Добавлен: 09.11.2023
Просмотров: 23
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Введение.
Железо и сера обладают неограниченной растворимостью в жидком состоянии и очень малой растворимостью в твёрдом состоянии. Вследствие понижения растворимости во время кристаллизации и охлаждения стали сера выделяется из раствора в виде включений сульфидов FeS (при температуре 11900С) или окси-сульфидов, располагающихся по границам зёрен, ослабляя их связь и ухудшая свойства металла. Сера снижает коррозионную устойчивость и способствует трещинообразованию, образует эвтектику, которая при прокатке (ковке), оставаясь жидкой концентрируется по границам зёрен, образуя плёнки (причина трещин). Растворимость серы уменьшается с температурой, если при Т=13650С она максимальна и составляет 0,05%, то при температурах 1200, 1100, 10000С она равна 0,031; 0,021; 0,013% соответственно. Влияние легирующих на растворимость серы резко отрицательно. При выплавке конструкционных сталей содержание S не > 0,01%; шарикоподшипниковых и трансформаторной <0,005%. Сера (S) и [S] находятся в равновесии, которое характеризуется коэффициентом распределения LS=(S)/ [S]. В восстановительный период LS = (15-40), иногда 60. За окислительный период окисляется (20 – 40)%, поэтому основное удаление серы происходит в восстановительном периоде. Условия удаления серы: Главным образом, глубокое удаление S, это влияние (FeO)%. Снижение содержания FeO вызывает существенное увеличение LS (т.е. сера начинает активно удаляться). Увеличение основности шлака, вызывает снижение содержания серы. Оптимальная основность (2,7 – 3,3). Увеличение содержания С благоприятно влияет на удаление S. Снижение содержания сери вызывается также увеличением кратности шлака. Повышение температуры позволяет полнее удалить серу. Увеличение поверхности контакта металла и шлака. Процесс удаления серы представлен следующей реакцией: 3(FeS)+(CaC2)+2(CaO) = 3(CaS)+3Fe+2CO.
-
Поведение серы в металлическом расплаве.
Металлический расплав содержит различные примеси (С, Si, Mn, Ni, Cr, O, P, S и др.), которые по форме существования в железе можно разбить на группы:
- Mn, Ni, Cr и др. Размеры их атомов и железа отличаются незначительно (до 10-15%). Такие примеси обладают неограниченной растворимостью в жидком железе и высокой в твердом, образуя с железом твердые растворы типа замещения;
- С, N, H. Радиусы их атомов меньше, чем у железа в 2-4 раза; они образуют твердые растворы типа внедрения. Углерод с железом, а также с другими металлами дает химические соединения - карбиды, азот – нитриды, водород – гидриды.
- Si, P. В жидком железе их растворимость неограничена, а в твердом – значительна. С железом образуют довольно прочные соединения: кремний – силициды, фосфор - фосфиды.
- О, S. Оба элемента обладают малой растворимостью в твердом железе (
0,01 % О,
0,015 % S). В жидком железе кислород растворяется ограниченно (
0,23 % при 1600 0С), а S - значительно. С железом образуют прочные соединения: кислород – оксиды, сера – сульфиды.
Введение.
Железо и сера обладают неограниченной растворимостью в жидком состоянии и очень малой растворимостью в твёрдом состоянии. Вследствие понижения растворимости во время кристаллизации и охлаждения стали сера выделяется из раствора в виде включений сульфидов FeS (при температуре 11900С) или окси-сульфидов, располагающихся по границам зёрен, ослабляя их связь и ухудшая свойства металла. Сера снижает коррозионную устойчивость и способствует трещинообразованию, образует эвтектику, которая при прокатке (ковке), оставаясь жидкой концентрируется по границам зёрен, образуя плёнки (причина трещин). Растворимость серы уменьшается с температурой, если при Т=13650С она максимальна и составляет 0,05%, то при температурах 1200, 1100, 10000С она равна 0,031; 0,021; 0,013% соответственно. Влияние легирующих на растворимость серы резко отрицательно. При выплавке конструкционных сталей содержание S не > 0,01%; шарикоподшипниковых и трансформаторной <0,005%. Сера (S) и [S] находятся в равновесии, которое характеризуется коэффициентом распределения LS=(S)/ [S]. В восстановительный период LS = (15-40), иногда 60. За окислительный период окисляется (20 – 40)%, поэтому основное удаление серы происходит в восстановительном периоде. Условия удаления серы: Главным образом, глубокое удаление S, это влияние (FeO)%. Снижение содержания FeO вызывает существенное увеличение LS (т.е. сера начинает активно удаляться). Увеличение основности шлака, вызывает снижение содержания серы. Оптимальная основность (2,7 – 3,3). Увеличение содержания С благоприятно влияет на удаление S. Снижение содержания сери вызывается также увеличением кратности шлака. Повышение температуры позволяет полнее удалить серу. Увеличение поверхности контакта металла и шлака. Процесс удаления серы представлен следующей реакцией: 3(FeS)+(CaC2)+2(CaO) = 3(CaS)+3Fe+2CO.
-
Поведение серы в металлическом расплаве.
Металлический расплав содержит различные примеси (С, Si, Mn, Ni, Cr, O, P, S и др.), которые по форме существования в железе можно разбить на группы:
- Mn, Ni, Cr и др. Размеры их атомов и железа отличаются незначительно (до 10-15%). Такие примеси обладают неограниченной растворимостью в жидком железе и высокой в твердом, образуя с железом твердые растворы типа замещения;
- С, N, H. Радиусы их атомов меньше, чем у железа в 2-4 раза; они образуют твердые растворы типа внедрения. Углерод с железом, а также с другими металлами дает химические соединения - карбиды, азот – нитриды, водород – гидриды.
- Si, P. В жидком железе их растворимость неограничена, а в твердом – значительна. С железом образуют довольно прочные соединения: кремний – силициды, фосфор - фосфиды.
- О, S. Оба элемента обладают малой растворимостью в твердом железе (
0,01 % О, Поведение серы в металлическом расплаве.
Важнейшие реакции сталеплавильных процессов
Сталь получают из чугуна и лома методом окислительного рафинирования (т. е. очищения). Кислород для окисления содержащихся в них примесей (углерода, кремния, марганца, фосфора и др.) поступает или из атмосферы, или из железной руды и других окислителей, либо при продувке ванны газообразным кислородом. Стадии окислительного рафинирования:
· передача кислорода металлу из окисляющей фазы;
· окислительные реакции;
· удаление из металла продуктов реакции в отдельную фазу.
Окисление углерода
В современных сталеплавильных процессах главным компонентом металлической шихты является твердый или жидкий чугун, содержание углерода в котором всегда значительно выше, чем в готовой стали. В связи с этим, сталеплавильные процессы сопровождаются процессом удаления избыточного углерода из металла. Выделение из ванны пузырей газа, представляющего продукт окисления углерода, сопровождается интенсивным перемешиванием ее, ускорением процессов тепло- и массообмена, дегазации металла и удаления из него неметаллических включений.
Растворенный углерод в железе условно обозначают [С]. Продуктом реакции окисления углерода в расплаве является преимущественно монооксид углерода СО, хотя при низких концентрациях углерода в металле возможно образование незначительных количеств диоксида углерода СО2. Схематически можно представить реакцию окисления углерода в виде
[С] + [О] = {СО}.
Окисление кремния
Кремний растворяется в железе в любых соотношениях, обладает большим сродством к кислороду и практически полностью окисляется уже в период плавления. Окисление кремния сопровождается выделением большого количества теплоты, поэтому иногда кремний является основным элементом, в результате окисления которого происходит нагрев металла (бессемеровский процесс). Окисление кремния происходит по реакциям
[Si] + 2[О] = (SiO2) + Q; [Si] + 2 (FeO) = (SiO2) + 2[Fe] + Q.
При плавке под основным шлаком СаО/SiO2>2 окисление кремния происходит практически необратимо из-за связывания продукта реакции в прочный силикат кальция 2CaO·SiO2. При горячем ходе кислого процесса имеет место значительное восстановление кремния.
Поведение марганца
Марганец по своим свойствам близок к железу, растворяется в нем в любых соотношениях, образуя раствор, очень близкий к идеальному. При низких температурах сталеплавильного процесса в окислительных условиях марганец окисляется с выделением теплоты, переходя в шлак. Реакции окисления марганца можно представить в виде
[Mn] + [O] ↔ (MnO) + Q; [Mn] + (FeO) ↔ (MnO) + [Fe] + Q.
С повышением температуры и основности шлака марганец может частично восстанавливаться кремнием, углеродом и железом. Поскольку почти все стали содержат марганец, то его восстановление в процессе плавки явление желательное.
Поведение фосфора
Фосфор является вредной примесью, ухудшает механические свойства стали при температурах ниже 0°С и вызывает явление, называемое хладноломкостью. Главным источником поступления фосфора в металл при сталеплавильном процессе является чугун, часть фосфора поступает из железного лома и ферросплавов. Окисление растворенного в металле фосфора схематически можно представить в виде
2[P] + 5(FeO) = (P2O5) + 5[Fe] + Q.
Окисление и переход фосфора в шлак сопровождаются выделением теплоты. В связи с этим, например, в томасовском процессе фосфор является основным источником теплоты, под действием которой происходит нагрев металла. Поскольку реакция окисления фосфора экзотермическая, то удаление фосфора из металла стремятся проводить при умеренных температурах. При повышении температуры возможно восстановление фосфора и переход его в металл за счет углерода, кремния, марганца и железа. Фосфор можно удержать в шлаке, повысив основность шлака, введением СаО. При этом в шлаке образуются устойчивые соединения, например, 3СаО.Р2О5, снижающее активность фосфора в шлаке. Таким образом, суммарный процесс перехода фосфора в шлак можно представить в виде
2[P] + 5(FeO) + 3(СаО) = 3СаО.Р2О5 + 5[Fe] + Q.
Для удаления фосфора из металла необходимо обеспечить быстрое формирование железисто-известкового шлака. Это условие необходимое, но недостаточное. При высоких содержаниях фосфора в металлической шихте после того, как фосфор окислился и значительная часть его перешла в шлак, последний необходимо удалить из сталеплавильного агрегата и навести новый присадкой шлакообразующих материалов. Увеличением количества шлака можно снизить содержание фосфора в металле, однако ведение процесса с большими массами шлака связано с увеличением потерь железа и требует дополнительных затрат энергии и времени, поэтому к такой мере прибегают лишь при крайней необходимости.
Поведение серы
Сера является вредной примесью, придает металлу красноломкость, связанную с выделением при кристаллизации стали в межзеренном пространстве сульфидов железа, которые с железом образуют эвтектику, плавящуюся при температурах 988 °С, которая в присутствии кислорода (образование оксисульфидов) плавится при еще более низких температурах. Слиток стали, содержащий большое количество серы, разрушается при пластической обработке (горячая ковка, штамповка, прокатка) в условиях температур 1200-1250 °С. При этом прослойки, разобщающие зерна стали, находятся в жидком состоянии и способствуют разрушению металла при его деформации. Источниками серы являются шихтовые материалы и, главным образом, чугун. Часть серы содержится в стальном ломе и шлакообразующих материалах. Сера является поверхностно-активным элементом и на поверхностях раздела фаз концентрация ее всегда выше, чем в объеме растворов. Для перевода серы из металла в шлак наиболее эффективным является увеличение поверхности контакта металла со шлаком или другой десульфурирующей фазой (например, вдуваемые в металл тонкоизмельченные порошкообразные реагенты). Переход серы из металла в шлак проходит на границе раздела. Удаление серы из металла в шлак происходит по реакции
(СaО) + [FeS] = (CaS) + (FeO).
Повышение основности и снижение окисленности шлака способствуют десульфурации. Положительную роль оказывает также повышение температуры металла и активное перемешивание ванны.
-
Десульфурация металла.
Сера, так же как и фосфор, является вредной примесью в стали и вносится в металл шихтовыми материалами и некоторыми видами топлива. Содержание серы в стали допускается от 0,005 до 0,06%.
Сера обладает высокой химической активностью и образует сернистые соединения – сульфиды. Сернистые соединения ухудшают многие важные характеристики служебных свойств металлов и сплавов, усиливают склонность к образованию горячих трещин при прокате и сварке. В то же время серу специально вводят в автоматные стали с повышенным содержанием марганца для получения хорошей обрабатываемости режущими инструментами этой стали.
Учитывая вредные действия серы на качество стали, кроме автоматной, металлурги стремятся как можно больше её удалить из металла во время плавки.
Сера обладает большой поверхностной активностью, поэтому процесс десульфурации осуществляется главным образом на поверхности раздела металл – шлак. Для термодинамического анализа металлической ванны может быть принята следующая схематическая реакция:
(CaO) + [ FeS ] → (CaS) + (FeO).
Успешно протекает процесс десульфурации металлической ванны при наличии достаточно-основного и жидкоподвижного шлака. Чем выше основность шлака, тем больше, при прочих равных условиях, он может удерживать в своем составе серы, и тем выше должны быть показатели десульфурации.
Когда повышение основности шлака не сопровождается снижением его вязкости, концентрация серы в шлаке не увеличивается и показатели десульфурации начинают ухудшаться.
Сера является вредной примесью в стали, понижающей свойства металла. На всех стадиях производства стараются снизить содержание серы в металле. Принимают возможные меры для удаления серы в ходе доменной плавки. В чугуне может растворяться до 0,9 % S. Основная часть серы вносится в доменную печь с коксом, меньшая доля с агломератом или рудой — в виде сернистого железа FeS, пирита Fe2S2, сульфатов BaSO4, CaSO4 и т. п. Некоторое количество серы переходит в газообразное состояние и удаляется вместе с газами в виде SO2, H2S. При выплавке передельного чугуна уносится с газами до 15 %, а при выплавке литейного чугуна — до 20 % серы. Сера, переходящая из кокса в виде H2S, SO2, взаимодействует с металлом, известью, образуя FeS, CaS.
2.2. Технология сифонной разливки.
При сифонной разливке металл из сталеразливочного ковша направляется в центровой литник, после чего поступает по сифонным трубкам в изложницы. Одновременно из одной центровой могут наполняться от 2 до 64 изложниц, размещенных на чугунных поддонах.
Преимущества сифонной разливки.
Поверхность более чистая, т.к. металл при разливе поступает в изложницу снизу, поднимается сравнительно медленно и спокойно. Такой способ разливки обеспечивает меньшую окисленность металла, обеспечивает возможность образования подкорковых пузырей. Слитки, отлитые сифонным способом, не требуют обдирки и значительной зачистки; продолжительность разливки меньше, т.к. одновременно осуществляется отливка нескольких слитков, при этом плавку большой массы можно разливать в мелкие слитки.
Разливка сифонным способом дает возможность регулирования в более широких пределах скорости наполнения изложниц и наблюдения за поведением металла в изложницах на протяжении всего периода разливки. Слиток получается качественный, однородный, плотный, нет расплескивания металла по стенкам изложниц и трещин, вследствие меньшей скорости разливки металла.
Недостатки сифонной разливки.
Необходимость нагрева металла в печи до более высокой температуры из-за охлаждения металла в центровой и сифонных трубках.
Увеличенный расход металла на литниковую систему (0,7-2,0 % от массы разливаемой стали). Повышенная стоимость разливки, связанная с расходом сифонного кирпича, установка дополнительного оборудования, большая трудоемкость сборки поддонов и центровых.
Сифонным способом разливают углеродистую и легированную сталь, к поверхности которых предъявляют высокие требования.
При разливке стали не должно быть затворов корочки и прерывания струи.
2.3. Тепловой режим мартеновской печи.
Изменение тепловой нагрузки по ходу плавки.
В период завалки из-за большой разницы между температурой сыпучих материалов, металлического лома и факела происходит усиленная передача тепла от факела к заваливаемой шихте. Тепловая нагрузка в этот период в 1,5 раза больше его среднего значения.
В период нагрева шихты разница температур между факелом и шихтой уменьшается, снижается тепловосприятие лома. Поэтому для предотвращения перегрева футеровки и чрезмерного оплавления шихты тепловая нагрузка снижается и составляет 85-90% от максимальной.