ОСНОВНЫЕ ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

МЕТАЛЛОШИХТА

Производство стали связано с исполь­зованием значительных количеств раз­личных материалов и в первую очередь металлошихты (включает чугун, метал­лолом, различные металлодобавки), а также добавочных материалов или флюсов (известь, известняк, боксит, плавиковый шпат и др.), окислителей (воздух, кислород, железная руда, ока­лина и др.), топлива (природный газ, мазут, коксовый газ, доменный или ко­лошниковый газ), электроэнергии, воды, инертных газов (аргон), огне­упорных материалов, электродов и др. Расход каждого из этих материалов на­ряду с затратами на электроэнергию влияет на себестоимость стали.

Более чем на 80 % себестоимость стали определяется стоимостью ис­пользуемого сырья, прежде всего рас­ходом и стоимостью металлошихты.

В качестве металлошихты использу­ют: а) чугун (жидкий или твердый); б) металлолом (в технической литературе часто используют термин «скрап»');

в) металл одобавки, например продук­ты прямого восстановления железа и др.

Расход металлошихты, составляю­щий 1100—1150 кг/т жидкой стали, определяется: 1) составом шихты (доля чугуна, доля скрапа в шихте и т. п.); 2) характером шихты и хими­ческим составом ее составляющих (степень «зашлакованности» чугуна, концентрация в нем легкоокисляю­щихся примесей, «замусоренность» скрапа и т. п.); 3) технологией плавки (будет применяться кислород для продувки ванны или нет, большое или умеренное количество образую­щегося шлака и т. п.). Расход метал­лошихты снижают при использова­нии в качестве окислителей железной руды, окалины или других материа­лов, в состав которых входит железо (оно частично восстанавливается и переходит в металл).

Выход жидкой стали (по отноше­нию к массе металлошихты) суще­ственно возрастает в тех случаях, ког­да в ванну вводится большая масса ле­гирующих элементов (обычно в виде ферросплавов, т. е. сплавов с желе­зом).

¹ От англ, scrap — остатки (отходы метал­лургических производств), металлический лом.

ЧУГУН

Напомним, что чугун получают в до­менных печах восстановлением железа из железорудных материалов (агломе­рата, окатышей и др.). При горении кокса идут реакции

С + О₂ + 3,762N₂ = С0₂ + 3,762N₂,

С + СО₂ + 3,762N₂ = 2CO + 3,762N₂.

При частичном обогащении возду­ха кислородом коэффициент 3,762 со­ответственно уменьшается (это соот­ношение долей азота и кислорода в воздухе: 79/21 = 3,762).

В области высоких температур при наличии углерода идет реакция

С0₂ + С = 2СО.

Образующийся оксид СО — вос­становитель, и атмосфера в домен­ной печи восстановительная. В зоне высоких температур идет прямая ре­акция восстановления железа угле­родом кокса:

FeO + С = Fe + СО - Q.

Степень восстановления железа в доменной печи 99—99,9 %, поэтому доменный шлак содержит < 1 % FeO. В восстановительных условиях печи восстанавливаются и другие оксиды, поступающие в доменную печь с ших­той (оксиды кремния, марганца, фос­фора и др.):

SiO₂ + 2С = [Si] + 2CO - Q,

МпО + С = [Мп] + СО - Q,

ЗСаО • Р₂О₅ + 5С = 2[Р] + ЗСаО + SCO - Q.

Используемый в доменной печи кокс содержит некоторое количество серы. Сера содержится и в железоруд­ных материалах (в виде FeS, CaS, CaSO₃). Около 10 % содержащейся в шихте серы удаляется из печи вместе с газами. .

Оставшаяся сера распределя­ется между металлом (чугуном) и шла­ком в соответствии с коэффициентом распределения L_S = (S)/[S], величина которого в значительной мере зависит от основности шлака:

[S] + Ре_ш+ (СаО) = (CaS) + (FeO).

При наличии в доменной шихте оксидов марганца возможна реакция

(МпО) + [S] + С = (MnS) + CO.

Из предыдущей формулы видно, что в доменной печи благоприятные условия для удаления серы в шлак, так как благодаря восстановительной ат­мосфере содержание FeO в шлаке ми­нимально. При этом важно по воз­можности повысить а(СаО) т.е. работать со шлаками высокой основности. В то же время при повышении основ­ности растет вязкость шлака, т. е. со­ответственно требуется увеличить расход кокса для поддержания более высокой температуры и расход из­вестняка. При этом снижается произ­водительность печи, так как часть объема печи занята дополнительными количествами кокса, известняка и шлака. Практически величина L_S ко­леблется в пределах 30—70, а содержа­ние серы в чугуне составляет 0,015— 0,050 %. При работе на сернистом коксе (например, из углей Донбасса) содержание серы выше.

Таким образом, выплавляемый в доменных печах чугун содержит неко­торое количество серы, фосфора (практически весь фосфор, содержа­щийся в доменной шихте, восстанав­ливается и переходит в чугун), крем­ния, марганца. Кроме того, в процессе контакта капель жидкого чугуна, сте­кающих в горн печи через слой раска­ленного кокса, происходит науглеро­живание металла. Содержание углеро­да в чугуне во многом определяется наличием в чугуне тех или иных при­месей. Мп, Сг, V образуют карбиды, способствуя увеличению содержания углерода в чугуне. Si, P, Си способ­ствуют снижению содержания углеро­да. Поэтому в ферромарганце и в вы­сокомарганцовистом чугуне содержа­ние углерода выше, чем в обычном передельном (до 7 %), а в литейных чугунах с повышенными концентра­циями кремния содержание углерода ниже (3,5-4,5 %).

Одна из эмпирических формул для расчета содержания углерода в чугуне:

%С = 4,8 + 0,03 %Мп - 0,27 %Si -- 0,32 %Р-0,03 %S.

Рис.4.1. Отношение цены скрапа к стоимо­сти чугуна в Германии 1975-1995 гг.

Обычно передельный (используе­мый для передела чугуна в сталь) чу­гун имеет состав, мас.%: С 4,4—4,6; Si 0,2-0,8; Мп 0,2-0,6; Р < 0,3; S < 0,05.

Таким образом, в чугуне ~94 % Fe и 6 % различных примесей. В процессе передела чугуна в сталь в окислитель­ных условиях основная масса приме­сей окисляется. Кроме того, при ис­пользовании кислорода для продувки сталеплавильной ванны часть железа (1—2%) испаряется, окисляется и в виде пылегазовых выбросов покидает агрегат. Масса шлака в момент окон­чания плавки стали составляет 10— 20 % от массы металла. Шлак содер­жит 20—25 % оксидов железа, или 1,5— 2,5 % Fe от массы металла. Этот расчет показывает, что при плавке стали из шихты, состоящей на 100 % из жидко­го чугуна, около 10 % ее массы перехо­дит в шлак и в газовую фазу и расход металлошихты на 1 т жидкой стали превышает 1100 кг.

Мировая цена 1 т жидкого чугуна 140—160 долл. США, цена металлоло­ма ниже, она меняется в зависимости от конъюнктуры рынка (рис. 4.1). Этим объясняется стремление метал­лургов гибко реагировать на колеба­ние цен и максимально использовать в шихте металлолом.

МИКСЕРЫ

Практически на всех заводах, в соста­ве которых имеются доменные печи, смонтированы специальные разливоч­ные машины для получения из жидко­го чугуна так называемых «чушек». Полученные чушки твердого чугуна направляют для использования на за­воды, не имеющие доменных печей. Однако основная масса выплавляемого чугуна поступает в сталеплавильные цехи в жидком виде — использование в качестве шихты жидкого чугуна эко­номически более выгодно, так как при этом снижаются затраты энергии и со­кращается продолжительность плав­ки. Состав и температуру чугуна не­скольких плавок (выпусков из домен­ной печи) необходимо выравнять. Для этой цели служат специальные агрега­ты—миксеры¹. Использование мик­сера позволяет иметь некоторый запас чугуна, что гарантирует ритмичную работу сталеплавильного цеха. Если доменный цех не обеспечивает выпуск чугуна строго определенного состава и температуры и сталеплавильному цеху необходимо все время иметь опреде­ленный запас жидкого чугуна, строят специальное миксерное отделение, в котором устанавливают один или два стационарных миксера. Вместимость типовых стационарных миксеров со­ставляет 1300 и 2500 т.

¹ От англ, mixer— смеситель.

В миксер с одной стороны залива­ют чугун, поступающий в чугуновозных ковшах из доменного цеха, а сдругой (противоположной) стороны по мере необходимости чугун из него сливают в ковши для подачи к стале­плавильным агрегатам. Миксерное отделение связано эстакадой с рабо­чей площадкой сталеплавильного цеха. По эстакаде составы с чугуно-возными ковшами транспортируются непосредственно к печам или конвер­терам. Миксеры, в которых проводят какие-либо технологические опера­ции (например, удаление кремния), называют активными (в отличие от обычных, которые можно назвать не­активными).

На рис. 4.2 приведены план и раз­рез миксерного отделения с двумя миксерами вместимостью по 2500т, входящего в состав цеха с 350-т кон­вертерами. В миксерном отделении установлены два миксера 5 и 10, два миксерных (заливочных) крана 7 и 11, машины 75 для скачивания шлака из миксеров, машина 8 для скачивания шлака из чугуновозных ковшей, уста­новки 16 для улавливания графита, весы 2 для взвешивания жидкого чугу­на, стенды 7 для шлаковых ковшей и

Рис. 4.2.План и разрез миксерного отделения

тельфер 17 для проведения ремонтных работ. Железнодорожные пути 3 и 4 служат для подачи чугуновозов 14, прибывающих из доменного цеха. Рельсовые пути 12 и 13 широкой ко­леи предназначены для передвижения самоходных чугуновозов 9, доставляю­щих чугун к конвертерам.

На поверхности жидкого чугуна в миксерах всегда имеется слой шлака, называемого миксерным шлаком, со­став которого может меняться в очень широких пределах, %: SiO₂ 35—55; CaO 20-35; MgO 3-15; A1₂O₃ 4-8; MnO 2—10; S до 2. Содержащиеся в миксерном шлаке сера, а также крем­незем являются нежелательными ком­понентами. Теоретически этот шлак не должен попадать в сталеплавиль­ный агрегат, так как обычно он почти не содержит железа и в нем суще­ственное количество SiO₂ и серы. Кроме того, этот шлак, по существу, является балластом.

Рис. 4.3 иллюстрирует трудность обеспечения десульфурации стали в конвертере при попадании в конвер­тер значительных количеств доменно­го шлака. Существующие сегодня уст­ройства часто не обеспечивают полно­го скачивания шлака перед заливкой жидкого чугуна в сталеплавильный аг­регат, и это обстоятельство необходи­мо принимать во внимание при прове­дении различных расчетов. Обычно шлак скачивают из чугуновозных ков­шей и перед заливкой чугуна в мик­сер, и из миксера по мере накопления в нем шлака. Шлак из миксера скачи­вают машиной 15 (см. рис. 4.2) в ковш шлаковоза 6, убираемого самоходным чугуновозом. Скачивание шлака из чугуновозных ковшей осуществляют машиной 8 в шлаковый ковш, уста­новленный на стенде 7.

Количество шлака в миксере мож­но уменьшить, если перед заливкой чугуна в миксер удалить шлак с поверх­ности чугуна в чугуновозных ковшах. Содержащийся в миксерном шлаке кремнезем воздействует на футеровку миксера, снижая ее стойкость. Обыч­но футеровку миксера выполняют из магнезитового кирпича, а для свода используют шамотный кирпич. Стой­кость футеровки миксера составляет около одного года. При системати­ческом торкретировании ее можно продлить до пяти лет.

Форма миксера определяется усло­виями минимальной теплоотдачи и рационального размещения заливоч­ного и выпускного отверстий. Наибо­лее часто встречающийся тип конст­рукции миксера — цилиндр с отноше­нием длины к диаметру -1,3.

Для уменьшения потерь тепла ис­пользуют слой теплоизоляционного материала между металлическим кожухом и футеровкой; в торцовых стенках миксера устанавливают го­релки для

Рис. 4.3.Зависимость степени десульфура­ции в конвертере (300-т конвертеры НЛМК) от количества доменного шлака, попавшего в конвертер с жидким чугуном

его отопления. Расход топ­лива на горелки невелик, и продукты сгорания выходят прямо в миксерное отделение. Несмотря на большой слой футеровки (-700 мм) и подачу топлива для отопления миксера, чу­гун в миксере несколько охлаждается. Особенно велики потери тепла во время переливов чугуна из ковшей в миксер и из миксера в ковш.

К достоинствам стационарных миксеров относятся: возможность за­паса чугуна, необходимого для рит­мичной работы цеха, хорошее переме­шивание и усреднение состава чугуна и его температуры. Однако в условиях современных высокопроизводитель­ных цехов проявились и основные не­достатки стационарных миксеров: 1) необходимость существенных зат­рат на строительство миксерного отде­ления и соответствующего оборудова­ния; 2) потери тепла чугуна при пере­ливах; 3) недостаточное усреднение состава и температуры чугуна. Приня­то считать, что удовлетворительное усреднение состава и температуры чу­гуна в миксере имеет место в том слу­чае, если продолжительность пребы­вания чугуна в миксере составляет -8 ч (т. е. если чугун в миксере обнов­ляется полностью не более трех раз в сутки).

Современный конвертерный цех потребляет в сутки 12—20 тыс. т чугу­на, в то время как даже миксер вмес­тимостью 2500 т может в сутки усреднить не более 2500 • 3 = 7,5 тыс. т чугу­на. По мере совершенствования рабо­ты современных мощных доменных печей объемом 4000—5000 м³ улучша­ется обеспечение снабжения сталепла­вильного цеха чугуном постоянных состава и температуры. При четкой и равномерной работе доменных печей, а также при постоянстве состава и температуры чугуна вместо стацио­нарных миксеров используют чугуно-возные ковши миксерного типа, назы­ваемые передвижными миксерами (рис. 4.4). К преимуществам пере­движных миксеров по сравнению со стационарными относятся: 1) сниже­ние капитальных затрат при строи­тельстве и уменьшение сроков строи­тельства; 2) уменьшение потерь тепла чугуна на 25-30 ºС вследствие исклю­чения одного перелива (это позволяет увеличить долю лома в металлозавалке примерно на 2 %); 3) возможность приема всей плавки доменной печи в один ковш-миксер, что позволяет уп­ростить организацию работ в домен­ном цехе; 4) улучшение условий для организации внедоменной обработки чугуна.

Основным недостатком пере­движных миксеров является невоз­можность усреднения состава и тем­пературы чугуна различных плавок. В нашей стране для новых сталепла­вильных цехов изготавливают ковши миксерного типа вместимостью 600 т. Такая грузоподъемность обус­ловлена, с одной стороны, возмож­ностью приема всей плавки домен­ной печи объемом 5000-5500 м³, с другой — возможностью обеспечить чугуном сразу две плавки в цехе с конвертерами вместимостью 300— 350 т. Передвижной 600-т миксер яв­ляется довольно массивным соору­жением — его масса (включая футе­ровку и оборудование) более 1,2 тыс. т; габаритные размеры, м: длина 39,56, ширина 3,5, высота от уровня головки рельсов 4,7 (рис. 4.4). Эксплуатация передвижных миксе­ров такой грузоподъемности предус­мотрена лишь на внутризаводских железнодорожных путях (стандарт­ной колеи). При перевозке чугуна на большие расстояния и из города в город обычно используют передвиж­ные миксеры меньшей грузоподъем­ности.

В тех случаях, когда сталепла­вильный цех входит в состав завода, не имеющего доменного цеха, в ка­честве шихты в сталеплавильных аг­регатах используют твердый чугун, который привозят на завод в чуш­ках. В некоторых (редких) случаях для ускорения плавки и повышения производительности сталеплавиль­ных агрегатов чушковый чугун предварительно расплавляют в спе­циальных агрегатах (обычно шахт­ного типа).

Рис. 4.4.Передвижной миксер емкостью 600 т конструкции ВНИИметмаша:

1 — двенадцатиосная тележка; 2 — торцовая крышка; 3 — бандаж; 4 — горловина; 5 —кабина привода; 6—

автосцепка

МЕТАЛЛОЛОМ

Металлолом является одной из глав­ных составляющих металлошихты. Основными источниками металли­ческого лома являются отходы произ­водств. Различают: а) лом, образую­щийся на металлургических заводах (его названия: собственный лом, обо­ротный лом); б) лом, образующийся на заводах, потребляющих металло­прокат и другую металлургическую продукцию при изготовлении своей продукции (это стружка, обрезь ме­талла и т. п.); в) амортизационный лом (отслужившие свой срок станки, ма­шины, рельсы, предметы быта из чер­ных металлов и т. п.).

В последние годы заметно измени­лось соотношение между этими ос­новными источниками поступления металлолома (табл. 4.1).

Таблица 4.1. Оценочный состав металлолома

Конечно, в табл. 4.1 приведены только оценочные показатели, но они четко отражают определенные тенден­ции последних 10—15 лет, так как произошла полная замена обычных методов разливки стали непрерывной разливкой. Международный институт железа и стали IISI (International Iron and Steel Institute) рекомендует ис­пользовать для оценочных расчетов следующее соотношение:

В= (0,3 - 0,175C/(1 + 0.175С),

где В — количество собственного оборотного лома, т/т стали; С —доля (от 0 до 1) стали, разливаемой на УНРС.

Из уравнения следует: а) если С = О (нет непрерывной разливки), то В= 3, т. е. на 1 т выплавленной стали образу­ется 0,3 т лома; б) если С= 1 (вся сталь разливается на УНРС), то В = 0,106 т/т стали — уменьшение обрези и других потерь металла при переходе на не­прерывную разливку практически в 3 раза является главной причиной рез­кого снижения доли оборотного ме­таллолома. Кроме того, для послед­них лет характерны повышение каче­ства стали, совершенствование методов непрерывной разливки и прокатки и способов металлообра­ботки, вследствие чего заметно уменьшилась масса отходов металло­обработки (меньше стружки, обрези, брака и т. д.). Соответственно выросла и продолжает расти доля амортизаци­онного лома — самого «неприятного» для металлургов источника лома, если учитывать возможность наличия в нем нежелательных примесей, прежде все­го цветных металлов.

Проблема получения стали, чистой от примесей цветных металлов, стано­вится, таким образом, очень серьез­ной. По данным ЕОУС (Европейского объединения угля и стали), содержа­ние контролируемых примесей цвет­ных металлов ∑(Cu + Sn + Ni + Сг +

+ Mo) в углеродистых марках стали должно быть, % (не более):

Сталь для торговых сортов проката 0,50

Сталь для получения тонкой проволоки 0,25

Сталь для изделий особо глубокой

вытяжки 0,14

Сталь для белой жести для консервных

банок 0,12

В настоящее время даже в каче­ственной шихте обычное содержание этих примесей составляет, %:

Измельченный автомобильный лом 0,51

Мелкая обрезь листового проката 0,13

Передельный чугун 0,06

Железо прямого восстановления 0,02

Использование же случайного, плохо обработанного металлолома ча­сто приводит к тому, что проба, взятая из ванны расплавленного в сталепла­вильном агрегате металла, показывает невозможность получения из данной шихты стали нужной марки.

Какие пути решения этой проб­лемы?

Необходимо:

1) организовать тщательную сорти­ровку и отбор шихты в зависимости от планируемой к выплавке марки стали;

2) максимально использовать обо­рудование для разделки металлолома: резка на гидравлических ножницах, измельчение на шредцинг-установках¹, фрагментация (разделение маг­нитных и немагнитных фрагментов) и т. п. Так, по данным уральских метал­лургов, мелкая фракция, отсеиваемая при ножничной порезке лома, содер­жит до 60 % меди, содержащейся в ломе до переработки;

3) выплавлять отдельные марки ста­ли (с особыми требованиями по чисто­те от примесей цветных металлов), ис­пользуя в качестве шихты только чугун и не применяя металлолом;

4) создавать новые виды металло-шихты, чистой от примесей цветных металлов;

5) использовать в качестве метал-лошихты продукты прямого восста­новления железа из железных руд. Все перечисленные приемы сегодня ак­тивно используют и зарубежные, и отечественные металлурги. Ясно, что переработка лома связана с опреде­ленными затратами, но на 1 т железа они ниже, чем затраты на добычу и обогащение железной руды и получе­ние из нее чугуна. Нужно также учи­тывать, что чугун содержит ~94 % Fe, а металлолом — ~99 % Fe. Наиболее ценными являются металлолом и раз­личные отходы из легированной ста­ли. Эти материалы отбирают и хранят отдельно.

По оценкам IISI, в мире ежегодно образуется товарного лома 350— 385 млн. т, в том числе оборотного около 115 и амортизационного 155— 185 млн. т. По оценкам комиссии ООН, цена 1 т лома находится на уровне 100-140 долл. США. На луч­шие сорта металлолома (например, отслужившие свой срок рельсы) цена иногда достигает 160 долл. США/т.

¹ От англ, shredding — измельчение.