Развитие технологий в черной металлургии

Металлургия - отрасль промышленности - система технологических процессов, направленных на производство металлов из их природных соединений (руд) и дальнейшую обработку этих металлов для придания им определенного вида и свойств. В связи с делением металлов на черные и цветные металлургия также делится на металлургию черных металлов и металлургию цветных металлов.

К металлургии черных металлов относятся предприятия, производящие чугун и сталь. Сталь и чугун - это сплавы на основе железа с углеродом, причем в сталях углерода может содержаться не более 2%, а в чугунах - от 2% и выше (до 6,67%). Кроме углерода и в сталях, и в чугунах присутствуют так называемые неизбежные примеси (марганец, кремний, сера, фосфор), по-разному влияющие на их свойства. Сера и фосфор ухудшают свойства этих сплавов, а потому называются вредными; марганец и кремний являются полезными примесями. Традиционным процессом производства чугуна является доменный процесс, суть которого состоит в восстановлении железа из руд и его науглероживании.

Технологический процесс выплавки чугуна в доменной печи можно представить в виде системы, имеющей входы и выходы:

доменный мартеновский конвертер восстановление

К технико-экономическим показателям данной технологической системы относятся:

коэффициент использования полезного объема доменной печи:

КИПО

где V_пол - полезный объем доменной печи, м³;

Q_Cyт - производительность печи, т.

Полезный объем доменной печи - объем занятый исходными материалами (шихтой) и продуктами плавки.

Коэффициент расхода кокса:

где А - количество кокса, расходуемое для выплавки Т (тонн) чугуна.

Чем ниже эти показатели, тем более эффективно протекает доменный процесс. Анализ технико-экономических показателей позволяет сделать вывод о том, что для повышения производительности технологического процесса и снижения себестоимости чугуна необходимо:

1) усовершенствовать процесс подготовки исходных материалов к плавке (вместо руды применить агломерат и окатыши, содержащие повышенный процент железа, пониженное количество вредных примесей и обладающих хорошей восстановительной способностью);

2) усовершенствовать технологический процесс плавки (произвести частичную замену кокса природным газом, повысить температуру и давление вдуваемого в печь воздуха);

3) увеличить полезный объем доменной печи.

Главным продуктом доменной плавки является чугун. Доменные чугуны подразделяются на:

- передельные чугуны, идущие на переработку в сталь;

- литейные чугуны - полуфабрикат для производства машиностроительных чугунов;

- ферросплавы - двойные сплавы железа с кремнием и марганцем, используемые для раскисления стали и других нужд металлургии.

Машиностроительные чугуны - чугуны, содержащие углерод в виде графита. В зависимости от формы графитовых включений меняются и прочностные свойства чугуна. Поэтому чугуны классифицируются и маркируются не по химическому составу, а по механическим свойствам на следующие группы:

1) Ковкий чугун, получаемый путем длительного ступенчатого отжига белого чугуна и содержащий углерод в виде графита хлопьевидной формы. Эти чугуны обладают более высокой пластичностью, чем серые, однако «ковкий» - название условное, обрабатывать чугун давлением нельзя. Маркируется ковкий чугун буквами КЧ (ковкий чугун). Первое число в марке показывает предел прочности чугуна на растяжения, второе - относительное удлинение, например, КЧ40-10;

2) Серый чугун - широко распространенный дешевый конструкционный материал, обладающий оптимальными свойствами, содержит графит в форме игл или пластин, например СУ21-40. Первое число означает предел прочности чугуна на растяжение, второе - предел прочности чугуна на изгиб;

3) Высокопрочный чугун обладает повышенной прочностью и имеет графит округлой (глобулярной) формы. Маркировка: ВЧ 60-2. Первое число - предел прочности чугуна на растяжение, второе - относительное удлинение.

Чугуны применяются в различных областях промышленности: для изготовления деталей машин, приборов, агрегатов, труб, в строительстве промышленных и гражданских зданий, мостов, в машиностроении, приборостроении применяют конструкции, изготовленные из стали. При работе под большими нагрузками (подкрановые балки, каркасы нижних этажей, многоэтажных зданий) стальные конструкции прочнее железобетонных.

По химическому составу сталь делится на углеродистую и легированную.

В зависимости от содержания углерода углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,3% углерода), среднеуглеродистые (0,3 - 0,6% С) и высокоуглеродистые (свыше 0,6% С). Низкоуглеродистые применяются в качестве конструкционных сталей, высокоуглеродистые - инструментальных.

Легированные стали, помимо углерода и неизбежных примесей, содержат еще такие элементы, как хром, никель, титан, молибден, вольфрам, ванадий и др. для придания им особых свойств (жаропрочности, кислотоупорности и т.д.).

Качество стали определяется содержанием в ней вредных примесей серы (S) и фосфора (Р), снижающих ее механические свойства.

Классифицируются стали по качеству, составу и назначению.

Углеродистые конструкционные стали маркируются буквами «Ст», затем следует цифра, показывающая содержание углерода С в сотых долях процента, например, Ст 45 (0,45% С). Инструментальные стали маркируются буквой «У». Цифра в марке показывает содержание углерода в десятых долях процента, например, У13 (1,3% С). В легированных сталях легирующий элемент обозначают буквой русского алфавита; его процентное содержание в стали - цифрой, например XI8H9T (18% Сг; 9% Ni; 1 - 1,5% Ti).

В современной металлургии сталь выплавляют в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электрических печах (электродуговых и индукционных).

Для повышения качества стали применяют дополнительную внепечную ее обработку - рафинирование, вакуумирование, обработку синтетическим флюсом, электрошлаковый переплав и т.п.

Технологический процесс производства стали можно представить в виде системы, имеющей входы и выходы:

Анализируя вышеуказанные методы выплавки стали, необходимо отметить преимущественный рост количества стали, выплавляемой в кислородных конвертерах. Этот метод имеет существенные достоинства перед другими: он более экономичен, так как топлива для передела чугуна в сталь не требуется, а все тепло берется от собственных, протекающих в шихте, реакций; так как шихта продувается кислородом и плавка идет под слоем флюса, сталь получается хорошего качества; метод обладает высокой производительностью. Один конвертер емкостью 250 т дает 1200 тыс. т стали в год, тогда как мартеновская печь вместимостью 500 т - около 400 тыс. т стали в год. В кислородном конвертере можно выплавлять низколегированные стали для листового и сортового проката труб, химического оборудования, для электротехнических целей и т.д. Однако более совершенным методом производства стали является ее выплавка в электропечах, позволяющих повышать температуру до 6000°С. Это дает возможность получать стали с максимальным удалением вредных примесей (серы и фосфора) и с большим содержанием тугоплавких легирующих элементов. Недостаток метода - большая энергоемкость процесса, что повышает себестоимость стали.

Мартеновский способ выплавки стали отличается низкой производительностью, большими капитальными затратами, высокой себестоимостью стали. По этой причине мартеновские печи частично заменены на конвертеры, остальные - реконструированы в двухванные для улучшения технико-экономических показателей. В большинстве развитых стран этот метод выплавки стали вообще не применяется.

К новым технологическим процессам в черной металлургии относятся: технологический процесс получения синтетического чугуна в индукционных печах и бескоксовый, бездоменный процесс прямого восстановления железа.

Новый технологический процесс получения синтетического чугуна в индукционных печах основан на использовании отходов, образующихся на машиностроительных заводах. Качество чугуна, выплавляемого таким способом, высокое, что обеспечивается изотермической выдержкой расплава при достаточно высоких температурах. Выплавка чугуна в индукционных печах расширяет возможности производства высокопрочного чугуна различных марок и назначения, а также получения чугуна с шаровидным графитом. Механические свойства такого чугуна почти на 100% выше, чем серого. Достоинствами данного метода являются высокая производительность, снижение себестоимости (по сравнению с традиционными способами) на 15 - 25%, уменьшение безвозвратных потерь от угара в 6 - 7 раз.

Рассмотрим бескоксовый, бездоменный, метод прямого восстановления железа из железорудных концентратов с помощью водорода или природного газа. Суть этой технологии состоит в том, что мелкораздробленный железный концентрат, смешанный с водой, в виде пульпы подают с помощью насосов по трубе с месторождения на металлургический комбинат. Вода отделяется в специальных отстойниках и вновь поступает в водооборот. Из руды благодаря специальным добавкам и обработке во вращающихся барабанах получают окатыши - комки сферической формы размером 2 - 30 мм. Эти окатыши| направляются в шахтную печь. Там в процессе взаимодействия с водородом (или природным газом) оксиды железа восстанавливаются до металла. В результате образуется губчатое железо - полуфабрикат, содержащий до 85% основного компонента, который отправляется на переплавку в электропечах. Так получают высококачественную сталь. В результате сокращается технологический цикл (отсутствует доменное и коксохимическое производство), экономятся ресурсы, уменьшается потребность в воде, практически отсутствую вредные выбросы.

Среди принципиально новых методов, позволяющих получать конструкционные материалы, в частности сталь несравненно более высокого качества, с большой надежностью и долговечностью, являются специальные методы рафинирования расплава. Это - электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП), плазменно-дуговой (ПДП) и электронно-лучевой переплав (ЭЛП), вакуумная индукционная плавка и плазменная плавка. Общая особенность процессов специальной электрометаллургии состоит в том, что создаются благоприятные условия для рафинирования жидкой стали с использованием расплавленного токопроизводящего шлака (при ЭШП), вакуума (при ВДП, ВИП и ЭЛП), инертной атмосферы (при ПДП) и перегрева жидкой стали в любом процессе.

Электрошлаковый переплав позволяет значительно повысить пластичность стали, в результате чего упрощается процесс и сокращается трудоемкость горячей обработки давлением, в том числе прокатки труб, штамповки и прессовки давлением, в том числе прокатка труб, штамповка и прессование изделий из жаростойких и жаропрочных сталей. С помощью ЭШП снижается металлоемкость, экономятся затраты живого труда.

Рассмотрим технико-экономические показатели сталеплавильного производства.

Экономическая эффективность работы конвертера:

,

где П - годовая производительность конвертера, т в год;

Т - масса металлической шихты, т;

1440 - число минут в сутках

a - выход годных слитков, т;

n - длительность плавки, мин.;

t - число рабочих суток в году;

Основным показателем, характеризующим производительность мартеновской печи, является съем стали с одного квадратного метра площади пода печи в сутки С (т/м²):

где P - суточная производительность, т;

S - площадь пода печи, м².

Производительность электропечей определяется по формуле:

,

где П - годовая производительность печи, т;

n - число рабочих суток в году;

Т - продолжительность плавки, ч;

b - масса металлической шихты на одну плавку, т;

а - выход годных слитков из металла шихты, %.

Себестоимость электростали определяется расходом металлической шихты на одну тонну годных слитков и стоимостью передела. Она включает также расход электроэнергии, электродов, огнеупоров, изложниц и зарплату.

Размещено на Allbest.ru