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.