее, с ростом кинетической энергии струи дутья и сокращаются при увеличении давления дутья, повышении температуры дутья и концентрации кислорода в дутье. На больших печах протяженность окислительной зоны вдоль оси фурм достигает 1,7-1,9 м. Продукт сгорания кокса - горновой газ состоит, в ос­новном, из СО и N2. Его состав можно легко рассчитать.

Если в горении участвует сухой воздух, содержащий 79 % N2 (объемн.) и 21 % 02 (т.е. N2: 02 = 3,76), то реакцию можно записать так:

2С + 02 + 3,76N2 = 2СО + 3,76N2.

При воздушном дутье температура в центре окислительной зоны, где идут экзотермические реакции окисления углерода до С02, достигает 1900-2000 0С, а на границе окислитель­ной зоны снижается до 1650-1600 0С вследствие протекания эндотермических реакций С02 + С = 2СО. За пределами окис­лительной зоны по мере отдаления от нее температура сни­жается, так как протекают реакции прямого восстановления, идущие с поглощением тепла; в центральной часть горна температура чаще всего находится в пределах 1400-1500 0С.

Добавки к дутью кислорода, природного газа и влаги из­меняют температурное состояние горна. Увеличение коли­чества влаги в дутье вызывает снижение температур в зоне горения и в горне поскольку, как отмечалось, при попада­нии в горн Н2О разлагается углеродом с поглощением тепла. Влияние кислорода и природного газа можно оценить, используя формулу, по которой рассчитывают теоретическую температуру горения топлива.

Дутье всегда содержит немного влаги, которая в горне разлагается углеродом: HО + С = СО + Н2 - 124870 Дж. По­этому в горновом газе всегда есть немного водорода; на­пример, при содержании в дутье влаги в количестве 1 % (объем.) (8,035 г/м2) в горновом газе находится 0,8 % Н2 и соответственно снижается содержание азота и оксида уг­лерода.

При вдувании в горн природного газа он не полностью сгорает по реакции: СН4 + 0,502 = СО + 2Н2 + 37250 Дж и в горновом газе заметно возрастает содержание Н2 (до 8-15 % и более). Заметно увеличивается также объем горновых га­зов потому, что при сгорании метана на единицу углерода образуются три моля продуктов горения (СО и 2Н2), а при сгорании кокса по реакции С + 0,502 = СО лишь один моль СО; объем продуктов сгорания на единицу углерода возрас­тает в 1,7 раз. Вдувание в горн мазута, состоящего как и природный газ из углеводородов, характеризуется теми же процессами, что и выдувание природного газа.

При добавке кислорода к дутью объем продуктов сгорания V, как ранее отмечалось, уменьшается, что В соответствии с приведенной выше формулой вызывает повышение ТТ и тем­ператур в горне. Вдувание природного газа ведет к увеличению объема продуктов сгорания V, и соответ­ственно, к понижению ТТ и температур в горне; это сниже­ние вызывается также тем, что при сгорании природного газа на один моль сгорающего углерода выделяется меньше тепла (37250 Дж), чем при сгорании углерода кокса(117940 Дж).

Во всех случаях температура газов в центре горна не должна быть ниже 1400-1450 0С, так как при более низких температурах заметно понижается температура продуктов плавки и ухудшается десульфурация чугуна.

Таким образом, добавка влаги к дутью вызывает снижение температуры горновых газов и небольшое увеличение содержания в них водорода; обогащение дутья кислородом уменьшение объема гopновых газов, повышение их температу­ры и содержания в них СО; вдувание природного газа, так же как и других углеводородов, - увеличение объема горновых газов, снижение их температуры и существенное их обо­гащение водородом. Эти изменения оказывают как положи­тельное, так и отрицательное влияние на доменный процесс.

Движение газов в печи и изменение их температуры, состава, количества и давления.

Из предыдущего раздела следует, что в горне образуется газ, состоящий из оксида углерода, водорода и азота, на­гретый до высокой температуры и характеризующийся значи­тельным давлением. При движении к колошнику этот газ отдает тепло движущимся навстречу материалам и охлаждает­ся, при этом давление его вследствие преодоления сопро­тивления шихты понижается, а химический состав в резуль­тате процессов восстановления непрерывно изменяется и ко­личество его увеличивается. Эти физические изменения при­водят к понижению температуры газа примерно с 1600 до 250-300 ОС, давления на 0,1-0,2 МПа, к снижению содержа­ния СО и Н2 и повышению содержания СО2. Ниже эти процессы рассмотрены подробнее.

Распределение газов по сечению печи. Время пребывания газов в печи составляет 3-12 с. Они движутся по сечению печи неравномерно. Естественно стремление газов двигаться вверх преимущественно над зонами горения, т.е. у стен пе­чи, но в целом распределение газового потока определяется величиной сопротивления слоя шихты. Наибольшие количество газов и скорость их движения наблюдаются в участках с меньшим сопротивлением шихты, как правило там, где в шихте выше доля кокса и меньше рудная нагрузка (доля агломе­рата). Участки, где газы движутся с большими скоростями, характеризуются повышенными температурами и пониженным содержанием СО2 в газе; в связи с этим о распределении газового потока по сечению печи судят по результатам за­меров температуры газа и содержания в нем СО2, производимых В колошнике над уровнем шихты, а также в слое шихты на расстоянии до:7-12 м от уровня засыпки.

Замеры ведут с помощью вводимых через отверстия в ко­жухе и футеровке печи и периодически перемещаемых от пе­риферии к оси печи зондов; зонд представляет собой водо­охлаждаемую трубу, в которой размещены термопара и трубка для отвода пробы газа; Характерные случаи распределения газового потока в шахте печи. Перемещение зоны пластичности вверх уменьшает объем печи, в котором идут процессы кос­венного восстановления оксидов железа, что, как правило, вызывает увеличение расхода кокса.

Крайне неблагоприятным случаем распределения газового потока является канальный ход газов (движение газов по отдельным каналам в слое шихты), при котором мелкие куски шихты в каналах переходят во взвешенное состояние, что нарушает ровный сход шихты в печи.

Важным показателем хода доменной плавки является отно­шение СО2/СО в газовой фазе; увеличение этого отношения(увеличение содержания СО2) свидетельствует об улучшении восстановительной работы газа (увеличении степени косвен­ного восстановления оксидов железа).

Изменение количества газа. По мере подъема газов вверх печи увеличивается их количество, главным образом, вслед­ствие присоединения к ним кислорода шихты в виде СО и СО2, Т.е. в результате протекания процессов восстановле­ния. По отношению к количеству дутья количество горнового газа возрастает на 21-23 %, а количество колошникового газа - на 38-40 %. При обогащении дутья кислородом расход дутья и количество газа будут уменьшаться вследствие сни­жения содержания азота. Выход колошникового газа равен 120-200 м3 на 1 м3 объема печи в час или 1400-2000 м3/чугуна.

Изменение давления газа. Наибольшее статическое давле­ние газа устанавливается в горне доменной печи около фурм, и движение газов вверх через слой шихтовых материа­лов происходит вследствие этого давления, создаваемого работой подающей дутье воздуходувной машины. По мере дви­жения газов от горна к колошнику статическое давление га­за убывает, так как происходит потеря давления (потеря напора) вследствие трения газов о куски шихты; иначе говоря, давление теряется на преодоление сопротивления слоя шихтовых материалов. Эта потеря давления или напора происходит неравномерно по высоте печи, что наиболее заметно в области пластичной зоны, где в результате размягчения слипания и плавления газопроницаемость рудной части шихты резко снижается.

Величина потери давления в столбе шихты, иначе говоря, перепад давления между горном и колошником зависит от свойств шихты (газопроницаемости), высоты столба ших­ты, определяемой высотой печи, от скорости движения газов в печи. Влияние ско­рости движения газов проявляется в том, что при ее росте увеличиваются силы трения газов о шихту и возрастает ве­личина потери давления.

Величина, которую контролируют, не должна превышать допустимого предела, называемого критическим перепадом давления. Этот предел на конкретной работающей пе­чи, где высота слоя шихты и ее свойства (сопротивление) относительно постоянны, зависит от расхода дутья, который всегда стараются увеличить с целью повышения производите­льности печи. Увеличение расхода дутья ведет к росту ско­рости движения газов в печи, и при достижении определен­ной скорости силы трения возрастают настолько, что куски шихты переходят во взвешенное состояние, Т.е. перестают двигаться вниз, что нарушает ровный сход шихты и означает расстройство работы печи. Этим максимально допустимым значениям расхода дутья и скорости движения газов соот­ветствует допустимый (критический) перепад давления.

Соответственно, расход дутья поддерживают таким, чтобы перепад давления не превышал критического значения. Использование давления, а не скорости в качестве критерия оценки движения газов объясняется тем, что скорость подъема газов сильно различается в разных участках попе­речного сечения печи, поэтому проще измерять давление.

Для улучшения контроля за ходом плавки измеряют не только общий перепад дав­ления между горном и колошником, но и верхний перепад (середина шахты ­колошник) и нижний (сере­дина шахты - горн).

Интенсификация доменного процесса.

Под интенсификацией доменного процесса обычно понимают мероприятия по увеличению скорости его протекания (форси­рованию хода доменной плавки), Т.е. ведущие к повышению производительности печи, а также мероприятия по снижению расхода кокса. Ниже охарактеризованы наиболее существенные из них.

Нагрев дутья.

Внедрение нагрева дутья было важным этапом в развитии доменного производства, обеспечившим существенное сниже­ние расхода топлива и повышение производительности печей. Дутье, нагретое до 150 0С, впервые было применено в 1829 г., что привело к значительному снижению расхода кокса, а главное, к существенному улучшению процессов в печи (более высокий нагрев продуктов плавки, лучшее отде­ление шлака от чугуна, повышение степени восстановления кремния и марганца). Высокая эффективность нагрева дутья обеспечила быстрое и широкое его распространение. Вскоре дутье стали нагревать до 350-400, а затем до 500-700 0С. Еще в 40-х годах нашего столетия на многих заводах не удавалось поднять температуру дутья выше указанных преде­лов не потому, что не позволяли технические средства для такого нагрева, а вследствие того, что это вызывало нарушение процесса доменной плавки. Всем ясно было, что более высокий нагрев дутья обеспечивает дальнейшее размельчение расхода кокса. Но даже подъем температуры дутья на не­большую величину (около 20 0С) к расстройству доменного процесса. Анализ этого явления позволил определить важнейшие факторы, обеспечивающие ус­ловия для повышения нагрева дутья, к числу которых отно­сятся:

замена неподготовленных и особенно пылеватых руд окускованными, т.е. агломератом и окатышами; применение повышенного давления газов в печи; вдувание в горн газообразных и жидких углеводородов; кондиционирование дутья по влаге.

Внедрение этих мероприятий создало условия, при которых подъем температуры дутья перестал сдерживаться технологическими особенностями процесса, а определялся техническими возможностями достижения высокой температуры дутья.

Это потребовало совершенствования конструкций и обору­дования воздухонагревателей, которые уже не обеспечивали необходимого нагрева дутья. В настоящее время нагрев дутья на многих печах доведен до 1100-1300 0С и решается задача дальнейшего подъема температуры дутья до1350-1400 0С. В частности, внедряют воздухонагреватели с выносной камерой горения, отличающиеся от широко используемых воздухонагревателей, имеющих встроенную камеру го­рения, большей поверхностью нагрева и более мощными горелками, рассчитанными на нагрев дутья до 1300-1400 0С.

Анализ работы доменных печей при разном нагреве дутья показывает, что его нагрев всегда приводит к снижению расхода кокса. Однако экономия расхода кокса не пропорционально повышению температуры дутья, т.е. не одинакова при повышении нагрева дутья на од­но и то же число градусов, по­нижаясь с повышением нагрева дутья. Например, при темпера­туре дутья 400 0С повышение его нагрева на 100 0С дает снижение расхода кокса на 11-16 %, а при температуре дутья 800 0С - на 3,5-6,0 %. Однако даже при высоком нагре­ве дутья (1200-1300 0С) эффективность от нагрева сохраня­ется значимой и обеспечивает сокращение расхода кокса на1,5-2,5% на каждые 1000С повышения температуры.

Особо важно увеличивать нагрев дутья при вдувании в горн печи углеводородов (природного газа и мазута), вызы­вающих понижение температур в горне.

Увлажнение дутья.

Дутье (воздух) всегда содержит некоторое количество вла­ги, причем естественная влажность воздуха в разные перио­ды времени колеблется в широких пределах от 3 до 40 г на1 м3 воздуха (8 г/м3 соответствует 1 % по объему). Попа­дающая в горн влага разлагается углеродом: Н2О + С = СО + + Н2 - 124870 Дж. При этом в горновом газе возрастает со­держание СО и активного восстановителя Н2О в связи с затратами тепла на разложение влаги снижается температура горна. Чтобы сохранить прежний температурный режим горна, надо повысить нагрев дутья на 5-6 0С на каждый грамм влаги в 1 м3 дутья.

Колебания влажности дутья вызывают колебания в темпе­ратурном режиме горна и в ходе восстановления, что неред­ко приводит к расстройствам хода печи. Для устранения колебаний естественной влажности ранее за рубежом в небольшом масштабе применяли осушение дутья до содержания влаги 3-3,5 г/м3, а в нашей стране многие годы применяли увлажнение дутья до 25-30 г/мЗ (3-4 % к объему дутья). При таком кондиционировании дутья по влаге достигается более ровный ход печи; кроме того, вследствие ровного хода, а также в результате интенсификации косвенного вос­становления оксидов железа водородом обеспечивается повы­шение производительности печи (на 5-10 %) и снижение рас­хода кокса (на 2-5 %).

По мере перехода к работе печей с вдуванием природного газа, обогащающего атмосферу печи водородом, столь значи­тельное увлажнение дутья утратило свое значение. В настоящее время считают полезным поддерживать содержание влаги на постоянном уровне порядка 10-20 г/м3 за счет добавок к дутью водяного пара.

Повышенное давление газа.

До 1950 г. отечественные доменные печи работали без повы­шенного давления газов, Т.е. с давлением газа на колош­нике не значительно (на 0,006-0,012 МПа) превышавшем ат­мосферное давление (0,1 МПа). Это небольшое превышение давления обеспечивало самопроизвольный выход газов из печ­и. В настоящее время практически все печи работают с избыточным (сверх атмосферного) давлением на колошнике, равным 0,1-0,23 МПа или с абсолютным давлением 0,2-0,33 МПа (давление в горне выше давления на колошнике).

О целесообразности повышения давления газов в доменной печи впервые высказался инж. П.М. Есманский еще в 1915 г. Он считал, что увеличение давления газа в печи должно способствовать развитию процессов восстановления, так как при этом реакция СО2 +С = 2СО сдвигается в сторону уве­личения содержания СО2, т.е. в сторону косвенного восста­новления.

Однако более важным оказалось то, что повышенное дав­ление позволило увеличить расход дутья и благодаря этому повысить производительность печей.

Работа доменных печей с повышенным давлением газов бы­ла освоена на Магнитогорском металлургическом комбинате в 1950 г., после чего печи всех заводов были переведены на такой режим. Повышение давления газов достигается уста­новкой на газопроводе очищенного доменного газа специального дроссельного устройства, уменьшающего сечение газо­отвода. Такое уменьшение сечения вызывает рост давления на всем пути движения газа до дроссельного устройства и в том числе на колошнике и в объеме всей печи.

Дроссельное устройство располагают после газоочистки (устройств, очищающих газ от пыли); чтобы предотвратить его быстрый абразивный износ частицами пыли газа.

Чем вызвано повышение производительности печи при по­вышении давления газов? Поясняя это, следует напомнить, что доменные печи обычно работают с расходом дутья, близ­ким к предельно допустимому. При его превышении вследст­вие роста скорости. движения газов в печи и их трения шихты переходят во взвешенное состояние, нарушая ровный сход шихты, а показателем режима движения газов - перепад давления между горном и колошником (потеря давления на трение) становится больше критического.

Если увеличить давление в печи, то в силу известного соотношения между давлением и объемом газа РV = const объем газа уменьшается. Поэтому снижается скорость движе­ния газов В печи и, соответственно, уменьшаются силы тре­ния их о шихту, величина потери давления на трение. Иначе говоря, режим движения газов отдаляется от кри­тического. Это позволяет при новом, большем давлении в печи увеличить расход дутья без нарушения при этом ровно­го схода шихты (расход можно увеличивать до тех пор, пока перепад давления не приблизится к прежнему ypoвню ­несколько ниже критического). При увеличении расхода дутья в единицу времени сгорает больше кокса и проплавляет­ся больше шихты, т.е. повышается производительность печи.

Таким образом, повышение давления газа в печи позво­ляет форсировать доменный процесс. Кроме того, вследствие увеличения времени пребывания газа в печи и улучшения распределения его сокращается расход кокса, а уменьшение скорости газа на колошнике приводит к снижению выноса пы­ли. Это позволило увеличить производительность печей на 5-15 %, снизить расход кокса на 3-5 % и сократить вынос пыли на 20-50 %, более 24-26 %, а в сочетании с вдуванием углеводородов­ до 30-35 %. Такое ограничение содержания кислорода в обо­гащенном дутье объясняется тем, что его применение сопро­вождается как положительными, так и отрицательными по­следствиями для доменного процесса.

Вдувание в горн углеродсодержащих веществ с целью снижения расхода дорогого и дефицитного кокса в последние годы на всех печах в горн вдувают газообразные или жидкие углеводороды и иногда измельченный уголь. Их подают через фурмы в зоны горения кокса. Наиболее широко применяется природный газ.

Вдувание природного газа. При попадании в горн природ­ного газа, основу которого составляет метан СН4, происхо­дит неполное сгорание метана с образованием СО и Н2:

СН4 + 0,502 = СО + 2Н2 + 37250 Дж.

При этом, помимо экономии кокса как топлива (замены части кокса природным газом), обеспечивается значительное повы­шение степени косвенного восстановления за счет участия в нем образующегося водорода, содержание которого в горно­вом газе возрастает до 8-15 % и более. Это увеличение до­ли косвенного восстановления и снижение тем самым доли прямого также ведет к снижению расхода кокса. Положитель­ным является также то, что благодаря снижению расхода кокса уменьшается количество серы, вносимой коксом, и уменьшается выход шлака в связи с уменьшением количества поступающей в печь золы кокса.

Вместе с тем, вдувание природного газа отрицательно влияет на тепловые и газодинамические условия работы пе­чи. Дело в том, что при попадании природного газа в горни его неполном сгорании увеличивается объем горновых га­зов (продуктов сгорания) и снижается температура в зоне горения и в горне.

Для поддержания прежнего нормального теплового состоя­ния горна при вдувании природного газа увеличивают, если это возможно, температуру дутья с учетом того, что добав­ка 1 м3 газа на 1 т чугуна требует повышения температуры дутья на 4 0С; уменьшают также влажность дутья, что ведет к росту температур в горне. Увеличение объема горновых газов вызывает рост скорости движения газов в печи и, соответственно, величины перепада давления между горном и колошником. Поэтому после повышения расхода природ­ного газа до определенного уровня начинаются нарушения ровного схода шихты. Если печь работала на предельном ко­личестве дутья, то, начиная вдувание при­родного газа, снижают расход дутья с целью сохранения ус­ловий нормального опускания шихты. Таким образом, наруше­ние газодинамических условий в печи и снижение температу­ры горна ограничивают количество вдуваемого природного газа. Лучшим способом преодоления отрицательных последст­вий применения природного газа является добавка к дутью кислорода.

При расходе природного газа в количестве 60-90 м3/т чугуна (3,5-4 % от объема дутья) экономия кокса состав­ляет 8-14 % и более. Коэффициент замены кокса природным газом, т.е. отношение количества выведенного из шихты кокса (кг/т чугуна) к количеству использованного природ­ного газа (м3/т чугуна) составляет 0,7-1,0 кг/м3.

Продукты доменной плавки.

Конечными продуктами доменной плавки являются чугун и шлак, выпускаемые из доменной печи в огненно-жидком виде, и доменный газ. Чугун является основным продуктом домен­ного производства, а шлак и доменный газ - побочными.

Виды, состав и назначение доменных чугyнов. Цель доменного производства состоит в получении чугуна, пред­ставляющего собой много компонентный сплав железа с угле­родом, кремнием, марганцем, фосфором и серой. В зависи­мости от назначения чугуна и от состава проплавляемых шихтовых материалов в нем может содержаться, кроме того, еще хром, никель, ванадий, титан, медь и мышьяк. Содержа­ние основных элементов (С, Si, Мn, Р, S, Cr, Ni, Cu, As) в чугуне регламентируется соответствующим стандартом или техническими условиями.

Состав чугуна, получаемый в ходе доменной плавки, оп­ределяется требованиями потребителей и возможностями до­менной плавки. Сообразно с этим стремятся подобрать сос­тав шихтовых материалов и технологический режим плавки.

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 - в основном ферромарганец, используемый в сталеплавильном производстве в качестве добавки в жидкую сталь для ее раскисления и легирования.

Передельный чугун является преобладающим видом продук­ции доменного производства. На его долю приходится около90 % общего производства чугуна. Он используется в качес­тве шихтового материала при производстве стали в конвер­терах, мартеновских и электродуговых печах. Передельный чугун в соответствии с существующими стандартами может содержать 0,3-1,2 % Si, 0,15-1,0 (иногда до 1,5 %) Мn и делится на три класса по содержанию фосфора (не более0,1; 0,2 и 0,3 %) и на пять категорий по содержанию серы(не более 0,01; 0,02; 0,03; 0,04 и 0,05 %). С целью эко­номии дефицитного марганца в настоящее время, выплавляют маломарганцовистые чугуны с содержанием марганца 0,1-0,5 %.

В небольших количествах выплавляют высококачественный передельный чугун, маркируемый буквами ПВК, что означает передельный высококачественный коксовый. Он отличается от обычного передельного пониженным содержанием фосфора (<=0,02-0,05 %) и серы (<=0,015-0,025 %). На заводах, ис­пользующих высокофосфористые железные руды, выплавляют чугуны с повышенным содержанием фосфора; стандартом пре­дусмотрены три марки подобных чугунов, различающихся coдержанием фосфора (0,3-0,7; 0,7-1,5 и 1,5-2,0 % Р). Эти чугуны перерабатывают в сталь по специально приспособлен­ной для этого технологии (в кислородных конвертерах и мартеновских печах) с получением помимо стали фосфатных шлаков.

Содержание углерода в передельном чугуне стандартами не нормируется, поскольку оно определяется содержанием других элементов; его можно приближенно определить по формуле: С = 4,8 + 0,03 Мn - 0,27 Si - 0,32 Р - 0,032 S, где Мn, Si, Р и S - соответственно содержание в чугуне марганца, кремния, фосфора и серы. В малофосфористых ( 0,3 % Р) чугунах обычно содержится 4,0-4,8 % углерода.

Литейный чугун отличается от передельного повышенным содержанием кремния и в некоторых марках - фосфора. Шесть марок литейного чугуна (Л1-Л6) содержат от 1,2-1,6 до 3,2-3,6 % Si и от 0,3 до 0,9-1,5,% Мn; каждую марку делят на четыре категории по содержанию серы (0,02-0,05 %) и на пять классов по содержанию фосфора (соответственно < 0,08; < 0,12; < 0,3; 0,3-0,7 и 0,7-1,2 % Р). Фосфор придает металлу хрупкость, поэтому отливки ответственного назначения делают из чугунов с низким содержанием фосфо­ра. Высокофосфористые чугуны используют для получения художественного литья в связи с тем, что жидкий чугун с высоким содержанием фосфора обладает высокой жидкой теку­честью и поэтому хорошо заполняет литейные формы самой сложной конфигурации.

Основными составляющими шлака являются оксиды кремния (Si02), кальция (СаО), алюминия (АI2Оз). магния (MgO), а также небольшое количество НеО, МnO, CaS. В шлаках обычно содержится 6-20 % глинозема (A1203, 38-42 % кремнезема (Si02), 38-48 % известно (СаО), 2-12 % магнезии (MgO); 0,2-0,6 % FеО; 0,1-2 % МnO и 0,6-2,5 % серы, в основном, в виде CaS. При этом шлаки характеризуются следующими значениями основности: СаО: Si02 = 0,9+1,3; (СаО + MgO): :Si02 = 1,05+1,45 и (Са О + MgO):(Si02 + Al203 = 0,7+1,2.

Ocновную часть (> 90-95 %) доменного шлака перерабаты­вают, получая сырье для производства различных строитель­ных материалов.

Доменный (колошниковый) газ. Газ, выходящий из печи через ее верхнюю часть - колошник, называют колошниковым. Он состоит из СО, СН., N2, СО2 и N2. После очистки от со­держащейся в нем пыли, газ используют как топливо для на­грева насадок воздухонагревателей, стальных слитков, кок­совых батарей, отопления котлов и других целей. Горю­чими компонентами в газе являются СО, N2 и СH.. Зная эн­тальпию химических реакций, горения этих компонентов, мож­но подсчитан., что при полном сгорании каждого процента оксида углерода теплота сгорания 1 мЗ газа повышается на126 кДж, а каждого процента водорода и метана соответст­венно на 108 и 263 кДж. При выплавке передельного чугуна на атмосферном дутье (без вдувания природного газа) в га­зе содержится 12-18 % СО2; 24-30 % СО; 0,2-0,5 % СH.; 1,0-2,0 % N2 и 55-59 % N2 и теплота сгорания газа состав­ляет 3500-4000 кДж/мЗ. При применении комбинированного дутья снижается содержание азота и соответственно возрас­тает количество других составляющих газа, особенно водо­рода. Например, при обогащении дутья кислородом до24-30 % и соответствующей подаче природного газа содержа­ние оксида углерода составляет 22-27 %, диоксида углерода15-22 %, водорода 8-11 % и азота 43-55 %. Теплота сгора­ния такого газа равна 4200-5000 кДж/мЗ.

Управление процессом, контроль, автоматизация.

Управление ходом доменной плавки сводится к контролю основных пара метров технологического режима и при их отклонении от заданных значений - к выработке и осуществ­лению регулирующих воздействий, ведущих к ликвидации этих отклонений и нарушений. В процессе управления работой печи приходится изменять температуру и количество дутья, количество подаваемого природного газа, соотношение между железорудными материалами и коксом, расход флюса, пара­метры загрузки шихты. Различают регулирова­ние хода доменной печи сверху (изменение системы загруз­ки, величины подачи, уровня засыпи и т.п.) и регулирова­ние снизу (изменение параметров комбинированного дутья).

Часть управляющих и регулирующих воздействий осуществ­ляется персоналом вручную, а часть с помощью автоматизи­рованных регулирующих или управляющих систем. При ручном управлении и регулировании правильность принятых решений зависит от квалификации и опыта мастера-технолога, при автоматизированном - от того, насколько заложенная в ЭВМ математическая модель адекватно отражает сложные взаимо­зависимости параметров доменного процесса и от надежности показаний контрольных приборов.

Старые печи наряду с ручным управлением оборудованы системой автоматизированного управления работой загрузоч­ных устройств по заданному режиму и рядом локальных сис­тем автоматического регулирования и стабилизации отдель­ных параметров процесса. Обычно это стабилизация давления под колошником, управление работой воздухонагревателей, стабилизация параметров комбинированного дутья (расход дутья, его температура, содержание кислорода в дутье, соотношение расходов природного газа и воздуха с учетом концентрации кислорода в дутье, распределение природного газа по фурмам).

Современные доменные печи оборудуют автоматизированны­ми системами управления (АСУ ТП), обеспечивающими величи­ну уровня автоматизации управления доменным процессом до 70 и в отдельных ,случаях до 90 %. Такие АСУ ТП выполняют в виде иерархической системы, включающей несколько(три-четыре) уровней автоматизации. Первый иерархический

Работа доменной печи регламентируется теологическим ре­жимом, основными составляющими которого являются: дутье­вой режим, режим загрузки, шлаковый режим и тепловой ре­жим, причем эти параметры тесно взаимно связаны. Техноло­гический режим, вырабатываемый на основании обобщения многолетнего опыта работы печей, зависит от условий плав­ки конкретного цеха и отдельной доменной печи.

Основой для соблюдения технологического режима и выра­ботки регулирующих и управляющих воздействий на процесс служат показания контрольно-измерительных устройств, зна­чительная часть которых работает в автоматическом режиме. На современных доменных печах контролируют до 170 пара­метров, характеризующих технологический режим, состояние печи и вспомогательного оборудования. Контролируемыми параметрами являются: состав и свойства шихтовых материа­лов, жидкого чугуна и шлака; параметры дутья и колошнико­вого газа (состав, давление, расход, температура и др.); распределение температур и состава газа по сечению и вы­соте печи; параметры загрузки (масса и количество порций в подаче и порядок их загрузки, работа конусов или лотко­вых загрузочных устройств, уровень и профиль засыпи, ско­рость схода шихты и др.); статическое давление в печи высоте и перепады давления; вынос колошниковой пыли; температура кладки шахты, горна и лещади; работа холо­дильников; боковое давление шихты в печи; параметры рабо­ты воздухонагревателей и воздуходувных машин и др. Наряду с давно применяемыми обычными приборами и датчиками конт­роля (термопары, расходомеры, манометры и т.п.) внедряют новые специальные приборы и устройства: горизонтальные зонды, перемещаемые ниже уровня за сыпи для контроля здесь состава и температуры газов; стационарные зонды-балки для контроля тех же параметров выше уровня засыпи; лазерные, микроволновые, гамма и рентгеноимпульсные профиле меры для измерения профиля засыпи; микроволновые и радиометри­ческие уровнемеры засыпи; устройства непрерывного контро­ля параметров жидких продуктов плавки в горне; встроенные в фурмы термодатчики; вертикально перемещаемые в слое шихты зонды и другие устройства для контроля уровня зоны плавления шихты в печи; автоматические рентгеноспектраль­ уровне включает средства автоматического контроля, изме­рения и диагностики входных, технологических и выходных параметров доменной плавки и работы оборудования печи; второй уровень локальные подсистемы стабилизации и ре­гулирования отдельных параметров процесса и работы обору­дования (давления под колошником, параметров дутья, пара­метров работы воздухонагревателей и др.); третий уровень- подсистемы управления отдельными технологическими про­цессами и агрегатами (такими процессами как шихтовка и загрузка, подготовка и подача дутья в печь, распределение газового потока, тепловой режим и др.). На высшем уровне, который пока не реализован, АСУ должна оптимизировать и согласовывать работу всех подсистем в соответствии с плановыми заданиями.

Помимо функций контроля, регулирования и управления процессами и агрегатами АСУ обеспечивает в центральном пункте управления печью непрерывное представление значе­ний технологических параметров в цифровой форме, путем световой индикации и в виде графиков на диаграммных само­пишущих приборах и на экранах дисплеев, а также световую и звуковую сигнализацию нарушений нормального технологи­ческого режима и работы оборудования. Обеспечивается так­же заполнение отчетных документов.

Таким образом старые печи наряду с ручным управлением оборудованы системой автоматизированного управления работой загрузоч­ных устройств по заданному режиму и рядом локальных сис­тем автоматического регулирования и стабилизации отдель­ных параметров процесса. Обычно это стабилизация давления под колошником, управление работой воздухонагревателей, стабилизация параметров комбинированного дутья (расход дутья, его температура, содержание кислорода в дутье, Соотношение расходов природного газа и воздуха с учетом концентрации кислорода в дутье, распределение природного газа по фурмам).

Современные доменные печи оборудуют автоматизированны­ми системами управления, обеспечивающими величину уровня автоматизации управления доменным процессом до 70 и в отдельных случаях до 90 %. Такие АСУ ТП выполняют в виде иерархической системы, включающей несколько (три-четыре) уровней автоматизации.

Работа доменной печи регламентируется теологическим ре­жимом, основными составляющими которого являются: дутье­вой режим, режим загрузки, шлаковый режим и тепловой ре­жим, причем эти параметры тесно взаимно связаны. Технологический режим, вырабатываемый на основании обобщения многолетнего опыта работы печей, зависит от условий плавки конкретного цеха и отдельной доменной печи.

Недостатки

Недостатком чугуна является хрупкость, препятствующая его использованию для изготовления деталей машин, подвергающихся ударным нагрузкам.

Марки чугунов, например СЧ12-28, читаются следующим образом: СЧ-- серый чугун, первые двухзначные цифры 12, 15, 18 и т. д. -- средняя величина предела прочности при испытании на разрыв в кг/мм2, а вторые -- 28, 32 и т. д. -- то же при изгибе.

Применение

Чугун наиболее широко применяется в машиностроении для отливок различных деталей машин. Он достаточно хорошо сваривается, особенно с применением предварительного подогрева. Он мало пластичен и вязок, но легко обрабатывается резанием, применяется для малоответственных деталей и деталей, работающих на износ. Чугун с высоким содержанием фосфора (0,3--1,2%) жидкотекуч и используется для художественного литья.

Свойства чугуна

Зависят главным образом от содержания в нем углерода и других примесей, неизбежно входящих в его состав: кремния (до 4,3%), марганца (до 2%), серы (до 0,07%) и фосфора (до 1,2%).

Углерод -- один из главных элементов в чугуне. В зависимости от количества и состояния входящего в сплав углерода получаются те или иные сорта чугуна. С железом углерод соединяется двояко: в жидком чугуне углерод находится в растворенном состоянии, а в твердом -- в химически связанном с железом или в виде механической примеси в форме мелких пластинок графита.

Кремний -- важнейший после углерода элемент в чугуне, он увеличивает его жидкотекучесть, улучшает литейные свойства и делает чугун более мягким.

Марганец повышает прочность чугуна.

Сера в чугуне -- вредная примесь, вызывающая красноломкость (образование трещин в горячих отливках). Она ухудшает жидкотекучесть чугуна, делая его густым, вследствие чего он плохо заполняет форму.

Фосфор понижает механические свойства чугуна и вызывает хладноломкость (образование трещин в холодных отливках). В зависимости от состояния, в котором углерод находится в чугуне, чугун подразделяется на белый (углерод в химическом соединении с железом в виде цементита FeC) и серый (свободный углерод в виде графита).

Белый чугун очень твердый и хрупкий, плохо поддается отливке, трудно обрабатывается режущим инструментом. Он обычно идет на переплавку в сталь или на получение ковкого чугуна и поэтому называется передельным.

Серый чугун наиболее широко применяется в машиностроении. Он мало пластичен и вязок, но легко обрабатывается резанием, применяется для малоответственных деталей и деталей, работающих на износ.

Легированный чугун наряду с обычными примесями содержит элементы: хром, никель, титан и др. Эти элементы улучшают твердость, прочность, износостойкость. Различают хромистые, титановые, никелевые чугуны. Их применяют для изготовления деталей машин с повышенными механическими свойствами, работающих в водных растворах, в газовых и других агрессивных средах.

Специальный чугун, или ферросплав, имеет повышенное содержание кремния или марганца. К нему относятся ферромарганец, содержащий до 25% марганца, и ферросилиций, содержащий 9--13% кремния и 15--25% марганца. Эти чугуны применяются при плавке стали для ее раскисления, т.е. для удаления из стали вредной примеси -- кислорода.

Ковкий чугун получают термообработкой из белого чугуна. Он получил свое название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается). Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.

Маркируется ковкий чугун двумя буквами и двумя числами, например КЧ 370-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число--предел прочности (в МПа) на разрыв, второе число -- относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна.

Высокопрочный чугун получают введением в жидкий серый чугун специальных добавок. Он применяется для изготовления более ответственных изделий, заменяя сталь (коленчатых валов, поршней, шестерен и др.). Маркируется высокопрочный чугун также двумя буквами и двумя числами, например ВЧ 450-5. Буквы ВЧ обозначают высокопрочный чугун, а числа имеют то же значение, что и в марках ковкого чугуна.

чугун сплав железо маркировка

Список литературы

1. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. - М.: Металлургия, 2005

2. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева Материаловедение. -- М.: Машиностроение, 1990

Размещено на Allbest.ru